Глава 2. Зарождение и рост кристаллов

2.1 Пути образования кристаллов

Кристаллы возникают при переходе вещества из одного физического состояния в другое:

г азообразное	ж идкое		т вердое
т вердое	т вердое		т вердое
Образование кристаллов в результате сублимации. В природе – образование кристаллов серы, борной кислоты в кратерах вулканов при охлаждении газов	Образование кристаллов из расплава. В природе – кристаллизация магмы	Образование кристаллов из раствора. В природе – выпадение солей из озер (с. Солотвино)	Аморфное стекло в процессе эксплуатации раскристалли-зовывается	Перекристаллизация под влиянием давления, температуры и др. факторов. Пример – преобразование «известняк→мрамор»

Кристаллическое вещество может образовываться путем фазового перехода из любого малоупорядоченного состояния (паров, растворов, расплавов, аморфного) путем построения правильной кристаллической решетки или ее перестройки (перекристаллизации). Переход в кристаллическое состояние - качественный скачок, который происходит при определенной температуре.

Процесс кристаллизации всегда происходит в 2 этапа:

1 – возникновение субмикроскопического зародыша кристаллической фазы

2 – дальнейший рост этого зародыша.

Условия для возникновения зародыша – пересыщение раствора или переохлаждение расплава.

2.2 Выращивание кристаллов из растворов

В зависимости от количества растворенного вещества различают следующие виды растворов: ненасыщенный, насыщенный, пересыщенный.

Условие выделения кристаллов из растворов – наличие пересыщения.

П = С - С_о,

Где П – пересыщение,

С_о – растворимость данного вещества при определенной температуре,

С – концентрация содержащегося в растворе вещества.

Пересыщенный раствор – неустойчив, содержит избыток растворенного вещества, который с течением времени выделяется в виде кристаллического осадка. В зависимости от степени пересыщения, выделение твердой фазы из раствора может произойти при введении соответствующих затравок, за счет испарения или охлаждения раствора.

Рисунок 2.1 – Выращивание кристалла

Для получения крупных, хорошо оформленных кристаллов необходима медленная скорость их роста. Наиболее простой метод выращивания – в кристаллизаторе (рис. 2.1), в котором на тонкой нити, не касаясь стенок, подвешена затравка, а рост кристаллов происходит путем повышения концентрации растворенного вещества за счет испарения растворителя.

Рост кристаллов происходит за счет новых слоев вещества, откладывающихся так, что грани как бы передвигаются параллельно самим себе от центра кристаллизации (рис. 2.2).

Скорость роста грани – величина нормали, на которую переместилась данная грань за единицу времени.

AB, BC, CD – грани кристалла pg, mn, hk – скорости роста граней кристалла

Рисунок 2.2 – Схема роста граней кристалла

Анизотропия свойств кристаллов проявляется в разных скоростях роста. Например, грани с наибольшей ретикулярной плотностью (т.е. плотностью расположения частиц на плоской сетке решетки) растут с наименьшей скоростью. Поэтому грань ВС со временем исчезает, т.к. скорость ее роста меньше скорости роста граней AB и CD.

В соответствии с теорией роста, образование нового слоя начинается только после завершения формирования последующего. Так создается идеальный кристалл – выпуклый многогранник с плоскими гранями.

Рисунок 2.3 – Спирали на кристаллах

Однако грани реальных кристаллов нередко отличаются наличием бугорков, впадин, штриховок – это так называемая скульптура грани. Более того, впервые на кристаллах корунда, а затем и на гематите, кварце, сфалерите были обнаружены на поверхности кристалла тончайшие спирали (рис. 2.3). Оказалось, что именно по этим винтовым лестницам, которые являются проявлением линейных дефектов кристаллических решеток (называемыми дислокациями), и растут кристаллы.

По расчетам, для роста кристаллов из раствора требуется пересыщение в 30-50%; на самом же деле, благодаря дислокациям, кристаллы растут при минимальных пересыщениях.