Kamar bacaan teknologi modern pengelolaan

Abstrak tentang fisika

Kristal dan sifat-sifatnya

Lengkap:

Diperiksa:

Perkenalan

Badan kristal adalah salah satu jenis mineral.

Padatan disebut kristal properti fisik yang tidak identik pada arah yang berbeda, tetapi berimpit pada arah yang sejajar.

Keluarga badan kristal terdiri dari dua kelompok - kristal tunggal dan polikristal. Yang pertama terkadang memiliki bentuk luar yang teratur secara geometris, sedangkan yang terakhir, seperti benda amorf, tidak memiliki bentuk spesifik yang melekat pada zat tertentu. Namun tidak seperti benda amorf, struktur polikristal bersifat heterogen dan granular. Mereka adalah kumpulan kristal kecil yang berorientasi kacau - kristalit - yang menyatu satu sama lain. Struktur polikristalin besi tuang, misalnya, dapat dideteksi dengan memeriksa sampel yang retak dengan kaca pembesar.

Kristal bervariasi dalam ukuran. Banyak dari mereka hanya dapat dilihat melalui mikroskop. Namun ada kristal raksasa yang beratnya beberapa ton.

Struktur kristal

Variasi bentuk kristal sangat besar. Kristal dapat memiliki empat hingga beberapa ratus segi. Tetapi pada saat yang sama, mereka memiliki sifat yang luar biasa - apapun ukuran, bentuk dan jumlah permukaan kristal yang sama, semua permukaan datar berpotongan satu sama lain pada sudut tertentu. Sudut antara sisi-sisi yang bersesuaian selalu sama. Kristal garam kasar, misalnya, dapat berbentuk kubus, paralelepiped, prisma, atau benda yang bentuknya lebih rumit, tetapi mukanya selalu berpotongan tegak lurus. Permukaan kuarsa berbentuk segi enam tidak beraturan, tetapi sudut antar permukaannya selalu sama - 120°.

Hukum keteguhan sudut, ditemukan pada tahun 1669 oleh orang Denmark Nicholas Steno, adalah hukum yang paling penting ilmu kristal - kristalografi.

Pengukuran sudut antar permukaan kristal sangat besar signifikansi praktis, karena berdasarkan hasil pengukuran tersebut, dalam banyak kasus sifat mineral dapat ditentukan secara andal. Alat paling sederhana untuk mengukur sudut kristal adalah goniometer terapan. Penggunaan goniometer terapan hanya mungkin untuk mempelajari kristal besar; keakuratan pengukuran yang dilakukan dengan bantuannya juga rendah. Bedakan, misalnya, kristal kalsit dan nitrat, yang bentuknya serupa dan memiliki sudut antara permukaan yang bersesuaian sama dengan 101 ° 55" pada yang pertama dan 102°41,5" pada yang kedua, menggunakan goniometer yang diterapkan sangatlah sulit. Oleh karena itu, dalam kondisi laboratorium, pengukuran sudut antar permukaan kristal biasanya dilakukan dengan menggunakan instrumen yang lebih kompleks dan akurat.

Kristal dengan bentuk geometris beraturan jarang ditemukan di alam. Aksi bersama seperti faktor yang tidak menguntungkan, karena fluktuasi suhu dan kedekatan dengan padatan di sekitarnya, tidak memungkinkan kristal yang tumbuh memperoleh bentuk karakteristiknya. Selain itu, sebagian besar kristal yang pernah terpotong sempurna di masa lalu berhasil kehilangannya karena pengaruh air, angin, dan gesekan dengan benda padat lainnya. Jadi, banyak butiran bulat transparan yang ditemukan di pasir pantai merupakan kristal kuarsa yang kehilangan tepinya akibat gesekan yang berkepanjangan satu sama lain.

Ada beberapa cara untuk mengetahui apakah padat kristal. Yang paling sederhana, tetapi sangat tidak cocok untuk digunakan, ditemukan sebagai hasil pengamatan yang tidak disengaja akhir XVIII V. Ilmuwan Perancis Renne Gahuy secara tidak sengaja menjatuhkan salah satu kristal dari koleksinya. Setelah memeriksa pecahan kristal, dia menyadari bahwa banyak di antaranya merupakan salinan kecil dari sampel aslinya.

Sifat luar biasa dari banyak kristal, ketika dihancurkan, untuk menghasilkan fragmen yang serupa bentuknya dengan kristal aslinya, memungkinkan Haüy berhipotesis bahwa semua kristal terdiri dari deretan partikel kecil yang padat, tidak terlihat di bawah mikroskop, memiliki bentuk geometris teratur yang melekat pada suatu kristal. zat yang diberikan. Gayuy menjelaskan keragaman bentuk geometris tidak hanya dari perbedaan bentuk “batu bata” penyusunnya, tetapi juga cara yang berbeda instalasi mereka.

Hipotesis Hayuya dengan tepat mencerminkan esensi fenomena - susunan yang teratur dan padat elemen struktural kristal, tapi dia tidak menanggapi keseluruhan rangkaian isu-isu kritis. Apakah ada batasan untuk mempertahankan bentuk? Jika ada, “bata” manakah yang terkecil? Apakah atom dan molekul suatu zat berbentuk polihedra?

