Содержание
Распространённость кристаллов в природе
Неосведомлённому человеку может показаться, что кристаллические тела встречаются в природе очень редко. Действительно, природные монокристаллические образования, имеющие вид плоскостных многогранников, представляют большую редкость. Это, в первую очередь, относится к кристаллам большой величины, размеры которых в отдельных случаях могут достигать человеческого роста. Таковы гигантские кристаллы кварца и гипса, хранящиеся в Московском минералогическом музее АН России и в Горном музее Санкт-Петербургского горного института. В 1958 г. в Средней Азии был найден уникальный кристалл кварца весом около 30 т., длиной 7,5 м. и шириной 1,6 м. Разумеется, описанные случаи относятся к числу выдающихся. Обычно же приходится иметь дело с гораздо более мелкими и нередко микроскопическими кристалликами.
Вода в отличие от всех других веществ, при замерзании расширяется. При нуле градусов лед становится легче воды на 10%. Лед в природе образует самые разнообразные кристаллы, формы которых зачастую бывают очень необычными.
На земле очень много веществ состоят из отдельных кристаллов. К примеру, изумруды, бриллианты и другие драгоценные камни являются кристаллами, частичка соли или сахара также называется кристаллом. Кристаллом называется твердое состояние вещества, имеющее определенную форму, определенное количество граней. Кристаллы одного вещества имеют идентичную форму, единственное, чем они могут отличаться – размерами.
Вода является самым распространенным веществом, образующим кристаллы. Вода при замерзании преобразуется в снежинки или же другими словами – кристаллы льда. Вода имеет еще одну так называемую субстанцию – снег. По сути это обычная замерзшая вода. Но сразу же возникает вопрос, почему же тогда снег не напоминает лед? Дело в том, что каждая снежинка состоит из очень маленьких кристалликов льда, отражающийся от их граней свет делает это чудо природы абсолютно белого цвета. Образование снега происходит во время замерзания водяного пара, который содержится в атмосфере. Сразу появляются микроскопические кристаллы, чистые и практически прозрачные, затем при следовании за воздушными потоками, кристаллы перемещаются в воздухе, постепенно приклеиваясь друг к другу. Как только размеры льдинок, соединенных между собой, окажутся достаточно большими, то они начинают опускаться на землю. Именно такие скопления льдинок мы и называем снежинками.
Кристаллы кварца в прирде
Кварцевая жила
В наиболее общем случае кристаллизация происходит из многих центров одновременно, поэтому отдельные кристаллы в процессе своего роста приходят в соприкосновение друг с другом и не могут приобрести геометрически правильную огранку. В результате образуются поликристаллические тела, состоящие из множества кристаллических зёрен с криволинейными очертаниями, которые часто называют “кристаллитами”. Тем не менее, как было установлено рентгеноскопическими исследованиями, кристаллиты обладают таким же закономерным внутренним строением, что и кристаллические многогранники.
Из подобных кристаллических зёрен различной крупности, от видимых простым глазом до не различимых даже под микроскопом, состоят, например, металлы и сплавы, кирпич и бетон, твёрдые шлаки и минеральные удобрения, самые разнообразные продукты химической и пищевой промышленности. То же самое можно сказать и о подавляющем большинстве горных пород, слагающих земную кору, которые образовались из застывающей магмы (граниты, базальты, диориты, перидотиты и др.), кристаллическими являются также руды железа и цветных металлов и осадочные породы органогенного и химического происхождения — известняки, доломиты, гипс, каменная соль и т. п. Из мельчайших обломков кристаллов состоят и такие распространенные механические осадки, как песок, глина и алеврит. Кристаллические вещества принимают участие даже в строении органического мира. Например, роговица глаза, зубы, некоторые кости скелета, пчелиный воск — представляют собой агрегаты мельчайших кристалликов, не обнаруживаемых с помощью обычных микроскопов.
Благодаря применению рентгеновских лучей и электронных микроскопов круг известных нам кристаллических веществ всё более расширяется. Имеющиеся данные достаточно убедительно свидетельствуют о чрезвычайной распространённости кристаллов в природе. Образно выражаясь, мы живем в мире кристаллов, ибо кристаллы окружают нас всюду.
