ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСТВО

КРИСТАЛЛЫ

Ристаллическим веществам свойственно вполне опре­делённое расположение атомов и молекул, которое называют кристаллической решёткой.

Взгляните на рис. 1. На нём изображена кристаллическая решётка поваренной соли.

Ионы натрия и хлора, из кото­рых состоит поваренная соль, размещены как бы по углам кубов, соприкасающихся свои­ми гранями. Восемь таких ку­биков образуют элементарную ячейку поваренной соли. Мно­жество элементарных ячеек в совокупности и даёт кристал­лическую решётку.

Один и тот же химический элемент может образовать разные вещества с различными формами кристаллических решёток. Такие вещества, имея одинаковый химический состав, нередко обладают совершенно противоположными свойствами. Так, например, алмаз и графит состоят из атомов углерода, но характер расположения атомов в этих веществах различен. Поэтому они по своим физическим свойствам совсем непохожи друг на друга. Графит мягок, имеет чёрную матовую окраску. Алмаз же прозрачен и так твёрд, что им режут стекло.

Кристаллические тела бывают двух видов. Одни из них, имеющие от природы форму многогранников — ку­бов, пирамид и т. п.,— получили название монокристал­лов (или просто кристаллов). Другие кристаллические тела не имеют многогранной формы, но если рассматри­вать их под микроскопом, то можно заметить, что они со­стоят из множества мел­ких, сросшихся между со­бой монокристалликов. Та[10] кие тела называют поли - кристаллическими.

Большинство горных пород, а также все метал­лы, относятся к поликри - сталлическим телам.

Размеры монокристал­лов бывают различными. У поваренной соли и са­харного песка кристаллы не больше булавочной го­ловки, кристаллы кварца по величине иногда дости­гают человеческого роста (рис. 2).

В природе очень много различных кристалличе­ских веществ. Драгоцен­ный изумруд и обыкновен­ная слюда, огромные глыбы льда и крошечные снежин­ки — все они относятся к миру кристаллов. Лишь очень не­многие твёрдые тела имеют аморфную структуру, но и они с течением времени обычно начинают кристаллизоваться. Так, можно наблюдать помутнение стекла. Это происходит в результате образования в стекле кристалликов.

Если сравнить между собой кристаллы разных ве­ществ, то легко заметить, что их форма различна. Напри­мер, кристалл поваренной соли имеет форму куба (рис. 3, а). Кварц кристаллизуется в виде заострённых на концах шестигранных призм (рис. 3, б). Для сравнения на рис. 3 показаны также кристаллы различных минералов*).

Внешняя форма кристалла зависит от его внутреннего строения — от формы кристаллической решётки и свойств среды, в которой он образуется.

Форма природных кристаллов часто бывает неправиль­ной. Это объясняется тем, что кристаллы развиваются обычно неравномерно, и одни грани вырастают быстрее,

Ф

А другие медленнее. Однако всем кристаллам одного ка­кого-либо вещества присуще общее свойство: независимо от формы углы между одними и теми же гранями в таких кристаллах строго постоянны. Это свойство кристаллов получило название закона постоянства углов. Закон по­стоянства углов — один из важнейших законов науки о кристаллах — кристаллографии, основоположником кото­рой является русский учёный Е. С. Фёдоров.

Как же возникают и развиваются кристаллы? Рассмотрим образование кристаллической решётки по­варенной соли. Из рис. 1 видно, что ионы натрия и хлора в кристаллической решётке расположены по углам ку­бов не произвольно, а чередуясь через один, в строгом шахматном порядке. Такая закономерность расположения ионов не случайна. В природных условиях поваренная
соль кристаллизуется из так называемого маточного рас­сола соляных озёр. В водном растворе частицы натрия и хлора существуют как в виде разрозненных ионов, так и в составе молекул поваренной соли. Каждая такая моле­кула состоит из положительного иона натрия и отрица­тельного иона хлора. Возможны три случая взаимного расположения двух молекул поваренной соли (рис. 4).

Известно, что под воздействием электрических сил раз­ноимённо заряженные тела притягиваются друг к другу, а одноимённо заряженные — взаимно отталкиваются. По­этому в одном случае (рис. 4, а) молекулы отталкиваются,

И №

Ыа —-©

№

<+>-

О А

В)

Рис. 4. Возможные взаимные положения двух молекул поваренной соли.

В другом (рис. 4, б) — притягиваются и в третьем (рис. 4, в) —стремятся повернуться так, чтобы занять устойчивое положение (рис. 4, б).