Kembali ke abad ke-18. Ilmuwan Inggris Robert Hooke dan ilmuwan Belanda Christiaan Huygens menarik perhatian pada kemungkinan pembangunan polihedra biasa dari bola yang dikemas rapat. Mereka menyarankan bahwa kristal dibangun dari partikel bulat - atom atau molekul. Bentuk eksternal kristal, menurut hipotesis ini, merupakan konsekuensi dari karakteristik kepadatan atom atau molekul. Terlepas dari mereka, ilmuwan besar Rusia M.V. Lomonosov sampai pada kesimpulan yang sama pada tahun 1748.

Ketika bola-bola tersebut dikemas rapat menjadi satu lapisan datar, setiap bola dikelilingi oleh enam bola lainnya, yang bagian tengahnya terbentuk segi enam biasa. Jika lapisan kedua diletakkan di sepanjang lubang di antara bola-bola lapisan pertama, maka lapisan kedua akan sama dengan lapisan pertama, hanya saja relatif tergeser dalam ruang.

Meletakkan bola lapis ketiga dapat dilakukan dengan dua cara (Gbr. 1). Pada metode pertama, bola-bola lapisan ketiga ditempatkan di lubang-lubang yang terletak tepat di atas bola-bola lapisan pertama, dan lapisan ketiga ternyata merupakan salinan persis dari lapisan pertama. Dengan mengulangi penumpukan lapisan dengan cara ini, diperoleh struktur yang disebut struktur padat heksagonal. Pada cara kedua, bola-bola lapisan ketiga ditempatkan pada lubang-lubang yang letaknya tidak tepat di atas bola-bola lapisan pertama. Metode pengepakan ini menghasilkan struktur yang disebut struktur kubik padat. Kedua paket memberikan tingkat pengisian volume sebesar 74%. Tidak ada cara lain untuk mengatur bola di ruang angkasa tanpa adanya deformasi ke tingkat yang lebih besar tidak memenuhi volumenya.

Saat meletakkan bola baris demi baris menggunakan metode pengepakan tertutup heksagonal, prisma heksagonal beraturan dapat diperoleh; metode pengepakan kedua mengarah pada kemungkinan membuat kubus dari bola.

Jika prinsip pengepakan rapat diterapkan ketika membuat kristal dari atom atau molekul, maka tampaknya kristal hanya ditemukan di alam dalam bentuk prisma dan kubus heksagonal. Kristal dengan bentuk seperti ini memang sangat umum. Susunan atom yang rapat heksagonal, misalnya, sesuai dengan bentuk kristal seng, magnesium, dan kadmium. Pengepakan padat kubik sesuai dengan bentuk kristal tembaga, aluminium, perak, emas dan sejumlah logam lainnya.

Namun keragaman dunia kristal tidak terbatas pada dua bentuk ini.

Keberadaan bentuk kristal yang tidak sesuai dengan prinsip pengepakan terdekat dari bola berukuran sama mungkin disebabkan oleh berbagai alasan.

Pertama, kristal dapat dibuat dengan mengikuti prinsip pengepakan rapat, tetapi dari atom ukuran yang berbeda atau dari molekul yang bentuknya sangat berbeda dari bola (Gbr. 2). Atom oksigen dan hidrogen memiliki bentuk bola. Ketika satu atom oksigen dan dua atom hidrogen bergabung, terjadi penetrasi timbal balik kulit elektron. Oleh karena itu, molekul air memiliki bentuk yang sangat berbeda dengan bola. Ketika air membeku, pengemasan padat molekul-molekulnya tidak dapat dilakukan dengan cara yang sama seperti pengemasan bola berukuran sama.

Kedua, perbedaan antara susunan atom atau molekul dengan yang paling padat dapat dijelaskan dengan adanya ikatan yang lebih kuat antar atom atau molekul dalam arah tertentu. Kapan kristal atom arah ikatan ditentukan oleh struktur kulit elektron terluar atom, dalam kristal molekuler - oleh struktur molekul.

Cukup sulit untuk memahami struktur kristal hanya dengan menggunakan model tiga dimensi dari strukturnya. Berkaitan dengan hal tersebut, metode penggambaran struktur kristal menggunakan spasial kisi kristal. Ini adalah jaringan spasial, simpul-simpulnya bertepatan dengan posisi pusat atom (molekul) dalam kristal. Model seperti itu dapat dilihat secara menyeluruh, tetapi dari model tersebut seseorang tidak dapat mempelajari apa pun tentang bentuk dan ukuran partikel yang menyusun kristal.

Kisi kristal didasarkan pada sel satuan - sebuah gambar ukuran terkecil, dengan transfer berturut-turut seluruh kristal dapat dibangun. Untuk mengkarakterisasi sel secara unik, Anda perlu menentukan dimensi tepinya a, b dan c serta besar sudut a , b dan g di antara mereka. Panjang salah satu sisinya disebut konstanta kisi kristal, dan seluruh himpunan enam nilai yang menentukan sel disebut parameter sel.

Gambar 3 menunjukkan bagaimana seluruh ruang dapat dibangun dengan menumpuk sel satuan.

Penting untuk memperhatikan fakta bahwa sebagian besar atom, dan untuk banyak jenis kisi kristal, setiap atom tidak termasuk dalam satu sel satuan, tetapi secara bersamaan merupakan bagian dari beberapa sel satuan yang berdekatan. Misalnya, sel satuan kristal garam batu.