Определение возраста пород с помощью кристаллов
Египетские пирамиды построены 4 — 5 тысяч лет назад и являются наиболее древними памятниками человеческой культуры, широко известными по фотографиям, описаниям и преданиям. В то же время возраст кристалла кальцита, показанного на рис. 6, не менее 10 миллионов лет. Как представить себе, что более 10 миллионов лет назад в толще пород, находящихся сейчас в современной Якутии, сформировались эти кристаллы, которые уже почти никак не изменялись за все это колоссальное время. Сменяли одна другую цивилизации, менялось государственное устройство, сменялся общественно-политический строй, да просто за это время, около 2 — 4 миллионов лет назад на Земле появился человек, а ромбоэдр кальцита оставался таким, каким он сформировался и каким он сегодня предстал перед нами. Разумеется, это же относится и к другим кристаллическим минералам, залегающим в толще горных пород, и среди них есть кристаллы значительно более солидного возраста.
Такая устойчивость структуры позволила использовать кристаллы в качестве эталона для определения возраста горных пород. Эта проблема очень важна для геологии и всех других горных наук, но простого решения она не имеет; уж с очень большими временами приходится иметь дело. Тем не менее, если структура со временем не меняется, то возможны изменения химического состава кристалла, связанные только с изменениями входящих в его состав атомов. Атомы, очевидно, могут претерпевать радиоактивный распад, превращаясь в другие, не характерные для данного состава кристалла. На этой идее основан самый распространенный метод определения возраста горных пород, имеющий несколько вариантов. Вот вкратце суть одного из них — калий-аргонового.
Калий — один из часто встречающихся в составе кристаллических минералов элементов. Его изотоп является радиоактивным. По реакции К-захвата (захват ядром электрона с ближайшей к ядру электронной орбиты) он превращается в изотоп аргона :
Что же касается аргона, то он редко встречается в природных кристаллах. Таким образом, чем меньше и чем больше , тем старше горная порода. Измерив отношение концентраций калия и аргона и зная период полураспада (1,32109 лет), можно довольно точно определить ее возраст. Различные варианты таких оценок возраста основаны на использовании реакций радиоактивного распада других элементов (238U, 232Th, 87Rb).
Таким образом, встречаясь с природным кристаллом естественного происхождения, мы имеем уникальную возможность взять в руки предмет, по сравнению с возрастом которого все остальные привычные для нас масштабы исторического времени просто ничто. Разбивая обычный камень, мы всегда должны себе представлять, что поверхность разрушения образовалась в первый раз за миллионы, а иногда и миллиарды лет его существования. Таковы эти уникальные объекты, окружающие, тем не менее, нас со всех сторон на нашей кристаллической Земле.
Распространённость кристаллов в природе
Кристаллы железного купороса или пищевой соды, растущие буквально на наших глазах и поражающие своими строгими геометрическими формами, никогда не перестанут удивлять.
Каким образом природе удается буквально за считанные часы создавать столь совершенные творения? Очень быстро, в течение нескольких дней, из приготовленного раствора вырастают кристаллы каменной (поваренной) соли и меди, сахара и алюмокалиевых квасцов.
Механизм роста кристаллов прост и сложен одновременно. В домашних и лабораторных опытах кристаллы обычно выращивают из пересыщенных водных растворов. Но они могут расти и из расплавов, кристаллы могут образоваться и при раскристаллизации гелей. При определенных условиях кристаллы могут менять свое строение, переходя из одной кристаллической формы в другую, с сохранением химического состава. Этот процесс носит название перекристаллизация.
Геометрический отбор растущих кристаллов при образовании друзы (схема)
Рост кристаллов (за исключением перекристаллизации) всегда является переходом из одного агрегатного состояния в другое (из газообразного — в твердое; из жидкого — в твердое). Для того, чтобы начался рост кристаллов из раствора, нужно, чтобы раствор был пересыщенным. Тогда, при снижении температуры, в растворе возникнут центры кристаллизации, микроскопические «зародыши» будущих великолепных кристаллов. Рассмотрим, для примера, поваренную (каменную) соль, формула которой известна каждому со школьных времен — NaCl. Если раствор пересыщен ионами натрия и хлора, они находятся на близком расстоянии друг к другу и между ними устанавливается химическая связь. Несколько молекул строятся в кубическую решетку, а к ним уже присоединяются другие ионы. Так образуется «зародыш» кристалла. Молекулы соединяются с друг с другом, в результате микроскопический кристаллик увеличивается и скоро становится видимым кубиком. Это идеальный вариант роста кристалла, который никогда не осуществляется на практике. Для того, чтобы получить идеальный кубик соли, нужно, чтобы «зародыш» неподвижно висел в растворе, не тонул и ни к чему не прикреплялся (хотя, в невесомости, возможно, когда-то и проведут такой опыт). К тому же, к кристаллу непрерывно и равномерно должен с определенной скоростью подаваться пересыщенный раствор и равномерно омывать его.
