Войти
Кристалл аметист кварц 
Микроскопически монокристалл имеет атомы в почти идеальном периодическом расположении; поликристалл состоит из множества микроскопических кристаллов (называемых «кристаллитами » или «зернами»); и аморфное твердое вещество (такое как стекло ) не имеет периодической структуры даже на микроскопическом уровне. A кристалл или кристаллическое твердое вещество представляет собой твердое тело материал, компоненты которого (например, атомы, молекулы или ионы ) расположены в высокоупорядоченной микроскопической структуре, образуя кристаллическую решетку , который простирается во всех направлениях. Кроме того, макроскопические монокристаллы обычно идентифицируются по их геометрической форме, состоящей из плоских граней с определенной характерной ориентацией. Научные исследования кристаллов и образования кристаллов известны как кристаллография. Процесс образования кристаллов с помощью механизмов роста кристаллов называется кристаллизацией или затвердеванием.
Слово кристалл происходит от древнегреческого слова κρύσταλλος ( krustallos), что означает «лед » и «горный хрусталь », от κρύος (kruos), «ледяной холод, мороз».
Примеры крупных кристаллов включают снежинки, бриллианты и поваренная соль. Большинство неорганических твердых веществ представляют собой не кристаллы, а поликристаллы, то есть множество микроскопических кристаллов, сплавленных вместе в одно твердое тело. Примеры поликристаллов включают большинство металлов, горных пород, керамики и льда. Третья категория твердых веществ - это аморфные твердые тела, атомы которых не имеют никакой периодической структуры. Примеры аморфных твердых веществ включают стекло, воск и многие пластмассы.
Несмотря на название, кристалл свинца, хрустальное стекло и сопутствующие товары не кристаллы, а типы стекла, т.е. аморфные твердые тела.
Кристаллы часто используются в псевдонаучных практиках, таких как терапия кристаллами, и, наряду с драгоценными камнями, иногда связаны с заклинаниями. в викканских верованиях и связанных с ними религиозных движениях.
Микроскопическая структура кристалла галита (минерала). (Фиолетовый - ион натрия, зеленый - ион хлора ). В расположении атомов кубическая симметрия. 
Макроскопический (~ 16см) кристалл галита. Прямые углы между гранями кристаллов обусловлены кубической симметрией расположения атомов Научное определение «кристалла» основано на микроскопическом расположении атомов внутри него, которое называется кристаллической структурой. Кристалл - это твердое тело, в котором атомы образуют периодическое расположение. (Квазикристаллы являются исключением, см. ниже).
Не все твердые тела являются кристаллами. Например, когда жидкая вода начинает замерзать, фазовый переход начинается с мелких кристаллов льда, которые растут, пока не сплавляются, образуя поликристаллическую структуру . В последней глыбе льда каждый из маленьких кристаллов (называемых «кристаллитами » или «зернами») представляет собой настоящий кристалл с периодическим расположением атомов, но весь поликристалл не имеет периодического расположения атомов, потому что периодический узор нарушен на границах зерен . Большинство макроскопических неорганических твердых тел являются поликристаллическими, включая почти все металлы, керамику, лед, горные породы и т. Д. Твердые вещества, которые не являются ни кристаллическими, ни поликристаллическими, такие как стекло, называются аморфными твердыми телами, также называемыми стеклообразными, стекловидными или некристаллическими. У них нет периодического порядка, даже микроскопического. Существуют явные различия между кристаллическими твердыми телами и аморфными твердыми телами: в первую очередь, процесс формирования стекла не выделяет скрытую теплоту плавления, а образование кристалла выделяет.
Кристаллическая структура (расположение атомов в кристалле) характеризуется своей элементарной ячейкой, небольшой воображаемой коробкой, содержащей один или несколько атомов в определенном пространственном расположении. Элементарные ячейки уложены стопкой в трехмерном пространстве, чтобы сформировать кристалл.
Симметрия кристалла ограничена требованием, чтобы элементарные ячейки располагались в стопке без зазоров. Существует 219 возможных симметрий кристаллов, называемых кристаллографическими пространственными группами. Они сгруппированы в 7 кристаллических систем, таких как кубическая кристаллическая система (где кристаллы могут образовывать кубы или прямоугольные коробки, такие как галит, показанный справа) или гексагональная кристаллическая система (где кристаллы могут образовывать шестиугольники, такие как обычный водяной лед ).