Bagian kristal yang ditunjukkan pada gambar harus dianggap sebagai sel dasar kristal garam batu, yang darinya seluruh kristal dapat dibuat melalui transfer di ruang angkasa. Dalam hal ini, harus diperhitungkan bahwa dari ion-ion yang terletak di bagian atas sel, hanya seperdelapan dari masing-masing ion yang menjadi miliknya; dari ion-ion yang terletak di tepi sel, masing-masing seperempatnya termasuk; Dari ion-ion yang terletak pada permukaannya, masing-masing dari dua sel satuan yang bertetangga menyumbang setengah dari ion.

Mari kita hitung jumlah ion natrium dan jumlah ion klor yang terkandung dalam satu satuan sel garam batu. Sel seluruhnya mengandung satu ion klorin yang terletak di tengah sel, dan seperempat dari masing-masing 12 ion terletak di tepi sel. Total ion klorin dalam satu sel 1+12*1/4=4 . Ion natrium dalam sel satuan berjumlah enam bagian di sisi depan dan delapan perdelapan di titik sudut, totalnya adalah 6*1/2+8*1/8=4.

Kristal suatu zat memiliki sifat fisik yang unik:
1. Anisotropi adalah ketergantungan sifat fisik pada arah penentuan sifat tersebut. Sebuah fitur hanya dari kristal tunggal.

Hal ini dijelaskan oleh fakta bahwa kristal memiliki kisi kristal, yang bentuknya menentukan derajat yang berbeda-beda interaksi di arah yang berbeda.

Berkat properti ini:

A. Mika terkelupas menjadi trombosit hanya dalam satu arah.

B. Grafit mudah terkoyak menjadi beberapa lapisan, tetapi satu lapisan sangatlah kuat.

B. Plester menghantarkan panas secara berbeda ke arah yang berbeda.

D. Sinar cahaya yang mengenai kristal turmalin pada sudut yang berbeda memberikan warna yang berbeda.

Sebenarnya, anisotropilah yang menyebabkan kristal membentuk bentuk khusus untuk zat tertentu. Faktanya adalah karena struktur kisi kristal, pertumbuhan kristal terjadi tidak merata - lebih cepat di satu tempat, jauh lebih lambat di tempat lain. Akibatnya, kristal itu terbentuk. Tanpa sifat ini, kristal akan menjadi bulat atau berbentuk apa pun.

Ini juga menjelaskan bentuknya tidak beraturan polikristal - mereka tidak memiliki anisotropi, karena merupakan pertumbuhan kristal.

2. Isotropi adalah sifat polikristal, kebalikan dari anisotropi. Hanya polikristal yang memilikinya.

Karena volume kristal tunggal jauh lebih kecil daripada volume seluruh polikristal, semua arah di dalamnya adalah sama.

Misalnya, logam menghantarkan panas dan arus listrik secara merata ke segala arah karena logam merupakan polikristal.

Tanpa properti ini, kami tidak akan dapat membangun apa pun. Mayoritas bahan bangunan adalah polikristalin, jadi ke arah mana pun Anda memutarnya, mereka akan tahan terhadap segalanya. Kristal tunggal bisa menjadi sangat keras di satu posisi, dan sangat rapuh di posisi lain.

3. Polimorfisme adalah suatu properti atom yang identik(ion, molekul) membentuk berbagai kisi kristal. Karena kisi kristal yang berbeda, kristal tersebut dapat memiliki sifat yang sangat berbeda.

Properti ini menyebabkan terbentuknya beberapa modifikasi alotropik zat sederhana, misalnya karbon adalah intan dan grafit.

Sifat berlian:

· Kekerasan tinggi .

· Tidak menghantarkan listrik.

· Terbakar dalam aliran oksigen.

Sifat grafit:

· Mineral lunak.

· Menghantarkan listrik.

· Tanah liat tahan api dibuat darinya.

Kumparan kecil tapi berharga

(Baca tentang penelitian Torricelli

Pemikir, penulis, dan ilmuwan Prancis yang luar biasa, Blaise Pascal, yang sezaman dengan Torricelli, menyadari bahwa berdasarkan kapal yang berkomunikasi seperti itu, mudah untuk membuat derek “cair” atau mesin press hidrolik yang kuat.

Untuk melakukan hal ini, diameter salah satu tabung penghubung harus dibuat jauh lebih kecil dibandingkan diameter yang lain. Kemudian, dengan bantuan tekanan yang relatif kecil yang diberikan pada tabung kecil, Anda dapat memindahkan sejumlah besar cairan ke dalam bejana lain!

Prinsip yang dikemukakan oleh Pascal mendasari mesin dan peralatan hidrolik paling modern, yang memungkinkan diperolehnya tekanan yang sangat tinggi, yang diperlukan, khususnya, untuk kombinasi “paksa” antara hidrogen dengan logam.

Jadi, karena belum mengetahui struktur atom dan molekul suatu benda, para ilmuwan di masa lalu menemukan ciri-ciri menakjubkan dari perilaku zat yang hanya dapat dijelaskan pada abad ke-20...

Untuk memeriksa sifat mekanik suatu bahan struktur yang kompleks, itu diregangkan dalam keadaan panas.

