Кристаллогенезис - виникнення, зростання і руйнування кристалів - Реферат
За курсом "Кристалографія та кристалохімія"
"Кристалогенез - виникнення, зростання і руйнування кристалів"
Освіта кристалів у природі
Причини та умови утворення кристалів
Механізми зростання кристалів
Форми зростання кристалів
Історія отримання штучних кристалів
Список використаної літератури
Кристалогенез - виникнення, зростання і руйнування кристалів
Для розуміння процесів, що призводять до зародження та зростання кристалів, необхідні знання з галузі фізики, хімії, кристалографії та інших гілок науки.
Однак підхід до вивчення кристалів у різних фахівців різний: фізиків кристали цікавлять як матеріал, що використовується в техніці і має цікаві фізичні властивості; мінерологи ж основі вивчення тих чи інших особливостей кристалів намагаються з'ясувати історію їх зародження, зростання і наступних перетворень – визначити температуру, тиск і склад середовища, у якій кристали зароджувалися і зростали, тобто. визначити послідовність тих фізико-хімічних процесів, що призвели до утворення кристала.
Утворення кристалів у природі
У природі кристали утворюються при різних геологічних процесах із розчинів, розплавів, газової чи твердої фази.
Значна частина мінеральних видів відбулася шляхом кристалізації водних розчинів. Приклади випадання кристалів із розчину – випадання кристалів солей у замкнутих водоймах; зростання кристалів на стінках тріщин і порожнин при гідротермальних процесах, великих глибинах за умов високих тисків і температур; утворення окремих кристалів вторинних мінералів у зонах окиснення рудних родовищ.
Освіта кристалів із розплавів. Якщо магматичний осередок розташовується на великій глибині і його остигання йде повільно, то магма встигає добре розкристалізуватись і кристали виростають досить великими і добре огранованими. Якщо магма застигає раптово, можуть утворитися некристалічні мінерали та гірські породи. Раптове застигання магми відбувається при виверженні вулканів. Потоки застиглої лави дає початок не кристалічним, а склоподібним породам.
Утворення кристалів внаслідок конденсації газів або з пари. Кристалізуватися можуть не лише водяні пари, а й пари інших речовин. Приклад на фумаролах утворюються кристали з газів.
Утворення кристалів при перекристалізації твердих речовин. При переході з твердого стану в твердий виділяють 2 випадки:
1. Кристалічна речовина утворюється з аморфного-наприклад, з часом закристалізовуються кристалічні породи, що містять скла.
2. Перекристалізація - це процес, при якому структура одних речовин руйнується, і утворюються нові кристали з іншою структурою. Наприклад, вапняк під дією високих температур та тиску стає мармуром. Перекристалізація пов'язана з таким явищем як метосамотоз - перетворення гірської породи або мінералу в іншу гірську породу або мінерал під впливом привносу або винесення речовини.
Причини та умови утворення кристалів
Матеріальні частинки (атоми, молекули, іони), що складають газоподібні або рідкі (розплавлені) речовини, володіючи високою кінетичною енергією, перебувають у безперервному русі. Іноді вони стикаються, утворюючи зародки – мікроскопічні фрагменти майбутньої структури. Найчастіше такі зародки розпадаються, що пов'язано або з власнимиколиваннями, або з бомбардуванням їх вільними частинками. Проте початку кристалізації необхідно, щоб зародок досяг критичної величини, тобто. містив таку кількість частинок, при якому приєднання наступної частки зробило б розростання зародка енергетично вигіднішим, ніж його розпад. Така можливість для більшості речовин проявляється або зі зниженням температури, внаслідок чого зменшуються температурні коливання, або з підвищенням концентрації речовини в розчині або газі, що призводить до збільшення ймовірності зустрічі частинок один з одним, тобто виникнення зародків.
Отже, зростання кристалів можна як процес, з якого дрібні кристалічні частинки – зародки – досягають макроскопічних розмірів. Причому кристалізація протікає у всьому обсязі, лише там, де виникнуть зародки. Факторами, що впливають на появу зародків, є не тільки переохолодження та підвищення концентрації розчину або в'язкості розплаву, але і присутність сторонніх уламків кристалів або порошин, на поверхні яких збираються частинки, спрощуючи цим початок кристалізації.
Процес кристалізації є енергетично вигідним. Зростаючий кристал не приймає рівноважну форму внаслідок того, що на нього впливають різні умови кристалізації, що змінюються: температура, тиск, сила тяжіння, хімічний склад і динаміка середовища і т.д.
