Кристали (від грец. "Крісталлос" - лід, гірський кришталь) - тверді тіла, що мають придбану шляхом природного зростання форму правильних багатогранників. Ця форма є наслідком впорядкованого розташування в кристалі атомів, що утворюють трехмерно-періодичну просторову укладання - кристалічну решітку.
Кристали - рівноважний стан твердих тіл. Для кожної хімічної речовини, що знаходиться за даних термодинамічних умов (температура, тиск) в кристалічному стані, відповідає певна кристалічна структура. Всі кристали володіють тією або іншою внутрішньою симетрією розташування атомів в решітці, і відповідної їй макроскопічної симетрією зовнішньої форми, а також анізотропією фізичних властивостей (здатність кристала проявляти різні властивості в різних напрямках). Геміморфізмом називають несиметричне огранений різних кінців кристала, коли кристалографічна форма кристала характеризується несиметричністю: його протилежні кінці обмежені неоднаковим числом граней або або це грані різної форми. При цьому з боку т. Зв. "Антілогічного полюса" головка кристала буває багатшим гранями, а протилежний, т. З. "Аналогічний полюс", зазвичай бідніші гранями. Яскравий тому приклад - турмалін (див. Фото), кристали якого з боку антілогічного полюса заряджаються негативно при нагріванні кінця кристала, що збігається з позитивним напрямком головної осі.
В кристалографії розділяють поняття про кристалі ідеальному і кристалі реальному. Ідеальний кристал - це абстрактний математичний об'єкт, що володіє всією повнотою симетрії, обумовленої симетрією його кристалічної структури і як наслідок - ідеальною формою. На відміну від ідеального, реальний кристал завжди має знижену симетрію внаслідок наявності різних внутрішніх дефектів і впливів з боку зовнішнього середовища. Так, згідно з універсальним принципом симетрії П. Кюрі, при зростанні реального кристала зберігаються тільки ті елементи його внутрішньої симетрії, які співпадають з симетрією середовища кристалізації.
Pеального гранях кристала можуть відповідати лише ті площини кристалічної решітки. які мають найбільшу ретикулярну щільність, тобто на яких на одиницю площі припадає найбільша кількість складових її частинок (атомів, іонів). Оскільки таких плоских сіток в структурах не буває багато, кристали мають обмеження щодо числа можливих граней.
Зростання кристала починається з освіти "зародків", після чого при тривалому рівномірному надходженні речовини формуються гранниє кристалічні форми. Основна умова зародження - переохолодження або перенасичення. Зародження кристалів може йти самостійно. Але іноді для росту кристалів достатнім буває наявність дрібних кристаликів самого кристаллизуемой речовини або близьких до нього за будовою частинок інших твердих речовин. При великій швидкості утворення центрів кристалізації виникає багато дрібних кристалів, при малій кількості центрів виникають великі кристали. Зростання кристалів може відбуватися в насиченому розчині, розплаві, газоподібної або твердому середовищі в основному за рахунок нових шарів речовини, що відкладаються на гранях кристалічного багатогранника. Відповідно до теорії досконалого зростання ідеального кристала нові частинки приєднуються до зростаючого кристалу так, щоб при цьому виділялося найбільшу кількість енергії. З найбільшою часткою ймовірності такі частинки будуть притягатися у вхідні кути. Відповідно на кристалі не повинно утворюватися нового шару до тих пір, поки зростаючий шар цілком не покриє грані кристала. В результаті виникає ідеально освічена кристал у вигляді опуклого багатогранника з плоскими гранями.
Якщо кристал виріс в нерівноважних умовах і не має в силу цього правильної огранки, або втратив її в результаті тих чи інших зовнішніх причин (природні та інші пошкодження, ювелірна обробка і т. П.), Він, однак, зберігає основну ознаку кристалічного стану - внутрішню гратчасту атомну структуру і всі обумовлені нею фізичні і зовнішні властивості. Цим пояснюється здатність осколків кристала (або його фрагментів будь неправильної зовнішньої форми) при попаданні в сприятливу для кристалізації даного речовини середу покриватися новими гранями і доростати до більш-менш правильного багатогранника з відповідною симетрією. Це явище відоме під назвою регенерація.
Регенерація - заростання поверхонь відколу та інших пошкоджень на кристалах. При регенерації заростання починається в багатьох точках поверхні і на початку процесу виходить многоглавий зростання, причому спочатку виникають межі, мають найтісніший контакт з положенням (наскільки це допускає кристалічна структура) до відколу. Потім ці межі послідовно замінюються іншими, які прагнуть до рівноважної формі; головки новоутворень поступово зливаються і в результаті може вийти одна нова грань або вершина кристала. Здатність до такого "самозаліку" в якомусь сенсі, нехай і формально, але ріднить кристали з живими організмами. Адже будь-який кристал, який отримав ті чи інші пошкодження, буде "намагатися" за наявності сприятливих до того зовнішніх умов до відновлення втраченої форми наскільки можливо, до позбавлення від дефектів і пошкоджень.
Всі реальні кристали. зустрічаються в природі, є геометричними многогранниками і являють собою або т. зв. "Прості кристалографічні форми", або їх комбінації. Проста кристалографічна форма - це сукупність однакових за формою і розмірами граней, одержуваних з однієї вихідної площині за допомогою елементів симетрії. Наприклад, за допомогою осі симетрії 3-го порядку можна з однієї площини отримати трігональную призму; за допомогою осі 4-го порядку - тетрагональную; за допомогою осі 6-го порядку - гексагональну. Перетину простих кристалографічних форм утворюють прямі лінії, звані ребрами. Переважання тих чи інших простих кристалографічних форм визначає зовнішній вигляд і габітус кристалів.