Dalam benda padat, atom hampir tidak berpindah tempat kecuali, tentu saja, Anda memanaskannya. Pemanasan sangat meningkatkan kecepatan dan jangkauan gerak atom mendekati posisi kesetimbangan. Pada suhu tinggi, zat padat dapat meleleh atau bahkan menguap.

Kelompok khusus padatan adalah kristal, di mana atom-atomnya didistribusikan dalam urutan geometris yang ketat. Ada banyak kemungkinan untuk menyusun atom dalam baris, barisan, dan variasi yang benar angka geometris, meskipun, seperti yang dibuktikan oleh ilmuwan Rusia E. S. Fedorov pada abad terakhir, struktur kisi kristal yang paling stabil adalah tepat 230. Semua pengujian teori Fedorov selanjutnya menunjukkan bahwa di alam tidak ada struktur kristal stabil lain yang tidak diprediksi oleh Fedorov.

Frekuensi yang ketat struktur internal kristal telah terbukti sangat berguna untuk teknologi modern.

Sebuah elektron bebas yang tercipta dalam kristal di bawah pengaruh suhu atau cahaya dapat melakukan perjalanan jauh jarak jauh, dibandingkan padatan biasa, yang sangat penting saat membuat perangkat untuk teknik radio.

Ada berbagai macam kristal yang ada di alam! Salju yang terletak di antara semak-semak dan pepohonan di awal musim dingin juga terdiri dari kristal-kristal kecil.

Cahaya menembus lebih dalam ke dalam kristal daripada ke dalam benda padat komposisi kimia, tetapi terdiri dari banyak kelompok atom acak yang terletak secara acak dalam hubungannya satu sama lain. Dan properti ini banyak digunakan dalam optik - lensa dan prisma terbaik tentu saja terbuat dari kristal.

Kristal ditemukan di mana, setelah memberikan tekanan wajah yang berbeda timbul muatan listrik tanda yang berlawanan. Dan sebaliknya - setelah lewat arus listrik kristal-kristal ini dapat menyusut atau mengembang secara besar-besaran.

Kristal yang menakjubkan, disebut kristal piezo, sekarang banyak digunakan dalam teknologi elektronik - bahkan tekanan gelombang suara menyebabkan penampilan dan arus di dalamnya muatan listrik, yang dapat dengan mudah dideteksi dan dikirim melalui kabel...

Sifat kristal

Sebuah studi mendalam tentang sifat-sifat kristal bermanfaat tersebut telah menunjukkan bahwa mereka mengandung cukup banyak pergerakan bebas atom. Selain itu, berbagai ketidaksempurnaan, gangguan pada struktur kisi kristal yang benar, rongga, dan pergeseran atom ditemukan dalam kristal. Memanfaatkan gangguan struktural ini, pengotor asing, inklusi logam atau gas asing dapat menembus cukup dalam ke dalam kristal, terutama bila diperoleh dari lelehan atau larutan bahan aslinya.

Itulah sebabnya kekuatan kristal asli sering kali puluhan atau bahkan ratusan kali lebih kecil dari kekuatan yang seharusnya dimilikinya menurut perhitungan teoretis.

Kumis kristal, diperbesar 150 kali lipat. Kumis kristal yang ditenun dengan serat grafit, kaca, dan polimer memungkinkan diperolehnya material baru yang ringan dan sangat tahan lama.

Sekitar dua puluh tahun yang lalu, di beberapa laboratorium di seluruh dunia, para peneliti yang cermat menemukan di bawah mikroskop bahwa “antena” kecil secara spontan tumbuh di permukaan banyak kristal. Namun dalam skala atom, ini adalah gedung pencakar langit, yang tingginya puluhan dan ratusan kali lebih besar dari lebar alasnya.

Pembentukan antena kecil (atau, sebagaimana disebut sekarang, cambang) terjadi karena pergerakan halus atom di sepanjang permukaan kristal. Bagaimanapun, atom-atom permukaan terjerat komunikasi elektronik hanya di satu sisi - dari kedalaman kristal, dan ini terkadang memberi mereka kesempatan untuk melepaskan diri dari tetangganya dan pindah. Atom-atom pengembara tersebut mulai menempel pada tonjolan acak di permukaan dan mengelilinginya. Pertumbuhan tonjolan ke atas biasanya terjadi dalam bentuk spiral. Sebuah menara kerucut terbentuk, mengingatkan kita pada menara yang menjulang ke langit monumen III Internasional, simbol persaudaraan masyarakat, yang desainnya dilakukan pada tahun dua puluhan abad kita oleh seniman dan desainer terkemuka Vladimir Tatlin. Baru-baru ini, desain monumen ini dapat dilihat di aula Museum seni rupa mereka. Pushkin di Moskow.

Mekanisme pertumbuhan yang menarik kristal antena, tapi hal yang paling tidak biasa ternyata... ketidakhadiran total tidak ada cacat di dalamnya. Kekuatan kristal-kristal kecil itu ratusan kali lebih besar daripada kekuatan kristal-kristal masif di permukaan tempat mereka tumbuh, dan sepenuhnya konsisten dengan teori.

Saya ingat ketika, pada awal tahun enam puluhan, ulasan saya tentang karya kristal kumis mirip kumis muncul di salah satu majalah, banyak pengunjung mulai berdatangan ke laboratorium kami. Beberapa tertarik properti unik bahan-bahan baru, yang lain khawatir tentang kemungkinan pertumbuhan kristal yang “tidak direncanakan” di sirkuit radio, di mana sulur-sulur tersebut dapat menyebabkan kegagalan perangkat elektronik secara tiba-tiba.

