Saat melihat kristal dan permata, seseorang ingin memahami bagaimana keindahan misterius ini bisa muncul, bagaimana karya alam yang begitu menakjubkan tercipta. Ada keinginan untuk mempelajari lebih lanjut tentang properti mereka. Bagaimanapun, struktur kristal yang berulang secara khusus dan tidak ada di mana pun memungkinkan mereka untuk digunakan di mana-mana: dari perhiasan hingga penemuan ilmiah dan teknis terbaru.
Studi tentang mineral kristal
Struktur dan sifat kristal begitu beragam sehingga ilmu yang terpisah, mineralogi, terlibat dalam studi dan studi tentang fenomena ini. Akademisi Rusia yang terkenal Alexander Evgenievich Fersman begitu asyik dan terkejut dengan keragaman dan ketidakterbatasan dunia kristal sehingga ia mencoba memikat sebanyak mungkin pikiran dengan topik ini. Dalam bukunya Entertaining Mineralogy, ia dengan antusias dan hangat mengajak untuk berkenalan dengan rahasia mineral dan terjun ke dunia permata:
Aku sangat menginginkanmumemikat hati. Saya ingin Anda mulai tertarik pada gunung dan tambang, tambang dan tambang, sehingga Anda mulai mengumpulkan koleksi mineral, sehingga Anda ingin pergi bersama kami dari kota yang lebih jauh, ke arah sungai, di mana ada adalah tepian berbatu yang tinggi, ke puncak gunung atau ke pantai berbatu, di mana batu pecah, pasir ditambang, atau bijih meledak. Di sana, di mana pun Anda dan saya akan menemukan sesuatu untuk dilakukan: dan di bebatuan, pasir, dan batu yang mati, kita akan belajar membaca beberapa hukum alam besar yang mengatur seluruh dunia dan yang dengannya seluruh dunia dibangun.
Fisika mempelajari kristal, dengan alasan bahwa setiap benda yang benar-benar padat adalah kristal. Kimia menyelidiki struktur molekul kristal, sampai pada kesimpulan bahwa setiap logam memiliki struktur kristal.
Studi tentang sifat kristal yang menakjubkan sangat penting untuk pengembangan ilmu pengetahuan modern, teknologi, industri konstruksi, dan banyak industri lainnya.
Hukum dasar kristal
Hal pertama yang diperhatikan orang saat melihat kristal adalah bentuknya yang ideal dengan berbagai segi, tetapi itu bukanlah ciri utama mineral atau logam.
Ketika sebuah kristal dipecah menjadi pecahan-pecahan kecil, tidak ada yang tersisa dari bentuk idealnya, tetapi pecahan apa pun, seperti sebelumnya, akan tetap menjadi kristal. Ciri khas kristal bukanlah penampilannya, tetapi ciri khas struktur internalnya.
Simetris
Hal pertama yang harus diingat dan diperhatikan saat mempelajari kristal adalah fenomenanyasimetri. Ini tersebar luas dalam kehidupan sehari-hari. Sayap kupu-kupu simetris, jejak noda pada selembar kertas yang dilipat dua. Kristal salju simetris. Kepingan salju heksagonal memiliki enam bidang simetri. Dengan menekuk gambar di sepanjang garis yang menggambarkan bidang simetri kepingan salju, Anda dapat menggabungkan kedua bagiannya satu sama lain.
Sumbu simetri memiliki sifat sedemikian rupa sehingga, dengan memutar suatu bangun dengan beberapa sudut yang diketahui di sekitarnya, adalah mungkin untuk menggabungkan bagian-bagian yang sesuai dari bangun tersebut satu sama lain. Tergantung pada ukuran sudut yang sesuai dimana gambar perlu diputar, sumbu orde 2, 3, 4 dan 6 ditentukan dalam kristal. Jadi, dalam kepingan salju, ada satu sumbu simetri orde enam, yang tegak lurus dengan bidang gambar.
Pusat simetri adalah titik pada bidang gambar, pada jarak yang sama dari elemen struktural gambar yang sama dalam arah yang berlawanan.
Ada apa di dalamnya?
