Реферат
По курсу «Кристаллографияи кристаллохимия»
«Кристаллогенезис– возникновение, рост и разрушение кристаллов»
Содержание
Введение
Образованиекристаллов в природе
Причиныи условия образования кристаллов
Механизмыроста кристаллов
Формыроста кристаллов
Дефектыкристаллов
Историяполучения искусственных кристаллов
Списокиспользуемой литературы
Введение
Кристаллогенезис –возникновение, рост и разрушение кристаллов
Для пониманияпроцессов, приводящих к зарождению и росту кристаллов, необходимы знания изобласти физики, химии, кристаллографии и других ветвей науки.
Однако подход кизучению кристаллов у разных специалистов разный: физиков кристаллы интересуюткак материал, используемый в технике и обладающий интересными физическимисвойствами; минерологи же на основе изучения тех или иных особенностей кристалловпытаются выяснить историю их зарождения, роста и последующих превращений –определить температуру, давление и состав среды, в которой кристаллызарождались и росли, т.е. определить последовательность тех физико-химическихпроцессов, которые привели к образованию кристалла.
Образованиекристаллов в природе
В природе кристаллыобразуются при различных геологических процессах из растворов, расплавов,газовой или твердой фазы.
Значительная частьминеральных видов произошла путем кристаллизации из водных растворов. Примерывыпадения кристаллов из раствора – выпадение кристаллов солей в замкнутыхводоемах; рост кристаллов на стенках трещин и полостей при гидротермальных процессах,на больших глубинах в условиях высоких давлений и температур; образованиеотдельных кристаллов вторичных минералов в зонах окисления рудных месторождений.
Образование кристалловиз расплавов. Если магматический очаг располагается на большой глубине и егоостывание идет медленно, то магма успевает хорошо раскристаллизоваться икристаллы вырастают достаточно крупными и хорошо ограненными. Если магмазастывает внезапно, могут образоваться некристаллические минералы и горныепороды. Внезапное застывание магмы происходит при извержении вулканов. Потокизастывшей лавы дает начало не кристаллическим, а стекловидным породам.
Образование кристалловв результате конденсации газов или из паров. Кристаллизоваться могут не тольководяные пары, но и пары других веществ. Пример- на фумаролах образуются кристаллыиз газов.
Образование кристалловпри перекристаллизации твердых веществ. При переходе из твердого состояния втвердое выделяют 2 случая:
1. Кристаллическоевещество образуется из аморфного–например, с течением временизакристаллизовываются содержащие стекла кристаллические породы.
2. Перекристаллизация –это процесс, при котором структура одних веществ разрушается, и образуютсяновые кристаллы с другой структурой. Например, известняк под действием высокихтемператур и давления становится мрамором. Перекристаллизация связана с такимявлением как метосамотоз – преобразование горной породы или минерала в другуюгорную породу или минерал под воздействием привноса или выноса вещества. Причины и условияобразования кристаллов
Материальные частицы(атомы, молекулы, ионы), слагающие газообразные или жидкие (расплавленные)вещества, обладая высокой кинетической энергией, находятся в непрерывномдвижении. Время от времени они сталкиваются, образуя зародыши –микроскопические фрагменты будущей структуры. Чаще всего такие зародышираспадаются, что связано либо с собственными колебаниями, либо с бомбардировкойих свободными частицами. Однако для начала кристаллизации необходимо, чтобызародыш достиг критической величины, т.е. содержал такое количество частиц, прикотором присоединение следующей частицы сделало бы разрастание зародыша энергетическиболее выгодным, чем его распад. Такая возможность для большинства веществпроявляется либо с понижением температуры, в результате чего уменьшаютсятемпературные колебания, либо с повышением концентрации вещества в растворе илигазе, что приводит к увеличению вероятности встречи частиц друг с другом, тоесть к возникновению зародышей.
Таким образом, росткристаллов можно рассматривать как процесс, посредством которого мельчайшиекристаллические частицы – зародыши – достигают макроскопических размеров.Причем кристаллизация протекает не во всем объеме, а лишь там, где возникнутзародыши. Факторами, влияющими на появление зародышей, являются не толькопереохлаждение и повышение концентрации раствора или вязкости расплава, но иприсутствие посторонних обломков кристаллов или пылинок, на поверхности которыхсобираются частицы, упрощая этим начало кристаллизации.