Penemuan kristal kumis membawa kegembiraan besar bagi semua orang yang membutuhkan material struktur yang kuat dan ringan. Kristal seperti benang mulai ditenun menjadi serat polimer dan dikombinasikan dengan logam untuk menghasilkan tali, pita, dan pipa dengan kekuatan dan daya tahan yang belum pernah ada sebelumnya.

Kristal adalah salah satu ciptaan alam yang paling indah dan misterius. Sekarang sulit untuk menyebutkan tahun yang jauh di awal perkembangan manusia, ketika pandangan penuh perhatian dari salah satu nenek moyang kita menonjol di antara mereka. batuan bumi batu-batu kecil berkilau yang tampak seperti bentuk geometris yang rumit, yang segera mulai berfungsi sebagai perhiasan berharga.

Beberapa ribu tahun akan berlalu, dan orang-orang akan menyadari bahwa seiring dengan keindahan permata alam, kristal telah memasuki kehidupan mereka

Kristal ditemukan dimana-mana. Kita berjalan di atas kristal, membangun dengan kristal, mengolah kristal, menumbuhkan kristal di laboratorium, membuat perangkat, menggunakan kristal secara luas dalam sains dan teknologi, menyembuhkan dengan kristal, menemukannya dalam organisme hidup, menembus rahasia struktur kristal.

Kristal yang ditemukan di bumi sangat beragam. Ukuran polihedra alami terkadang mencapai tinggi manusia atau lebih. Ada kristal kelopak yang lebih tipis dari kertas dan lapisan kristal setebal beberapa meter. Ada kristal yang kecil, sempit, tajam seperti jarum, dan ada yang besar seperti kolom. Di beberapa wilayah Spanyol, kolom kristal semacam itu dipasang untuk gerbang. Museum Institut Pertambangan St. Petersburg menyimpan kristal batu (kuarsa) yang tingginya lebih dari satu meter dan beratnya lebih dari satu ton. Banyak kristal yang sangat murni dan transparan seperti air.

Kristal es dan salju

Kristal air yang membeku, yaitu es dan salju, diketahui semua orang. Kristal-kristal ini menutupi hamparan luas bumi selama hampir enam bulan, terletak di puncak gunung dan meluncur ke bawah dalam gletser, dan mengapung seperti gunung es di lautan. Lapisan es sungai, gletser atau gunung es, tentu saja, bukanlah satu kristal besar. Massa es yang padat biasanya berbentuk polikristalin, yaitu terdiri dari banyak kristal individu; Anda tidak selalu dapat membedakannya karena mereka masih kecil dan tumbuh bersama. Terkadang kristal-kristal ini dapat dibedakan dalam es yang mencair. Setiap kristal es, setiap kepingan salju, rapuh dan kecil. Sering dikatakan bahwa salju turun seperti bulu. Namun perbandingan ini pun, bisa dikatakan, terlalu “berat”: kepingan salju lebih ringan dari bulu. Puluhan ribu kepingan salju memiliki berat satu sen. Namun jika digabungkan dalam jumlah besar, kristal salju dapat menghentikan kereta sehingga membentuk tumpukan salju.

Kristal es dapat menghancurkan pesawat dalam beberapa menit. Lapisan es, musuh utama pesawat terbang, juga disebabkan oleh pertumbuhan kristal.

Di sini kita berurusan dengan pertumbuhan kristal dari uap yang sangat dingin. DI DALAM lapisan atas atmosfer, uap air atau tetesan air, dapat disimpan dalam waktu lama dalam keadaan sangat dingin. Hipotermia di awan mencapai -30. Namun begitu sebuah pesawat terbang menerobos awan yang sangat dingin ini, kristalisasi yang cepat dimulai. Seketika, pesawat itu dikelilingi oleh tumpukan kristal yang tumbuh dengan cepat.

Permata

Sejak awal budaya manusia orang menghargai keindahan batu mulia. Berlian, rubi, safir, dan zamrud adalah batu termahal dan favorit. Diikuti oleh alexandrite, topaz, rock crystal, amethyst, granit, aquamarine, dan peridot. Pirus biru surgawi, mutiara halus, dan opal warna-warni sangat dihargai.

Penyembuhan dan berbagai khasiat supernatural telah lama dikaitkan dengan batu mulia, dan banyak legenda telah dikaitkan dengannya.

Batu mulia berfungsi sebagai ukuran kekayaan para pangeran dan kaisar.

Di museum Kremlin Moskow, Anda dapat mengagumi kekayaan koleksi batu berharga yang pernah dimiliki keluarga kerajaan dan sekelompok kecil orang kaya. Diketahui bahwa topi Pangeran Potemkin - Tauride sangat bertatahkan berlian dan karena itu sangat berat sehingga pemiliknya tidak dapat memakainya di kepalanya; ajudan membawa topi itu di tangannya di belakang sang pangeran.

Di antara harta karun dana berlian Rusia adalah salah satu berlian terbesar dan terindah di dunia, “Shah”.

Berlian itu dikirim oleh Shah Persia kepada Tsar Nicholas I Rusia sebagai tebusan atas pembunuhan duta besar Rusia Alexander Sergeevich Griboedov, penulis komedi “Woe from Wit.”