Вот почему молекулы поваренной соли, а также и раз­розненные ионы хлора и натрия при кристаллизации груп­пируются между собой, располагаясь таким образом, что­бы расстояния между одноимёнными ионами были как можно большими, а между разноимёнными — как можно меньшими, то-есть в шахматном порядке.

Так возникает зародыш кристалла. Постепенно его кристаллическая решётка, образованная чередующимися ионами натрия и хлора, пополняется всё новыми и новыми частицами вещества. Кристалл растёт.

Чтобы представить себе, как происходит рост кри­сталла, вспомните пчелиные соты. Сооружая их, пчёлы отстраивают ячейку за ячейкой, слой за слоем, как это по­казано на рис. 5. Приблизительно так же растёт и кри­сталл. Новые слои вещества откладываются на гранях за­родыша так, что грани передвигаются параллельно самим себе (рис. 6). Если зародыш имел форму куба, то такую
же форму будет иметь и выросший кристалл, при условии, что грани развивались равномерно.

Кристаллы могут образовываться из жидкого, твёрдого и газообразного состояния вещества. Так, снежинки — это кристаллики льда, образовавшиеся из парообразного со­стояния воды. Кристаллизация стекла — пример образо­вания кристаллов из твёр­дого состояния.

Но проще всего получить кристалл из раствора.

Рис. 6. Так передвигаются грани кристалла при его росте.

Растворяя в стакане воды какое-либо растворимое ве­щество, например ту же поваренную соль, легко заметить, что сначала соль растворяется легко и быстро, затем всё медленнее и, наконец, перестаёт растворяться. Следова­тельно, в любом ограниченном объёме воды — в стакане, ведре, бочке и т. д.— можно растворить лишь вттолне определённое количество соли. Чем больше объём воды, тем большее количество соли удаётся растворить в ней. Вся же остальная соль, сколько бы её ни подсыпали в раствор, не растворившись, выпадет на дно сосуда в виде осадка. Раствор, содержащий наибольшее возможное ко­личество растворимого вещества, называется насыщенным. Растворимость соли зависит от температуры. В горя­чей воде можно растворить гораздо больше вещества, чем в холодной.

Проделайте такой опыт. Растворите 200 граммов бе­лых (алюминиевых) квасцов в таком количестве горячей воды, чтобы на дне сосуда оставалось немного осадка. Затем остудите раствор до комнатной температуры. Поскольку растворимость квасцов при понижении темпе­
ратуры уменьшается, количество осадка увеличится. Вылейте полученный насыщенный раствор в какой-либо сосуд с широким дном и низкими стенками, например, в тарелку. Такая форма сосуда необходима для того, чтобы раствор мог свободно испаряться. При испарении количество воды в сосуде будет постепенно уменьшаться, поэтому уже на следующий день на дне тарелки можно обнаружить осадок, состоящий из мелких кристалликов. Выберите из их числа несколько самых крупных, затем слейте раствор в стакан, тщательно промойте тарелку, наполните её тем же раствором и положите на дно ото­бранные кристаллики.

С течением времени кристаллы квасцов достигнут больших размеров; следует лишь ежедневно промывать тарелку и через каждые пять-шесть дней изготавливать свежий раствор.

Такой же опыт можно проделать с хромовыми квас­цами, медным купоросом и другими солями.

Попробуйте нарушить форму выращенных кристал­лов, например, обломайте их уголки, и положите обломок кристалла в раствор. Пройдёт некоторое время, и повреж­дённые места затянутся сами собой,— кристалл примет первоначальную форму. Такое свойство кристаллов на­зывается регенерацией, или самовосстановлением.

Однако, как уже было упомянуто, кристаллы, расту­щие в природных условиях, часто имеют неправильную форму. Иногда кристаллы двух или нескольких веществ срастаются между собой. В толще природного кристалла можно видеть трещины, загрязнения и воздушные пу­зырьки. Все эти дефекты объясняются тем, что в природе никогда не бывает благоприятных условий, которые тре­буются для правильного развития кристаллов.

Если рассматривать через увеличительное стекло кусок какой-нибудь глубинной горной породы, например гра­нита, который состоит из полевого шпата, кварца и слюды, то можно увидеть, что зёрнышки этих веществ представляют собой мельчайшие кристаллики, сросшиеся в одно целое. Почти все они имеют неправильную форму с криволинейными очертаниями. Это объясняется тем, что такие кристаллики развивались одновременно в ограни­ченном объёме и не позволили друг другу занять то место в пространстве, которое они могли занять, если бы росли на свободе.