Механізми зростання кристалів
Істотний внесок у вирішення питань про механізм зростання кристалів зробили розроблені теорії зростання ідеальних кристалів.
Наприкінці ХІХ ст. американським фізиком Дж. Гіббсом (1839-1903), французьким фізиком П. Кюрі та українським кристалографом Г.В. Вульфом на термодинамічній основі була розроблена кількіснатеорія зародження та зростання кристалів. Дещо пізніше, в 20-х pp. XX ст., Німецьким фізиком М. Фольмером (1885-1965) була висунута теорія мимовільного зародження кристалів та їх зростання.
Після термодинамическим вченням Гіббса в 1927 року найбільше визнання здобули теоретичні роботи німецького фізико-хіміка В.Косселя (1888 – 1956) та болгарського фізика І.М. Странського (1897 - 1979), що започаткували молекулярно-кінетичну теорію зростання кристалів. Вони розглянули зростання ідеального кристала за незначного перенасичення без урахування недосконалостей реальних кристалів і впливу середовища кристалізації. Ця теорія пояснила явище пошарового зростання кристалів з позицій атомно-молекулярного стану поверхні кристалу, що зростає, спираючись на енергетичну вигідність приєднання окремих частинок речовини в різні позиції на вільній від дефектів поверхні кристалів.
У процесі зростання виникають або атомно-гладкі, або атомно-шорсткі грані. Атомно-гладкі грані ростуть шляхом пошарового відкладення речовини, тобто. тангенціального переміщення ступенів і залишаються в процесі зростання макроскопічно плоскими. Таке зростання називається тангенціальним чи пошаровим. При цьому швидкість зростання різних граней буде різною. Через війну кристали зростатимуть ідеї багатогранника.
Кристали з атомно-шорсткими гранями можуть приєднувати частинки з макроскопічної точки зору практично в будь-якій точці поверхні. Тому поверхня грані у процесі зростання переміщається по нормалі до себе в кожній своїй точці. Таке зростання називається нормальним. При цьому швидкості зростання граней кристала в різних напрямках будуть приблизно однакові і кристали набудуть округлих форм ізотерм кристалізації. Дослідження морфології кристалів дає інформацію про атомніпроцесах, що відбуваються на поверхні кристала, що росте.
Зростання на атомно-шорстких площинах і торцях щаблів вимагає лише потенційних бар'єрів для вбудовування окремих атомів чи молекул. Зростання атомно-гладких поверхонь вимагає ще й утворення щаблів, тобто. для зростання кожного нового шару необхідна поява на поверхні нового зародка, а це не завжди можливе через брак пересичення. У цьому випадку зростання відбувається лише шляхом руху вже існуючих ступенів. Таким чином, перший процес з енергетичної точки зору виявляється вигіднішим.
Крім того, грані реальних кристалів практично ніколи не бувають ідеальними. На їх поверхні завжди є порушення - дефекти, завдяки яким виникають гвинтові та крайові дислокації. Наростання граней відбувається по спіралі шляхом навування одного шару в інший. І таке зростання може відбуватися за будь-коли малих пересичення і навіть з пари. Дислокації, отже, є джерелом виникнення шарів, що безперервно діє, і знімають необхідність появи на поверхні зростаючої грані двовимірних зародків.
Однак такі уявлення виявилися непридатними для сильно пересичених розчинів та розплавів. У разі великих пересичень можливі інші механізми зростання. Дослідження морфології поверхонь зростання дозволяє зробити важливі висновки про механізми кристалізації. Існує багато методів дослідження поверхонь граней, головними з яких є оптична та електронна мікроскопія; крім того, структура та склад поверхні вивчаються методами дифракції повільних електронів, мас-спектроскопії, ультрафіолетової та рентгенівської спектроскопії тощо.
Форми зростання кристалів
За різних відхилень від ідеальних умовкристалізації (наприклад, у в'язких, забруднених або сильно пересичених середовищах) виростають екзотичні утворення. Досвід показує, що з малих пересичення і переохолодження на фронті зростання виникають досконалі – гранні – форми кристалів. Зі збільшенням відхилення від рівноваги кристали змінюють свій вигляд, перетворюючись на скелети, дендрити (від грец. Дендрон – дерево), ниткоподібні утворення або кристали сферичної форми. Зазначені форми різняться тим, що скелетні кристали – це монокристали, а дендрити – найчастіше полікристалічні агрегати.
