ما هو الكريستال؟

تعريف أكثر دقة ، التمايز

البلورة هي جسم متجانس لأنها متجانسة ماديًا وماديًا. لكن العديد من الخصائص الفيزيائية تعتمد على الاتجاه في الفضاء. ح. إنه بلورة متباينة الخواص. ^[1]

تم تعريفها ، قبل عام 1992 ، على أنها بلورات دورية: بهذا المعنى ، تتكون البلورة من وحدات هيكلية دورية ثلاثية الأبعاد تظل ثابتة. ^[2] تسمى هذه الوحدة الهيكلية وحدة الخلية أو الخلية الأولية.

منذ عام 1992 ، وفقًا للاتحاد الدولي لعلم البلورات IUCr ^{[3] ،} تم تعريف البلورة بترتيب الانعراج المنفصل (عند إضاءتها بالأشعة السينية). لذلك فإن لها ترتيب بعيد المدى ، ولكن ليس بالضرورة دوريًا. تم تطبيق هذا التعريف مع اكتشاف البلورات الزائفة في عام 1984 ، والتي تشكل مجموعة فرعية من البلورات غير الدورية. ومع ذلك ، فإن البلورات الدورية تشكل إلى حد بعيد أكبر مجموعة فرعية من البلورات.

 

يتم التمييز اعتمادًا على خصائص النموذج الخارجي

• تشكلت البلورات دون ضرر ، ما يسمى بصيغة idiomorphic (اليونانية القديمة ἲδιος ìdios “self” و μορφἠ morphe “الشكل”) و
• بلورات Xenomorphic (اليونانية القديمة ξένος xénos “خارجي” و μορφἠ ” شكل”) التي يتم تحديد شكلها الخارجي بواسطة واجهات خارجية.

يوضح الشكل الخارجي للبلورة ذات الشكل الخارجي التركيب البلوري المقابل. لذلك ض. ب- بلورات كلوريد الصوديوم (ملح عادي ، هالايت معدني) التي نمت دون معالجة على شكل مكعبات. حتى في حالة البلورات غير المتبلورة ، عادة ما يكون هناك تشوه معين في الطبيعة ، أي أن طول الحواف (وليس الزوايا) يمكن أن ينحرف بشكل كبير عن الشكل المثالي (قانون الثبات الزاوي ) .

يتم تحديد الشكل الخارجي للبلور من خلال الخصائص المستقلة للعادة البلورية والعادة البلورية. المستويات الشبكية ، الوجوه البلورية موصوفة بمؤشرات ميلر.

يمكن أيضًا تمييز أنواع البلورات بالطريقة التي ترتبط بها كتل البناء (على سبيل المثال ، البلورات الأيونية).

نظرًا لأن السمة المميزة للبلورات هي الترتيب المنتظم في جميع الاتجاهات المكانية الثلاثة ، فمن الممكن أيضًا تخيل كائنات تتكرر مكوناتها في اتجاه واحد أو اتجاهين مكانيين فقط. ثم يمكننا التحدث عن بلورات أحادية البعد وثنائية الأبعاد. في الطبيعة ، توجد بروتينات غشائية تضع نفسها في شكل بلورات ثنائية الأبعاد في الغشاء البيولوجي. مثال على ذلك هو بكتيريورودوبسين. ^[4] في علم الأحياء البنيوي ، يحدد النمو البلوري ثنائي الأبعاد الموقع الذري للجزيئات البلورية الكبيرة باستخدام الفحص المجهري الإلكتروني ^{. [5]}

 

بالإضافة إلى البلورات ، هناك أيضًا أشياء ليس لها ترتيب داخلي بعيد المدى وتسمى غير متبلورة. على سبيل المثال ، الزجاج (يسمى أيضًا بلور الرصاص والنظارات الكريستالية الأخرى).