В условиях реального опыта (или в природе) раствор поступает к «зародышу» неравномерно, может меняться как скорость поступления, так и температура раствора. К тому же, в растворе образуется множество «зародышей». Поэтому из раствора вырастает множество кристаллов в виде агрегатов или друз (на твердой поверхности — основе), которые нарастают друг на друга, растут рядом, перекрывают друг друга.
При неравномерном, волнообразном поступлении пересыщенного раствора искажается форма кристалла, некоторые его грани не могут приобрести совершенные формы. Такой же процесс с образованием множества центров кристаллизации и зародышей происходит при росте кристаллов из насыщенной газами среды.
Самые совершенные кристаллы вырастают в тех местах, где раствор поступает равномерно и есть пространство для роста. Поэтому в любой друзе самыми большими и красивыми являются верхние кристаллы.
Исследования показывают, что самые большие и красивые кристаллы вырастают в условиях, когда центров кристаллизации мало, а пространство между ними велико.
Важен и еще один момент — чем дольше растет кристалл при сохранении оптимальных условий — тем совершеннее его грани. При очень быстром изменении температурных условий и концентрации вещества в растворе кристаллики вырастают очень мелкими (иногда их размеры не превышают несколько микрон).
В природе вырастают как очень мелкие, так и очень большие кристаллы. Так, кристаллы природного гипса могут достигать в длину 5-6 метров и более.
Цвет кристалла одного и того же минерала может быть различным из-за примесей, которые в момент его роста находились в растворе. Они встраиваются в кристаллическую решетку кристалла.
О том, как провести опыты по выращиванию кристаллов в домашних условиях, можно узнать, пройдя по ссылке.
Мексика, штат Чиуауа, пещера Найка. Кристаллы гипса
Запись опубликована в рубрике Занимательная минералогия с метками как растут, кристаллы. Добавьте в закладки постоянную ссылку.
Кристаллы в природе
Здесь вы узнаете о том, как кристаллы растут и существуют в природе и где их чаще всего можно встретить. Как образуются расплавы, из которых возникают кристаллы. Как происходит процесс кристаллизации магмы, из которой состоит земная кора нашей планеты.
Кроме того тут подробно описано об отечественной сокровищнице кристаллов – Урале, а также о кристаллах соли под, над землей и даже во Вселенной. Еще здесь же вы узнаете, что о кристаллах писал знаменитый французский писатель Жюль Верн.
Но, пожалуй, самое интересное в этом разделе: описание процесса роста кристаллов из всевозможных жидкостей и растворов, а также из паров.
Земля живет.
Земная кора, то есть та твёрдая, каменная оболочка Земли, на которой мы живём, – это сравнительно тоненькая корочка на поверхности нашей планеты. Толщина земной коры достигает всего лишь 20-30 километров. Это совсем немного в сравнении с расстоянием от поверхности Земли до её центра, которое составляет около 6370 километров.
Твёрдая земная кора, как панцирем, охватывает горячий океан – область так называемой магмы, то есть расплавленной каменной массы, насыщенной различными горячими газами и перегретыми парами воды. В области магмы господствуют очень высокие температуры, –вероятно, до двух тысяч градусов, и колоссальные давления – до полутора миллионов атмосфер, то-есть в полтора миллиона раз больше, чем давление воздуха на поверхности Земли. Область магмы простирается до глубины 70-120 километров. Земная кора – это застывшая твёрдая магма. Она образовалась при застывании магмы, как пенка на молоке. Все минералы и горные породы Земли родились из магмы.
Химические элементы, имеющиеся на Земле, находятся в магме в состоянии особых соединений, как бы растворённых друг в друге. Температура и давление внутри магмы, – а значит, и содержание в ней газов и паров и её химический состав, – не остаются неизменными. Если магма поднимается из более глубоких областей к поверхности Земли, то условия меняются, температура падает, давление понижается, и магма начинает застывать, образуя твёрдые минералы и горные породы, почти всегда кристаллические.
При застывании в магме происходят сложные физико-химические процессы, в результате которых она распадается на ряд химических соединений. Одни соединения затвердевают раньше, другие позже, поэтому магма разделяется на участки, образуя различные горные породы.
