Свойства кристаллов и их применение

Если магнитные моменты отдельных атомов антипараллельны и равны (рис. 5г), то суммарный магнитный момент атомов равен нулю (с учетом температуры). Такие вещества называются антиферромагнетиками. К ним относятся оксиды переходных металлов — MnO, NiO, СоО, FeO, многие фториды, хлориды, сульфиды, селениды и др.

При неравенстве антипараллельных моментов атомов структуры кристаллов суммарный момент оказывается отличным от нуля, и такие структуры обладают спонтанной намагниченностью. Этот нескомпенсированный антиферромагнетизм называют ферримагнетизмом (рис. 5д). Подобным свойством обладают соединения со структурным типом шпинели — ферриты (например, Fe3O4 = Fe3+(Fe2+ , Fe3+)2O4, минералы группы граната).

Магнитные свойства минералов широко используются в технике, а также представляют значительный интерес при решении минералогогенетических, кристаллохимических и геофизических задач.

Магнитные свойства горных пород определяются содержанием и ориентировкой в них минеральных зерен с различными магнитными характеристиками. Любая горная порода, осадочная или магматическая, в момент своего образования приобретает намагниченность по направлению и по величине магнитного поля Земли данного конкретного времени в данной точке планеты. Однажды приобретенная намагниченность породы при благоприятных условиях сохраняется длительное время. Если вырезать из горной породы ориентированный в пространстве образец и измерить его остаточную намагниченность, то можно установить направление остаточных силовых магнитных линий той эпохи, в которой сформировалась данная порода, и, как следствие, вычислить положение геомагнитного полюса. Проводя замеры следов магнитного поля в массовом порядке в горных породах различных возрастов и на разных континентах, можно выявить эволюцию магнитного поля Земли, как бы реконструировать его историю. В этом заключается суть палеомагнитологии — учения о геомагнитном поле прошлых геологических эпох. Эта область геологической науки по-настоящему стала развиваться с середины 50-х гг. X X в. и сыграла выдающуюся роль в становлении современной глобальной геологической теории — тектоники литосферных плит.[4]

Оптические свойства

Каждое вещество с определенной кристаллической структурой характеризуется своеобразными оптическими свойствами, знание которых часто может иметь решающее значение при диагностике. Оптические свойства тесно связаны с кристаллической структурой твердого тела, его симметрией.

В отношении оптических свойств все вещества можно разделить на оптически изотропные и анизотропные. К первым относятся аморфные тела и кристаллы высшей категории, ко вторым — остальные кристаллы. В оптически изотропных средах световая волна, представляющая собой совокупность поперечных гармонических колебаний электромагнитной природы, распространяется с одинаковой скоростью во всех направлениях. В оптически анизотропных средах скорости распространения волны в разных направлениях могут быть различны.

Поскольку скорость распространения света обратно пропорциональна плотности среды, то при переходе света из одной среды в другую происходит преломление лучей, т. е. их отклонение от первоначального направления. Это явление связано с различными скоростями световых лучей в различных средах и характеризуется величиной, называемой показателем преломления, показывающей, во сколько раз скорость света в одной бреде отличается от скорости света в другой. Луч света, идущий перпендикулярно поверхности двух сред, не испытывает преломления. В том случае, если свет из среды с большим показателем преломления попадает в среду с меньшим показателем преломления под углом, превышающим предельный, то наблюдается полное внутреннее отражение. На явлении полного внутреннего отражения основан целый ряд оптических приборов — рефрактометров (приборов для измерения показателей преломления).

Сверкание — световая игра на гранях бриллианта — с одной стороны, обязано высокому показателю преломления алмаза, с другой — специальной огранке кристалла, способствующей неоднократному полному внутреннему отражению падающего на него луча, при котором бриллиант способен отражать практически все падающие на него лучи света.[1]

Оптические свойства ионных кристаллов весьма близки к свойствам этих веществ в растворе. Электрическая составляющая падающего света деформирует электронную оболочку иона. Мерой этой деформации (поля- (поляризации) является рефракция отдельных ионов. Очевидно, что рефракция ионов будет возрастать с увеличением размеров и уменьшением стабильно- стабильности электронной оболочки, например, с увеличением заряда анионов

В симметричных (координационных) структурах, так же как и в растворах, ионная рефракция является аддитивным свойством поляризуемости данных ионов. В несимметричных структурах рефракция обусловлена не только деформацией ионов электрической составляющей светового луча, но также деформацией за счет электрических полей соседних ионов, вызывающих одностороннюю поляризацию. Этот эффект используется в кристаллохимии для суждения о структуре кристалла.