إذا كان السائل متباين الخواص ونتيجة لذلك له بعض خصائص البلورة ، فإن البلورة عبارة عن سائل. ^[6]

أصل الكلمة

كلمة الكريستال من الكلمة اليونانية مشتق κρύσταλλος kristallos (Zo cold krýos “البرد القارص ، الصقيع ، الجليد”). كان المقصود أصلاً في جليد هومر – أي شيء يشبه الجليد وخفيف وشفاف لاحقًا. الكريستال الصخري على وجه التحديد ، ولكن الأحجار الكريمة الملونة والزجاج تسمى أيضًا بهذا (على سبيل المثال في Strabo و Claudius Ailianus). ^[7]

تم اكتشاف أنه في اليونان القديمة ، أثناء التعدين ، كان المحتمل أن من تكون بلورات الكوارتز. كان يُعتقد أنها جليد لابد أن تكون قد تشكلت في درجات حرارة منخفضة لدرجة أنها لم تعد قادرة على الذوبان. كان هذا الرأي سائدًا حتى أوائل العصور الوسطى. في حالة kristalos اللاتينية (أيضًا kristalos ، خاصةً “Mountain crystal” ، ^[8] و kristall lapis ^[9] مصطلح kristallo بمرور الوقت إلى kristall المكون من الألمانية القديمة) ، تغير ^{. [10]} في القرن التاسع عشر كما تم استخدام الكريستال .

باك برودكتس بولي كلوريد الألومنيوم الفارسي (PAC)

هيكل وتصنيف البلورات الدورية

 

 

 

 

اتجاه وطول النواقل التي يمكن بواسطتها تحريك البنية البلورية بطريقة تتكرر فيها المواضع الذرية ، ^[12] تصف نواقل الترجمة أو الأساس. بنية كل نوع من البلورات من خلال نظام الإحداثيات الخاص به ، أي النظام المحوري لذلك ، يتم تمثيل ^{. [13]} بالإضافة إلى الترجمة ، يمكن أيضًا أن تدور البنية البلورية حول هذه المحاور حتى يتطابق الهيكل المستدير مع الهيكل الأصلي. نظرًا لأنه يجب الحفاظ على التناظر الانتقالي ، يمكن أن تحدث التماثلات الدورانية فقط التي تصف تكرارًا واحدًا أو اثنين أو ثلاثة أو أربعة أو ستة في دوران كامل (360 درجة). نحن نتحدث عن محاور 1 أو 2 أو 3 أو 4 أو 6 أضعاف. ^[14] هناك بلورات ، بالإضافة إلى المحاور الدورانية والتحويلية ، لها عناصر تناظر أخرى ، مثل الأسطح المرآة ومراكز الانعكاس ، بالإضافة إلى الوصلات بين هذه التماثلات مع الانعكاسات الدورانية ^{[ملاحظة 1]} ، وانعكاسات الانزلاق ^{[الملاحظة 2]} و مسامير. ^{[الملاحظة 3] [15]}

تُستخدم ميزات التناظر لتصنيف البلورات. ^[16] عدد التركيبات الممكنة وأزواج عناصر التناظر محدود (انظر أيضًا نظرية المجموعة). بالكامل في الجداول الدولية لعلم البلورات ، المجلد أ. مدرجة ^{يوجد في البلورات ثلاثية الأبعاد 17 مجموعة بلورية مستوية في بلورات ثنائية الأبعاد و 230 مجموعة فضاء بلوري ، وهي [17] [18]}

إذا تم فحص بلورة جديدة ، فإن المجموعة الفضائية تكون غير معروفة في البداية. عند وصف الشكل الخارجي للبلورة ، لا يمكن تخصيصه إلا لمجموعة من 32 مجموعة نقطية (تسمى أيضًا فئات الكريستال). تصف مجموعات النقاط هذه خصائص التناظر العياني للبلورات وتلخص مجموعات الفضاء التي تختلف فقط في التناظر الانتقالي. الترجمة غير ذات صلة عند النظر إلى البلورات من الخارج. ^[19] نظرًا لأن الزوايا بين المستويات البلورية هي نفسها لكل نوع بلوري وغالبًا ما تكون متسقة مع التناظر الدوراني (على سبيل المثال ، 90 درجة للهاليت مع تناظر دوراني رباعي) ، يتم استخدام سبعة أنظمة بلورية لوصف التشكل البلوري ، والتي في ذلك يتم وضع الموقف. والمحاور النسبية لأطوال خلايا مميزة. اعتمادًا على النظام البلوري الذي تنتمي إليه البلورة ، تكون البلورة ثلاثية الميل أو أحادية الميل أو متعامدة أو رباعية الزوايا أو مثلثية أو سداسية أو مكعبة. ^[20]