Struktur internal kristal adalah sejenis kombinasi molekul dan atom dalam urutan yang khas hanya untuk kristal. Bagaimana mereka mengetahui struktur internal partikel jika mereka tidak terlihat bahkan dengan mikroskop?
X-ray digunakan untuk ini. Menggunakannya untuk kristal tembus cahaya, fisikawan Jerman M. Laue, ayah dan anak fisikawan Inggris Bragg, dan profesor Rusia Yu. Wolf menetapkan hukum yang dengannya struktur dan struktur kristal dipelajari.
Semuanya mengejutkan dan tidak terduga. Samokonsep struktur molekul ternyata tidak dapat diterapkan pada keadaan kristalin materi.
Misalnya, zat yang terkenal seperti garam meja memiliki komposisi kimia molekul NaCl. Tetapi dalam kristal, atom individu klorin dan natrium tidak bertambah menjadi molekul yang terpisah, tetapi membentuk konfigurasi tertentu yang disebut kisi spasial atau kristal. Partikel terkecil klorin dan natrium terikat secara elektrik. Kisi kristal garam terbentuk sebagai berikut. Salah satu elektron valensi kulit terluar atom natrium dimasukkan ke kulit terluar atom klor, yang tidak terisi penuh karena tidak adanya elektron kedelapan di kulit ketiga klorin. Jadi, dalam kristal, setiap ion natrium dan klorin bukan milik satu molekul, tetapi milik seluruh kristal. Karena fakta bahwa atom klorin adalah monovalen, ia hanya dapat melampirkan satu elektron ke dirinya sendiri. Tetapi fitur struktural kristal mengarah pada fakta bahwa atom klor dikelilingi oleh enam atom natrium, dan tidak mungkin untuk menentukan mana di antara mereka yang akan berbagi elektron dengan klorin.
Ternyata molekul kimia garam dapur dan kristalnya sama sekali tidak sama. Seluruh kristal tunggal seperti satu molekul raksasa.
Grille - model saja
Kesalahan harus dihindari ketika kisi spasial diambil sebagai model nyata dari struktur kristal. Kisi - semacam gambar bersyarat dari contoh koneksi partikel elementer dalam struktur kristal. Titik koneksi grid dalam bentuk bolamemungkinkan Anda untuk menggambarkan atom secara visual, dan garis yang menghubungkannya adalah gambaran perkiraan gaya ikat di antara mereka.
Pada kenyataannya, celah antara atom di dalam kristal jauh lebih kecil. Ini adalah kemasan padat partikel penyusunnya. Bola adalah penunjukan atom konvensional, yang penggunaannya memungkinkan untuk berhasil mencerminkan sifat-sifat pengemasan dekat. Pada kenyataannya, tidak ada kontak atom yang sederhana, tetapi sebagian saling tumpang tindih satu sama lain. Dengan kata lain, bayangan bola dalam struktur kisi kristal, agar lebih jelas, adalah bola berjari-jari yang digambarkan yang berisi bagian utama elektron atom.
Ikrar kekuatan
Ada gaya tarik-menarik listrik antara dua ion yang bermuatan berlawanan. Ini adalah pengikat dalam struktur kristal ionik seperti garam meja. Tetapi jika Anda mendekatkan ion, maka orbit elektronnya akan saling tumpang tindih, dan gaya tolak partikel bermuatan serupa akan muncul. Di dalam kristal, distribusi ion sedemikian rupa sehingga gaya tolak-menolak dan gaya tarik menarik seimbang, memberikan kekuatan kristal. Struktur ini khas untuk kristal ionik.
Dan dalam kisi kristal berlian dan grafit ada hubungan atom dengan bantuan elektron umum (kolektif). Jarak atom yang berdekatan memiliki elektron yang sama yang berputar di sekitar inti atom yang satu dan atom tetangganya.
Studi terperinci tentang teori gaya dengan ikatan semacam itu cukup sulit dan terletak di bidang mekanika kuantum.