Процесс кристаллизацииявляется энергетически выгодным. Растущий кристалл не принимает равновеснуюформу вследствие того, что на него влияют различные изменяющиеся условиякристаллизации: температура, давление, сила тяжести, химический состав идинамика среды и т.д.Механизмыроста кристаллов
Существенный вклад врешение вопросов о механизме роста кристаллов внесли разработанные теории ростаидеальных кристаллов.
В конце XIXв. американским физиком Дж. Гиббсом (1839-1903), французским физиком П. Кюри ирусским кристаллографом Г.В. Вульфом на термодинамической основе быларазработана количественная теория зарождения и роста кристаллов. Несколькопозже, в 20-х гг. XX в., немецкимфизиком М. Фольмером (1885-1965) была выдвинута теория самопроизвольногозарождения кристаллов и их роста.
Вслед затермодинамическим учением Гиббса в 1927 году наибольшее признание получилитеоретические работы немецкого физико-химика В.Косселя (1888 – 1956) иболгарского физика И.Н. Странского (1897 — 1979), положившие началомолекулярно-кинетической теории роста кристаллов. Они рассмотрели ростидеального кристалла при незначительном перенасыщении без учета несовершенствреальных кристаллов и влияния среды кристаллизации. Эта теория объяснилаявление послойного роста кристаллов с позиций атомно-молекулярного состоянияповерхности растущего кристалла, опираясь на энергетическую выгодностьприсоединения отдельных частиц вещества в различные позиции на свободной отдефектов поверхности кристаллов.
В процессе роставозникают либо атомно-гладкие, либо атомно-шероховатые грани. Атомно-гладкиеграни растут путем послойного отложения вещества, т.е. тангенциальногоперемещения ступеней, и остаются в процессе роста макроскопически плоскими.Такой рост называется тангенциальным или послойным. При этом скорость ростаразных граней будет различна. В итоге кристаллы будут расти в идеемногогранника.
Кристаллы сатомно-шероховатыми гранями могут присоединять частицы с макроскопической точкизрения практически в любой точке поверхности. Поэтому поверхность грани впроцессе роста перемещается по нормали к самой себе в каждой своей точке. Такойрост называется нормальным. При этом скорости роста граней кристалла в разныхнаправлениях будут примерно одинаковы и кристаллы приобретут округлые формыизотерм кристаллизации. Исследование морфологии кристаллов дает информацию обатомных процессах, происходящих на поверхности растущего кристалла.
Рост наатомно-шероховатых плоскостях и торцах ступеней требует лишь потенциальныхбарьеров для встраивания отдельных атомов или молекул. Рост же атомно-гладкихповерхностей требует еще и образования ступеней, т.е. для роста каждого новогослоя необходимо появление на поверхности нового зародыша, а это не всегдавозможно из-за недостатка пересыщения. В этом случае рост происходит лишь путемдвижения уже имеющихся ступеней. Таким образом, первый процесс с энергетическойточки зрения оказывается более выгодным.
Кроме того, граниреальных кристаллов практически никогда не бывают идеальны. На их поверхностивсегда имеются нарушения – дефекты, благодаря которым возникают винтовые икраевые дислокации. Нарастание граней происходит по спирали путем навиванияодного слоя на другой. И такой рост может происходить при сколько угодно малыхпересыщениях и даже из паров. Дислокации, следовательно, являются непрерывнодействующим источником возникновения слоев и снимают необходимость появления наповерхности растущей грани двухмерных зародышей.
Однако такиепредставления оказались неприменимы для сильно пересыщенных растворов ирасплавов. В условиях больших пересыщений возможны и другие механизмы роста.Исследования морфологии поверхностей роста дает возможность сделать важныевыводы о механизмах кристаллизации. Существует много методов исследованияповерхностей граней, главными из которых являются оптическая и электроннаямикроскопия; кроме того, структура и состав поверхности изучаются методамидифракции медленных электронов, масс-спектроскопии, ультрафиолетовой ирентгеновской спектроскопии и т.д. Формы роста кристаллов
При различных отклоненияхот идеальных условий кристаллизации (например, в вязких, загрязненных илисильно пересыщенных средах) вырастают экзотические образования. Опытпоказывает, что при малых пресыщениях и переохлаждениях на фронте роставозникают совершенные – гранные – формы кристаллов. С увеличением отклонения отравновесия кристаллы меняют свой облик, превращаясь в скелеты, дендриты (отгреч. Дендрон – дерево), нитевидные образования или кристаллы сферическойформы. Указанные формы различаются тем, что скелетные кристаллы – это монокристаллы,а дендриты – чаще всего поликристаллические агрегаты. Дефекты кристаллов
Нарушениеправильности в расположении частиц, слагающие структуры реальных кристаллов,т.е. отклонения от их идеальной структуры, порождают дефекты. Для исследователядефект – это источник информации о событиях, произошедших с кристаллом.