صنف أغسطس برافيس شبكات ترجمة مختلفة محتملة. بالتساوي ، تتكون هذه الشبكات من متوازي الأضلاع التي تمثل رؤوسها نقاط الشبكة. من أجل أن يكون قادرًا على وصف تماثلات شبكية معينة ، لم يسمح فقط لخلايا الوحدة الأولية (بنقطة شعرية واحدة لكل خلية) ولكن أيضًا خلايا الوحدة الأكبر الموجودة أو المتمركزة في الجسم. يظهر مثال لخلية وحدة متمركزة على الوجه في الشكل 5. هناك 14 مشابك Bravais في الفضاء ثلاثي الأبعاد. ^[11]

 

في تحليل البنية البلورية ، يمكن تقسيم أنماط حيود الأشعة السينية إلى 11 مجموعة نقطة مركزية متماثلة تسمى مجموعات Laue أو فئات Laue. وذلك لأن أنماط الحيود المركزية المتماثلة تحدث أيضًا في الهياكل البلورية غير المتماثلة ، حيث تظهر الانعكاسات كأزواج فريدل بنفس الكثافة العادية. لذلك ، يمكن الحصول على مجموعات Laue عن طريق إضافة مركز تناظر إلى مجموعة نقطة البلورة. ^[21]

التركيب البلوري ليس خاصًا بالمادة ، أي أن المادة ذات التركيب الكيميائي المحدد يمكن أن يكون لها هياكل مختلفة مستقرة ديناميكيًا حراريًا اعتمادًا على الظروف الخارجية (الضغط ، درجة الحرارة). الهياكل البلورية المختلفة للمادة بالتعديلات تسمى . يسمى وجود تغييرات مختلفة تعدد الأشكال. تظهر فيزياء مراحل هذه التغييرات اختلافًا عن وجهة نظر الكيمياء ، والتي يمكن إظهار مدى ثباتها في مخططات الطور. في حالة الحديد ، عادةً ما يتم ترقيم التغييرات الفردية أو مراحل العنصر على التوالي بأحرف يونانية صغيرة (على سبيل المثال ، α- (الفريت) ، γ- (الأوستينيت) ، δ- ، ε-iron ؛ انظر Fe). – مخطط الكربون).

بلورة

تتشكل البلورة عندما تشكل الذرات أو الجزيئات بنية طويلة المدى منتظمة. يحدث في أنظمة مادة واحدة ، تبلور من مرحلة متبلورة أخرى ، من بخار ، أو من الذوبان. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن تشكيل البلورات من أنظمة متعددة المكونات ، أي من محلول. من أجل السماح بالتبلور ، يجب ألا تكون حالة الذرات أو الجزيئات في حالة توازن. يتم استخدام البخار والمحاليل المشبعة لما سبق. ^[22]

تلعب السرعة دورًا في نمو البلورات. على سبيل المثال ، في حالة الذوبان ، يجب أن تنخفض درجة الحرارة ببطء إلى ما دون نقطة الانصهار. ثم تصبح الحركة الحرارية للذرات الفردية صغيرة جدًا بحيث لم يعد من الممكن كسر الروابط المتبادلة بالاهتزازات – يتم تكوين شبكة موحدة تتميز بترتيب بعيد المدى. من ناحية أخرى ، إذا تم خفض درجة حرارة الذوبان بسرعة كبيرة بحيث لا تستطيع الذرات ترتيب نفسها بشكل دوري ، يتم تشكيل مادة غير متبلورة ، زجاج له ترتيب قصير المدى فقط. نظرًا لبنيتها المنتظمة على الشبكة ، فإن البلورة لها محتوى حر أقل من الزجاج غير المتبلور.