По мере роста кристалла галита новые атомы могут очень легко прикрепляться к частям поверхности с грубой структурой атомного масштаба и множеством свисающих облигации. Поэтому эти части кристалла очень быстро растут (желтые стрелки). В конце концов, вся поверхность состоит из гладких, стабильных граней, к которым новые атомы не могут так легко прикрепиться. Кристаллы обычно распознаются по их форме, состоящей из плоских граней с острыми углами. Эти характеристики формы не являются обязательными для кристалла - кристалл с научной точки зрения определяется его микроскопическим атомным расположением, а не его макроскопической формой, - но характерная макроскопическая форма часто присутствует и ее легко увидеть.
Евэдральные кристаллы - это кристаллы с четко выраженными плоскими гранями. Неэдральные кристаллы этого не делают, обычно потому, что кристалл представляет собой одно зерно в поликристаллическом твердом теле.
Плоские грани (также называемые фасетами ) кристалла идиоморфной ориентированы определенным образом относительно нижележащего атомного расположения кристалла : это самолеты с относительно низким индексом Миллера. Это происходит потому, что некоторые ориентации поверхности более стабильны, чем другие (более низкая поверхностная энергия ). По мере роста кристалла новые атомы легко прикрепляются к более грубым и менее стабильным частям поверхности, но труднее прикрепляются к плоским стабильным поверхностям. Следовательно, плоские поверхности имеют тенденцию становиться больше и гладче, пока вся поверхность кристалла не будет состоять из этих плоских поверхностей. (См. Диаграмму справа.)
Один из старейших методов в науке кристаллографии состоит в измерении трехмерной ориентации граней кристалла и использовании их для вывода в основе симметрии кристалла.
A габитуса кристалла является его видимая внешняя форма. Это определяется кристаллической структурой (которая ограничивает возможные ориентации граней), специфическим химическим составом кристаллов и связью (которые могут отдавать предпочтение одним типам граней по сравнению с другими) и условиями, в которых формировался кристалл.
кристаллы льда 
ископаемые оболочки с кристаллами кальцита По объему и весу самые большие концентрации кристаллов на Земле составляют часть ее твердой коренной породы. Кристаллы, обнаруженные в горных породах, обычно имеют размер от долей миллиметра до нескольких сантиметров в поперечнике, хотя иногда встречаются исключительно крупные кристаллы. По состоянию на 1999 год самым большим известным в мире кристаллом природного происхождения является кристалл берилла из Малакиалины, Мадагаскар, длиной 18 м (59 футов) и диаметром 3,5 м (11 футов), и весом 380 000 кг (840 000 фунтов).
Некоторые кристаллы образовались в результате магматических и метаморфических процессов, в результате чего образовались большие массы кристаллической породы. Подавляющее большинство магматических пород образовано из расплавленной магмы, и степень кристаллизации зависит в первую очередь от условий, при которых они затвердевали. Такие породы, как гранит, которые охлаждались очень медленно и под большим давлением, полностью кристаллизовались; но многие виды лавы выливались на поверхность и очень быстро охлаждались, и в этой последней группе часто встречается небольшое количество аморфного или стеклообразного вещества. Другие кристаллические породы, метаморфические породы, такие как мраморы, слюдяные сланцы и кварциты, перекристаллизованы. Это означает, что сначала они были обломочными породами, такими как известняк, сланец и песчаник, и никогда не находились в расплавленном состоянии или полностью раствора, но условия высокой температуры и давления метаморфизма повлияли на них, стирая их первоначальные структуры и вызывая перекристаллизацию в твердом состоянии.
Другие кристаллы горных пород образовались в результате осаждения из флюидов, обычно вода, с образованием друзов или кварцевых жил. Эвапориты, такие как галит (минерал), гипс и некоторые известняки, откладывались из водного раствора, в основном из-за испарения в засушливом климате..
Водный лед в виде снега, морского льда и ледников являются обычными кристаллическими / поликристаллическими структурами на Земле и других планетах. Одиночная снежинка представляет собой монокристалл или набор кристаллов, а кубик льда - это поликристалл.
Многие живые организмы способны производить кристаллы, например кальцит и арагонит в случае большинства моллюсков или гидроксилапатита в случай позвоночных.
Одна и та же группа атомов часто может затвердевать разными способами. Полиморфизм - это способность твердого вещества существовать в более чем одной кристаллической форме. Например, вода лед обычно находится в гексагональной форме Ice I h, но также может существовать как кубический Ice I c, ромбоэдрический лед II и многие другие формы. Различные полиморфы обычно называют разными фазами.
