Первоначала вещей(Очерк о строении вещества) - Кудрявцев Борис Сергеевич (читать книги бесплатно txt) 📗
Остов кристалла, который получается, когда изображают расположение центров образующих кристалл частиц, называют кристаллической решеткой, а те места, в которых эти центры помещаются, — узлами кристаллической решетки.
Не у всех кристаллических тел частицы расположены так же, как у поваренной соли.
Замечательный русский кристаллограф Е. С. Федоров математическим путем доказал возможность существования 230 разновидностей симметрических фигур, в которые могут слагаться атомы в кристаллах.
Существует твердое тело — графит.
Графит построен из частичек углерода, из которого состоит и обычный древесный уголь. Проведите куском графита по твердой поверхности — останется черный след. Такая мягкость графита, способность его «мазаться», обеспечивает возможность применения его в качестве материала для изготовления карандашей и особых смазок.
Дело в том, что графит, не плавясь, выносит температуру более 2 тысяч градусов, поэтому графитные смазки можно применять тогда, когда нельзя воспользоваться никакими другими. Из графита изготовляют огнеупорные тигли, в которых плавят самые тугоплавкие вещества.
Кристаллическая решетка графита изображена на рисунке 46. Как мы видим, она состоит из отдельных слоев, каждый из которых напоминает рисунком паркетный пол.
Рис. 46. Кристаллическая решетка графита.
Обратите внимание на то, что соседние атомы углерода, лежащие в одном и том же слое, почти в два с половиной раза ближе друг к другу, чем соседние же, но расположенные в смежных слоях. Эта особенность определяет многие свойства графита.
Чем ближе друг к другу частицы вещества, тем больше действующие между ними силы. Поэтому атомы углерода, образующие какой-либо слой, связаны между собою гораздо прочнее, чем атомы, принадлежащие соседним слоям. Малое сцепление соседних слоев позволяет им легко скользить один по другому, а это дает возможность использовать графит для приготовления смазки. Этим же объясняется тот факт, что графит чаще всего встречается в виде чешуек.
Строение кристалла в первую очередь зависит от химического состава вещества, и поэтому можно, казалось бы, думать, что каждому веществу свойственна только одна определенная кристаллическая решетка. Но это не так. У многих веществ частицы могут располагаться, образуя кристаллические решетки различных типов. Все знают, как красиво сияют в лучах света отшлифованные алмазы, или, как их называют, бриллианты. А ведь алмаз состоит из тех же самых атомов углерода, что и черный, матовый графит, только кристаллическая решетка алмаза совсем не похожа на решетку графита (рис. 47).
Рис. 47. Кристаллическая решетка алмаза.
Иное расположение атомов приводит к совершенно иным свойствам. Графит — мягкое тело, алмаз — самый твердый минерал, из него не приготовишь смазки. Графит не прозрачен, алмаз прозрачен. Графит — хороший проводник электрического тока, алмаз тока не проводит. Эти различия в свойствах вызваны разным расположением атомов, разным строением решетки.
Вообще говоря, при определенных условиях одна форма кристаллической решетки может превратиться в другую. Эта мысль была движущей пружиной бесчисленных попыток искусственного получения алмазов. До сих пор эти попытки оставались безуспешными. Вероятно, образование алмазов в природе происходило при условиях, которые не удается воспроизвести. Оно протекало в результате кристаллизации углерода, растворенного в расплавленных магмах при очень высоком давлении и быстром охлаждении. Искусственное же получение алмазов пытались осуществить при таких условиях, когда более устойчивой формой кристаллического углерода являлся графит.
В 1940 году советский ученый О. П. Лейпунский определил границы температур (2000°) и давлений (60 тысяч атмосфер), при которых в природе происходил процесс кристаллизации алмазов.
У некоторых веществ превращение одной кристаллической формы в другую происходит довольно легко. Подобное превращение однажды явилось причиной большого несчастья.
В 1910 году известный полярный исследователь Р. Скотт отправился на корабле «Терра нова» в экспедицию к Южному полюсу. Полюса экспедиция достигла в январе 1912 года. На обратном пути Р. Скотт и его четыре спутника погибли. Как оказалось, причиной их гибели была потеря жидкого топлива: бачки, в которых оно находилось, разрушились. Это произошло в результате превращения олова, которым были пропаяны бачки, из привычного для нас белого олова в порошкообразное серое.
Белое и серое олово различаются так же, как и алмаз и графит, строением кристалла. При температурах ниже 18 градусов более устойчиво серое олово, однако скорость превращения обычного олова в порошкообразное серое при температуре, не слишком сильно отличающейся от 18 градусов, ничтожно мала. При понижении же температуры скорость образования серого олова возрастает, достигая максимальной величины при — 33 градусах. Это и привело к гибели отважных путешественников.
Превращение белого олова в серое значительно ускоряется, если добавить к нему затравку — крупинку серого олова. Затравка может быть очень малой, — иногда достаточно привести обычное олово в соприкосновение с серым, чтобы превращение пошло быстро; серое олово как бы «заражает» своим прикосновением белое.
В средние века домашняя утварь делалась из различных сплавов, основной частью которых было олово. И если в каком-нибудь доме на тарелке, ложке или ином предмете образовывалось небольшое количество серого олова, такой предмет «заражал» другие и вся утварь разрушалась. Это бедствие очень напоминало эпидемическое заболевание, и народ, со свойственной ему меткостью, назвал его «оловянной чумой». Особенно страдали от «оловянной чумы» органные трубы, изготовлявшиеся из чистого олова.
Красивы и разнообразны кристаллы различных веществ (рис. 48).
Рис. 48. Внешний вид различных кристаллов.
Многие из них вы можете получить сами. Прибавьте к горячей воде какое-либо вещество, например поваренную соль или квасцы, в таком количестве, чтобы оно перестало в ней растворяться. Перемешайте раствор, дайте нерастворившемуся веществу осесть на дно и осторожно слейте прозрачный раствор в чистый стакан. Поставьте стакан с раствором в теплое, защищенное от тряски место. Через несколько дней, когда часть жидкости испарится, на дне стакана выпадут кристаллы растворенного вещества.
Когда переохлаждение невелико и кристаллизация происходит медленно, образуются большие, с правильными гранями кристаллы. Если же жидкость сильно переохладить и тем ускорить рост кристаллов, то они приобретают причудливый вид переплетенных нитей или ветвистого дерева.
Вспомните тонкие морозные узоры на окнах: здесь можно увидеть и цветы, и деревья, и замысловатые орнаменты, превосходящие сложностью то, что может создать фантазия художника.
Особенно красивы и разнообразны формы снежинок (рис. 49).
Рис. 49. Снежинки.
Они возникают потому, что снежинка, падая на землю, непрерывно перемещается из одного слоя атмосферы в другой и при этом непрерывно изменяются условия кристаллизации — иными делаются температура, количество водяных паров и т. д.
Не все кристаллы состоят из атомов или ионов. Существуют кристаллы, состоящие из молекул.
Примером тому сухой лед, которым охлаждают мороженое. Это превращенный в твердое кристаллическое тело углекислый газ. Частицы, образующие кристалл сухого льда, — молекулы. Они, так же как и ионы в кристалле поваренной соли, уложены с возможно большей плотностью. Однако молекулы углекислого газа имеют более сложную форму, чем шарики-ионы, и уложить их плотно труднее. Поэтому упаковка кристалла, состоящего из молекул (рис. 50), получается более рыхлой, чем у кристалла, состоящего из ионов или атомов.