«Хрустальный погреб» с кристаллами голубого целестина (руды стронция).
В оставшейся расплавленной массе накопляются пары воды и летучих соединений. Эти части магмы заполняют трещины земной коры, медленно застывают там и образуют минералы—соединения летучих элементов (фтора цезия, бора, стронция, бериллия и других). Часть летучих соединений поднимается выше, к земной поверхности, в виде газовых струй, а водяные пары сгущаются в воду, образуя растворы остатков магмы. Эти растворы текут по трещинам, постепенно охлаждаясь и выделяя один за другим различные минералы, оседающие по стенкам трещин; так возникают минеральные «жилы».
Горячие водные потоки, встречаясь с горными породами и минералами, растворяют некоторые из них и дают начало новым химическим соединениям: при этом возникают всё новые и новые минералы. Достигнув поверхности Земли, водные источники вливаются в ручьи, реки, моря, океаны, а летучие соединения – пары и газы – в атмосферу. Этим не ограничивается жизнь Земли. Жара и мороз, солнце, ветер, вода разрушают минералы, слагающие земную кору, камни трескаются от смены тепла и холода, обрушиваются, рассыпаются, ветер рассеивает и разносит мельчайшие обломки; вода обтачивает и разъедает камни, уносит в себе их составные части. Кварц (на рисунках ниже) – один из самых распространённых на земле минералов – рассыпается на мелкие зёрна, образуя песок;
Поверхность пирита с наросшими на него кристалликами кварца.
полевые шпаты превращаются в глину.
Кристаллы в природе
Реки растворяют минералы, уносят их в море. Слой за слоем оседают растворённые вещества на дне озёр, морей, океанов, образуя новые толщи пород. Их закрывают новые слои, и они оказываются опять не на поверхности, а в глубине Земли; а там их снова растворяют подземные воды, снова соприкасается с ними магма, вновь расплавляются, разлагаются и затвердевают они большей частью в кристаллической форме. «Такие перемены, – говорит М. В. Ломоносов, – произошли не за один раз, но случились в разные времена несчётным множеством крат и ныне происходят, и едва ли когда перестанут».
Много крат – много раз.
Так совершается круговорот вещества на нашей планете, которая кажется нам неизменной лишь потому, что все эти процессы происходят настолько медленно, что мы не можем их заметить.
Кристаллы кварца под микроскопом.
Мы привыкли считать камни неизменными, но на самом деле камни рождаются, живут, стареют, разрушаются и снова возрождаются в виде новых камней. Один из первых русских минералогов, академик В. М. Севергин, в книге «Первые основания минералогии или естественной истории ископаемых тел», изданной в 1798 году, так говорит о жизни камней: «Минералы подвержены общему с прочими вещами жребию: всё повинуется времени: всё должно родиться, быть и умереть, и всё обращается паки в тот безмерный Океан, откуда оно произведено было, так что хотя подземное богатство, с одной стороны, безмерно истощается, однако с другой – оно через разрушение всех тел в природе, вероятно, паки обогащается.
Каменные вещи долготою времени выветриваются и распадаются: металлические сосуды, истуканы и другие изделия тускнеют и ржавеют. Сколь бесчисленное множество таковых искусственных вещей от создания мира выветрилось, распалось, заржавело и прочее. Воздух и вода таковые частицы потом приемлют в себя и увлекают их с собою в разные места, употребляя их, вероятно, для образования новых тел в природе».
Живя на Земле, сложенной кристаллическими породами, мы, безусловно, никак не можем отвлечься от проблемы кристалличности: мы ходим по кристаллам, строим из кристаллов, обрабатываем кристаллы на заводах, выращиваем их в лабораториях, широко применяем в технике и науке, едим кристаллы, лечимся ими… Изучением многообразия кристаллов занимается наука кристаллография. Она всесторонне рассматривает кристаллические вещества, исследует их свойства и строение. В давние времена считалось, что кристаллы представляют собой редкость. Действительно, нахождение в природе крупных однородных кристаллов — явление нечастое. Однако мелкокристаллические вещества встречаются весьма часто. Так, например, почти все горные породы: гранит, песчаники, известняк — кристалличны. По мере совершенствования методов исследования кристалличными оказались вещества, до этого считавшиеся аморфными. Сейчас мы знаем, что даже некоторые части организма кристалличны, например, роговица глаза, витамины, мелиновая оболочка нервов — это кристаллы. Долгий путь поисков и открытий, от измерения внешней формы кристаллов в глубь, в тонкости их атомного строения еще не завершен. Но теперь исследователи довольно хорошо изучили его структуру и учатся управлять свойствами кристаллов.