. Кроме того, одни и те же атомы могут быть способны образовывать некристаллические фазы. Например, вода также может образовывать аморфный лед, тогда как SiO 2 может образовывать как плавленый кварц (аморфное стекло), так и кварц ( кристалл). Точно так же, если вещество может образовывать кристаллы, оно может также образовывать поликристаллы.
Для чистых химических элементов полиморфизм известен как аллотропия. Например, алмаз и графит представляют собой две кристаллические формы углерода, а аморфный углерод представляет собой некристаллическую форму. Полиморфы, несмотря на наличие одинаковых атомов, могут иметь совершенно разные свойства. Например, алмаз является одним из самых твердых известных веществ, а графит настолько мягкий, что его используют в качестве смазки.
Полиаморфизм представляет собой аналогичное явление, когда одни и те же атомы могут существовать более чем в одной твердой аморфной форме.
Вертикальный охлаждающий кристаллизатор на сахарном заводе. Кристаллизация - это процесс образования кристаллической структуры из жидкости или из материалов, растворенных в жидкости. (Реже кристаллы могут быть нанесены непосредственно из газа; см. осаждение тонких пленок и эпитаксия.)
Кристаллизация является сложной и Область широко изучена, потому что в зависимости от условий одна жидкость может затвердеть во множество различных возможных форм. Он может образовывать монокристалл, возможно, с различными возможными фазами, стехиометрией, примесями, дефектами и привычками. Или он может образовывать поликристалл с различными возможностями для размера, расположения, ориентации и фазы его зерен. Окончательная форма твердого вещества определяется условиями, при которых жидкость затвердевает, такими как химический состав жидкости, окружающее давление, температура и скорость с которые все эти параметры меняются.
Конкретные промышленные методы производства крупных монокристаллов (так называемые були ) включают процесс Чохральского и метод Бриджмена. В зависимости от физических свойств вещества могут использоваться другие менее экзотические методы кристаллизации, включая гидротермальный синтез, сублимацию или просто кристаллизацию на основе растворителя.
Large монокристаллы могут быть созданы геологическими процессами. Например, кристаллы селенита размером более 10 метров обнаружены в Пещере кристаллов в Найке, Мексика. Для получения дополнительных сведений о геологическом образовании кристаллов см. выше.
Кристаллы также могут образовываться в результате биологических процессов, см. выше. И наоборот, у некоторых организмов есть специальные методы предотвращения кристаллизации, такие как белки-антифризы.
Два типа кристаллографических дефектов. Вверху справа: краевое смещение. Внизу справа: винтовая дислокация.В идеальном кристалле каждый атом находится в идеальном, точно повторяющемся узоре. Однако в действительности большинство кристаллических материалов имеют множество кристаллографических дефектов, мест, где структура кристалла прерывается. Типы и структура этих дефектов могут сильно влиять на свойства материалов.
Несколько примеров кристаллографических дефектов включают вакансионные дефекты (пустое пространство, в которое должен поместиться атом), межузельные дефекты (дополнительный атом, втиснутый туда, где он не помещается). fit) и вывихами (см. рисунок справа). Дислокации особенно важны в материаловедении, потому что они помогают определять механическую прочность материалов.
Еще одним распространенным типом кристаллографических дефектов является примесь, что означает, что "неправильный «тип атома присутствует в кристалле. Например, идеальный кристалл алмаза будет содержать только атомов углерода, но настоящий кристалл, возможно, также может содержать несколько атомов бора. Эти примеси бора изменяют цвет алмаза на слегка голубой. Аналогично, единственное различие между рубином и сапфиром заключается в типе примесей, присутствующих в кристалле корунда.
Сдвоенная кристаллическая группа пирита. В полупроводниках особый тип примеси, называемый легирующей примесью, радикально изменяет электрическую свойства. Полупроводниковые устройства, такие как транзисторы, стали возможными в основном благодаря размещению различных полупроводниковых легирующих элементов в разных местах по определенным схемам.
Двойникование - это явление где-то между кристаллографическим дефектом и границей зерен. Подобно границе зерен, двойниковая граница имеет разную ориентацию кристаллов с двух сторон. Но в отличие от границ зерен ориентации не случайны, а связаны определенным, зеркальным образом.
Мозаичность - это разброс ориентаций кристаллических плоскостей. Предполагается, что мозаичный кристалл состоит из более мелких кристаллических единиц, которые несколько смещены относительно друг друга.
В общем, твердые вещества могут удерживаться вместе с помощью различных типов химических связей, таких как металлические связи, ионные связи, ковалентные связи, ван-дер-ваальсовые связи и другие. Ни один из них не обязательно является кристаллическим или некристаллическим. Однако можно выделить следующие общие тенденции.