Tanah air kita lebih kaya akan permata dibandingkan negara lain di dunia.

Kristal di Alam Semesta

Tidak ada satu tempat pun di Bumi yang tidak memiliki kristal. Di planet lain, di bintang yang jauh, kristal terus muncul, tumbuh, dan hancur.

Di alien luar angkasa - meteorit, terdapat kristal yang dikenal di Bumi, dan tidak ditemukan di Bumi. Dalam meteorit besar yang jatuh pada bulan Februari 1947 Timur Jauh, ditemukan kristal besi nikel sepanjang beberapa sentimeter, sedangkan di kondisi terestrial kristal alami mineral ini berukuran sangat kecil sehingga hanya dapat dilihat dengan mikroskop.

2. Struktur dan sifat kristal

2. 1 Apa itu kristal, bentuk kristal

Kristal terbentuk pada suhu yang cukup rendah ketika gerakan termal sangat lambat sehingga tidak merusak struktur tertentu. Fitur karakteristik keadaan padat substansi adalah keteguhan bentuknya. Artinya partikel-partikel penyusunnya (atom, ion, molekul) saling berhubungan secara kaku dan gerakan termalnya terjadi sebagai osilasi di sekitar titik-titik tetap yang menentukan jarak kesetimbangan antar partikel. Posisi relatif titik-titik kesetimbangan dalam seluruh zat harus menjamin energi minimum seluruh sistem, yang diwujudkan ketika mereka mempunyai susunan teratur tertentu dalam ruang, yaitu dalam kristal.

Kristal, menurut definisi G. Wulf, adalah benda yang terbatas karena sifat internalnya permukaan datar- tepinya.

Tergantung pada ukuran relatif partikel pembentuk kristal dan jenisnya ikatan kimia di antara mereka yang dimiliki kristal bentuk yang berbeda, ditentukan oleh cara partikel-partikel tersebut terhubung.

Menurut bentuk geometris Ada sistem kristal berikut:

1. kubik (banyak logam, intan, NaCl, KCl).

2. Heksagonal (H2O, SiO2, NaNO3),

3. Tetragonal (S).

4. Ortorombik (S, KNO3, K2SO4).

5. Monoklinik (S, KClO3, Na2SO4*10H2O).

6. Triklinik (K2C2O7, CuSO4*5 H2O).

2.2 Sifat fisik kristal

Untuk kristal dari kelas tertentu, Anda dapat menunjukkan simetri sifat-sifatnya. Jadi kristal kubik bersifat isotropik terhadap aliran cahaya, konduktivitas listrik dan termal, serta muai panas, namun bersifat anisotropik terhadap elastis, sifat listrik. Kristal paling anisotropik dari sistem kristal rendah.

Semua sifat kristal saling berhubungan dan ditentukan oleh struktur atom-kristal, gaya ikatan antar atom dan spektrum energi elektron. Beberapa sifat, misalnya: listrik, magnet, dan optik, sangat bergantung pada distribusi elektron pada tingkat energi. Banyak sifat kristal secara meyakinkan tidak hanya bergantung pada simetri, tetapi juga pada jumlah cacat (kekuatan, keuletan, warna dan sifat lainnya).

Isotropi (dari bahasa Yunani isos - sama, identik dan tropos - rotasi, arah) adalah independensi sifat-sifat medium dari arah.

Anisotropi (dari bahasa Yunani anisos - tidak sama dan tropos - arah) adalah ketergantungan sifat-sifat suatu zat pada arah.

Kristal dipenuhi dengan banyak cacat berbeda. Cacat tampaknya membuat kristal itu hidup. Karena adanya cacat, kristal mendeteksi “ingatan” peristiwa di mana ia menjadi atau menjadi partisipan cacat membantu kristal “beradaptasi”; lingkungan. Cacat secara kualitatif mengubah sifat kristal. Bahkan dalam jumlah yang sangat kecil, cacat sangat mempengaruhi sifat-sifat fisik yang sama sekali atau hampir tidak ada dalam kristal ideal, karena, sebagai suatu peraturan, cacat “menguntungkan secara energi” menciptakan area dengan peningkatan aktivitas fisik dan kimia di sekitarnya;

3. Menumbuhkan kristal

Kristal Tumbuh aktivitas yang menarik dan, mungkin, yang paling sederhana, paling mudah diakses dan murah bagi ahli kimia pemula, dan paling aman dari sudut pandang TB. Persiapan yang matang untuk pelaksanaan mempertajam keterampilan Anda dalam kemampuan menangani zat dengan hati-hati dan mengatur rencana kerja Anda dengan benar.

Pertumbuhan kristal dapat dibagi menjadi dua kelompok.

3. 1 Pembentukan kristal secara alami di alam

Pembentukan kristal di alam (natural growth of crystal).

Lebih dari 95% dari semuanya batu, yang terdiri darinya kerak bumi, terbentuk selama kristalisasi magma. Magma merupakan campuran dari banyak zat. Semua zat ini suhu yang berbeda kristalisasi. Oleh karena itu, ketika mendingin, magma terbagi menjadi beberapa bagian: yang pertama muncul di magma dan mulai tumbuh adalah kristal zat dengan suhu kristalisasi tertinggi.