Ионные кристаллы, за исключением солей редкоземельных и переход- переходных металлов, обычно прозрачны и бесцветны.

Гомеополярные вещества существенно отличаются по оптическим свойствам от ионных вследствие наличия у них электронов, принадлежащих одновременно двум атомам. Прочность такой связи сильно варьирует: у алмаза она весьма прочна, у кремния или ZnS — слабее, у олова настолько непрочна, что это вещество обладает многими металлическими свойствами. Уменьшение прочности связи влечет за собой абсорбцию в более длинноволновой части спектра. Алмаз абсорбирует только в ультрафиолетовой части спектра, поэтому он прозрачен и бесцветен. Фотоэлектрическая проводимость этих веществ имеет место в том случае, если их освещать лучами с длинами волн, соответствующими их полосе поглощения. Алмаз обладает фотоэлектрической проводимостью в ультрафиолетовой части спектра, кремний — в видимой, а для олова характерна уже металлическая проводимость.

Гомеополярные соединения обладают высокими показателями преломления, что создает (как говорят в минералогии) характерный смолистый, жирный алмазный блеск. Они часто бывают окрашены и непрозрачны. В растворах характер распределения электронов существенно отличен от распределения их в кристаллах, поэтому оптические свойства, в частности поглощение света, будут здесь совершенно иными. Этим гомеополярные соединения существенно отличаются от ионных. Молекулярные соединения в твердом, жидком и газообразном состояниях имеют приблизительно одинаковые оптические свойства. Соединения с Ван-дер-Ваальсовой связью обычно прозрачны и часто бесцветны. Если структура построена из линейных (большинство парафинов) или плоских (п-дихлорбензол) молекул, приблизительно параллельных друг другу, то у кристаллов наблюдается резкая оптическая анизотропия положительного знака в первом случае и отрицательного — во втором. Оптические свойства кристаллов широко используются для определения положения неизометрических молекул в структуре.[5]

Цвет кристаллов

Цвет любого вещества как физическое свойство обнаруживает себя благодаря способности человеческого глаза различать качественный и количественный состав электромагнитного излучения в видимом диапазоне частот. Современное понимание окраски минералов связано с изучением типов оптического поглощения (оптических спектров). Цвет вещества зависит от природы, состава и строения вещества, а также от условий освещения. Как известно, цвет предмета определяется поглощением (абсорбцией)некоторой части естественного спектра, при этом цвет соответствует не поглощенной части спектра. Например, красное стекло поглощает волны сине-зеленой части спектра и пропускает — красной, а практически бесцветные вещества не абсорбируют ни одной из частот видимого спектра в интервале нашего зрительного восприятия.

При прохождении через оптически анизотропный кристалл свет распадается на два плоско поляризованных луча, плоскости колебаний которых (помним, что свет — это поперечные колебания!) приурочены к определенным атомным плоскостям структуры. Поскольку поглощение света зависит от характера расположения атомов в этих плоскостях, что приводит к разному цвету двух поляризованных лучей, то окраска кристалла — это комбинация их цветов.