يعتبر تكوين البلورة عملية طاردة للطاقة: على الرغم من تناقص الانتروبيا في النظام (بسبب زيادة الترتيب بعيد المدى) ، عند درجات حرارة تصل إلى نقطة الانصهار يتم تعويضها بانخفاض المحتوى الحراري بسبب التجاذب بين الجسيمات. (= المحتوى الحراري للتبلور).

نقطة البداية لتشكيل البلورات هي نواة تبلور تنمو مع انخفاض درجة الحرارة. إذا كان هناك العديد من هذه النوى البلورية أو إذا بدأ التبلور في عدة نقاط في وقت واحد ، يتم تكوين بلورة متعددة. ) تنمو معًا أثناء التبلور ، وفي كثير من الحالات ، هناك بلورتان لهما نفس التركيب والتركيب ، ولكنهما يختلفان في الاتجاه المكاني (التوائم البلورية.

إعادة التبلور هو تغيير في التركيب البلوري بسبب التغيرات في العوامل الخارجية مثل ظروف الضغط ودرجة الحرارة. هنا ، المادة الصلبة البلورية تغير شكلها.

يسمى الإنتاج الصناعي للبلورات بالنمو البلوري.

ملكيات

البلورات المعدنية غير المعدنية أصعب ولكنها أكثر هشاشة. عادة ما تتصلب جميع المعادن في شكل بلوري عند توازن ديناميكي حراري.

يتم وصف سلوك الضوء في البلورات بواسطة البصريات البلورية. خصائصه وظواهره الهامة هي النشاط البصري والاستقطاب والانكسار وتعدد التلاون. تُظهر الهياكل العازلة الدورية ، المسماة بالبلورات الضوئية ، خصائص بصرية جديدة.

بعض البلورات ، على سبيل المثال بلورات الكوارتز لها خصائص كهرضغطية. إنها تخلق جهدًا كهربائيًا عندما تتشوه وتتشوه عند تطبيق جهد كهربائي. ^[23] يتم إنشاء هذا التأثير في ولاعات بيزو باستخدام شرارات الاشتعال. في الإلكترونيات ، تعمل المذبذبات الكهرضغطية كمولدات للساعة (على سبيل المثال ، في ساعات الكوارتز). تقوم بعض البلورات الكهرضغطية ، وليس كلها ، بتحويل الاختلافات في درجات الحرارة إلى فصل الشحنة. هذه الخاصية تسمى الكهرباء التالية. ^[24] تُستخدم هذه البلورات في أجهزة كشف الحركة ومستشعرات درجة الحرارة. هناك حالة خاصة من المواد شبه الكهرومائية: في البلورات الحديدية الكهربية ، يمكن عكس الاستقطاب الكهربائي عن طريق تطبيق الجهد. ^[25]

أخطاء الشبكة

تحتوي البلورة الحقيقية على عيوب شبكية ، أي أن الترتيب الدوري ثلاثي الأبعاد للذرات يكون مضطربًا. توجد أخطاء في النقاط وأخطاء في الخطوط وأخطاء في المنطقة وأخطاء في الحجم. عيوب النقطة هي عيوب الشبكة الوحيدة التي تحدث أيضًا في التوازن الديناميكي الحراري. البلورة التي لا تحتوي على عيوب شعرية لها حد أدنى من الانتروبيا ولا يمكن تحقيقها وفقًا للقانون الثاني للديناميكا الحرارية. تبلغ حوالي 10 ⁵ سم ^-2 سم ^، وبلورات عادية ومتعددة البلورات 10 ^5-10 9 ^{البلورات المفردة المزروعة في المختبر لها كثافة خلع} سم ^-2 وبلورات مشوهة للغاية تصل إلى 10 ¹⁴ 3-10 ^-2 . ^[26] ، عادةً ما تكون عيوب النقطة والحجم من سمات الخصائص البلورية الضوئية ، في حين أن عيوب الخط (الاضطرابات) وعيوب السطح (حدود الحبيبات) هي خصائص الخصائص الميكانيكية.