Порушення правильності розташування частинок, складові структури реальних кристалів, тобто. відхилення від їхньої ідеальної структури, породжують дефекти. Для дослідника дефект - це джерело інформації про події, що відбулися з кристалом.
У реальних кристалах завжди присутні структурні дефекти, які істотно впливають на багато властивостей твердих тіл. До цих властивостей, які називаються структурно-чутливими, відносяться ті, які пов'язані з рухом атомів або електронів. Це механічні властивості (міцність і пластичність), іонна та напівпровідникова електропровідність, люмінесценція, фотопровідність, теплопровідність, швидкість дифузії та фазових перетворень та ряд інших.
Дефекти - будь-які відхилення від періодичної структури кристала - класифікують за їх розмірами та протяжністю областей решітки, на яке поширюється їхня дія. Виділяють такі типи дефектів кристалічних ґрат:
1) Точкові або нульмерні дефекти - порушення в періодичності в ізольованих один від одного точках ґрат; у всіх трьох вимірах вони не перевищують одного або кількох міжатомних відстаней (параметрів грат). Точкові дефекти — це вакансії, міжвузелові атоми,атоми домішки, впроваджені чи позиції заміщення.
2) Лінійні дефекти — одномірні, т. е. протяжні щодо одного вимірі: порушення періодичності щодо одного вимірі простягаються на відстані, порівняні з розміром кристала, а двох інших не перевищують кількох параметрів решітки. Специфічні лінійні дефекти – це дислокації. Нестійкі лінійні дефекти можуть бути з ланцюжків точкових дефектів.
3) Поверхневі чи двовимірні дефекти. Прямують у двох вимірах на відстані, порівняні з розміром кристала, а в третьому складають кілька параметрів решітки. Це площини двійнику у двійників, межі зерен і блоків, дефекти упаковки, стінки доменів і сама поверхня кристала.
4) Об'ємні чи тривимірні. Це порожнечі, пори, частки іншої фази, включення.
Крім перелічених, можна назвати особливу групу дефектів, характерну, переважно, для напівпровідникових кристалів — мікродефекти. Під мікродефектами розуміють будь-які дефекти структури субмікронних розмірів.
Історія отримання штучних кристалів
Першу спробу отримання штучних кристалів можна віднести до Середньовіччя, на період розквіту алхімії. І хоча кінцевою метою дослідів алхіміків було отримання золота з простих речовин, можна припустити, що вони намагалися виростити кристали дорогоцінного каміння.
Цілеспрямоване створення штучних кристалів мінералів пов'язане з ім'ям французького хіміка М. Годена, якому в 1837 вдалося отримати найдрібніші (в 1 карат - 0,2 г) кристали рубіну. Надалі робилися неодноразові спроби отримання штучних рубінів, і вже наприкінці ХІХ ст. вдалося синтезувати ряд сполук групи корунду. На 1902 р. французький хімік М.А. Вернейль почав постачати на світовий риноксинтетичні рубіни, пізніше сапфіри та шпинелі.
Дещо пізніше були синтезовані кристали багатьох дорогоцінного каміння, що знайшли поряд з природними широке застосування не тільки як ювелірну сировину, а й у промисловості, де знадобилися вже монокристали досить великих розмірів.
В останні півстоліття у зв'язку з бурхливим розвитком техніки та приладобудування з кожним роком зростає потреба в кристалах, що мають специфічні властивості, такі як п'єзоелектричні, напівпровідникові, люмінесцентні, акустичні, лазерні, оптичні тощо. Крім того, для створення сучасних приладів потрібні кристали з такими унікальними властивостями, якими природні об'єкти не мають. Усе це сприяє становленню промислового вирощування штучних кристалів.
Роботи з теорії та практики вирощування кристалів сприяли інтенсивному розвитку наукових досліджень у галузі процесів реального кристалоутворення, зокрема у природних умовах.
Моделювання природних процесів кристалоутворення в лабораторії дозволяє зрозуміти і пояснити ряд причин зародження, зростання та руйнування кристалів у реальних умовах.
Список використаної літератури
Булах О.Г. Мінералогія з основами кристалографії. М.: Альфа-М, 1989. - 156 с.
Єгоров-Тисменко Ю.К. Кристалографія та кристалохімія: підручник. - М.: КДУ, 2005. - 592 с.
Попов Г.М., Шафрановський І.І. Кристалографія. М: ГОСГЕО - ЛТЕХІЗДАТ, 1955г. - 215с