Металлы почти всегда поликристаллические, хотя есть исключения, такие как аморфный металл и монокристаллические металлы. Последние выращиваются синтетическим путем. (Микроскопически маленький кусок металла может естественным образом образовывать монокристалл, но более крупные куски, как правило, этого не делают.) Ионные соединения материалы обычно являются кристаллическими или поликристаллическими. На практике крупные кристаллы соли могут быть созданы путем отверждения расплавленной жидкости или путем кристаллизации из раствора. Ковалентно связанные твердые вещества (иногда называемые твердыми телами с ковалентной сеткой ) также очень распространены, примечательными примерами которых являются алмаз и кварц. Слабые силы Ван-дер-Ваальса также помогают удерживать вместе определенные кристаллы, такие как кристаллические молекулярные твердые тела, а также межслойное связывание в графите. Полимерные материалы обычно образуют кристаллические области, но длина молекул обычно предотвращает полную кристаллизацию, а иногда полимеры полностью аморфны.
Материал гольмий-магний-цинк (Ho-Mg-Zn) образует квазикристаллы, которые могут принимать макроскопическую форму a пятиугольный додекаэдр. Только квазикристаллы могут обладать этой 5-кратной симметрией. Края имеют длину 2 мм. A квазикристалл состоит из массивов атомов, которые упорядочены, но не строго периодичны. У них много общих атрибутов с обычными кристаллами, таких как отображение дискретного рисунка в дифракции рентгеновских лучей и способность формировать формы с гладкими плоскими гранями.
Квазикристаллы наиболее известны своей способностью демонстрировать пятикратную симметрию, которая невозможна для обычного периодического кристалла (см. теорему о кристаллографических ограничениях ).
Международный союз кристаллографии изменил определение термина «кристалл», чтобы включить как обычные периодические кристаллы, так и квазикристаллы («любое твердое тело, имеющее по существу дискретную дифракционную диаграмму»).
Квазикристаллы, впервые обнаруженные в 1982 году, на практике встречаются довольно редко. Известно, что только около 100 твердых тел образуют квазикристаллы по сравнению с примерно 400 000 периодических кристаллов, известных в 2004 году. Нобелевская премия по химии 2011 года была присуждена Дэну Шехтману за открытие квазикристаллов.
Кристаллы могут обладать некоторыми особыми электрическими, оптическими и механическими свойствами, которые обычно не могут быть у стекла и поликристаллов. Эти свойства связаны с анизотропией кристалла, то есть с отсутствием вращательной симметрии в его атомном расположении. Одним из таких свойств является пьезоэлектрический эффект, когда напряжение на кристалле может сжимать или растягивать его. Другой - двулучепреломление, при котором двойное изображение появляется при просмотре через кристалл. Более того, различные свойства кристалла, включая электрическую проводимость, электрическую диэлектрическую проницаемость и модуль Юнга, могут различаться в разных направлениях в кристалле. Например, кристаллы графита состоят из стопки листов, и хотя каждый отдельный лист механически очень прочен, листы довольно слабо связаны друг с другом. Следовательно, механическая прочность материала сильно различается в зависимости от направления нагрузки.
Не все кристаллы обладают всеми этими свойствами. И наоборот, эти свойства не являются исключительными для кристаллов. Они могут появляться в стеклах или поликристаллах, которые были сделаны анизотропными в результате рабочего или напряжения - например, индуцированное напряжением двойное лучепреломление.
Кристаллография - это наука об измерении кристаллической структуры (другими словами, расположения атомов) кристалла. Одним из широко используемых методов кристаллографии является дифракция рентгеновских лучей. Большое количество известных кристаллических структур хранится в кристаллографических базах данных.
Иней : Тип кристаллов льда (рисунок снято с расстояния около 5 см).
Галлий, металл, который легко образует крупные кристаллы.
Кристалл апатита находится спереди и в центре вишнево-красных ромбов родохроита, пурпурных кубиков флюорита, кварца и медно-желтых кубиков пирита.
Були из кремния, подобные этому, представляют собой важный тип промышленного монокристалла.
Образец, состоящий из кристалла халькопирита, покрытого борнитом, помещенного в слой прозрачных кристаллов кварца и блестящих кристаллов пирита. Кристалл, покрытый борнитом, имеет диаметр до 1,5 см.
игольчатые кристаллы миллерита, частично заключенные в кристалл кальцита и окисленные на своей поверхности до заратита ; из девонской формации Милуоки в Висконсин
.