Kristal juga terbentuk di danau garam. Di musim panas, air danau dengan cepat menguap dan kristal garam mulai berjatuhan. Danau Baskunchak di padang rumput Astrakhan saja dapat menyediakan garam bagi banyak negara bagian selama 400 tahun.

Beberapa organisme hewan adalah “pabrik” kristal. Karang membentuk seluruh pulau yang terbuat dari kristal mikroskopis kapur karbonat.

Batu permata mutiara juga terbuat dari kristal yang dihasilkan oleh moluska tiram mutiara.

Batu empedu di hati, batu ginjal dan batu kandung kemih yang menyebabkan penyakit serius pada manusia adalah kristal.

3. 2 Pertumbuhan kristal buatan

Pertumbuhan kristal buatan (menumbuhkan kristal di laboratorium, pabrik).

Menumbuhkan kristal bersifat fisik proses kimia.

Kelarutan zat dalam pelarut yang berbeda dapat dikaitkan dengan fenomena fisik, karena kisi kristal hancur, panas diserap (proses eksotermik).

Proses kimia juga terjadi - hidrolisis (reaksi garam dengan air).

Saat memilih suatu zat, penting untuk mempertimbangkan fakta-fakta berikut:

1. Bahan tersebut tidak boleh beracun

2. Zat tersebut harus stabil dan cukup murni secara kimia

3. Kemampuan suatu zat untuk larut dalam pelarut yang tersedia

4. Kristal yang dihasilkan harus stabil

Ada beberapa metode untuk menumbuhkan kristal.

1. Pembuatan larutan lewat jenuh dengan kristalisasi lebih lanjut dalam wadah terbuka (teknik paling umum) atau tertutup. Tertutup adalah metode industri; menggunakan bejana kaca besar dengan termostat yang mensimulasikan penangas air. Wadah tersebut berisi larutan dengan benih yang sudah jadi, dan setiap 2 hari suhu diturunkan sebesar 0,1 C; metode ini memungkinkan diperolehnya kristal tunggal yang benar secara teknologi dan murni. Namun hal ini membutuhkan biaya energi yang tinggi dan peralatan yang mahal.

2. Penguapan larutan jenuh metode terbuka ketika pelarut menguap secara bertahap, misalnya dari lepas kapal tertutup dengan larutan garam secara alami dapat menghasilkan kristal. Metode tertutup melibatkan penyimpanan larutan jenuh dalam desikator di atas bahan pengering kuat (fosfor oksida (V) atau asam sulfat pekat).

II. Bagian praktis.

1. Menumbuhkan kristal dari larutan jenuh

Dasar pertumbuhan kristal adalah larutan jenuh.

Peralatan dan bahan: Gelas 500 ml, kertas saring, air matang, sendok, corong, garam CuSO4*5H2O, K2CrO4 (kalium kromat), K2Cr2O4 (kalium dikromat), kalium tawas, NiSO4 (nikel sulfat), NaCl (natrium klorida), C12H22O11(gula).

Untuk menyiapkan larutan garam, ambil gelas 500 ml yang bersih dan sudah dicuci bersih. tuangkan air panas ke dalamnya (t=50-60C) air mendidih 300ml. tuangkan bahan ke dalam gelas dalam porsi kecil, aduk hingga larut sempurna. Bila larutan sudah “jenuh”, yaitu zat tetap berada di dasar, tambahkan lebih banyak zat dan biarkan larutan pada suhu kamar selama sehari. Untuk mencegah debu masuk ke dalam larutan, tutupi kaca dengan kertas saring. Solusinya harus menjadi transparan, dengan kelebihan zat yang jatuh dalam bentuk kristal di bagian bawah kaca.

Tiriskan larutan yang sudah disiapkan dari endapan kristal dan masukkan ke dalam labu tahan panas. Taruh sedikit bahan kimia di sana juga. zat murni(kristal yang jatuh). Panaskan labu dalam penangas air sampai larut seluruhnya. Panaskan larutan yang dihasilkan selama 5 menit lagi pada t=60-70C, tuangkan ke dalam gelas bersih, bungkus dengan handuk, dan biarkan hingga dingin. Setelah sehari, kristal kecil terbentuk di dasar gelas.

2. Membuat presentasi “Kristal”

Kami memotret kristal yang dihasilkan dan, menggunakan Internet, menyiapkan presentasi dan koleksi “Kristal”.

Membuat lukisan menggunakan kristal

Kristal selalu terkenal karena keindahannya, oleh karena itu digunakan sebagai perhiasan. Mereka menghiasi pakaian, piring, dan senjata. Kristal dapat digunakan untuk membuat lukisan. Saya melukis pemandangan “Matahari Terbenam”. Kristal yang tumbuh digunakan sebagai bahan untuk membuat lanskap.

Kesimpulan

Karya ini hanya menjelaskan sebagian kecil dari apa yang diketahui saat ini tentang kristal, namun informasi ini juga menunjukkan betapa luar biasa dan misteriusnya kristal pada hakikatnya.

Di awan, di puncak gunung, di gurun pasir, lautan dan samudera, di laboratorium ilmiah, pada sel tumbuhan, pada organisme hidup dan mati - kita akan menemukan kristal di mana-mana.