Perbedaan Logam
Struktur kristal logam lebih kompleks. Karena fakta bahwa atom logam dengan mudah menyumbangkan elektron eksternal yang tersedia, mereka dapat dengan bebas bergerak di seluruh volume kristal, membentuk apa yang disebut gas elektron di dalamnya. Berkat elektron "berkeliaran" seperti itu, tercipta gaya yang memastikan kekuatan batang logam. Studi tentang struktur kristal logam asli menunjukkan bahwa, tergantung pada metode pendinginan ingot logam, mungkin mengandung ketidaksempurnaan: permukaan, titik dan linier. Ukuran cacat tersebut tidak melebihi diameter beberapa atom, tetapi mereka mendistorsi kisi kristal dan mempengaruhi proses difusi dalam logam.
Pertumbuhan Kristal
Untuk pemahaman yang lebih mudah, pertumbuhan zat kristal dapat direpresentasikan sebagai ereksi struktur bata. Jika satu bata dari pasangan bata yang belum selesai disajikan sebagai bagian integral dari kristal, maka dimungkinkan untuk menentukan di mana kristal akan tumbuh. Sifat energi kristal sedemikian rupa sehingga batu bata yang ditempatkan pada batu bata pertama akan mengalami tarikan dari satu sisi - dari bawah. Saat berbaring di yang kedua - dari dua sisi, dan di yang ketiga - dari tiga. Dalam proses kristalisasi - transisi dari cairan ke keadaan padat - energi (panas fusi) dilepaskan. Untuk kekuatan terbesar dari sistem, energi yang mungkin harus cenderung minimum. Oleh karena itu, pertumbuhan kristal terjadi lapis demi lapis. Pertama, satu baris pesawat akan selesai, kemudian seluruh pesawat, dan baru kemudian yang berikutnya akan mulai dibangun.
Ilmukristal
Hukum dasar kristalografi - ilmu tentang kristal - mengatakan bahwa semua sudut antara bidang permukaan kristal yang berbeda selalu konstan dan sama. Tidak peduli seberapa terdistorsi kristal yang tumbuh, sudut antara wajahnya mempertahankan nilai yang sama yang melekat pada jenis ini. Terlepas dari ukuran, bentuk, dan jumlah, wajah bidang kristal yang sama selalu berpotongan pada sudut yang telah ditentukan sebelumnya. Hukum kekekalan sudut ditemukan oleh M. V. Lomonosov pada tahun 1669 dan memainkan peran utama dalam studi struktur kristal.
Anisotropi
Keunikan proses pembentukan kristal disebabkan oleh fenomena anisotropi - karakteristik fisik yang berbeda tergantung pada arah pertumbuhan. Kristal tunggal menghantarkan listrik, panas dan cahaya secara berbeda dalam arah yang berbeda dan memiliki kekuatan yang tidak sama.
Dengan demikian, unsur kimia yang sama dengan atom yang sama dapat membentuk kisi kristal yang berbeda. Misalnya, karbon dapat mengkristal menjadi berlian dan menjadi grafit. Pada saat yang sama, berlian adalah contoh kekuatan maksimum di antara mineral, dan grafit dengan mudah meninggalkan sisiknya saat menulis dengan pensil di atas kertas.
Mengukur sudut antara permukaan mineral sangat penting secara praktis untuk menentukan sifatnya.
Fitur Dasar
Setelah mempelajari fitur struktural kristal, kita dapat menjelaskan secara singkat sifat-sifat utamanya:
- Anisotropi - sifat tidak merata di arah yang berbeda.
- Keseragaman - dasarkonstituen kristal, berjarak sama, memiliki sifat yang sama.
- Kemampuan untuk memotong sendiri - setiap fragmen kristal dalam media yang cocok untuk pertumbuhannya akan mengambil bentuk beragam dan akan ditutupi dengan wajah yang sesuai dengan jenis kristal ini. Sifat inilah yang memungkinkan kristal mempertahankan simetrinya.
- Invarians titik leleh. Penghancuran kisi spasial mineral, yaitu transisi zat kristal dari padat ke cair, selalu terjadi pada suhu yang sama.
Kristal adalah padatan yang berbentuk polihedron simetris. Struktur kristal, yang dicirikan oleh pembentukan kisi spasial, berfungsi sebagai dasar untuk pengembangan fisika teori struktur elektronik benda padat. Studi tentang sifat dan struktur mineral sangat penting secara praktis.