Кристаллы – это красиво, можно сказать чудо какое-то, они притягивают к себе; говорят же "кристальной души человек" о том, в ком чистая душа. Кристальная – значит, сияющая светом, как алмаз … И если говорить о кристаллах с философским настроем, то можно сказать, что это материал, который является промежуточным звеном между живой и неживой материей. Кристаллы могут зарождаться, стареть, разрушаться. Кристалл, когда растет на затравке (на зародыше), наследует дефекты этого самого зародыша. Вообще можно привести множество примеров, настраивающих на такой философский лад, хотя конечно здесь много от лукавого… Например, по телевидению теперь можно услышать о непосредственной связи степени упорядоченности молекул воды со словом, с музыкой и о том, что вода изменяется в зависимости от мыслей, от состояния здоровья наблюдателя. Я не воспринимаю этого всерьез. Вообще-то, шарлатанства и спекуляций около науки много. А молитва опосредована, действует через Духа Святаго и не надо смешивать научный подход и духовные вещи.
Но если говорить совсем серьезно, сейчас пожалуй нельзя назвать ни одну дисциплину, ни одну область науки и техники, которая бы обходилась без кристаллов. Когда я работала, ко мне валом валили медики, показывали почечные камни пациентов: их интересовали среды, в которых кристаллообразование произошло. И фармацевтов много побывало, ведь таблетки – это спрессованные кристаллы. Усвоение, растворение таблеток зависит от того, какими гранями покрыты эти микрокристаллики. Витамины, миелиновая оболочка нервов, белки, и вирусы – это все кристаллы. И наши консультации приносили большое удовлетворение, отвечая на возникающие вопросы….
Кристалл чудодейственен своими свойствами, он выполняет самые разные функции. Эти свойства заложены в его строении, которое имеет решетчатую трехмерную структуру.
Как пример использования кристаллов можно взять кристалл кварца, который используется в телефонных трубках. Если на пластинку из кварца воздействовать механически, то в ней в соответствующем направлении возникнет электрический заряд. В трубке микрофона кварц преобразует механические колебания воздуха, вызванные говорящим, в электрические. Электрические колебания в трубке Вашего абонента преобразуются в колебательные, и, соответственно, он слышит речь.
Будучи решетчатым, кристалл ограняется и каждая грань, как личность, своеобразна. Если грань плотно упакована в решетке материальными частицами (атомами или молекулами), то это очень медленно растущая грань. Например, алмаз. У него грани имеют форму октаэдра, они очень плотно упакованы атомами углерода, и отличаются в силу этого и блеском, и прочностью.
Кристаллография – наука не новая. У её истоков стоит М. В. Ломоносов. А вот выращивание искусственных кристаллов дело более позднее. Популярная книга Шубникова "Образование кристаллов" вышла в 1947 году. Эта научная практика выросла из минералогии, науки о кристаллах и аморфных телах. Выращивание кристаллов стало возможным благодаря изучению данных минералогии о кристаллообразовании в природных условиях. Изучая природу кристаллов, определяли состав, из которого они выросли и условия их роста.
Проект. Кристаллы в природе и жизни людей.
И теперь эти процессы имитируют, получая кристаллы с заданными свойствами. В деле получения кристаллов принимают участие химики и физики. Если первые разрабатывают технологию роста, то вторые определяют их свойства. Можно ли искусственные кристаллы отличить от природных? Вот вопрос. Ну, например, искусственный алмаз до сих пор уступает природному по качеству, в том числе и по блеску. Искусственные алмазы не вызывают ювелирной радости, но для использования в технике они вполне подходят, выступают в этом смысле на равных с природными. Опять же, нахрапистые ростовики (так называют химиков, выращивающих искусственные кристаллы) научились выращивать тончайшие кристаллические иглы, обладающие чрезвычайно высокой прочностью. Это достигается манипулированием химизмом среды, температурой, давлением, воздействием некоторых других дополнительных условий. И это уже целое искусство, творчество, мастерство – тут точные науки не помогут, они в этой области работают плохо. Еще покойный академик Николай Васильевич Белов говорил, что искусством выращивать кристалл обладает тот специалист, который тонко чувствует кристалл.