Tapi mungkinkah kristalisasi materi hanya terjadi di planet kita? Tidak, kita sekarang tahu bahwa di planet lain dan bintang jauh, kristal terus muncul, tumbuh, dan hancur sepanjang waktu. Meteorit, pembawa pesan kosmik, juga terdiri dari kristal, dan terkadang mengandung zat kristal yang tidak ditemukan di Bumi.

Kristal ada dimana-mana. Orang-orang terbiasa menggunakan kristal, membuat perhiasan darinya, dan mengaguminya. Sekarang metode untuk menumbuhkan kristal secara artifisial telah dipelajari, cakupannya telah diperluas, dan mungkin di masa depan teknologi terkini milik kristal dan agregat kristal.

Properti dasar kristal

Kristal tumbuh dalam berbagai segi, karena tingkat pertumbuhannya berbeda-beda ke arah yang berbeda. Jika mereka sama, itu akan terjadi satu-satunya bentuk– bola.

Tidak hanya laju pertumbuhannya, tetapi hampir semua sifat-sifatnya berbeda dalam arah yang berbeda, yaitu. melekat pada kristal anisotropi (“an” - tidak, “nizos” - identik, “tropos” - properti), ketidaksetaraan arah.

Misalnya kalsit jika dipanaskan akan meregang pada arah memanjang (a = 24.9·10 -6 o C -1), dan pada arah melintang menyusut (a = -5.6·10 -6 o C -1). Ia juga memiliki arah di mana ekspansi termal dan kompresi saling mengimbangi (arah ekspansi nol). Jika Anda memotong pelat tegak lurus dengan arah ini, maka ketebalannya tidak akan berubah saat dipanaskan, dan dapat digunakan untuk pembuatan suku cadang dalam rekayasa presisi.

Grafit mengalami ekspansi sumbu vertikal 14 kali lebih banyak dibandingkan arah melintang terhadap sumbu ini.

Anisotropi sangat jelas terlihat peralatan mekanis kristal. Kristal dengan struktur berlapis - mika, grafit, bedak, gipsum - sangat mudah dipecah menjadi lembaran tipis ke arah lapisannya; memisahkannya ke arah lain jauh lebih sulit. Garam dipecah menjadi kubus kecil, Spanish spar menjadi belah ketupat (fenomena pembelahan).

Anisotropi juga terjadi pada kristal sifat optik, konduktivitas termal, konduktivitas listrik, elastisitas, dll.

DI DALAM polikristalin, terdiri dari banyak butiran kristal tunggal yang berorientasi acak, tidak memiliki sifat anisotropi.

Sekali lagi perlu ditekankan hal itu zat amorf Juga isotropik.

Beberapa zat kristal juga mungkin menunjukkan isotropi. Misalnya, cahaya merambat dalam kristal kubik dengan kecepatan yang sama ke arah yang berbeda. Kita dapat mengatakan bahwa kristal tersebut bersifat isotropik optik, meskipun sifat mekanik anisotropi dapat diamati pada kristal ini.

Keseragaman - Properti tubuh fisik menjadi sama sepanjang waktu. Keseragaman zat kristal dinyatakan dalam kenyataan bahwa setiap bagian dari kristal bentuk yang sama dan berorientasi sama, dicirikan oleh sifat-sifat yang sama.

Kemampuan untuk menghancurkan diri sendiri – kemampuan kristal untuk mengambil bentuk beragam dalam kondisi yang menguntungkan. Dijelaskan oleh hukum Stenon tentang sudut konstan.

Kebosanan Dan pinggul lurus . Permukaan kristal dibatasi oleh bidang atau permukaan, yang berpotongan membentuk garis lurus – tepi. Titik potong sisi-sisinya membentuk simpul.

Wajah, tepi, simpul, serta sudut dihedral (lurus, tumpul, lancip) adalah elemen batasan eksternal kristal. Sudut dihedral (ini adalah dua bidang yang berpotongan), seperti disebutkan di atas, untuk dari jenis ini zat adalah suatu konstanta.

Rumus Euler menetapkan hubungan antar elemen batasan (sederhana saja bentuk tertutup):

G + B = P + 2,

G – jumlah wajah,

B – jumlah simpul,

P – jumlah tulang rusuk.

Misalnya untuk kubus 6+8=12+2

Tepi kristal sesuai dengan barisan kisi, permukaannya sesuai dengan kisi datar.

Simetri kristal .

“Kristal bersinar dengan simetrinya,” tulis ahli kristalografi besar Rusia E.S. Fedorov.

Simetri - pengulangan yang teratur angka yang setara atau bagian yang sama sosok yang sama. "Simetri" - dari bahasa Yunani. “proporsionalitas” titik-titik yang bersesuaian dalam ruang.

Jika ada benda geometris di dalamnya ruang tiga dimensi diputar, dipindahkan atau dipantulkan dan, pada saat yang sama, ia digabungkan secara tepat dengan dirinya sendiri (berubah menjadi dirinya sendiri), yaitu. tetap invarian terhadap transformasi yang diterapkan padanya, maka objeknya simetris dan transformasinya simetris.

Dalam hal ini, mungkin ada kasus kombinasi:

1. Kombinasi segitiga sama kaki(atau gambar lainnya) muncul dengan memutarnya searah jarum jam 180° dan menumpuk satu di atas yang lain. Angka-angka seperti itu disebut kompatibel-sama. Contoh – sarung tangan yang identik (kiri atau kanan).