ارقام وامثلة

بلورة واحدة و polycrystal

كقاعدة عامة ، تتكون المادة الصلبة البلورية من العديد من البلورات وليس البلورات المفردة ، أي العديد من البلورات الصغيرة (البلورات) مفصولة عن بعضها بحدود حبيبية. على سبيل المثال ، الأجسام المعدنية والأسلاك وما إلى ذلك عادة ما تكون متعددة البلورات. إذا كان الجسم يتكون من أنواع مختلفة من البلورات ، فإن الواجهات بينها تسمى حدود الطور.

المعادن

 

 

 

العديد من المعادن قادرة على تشكيل مجموعة متنوعة من الأشكال والألوان الكريستالية. أشكاله النطاق الكامل من البلورات الخشنة عديمة اللون ( الكريستال الصخري ) إلى الجريزوفولفين متعدد الألوان (معتم) ، ومن ناحية أخرى ، الكالسيت مع مجموعة متنوعة من الأنواع المماثلة. الأمثلة الأكثر شهرة هي ، من ناحية ، الكوارتز ، الذي تغطي

تم اكتشاف أكبر بلورات في العالم في منجم Naica في عام 2000. إنها مصنوعة من جص Marienglas ، ويصل طولها إلى 14 مترًا ^[27] ويصل وزنها إلى 50 طنًا.

الماس هو أصعب شكل بلوري من الكربون من المعدن الطبيعي. أيضا ، يتبلور السيليكون على شكل ماس.

التطبيقات الفنية

يعد السيليكون حاليًا المادة التي تُستخدم بكميات كبيرة كبلورة أحادية (أحادية البلورة) ، أي في تقنية أشباه الموصلات. اليوم ، يبلغ قطرها 30 سم أمر شائع بالنسبة للبلورة الأسطوانية “المسحوبة” من المصهور ، وهي عملية يعود تاريخها إلى Jan Czukralski حوالي عام 1916. يستخدم زرنيخيد الغاليوم (GaAs) أيضًا كأشباه موصلات ، وله هيكل يسمى سبائك الزنك.

تتعامل تقنية النانو ، من بين أمور أخرى ، مع البلورات النانوية.

تُستخدم بلورات صغيرة من الألماس ، وأكسيد الألمونيوم وكربيد السيليكون في التعليق ، سواء كانت مفكوكة أو مربوطة ، كمواد كاشطة ، ويمكن أيضًا استخدام الماس الفردي كأدوات قطع.

يمكن أن تكون بلورات بيزو ميكروفونات أو مكبرات صوت أو مستشعرات للقوة أو مشغلات.

يتم تنظيف المستحضر في مصانع كيميائية عن طريق إعادة التبلور.

ومع ذلك ، فإن التبلور غير مرغوب فيه في إنتاج الزجاج. في إنتاج المعادن ، يكون الهدف عادةً الحصول على بلورات أو حبيبات صغيرة قدر الإمكان.

بلورات عضوية

المواد العضوية ، على سبيل المثال. ب. السكر والبروتين يشكلان بلورات – ولكن الأخير ، إلا في حالات استثنائية. توجد في بيروكسيسومات النباتات ، على سبيل المثال ، بلورات الكاتلاز التي يمكن رؤيتها بالمجهر الإلكتروني. ^[28] إنزيم كاتالاز هو بروتين. يتعامل علم بلورات البروتين مع نمو البلورات من البروتينات للتحليل الهيكلي.

الغرويات

عادة ما تشكل الغرويات بلورات شبه بلورية لأن وحدات البناء ليست كلها متشابهة ، وعادة ما تكون لبنات البناء نفسها متباينة الخواص ، ولأن الروابط القوية والضعيفة تتعايش بين الذرات ومجموعات الذرات. من ناحية أخرى ، يمكن أن تشكل المعلقات الكرة الصلبة أحادية التشتت بلورات لأن اللبنات الأساسية متطابقة ومتجانسة.