При описі форм кристалів розрізняють прості форми і їх комбінації. Так, якщо розглядається кристал, утворений гранями тільки однієї простої форми, то прийнято говорити про простій формі кристала (куб, октаедр, ромбоедр, скаленоедри), якщо ж в ограновані кристали беруть участь дві і більше прості кристалографічні форми, то говорять про комбінаційної формі кристала ( кубооктаедр, скаленоромбоедр).
Сукупності граней, що володіють одними і тими ж властивостями симетрії належать до одного сорту простих форм незалежно від симетричних операцій, за допомогою яких вони були виведені. Так, наприклад, сукупність двох паралельних однакових граней, пов'язаних елементами симетрії, завжди ставиться до пінакоіду.
Різноманіття кристалів не вичерпується "гранями" простими формами, тобто властивими опуклим кристалічним многогранників з плоскими гранями. Для опису кристалічних фігур, які не мають добре вираженою багатогранної форми (наприклад, структурний кристал льоду - сніжинка) були виведені також вершинні і реберні прості кристалографічні форми.
Піраміди і зони росту кристала. Грані різних простих кристалографічних форм ростуть з різною швидкістю і володіють специфічною здатністю адсорбувати речовина з середовища, в якій росте кристал. Тому вони по-різному поглинають ізоморфні і інші домішки і характеризуються різною дефектностью будови. Як результат, тіло кристала складається з пірамід, які розходяться від центру кристала, а їх підставами є його зовнішні межі. У зрізах з них виходять сектора зростання. Піраміди наростання однієї простої кристаллографической форми характеризуються однаковими хімічним складом, структурними особливостями і фізичними властивостями, відмінними від таких в пірамідах наростання інших простих форм. Зазвичай ці відмінності незначні, але відомі випадки, коли різні піраміди одного і того ж зерна відрізнялися настільки істотно, що їх властивості проявлялися по-різному.
Дефекти кристалів. Порушення правильності в розташуванні частинок, що складають структури реальних кристалів, тобто відхилення від їх ідеальної структури, породжують дефекти. Для дослідника дефект - це джерело інформації про події, що сталися з кристалом.
У реальних кристалах завжди присутні структурні дефекти, які мають істотний вплив на багато властивостей твердих тіл. До цих властивостей, що має назву структурно-чутливими, відносяться ті, які пов'язані з рухом атомів або електронів. Це механічні властивості (міцність і пластичність), іонна і напівпровідникова електропровідність, люмінесценція, фотопровідність, теплопровідність, швидкість дифузії і фазових перетворень, і ряд інших.
Дефекти - будь-які відхилення від періодичної структури кристала - класифікують за їх розмірами та протяжності областей решітки, на яке поширюється їх дія. Виділяють такі типи дефектів кристалічної решітки:
• Точкові або нульмерние дефекти - порушення в періодичності в ізольованих одна від одної точках решітки; у всіх трьох вимірах вони не перевищують одного або декількох міжатомної відстаней (параметрів решітки). Точкові дефекти - це вакансії, міжвузольні атоми, атоми домішки, впроваджені або в позиції заміщення.
• Лінійні дефекти - одномірні, т. Е. Протяжні в одному вимірі: порушення періодичності в одному вимірі простягаються на відстані, порівнянні з розміром кристала, а в двох інших не перевищують декількох параметрів решітки. Специфічні лінійні дефекти - це дислокації. Нестійкі лінійні дефекти можуть виникати з ланцюжків точкових дефектів.
• Поверхневі або двовимірні дефекти. Простягаються в двох вимірах на відстані, порівнянні з розміром кристала, а в третьому становлять кілька параметрів решітки. Це площині двійникування у двійників. кордони зерен і блоків, дефекти упаковки, стінки доменів, і сама поверхня кристала.
• Об'ємні або тривимірні. Це порожнечі, пори, частки іншої фази, включення.
Різноманіття природних кристалів не вичерпується лише формами, зумовленими внутрішньою структурою кристала, тобто симетрією і властивостями кристалічної решітки. В кінцевому рахунку та чи інша форма кристала є результатом взаємодії симетрії його внутрішньої структури і симетрії середовища кристалізації. Умови росту кристалів одного і того ж мінералу з різних родовищ бувають настільки різні, що за специфічними відхиленнями форм кристалів від ідеальної часто можна з достатньою впевненістю визначити, з якого саме родовища або навіть його частини (рудної жили, "льохи") відбувається той чи інший зразок. Просторово нерівномірне або однобічний вступ забезпечують зростання кристала компонентів або фізико-хімічна неоднорідність самого середовища кристалізації може призводити до спотворень зовнішньої форми і симетрії кристала. І за характером цих спотворень можна судити про особливості середовища, в якій формувався кристал. А також про зміни умов росту кристалу в часі - по безлічі ознак, "записаних" як на поверхні кристала, так і в його внутрішньої анатомії, в т. Ч. В секторіально-зональному внутрішню будову.
Гранати андрадит і гроссуляр. бас. р.Ахтаранда, Якутія. Ширина поля 6см. Показана залежність габітусу кристалів від симетрії живильної середовища: зліва - ізометричні кристали простих форм, які виросли в умовах помірно-всебічного харчування, праворуч - спотворення ромбо-додекаедрів і тетрагон-тріоктаедр до псевдопрізматіческого вигляду через діссімметіі зовнішнього середовища.