Кроме собственной окраски существует окраска, связанная с примесными ионами — хромофорами (центрами окраски). Например, красный цвет кристаллов рубина определяется преимущественно примесью ионов Сг3+. Другие цвета этого минерала зависят от примеси ионов Fe (коричневый цвет), V (фиолетовый цвет), ионов Ti4+ (розовый цвет); наличие ионов Fe3+ и центра О- обусловливает оранжевую окраску кристаллов рубина. Синяя, сине-зеленая и зеленая окраски связаны с хромофорными центрами Fe2+ , Fe3+ , Ti4+ . Все эти центры могут присутствовать в сапфирах в разных сочетаниях, что приводит к огромному разнообразию красок и оттенков. Красная или розовая окраска шпинели связана с изоморфным замещением в структуре минерала ионов Al3+ ионами Сг3+фиолетовая — с вхождением в позиции Mg2+ ионов Fe2+; синюю окраску можно считать комбинированной, возникающей при совместном присутствии ионов Fe3+ , Fe2+ или Со2+.[4]

Вывод

Физические свойства кристаллов определяются в первую очередь природой химических элементов, входящих в их состав, т. е. большую роль играет тип химической связи. Кроме того, проявление тех или иных физических свойств связано с геометрическим характером структуры, т.е. с взаимным расположением атомов в кристаллической структуре минералов, а также с несовершенствами структур реальных кристаллов, отражающих условия их образования. В зависимости от колебаний химического состава физические свойства одного и того же вещества могут варьировать в более или менее широких пределах.

И, в заключении, хочется отметить что зная уникальные свойства кристалла его можно применять в промышленности или быту. Например, кристаллы корунда и алмаза благодаря исключительно высокой твердости используются в буровой технике в качестве абразивов; высокая теплопроводность алмаза позволяет использовать его при изготовлении теплоотводов; графит благодаря малой твердости применяется как смазочный материал, а также для изготовления карандашей; замечательные пьезоэлектрические свойства кварца и турмалина находят широкое применение в электротехнике и радиотехнике; гранаты используются в качестве элементов быстродействующих ЭВМ; кристаллы кальцита и флюорита из-за особых оптических свойств применяются при конструировании оптических приборов; слюда мусковит в прошлом заменяла оконные стекла, а в настоящее время используется как прекрасный изоляционный материал. Таких примеров можно привести множество.

Литература

1.      http://works.tarefer.ru/89/100144/index.html#

2.      http://ru.wikipedia.org/wiki/Лонсдейлит

3.      http://ru.wikipedia.org/wiki/Фуллерит

4.      Егоров-Тисменко Ю. К. ЕЗО Кристаллография и кристаллохимия: учебник / Ю. К. Егоров-Тисменко; под ред. академика В. С. Урусова. — М.: КДУ, 2005. — 592 с : ил.

5.      Кристаллохимия. Изд. третье, переработанное и дополненное. Бокий Г. Б. Изд-во «Наука», 1971 г., стр. 400.

[1] На данный момент известно 2 новый вещества твёрже алмаза – лонсдейлит и фуллерит. Лонсдейлит или алмаз гексагональный— одна из аллотропных модификаций углерода. Он обнаружен в природе, в метеоритном кратере и на 58 процентов тверже алмаза. Для лонсдейлита характерна двухслойная упаковка типа (…АВАВ…), где каждый последующий тетраэдрический слой повернут на 60° по отношению к предыдущему. Для алмаза — трехслойная типа (…АВСАВС…), где все слои построены из одинаковых координационных тетраэдров.[2] Фуллерит — это молекулярный кристалл, в узлах решётки которого находятся молекулы фуллерена. Между молекулами фуллерена в кристалле фуллерита присутствует ван-дер-ваальсовская связь. При стандартных условиях (300 К) молекулы фуллерена образуют гранецентрированную кубическую (ГЦК) кристаллическую решётку. Период такой решётки составляет а = 1,417 нм, средний диаметр молекулы фуллерена С60 составляет 0,708 нм, расстояние между соседними молекулами С60 равно 1,002 нм. Плотность фуллерита составляет 1,7 г/см3, что значительно меньше плотности графита (2,3 г/см3), и, тем более, алмаза (3,5 г/см3). Это связано с тем, что молекулы фуллерена, расположенные в узлах решётки фуллерита, полые. Фуллерит является веществом с очень высокой твёрдостью (примерно в 2 раза твёрже алмаза). Теоретически, из него можно изготавливать инструменты для обработки легированных сталей и алмазов, что, однако, далеко от практической реализации.[3]