Вреальных кристаллах всегда присутствуют структурные дефекты, которые оказываютсущественное влияние на многие свойства твердых тел. К этим свойствам,именуемым структурно-чувствительными, относятся те, которые связаны с движениематомов или электронов. Это механические свойства (прочность и пластичность),ионная и полупроводниковая электропроводность, люминесценция, фотопроводимость,теплопроводность, скорость диффузии и фазовых превращений, и ряд других.
Дефекты— любые отклонения от периодической структуры кристалла — классифицируют по ихразмерам и протяженности областей решетки, на которое распространяется ихдействие. Выделяют следующие типы дефектов кристаллической решетки:
1)Точечные или нульмерные дефекты — нарушения в периодичности в изолированныхдруг от друга точках решетки; во всех трех измерениях они не превышают одногоили нескольких междуатомных расстояний (параметров решетки). Точечные дефекты —это вакансии, междоузельные атомы, атомы примеси, внедренные или в позициизамещения.
2)Линейные дефекты — одномерные, т. е. протяженные в одном измерении: нарушенияпериодичности в одном измерении простираются на расстояния, сравнимые с размеромкристалла, а в двух других не превышают нескольких параметров решетки.Специфические линейные дефекты — это дислокации. Неустойчивые линейные дефектымогут возникать из цепочек точечных дефектов.
3)Поверхностные или двумерные дефекты. Простираются в двух измерениях нарасстояния, сравнимые с размером кристалла, а в третьем составляют несколькопараметров решетки. Это плоскости двойникования у двойников, границы зерен иблоков, дефекты упаковки, стенки доменов, и сама поверхность кристалла.
4)Объемные или трехмерные. Это пустоты, поры, частицы другой фазы, включения.
Кромеперечисленных, можно выделить особую группу дефектов, характерную, в основном,для полупроводниковых кристаллов — микродефекты. Под микродефектами понимаютлюбые дефекты структуры субмикронных размеров.
Историяполучения искусственных кристаллов
Первую попыткуполучения искусственных кристаллов можно отнести к Средневековью, к периодурасцвета алхимии. И хотя конечной целью опытов алхимиков было получение золотаиз простых веществ, можно предположить, что они пытались вырастить кристаллыдрагоценных камней.
Целенаправленноесоздание искусственных кристаллов минералов связано с именем французскогохимика М. Годена, которому в 1837 г. удалось получить мельчайшие (в 1 карат –0,2 г) кристаллы рубина. В дальнейшем предпринимались неоднократные попыткиполучения искусственных рубинов, и уже в конце XIXв. удалось синтезировать ряд соединений группы корунда. А в 1902 г. французскийхимик М.А. Вернейль начал поставлять на мировой рынок синтетические рубины,позже сапфиры и шпинели.
Несколько позже былисинтезированы кристаллы многих драгоценных камней, нашедшие наряду с природнымиширокое применение не только в качестве ювелирного сырья, но и впромышленности, где понадобились уже монокристаллы достаточно крупных размеров.
В последние полвека всвязи с бурным развитием техники и приборостроения с каждым годом возрастаетпотребность в кристаллах, обладающих специфическими свойствами, такими какпьезоэлектрические, полупроводниковые, люминесцентные, акустические, лазерные,оптические и т.д. Кроме того, для создания современных приборов требуютсякристаллы с такими уникальными свойствами, которыми природные объекты необладают. Все это способствует становлению промышленного выращиванияискусственных кристаллов.
Работы по теории ипрактике выращивания кристаллов способствовали интенсивному развитию научныхисследований в области процессов реального кристаллообразования, в частности вприродных условиях.
Моделирование природныхпроцессов кристаллообразования в лаборатории позволяет понять и объяснить рядпричин зарождения, роста и разрушения кристаллов в реальных условиях.
Списокиспользуемой литературы
1. Булах А.Г.Минералогия с основами кристаллографии. М.: Альфа-М, 1989. – 156 с.
2. Егоров-ТисменкоЮ.К. Кристаллография и кристаллохимия: учебник. – М.: КДУ, 2005. – 592 с.
3. Попов Г.М.,Шафрановский И.И. Кристаллография. М.: ГОСГЕО — ЛТЕХИЗДАТ, 1955г. – 215с