Industria și știința au adesea nevoie de mai mult sau mai puțin mari cristale unice. Cristalele de sare și cuarț Rochelle, care au proprietatea remarcabilă de a transforma acțiunile mecanice (de exemplu presiunea) în stres electric, sunt de o importanță extraordinară pentru tehnologie (pagina 48).
Industria optică are nevoie de cristale mari de calcit, sare de rocă, fluorit etc.
Pentru industria de ceasuri, cristalele de rubine, safire și alte pietre prețioase sunt foarte importante. Faptul este că piese individuale mobile ale ceasurilor de buzunar obișnuite se fac într-o oră de până la 20 000 de fluctuații. O astfel de viteză mare determină solicitări extrem de grave asupra vârfurilor axelor și a rulmenților. Abraziunea va fi cea mai mică atunci când un rubin sau un safir servește ca un suport pentru vârful unei axe de 0,07-0,15 mm în diametru. Cristalele artificiale ale acestor substanțe au o rezistență foarte ridicată și frecare foarte mică în raport cu oțelul. Este remarcabil faptul că pietrele artificiale sunt în același timp mai bune decât cele găsite în natură.
Pentru a studia proprietățile metalelor, este important să avem cristale unice mari de fier, cupru etc.
Deci, trebuie să înveți cum să crească cristalele tuturor acestor substanțe la dimensiunea potrivită. În acest scop, există mai multe moduri. Este posibil să crească cristale atât din topit, cât și din soluție. Principala dificultate constă în faptul că, fără a lua măsuri speciale, în loc să obținem un cristal mare topi corp solid cristalin fin, și din soluția - sedimente cu granulație fină în partea de jos a vasului.
Am spus deja că cristalele încep să crească de la o soluție când este suprasaturată cu o substanță dizolvată. Și pentru diferite temperaturi, cantitatea de substanță care saturează soluția este diferită. Prin urmare, creșterea cristalelor mari și bine tăiate din soluție este posibilă numai dacă temperatura soluției este menținută constantă prin intermediul unui termostat. Fără acest dispozitiv, temperatura în timpul zilei ar fluctua, cel puțin cu 3-4 °; În aceste condiții, cristalul nu poate crește suficient de "elegant".
Termostatul este o cadă mare, învelită în pâslă, bine închisă și inundată cu apă. În interiorul termostatului este amplasat un vas cu o soluție. Temperatura este menținută la nivelul dorit prin intermediul unui cuptor electric. Comanda automată oprește cuptorul când temperatura este prea mare și o pornește din nou când temperatura scade. Ajustarea temperaturii cu aceste dispozitive poate fi exactă la 0,01 °.
Pe măsură ce cristalul crește, temperatura soluției scade treptat. Acest lucru trebuie făcut pentru a se asigura că soluția rămâne tot timpul suprasaturată, în ciuda eliberării continue a substanței din ea. Experimentele arată că cristalele mari pot fi cultivate numai prin răcirea foarte lentă a soluției, cu aproximativ 0,1 ° în una sau două zile. Creșterea cristalelor mari durează multe săptămâni.
O contribuție valoroasă la dezvoltarea metodelor de creștere a cristalelor a fost făcută de cristalograful rus G.V. Wulff.
Este foarte dificil să crești cristale mari din topituri. Aici ajută un fenomen ciudat: în anumite condiții de „supraviețuire“ de embrioni a avut loc pe peretele vasului este doar una, în curs de dezvoltare în detrimentul vecinilor lor mai puțin „norocoase“.
Cristalele singulare ale metalelor cu punct de topire scăzut se obțin, de obicei, prin următoarea metodă (a se vedea figura 39). Metalul este topit într-un tub de sticlă A cu capăt tras. Tubul este suspendat pe toroane în interiorul cuptorului vertical cilindric B. Folosind un fir, tubul este coborât încet în jos. Capătul tras treptat părăsește cuptorul, iar metalul începe să se solidifice. Dintre toate cristalele, cineva supraviețuiește; Pe măsură ce tubul de test scade, acesta continuă să crească de-a lungul axei sale. În cele din urmă, tot metalul se solidifică sub forma unui singur cristal.
Fig. 39. Prepararea cristalelor singulare dintr-o topitură.
Dar cum sunt cultivate cristalele refractare de rubin sunt laureații Premiului Stalin, cor. AN AV Shubnikov și S.K. Popov. O pulbere fină de materie este turnată printr-o flutură printr-o flacără. Pulberile se topesc: picături mici cad pe suportul refractar. Aici începe cristalizarea, și din nou, numai unul crește din multele cristale. Oamenii noștri de știință au găsit o modalitate de a obține tije lungi de cristal din pietre prețioase, necesare atât pentru producerea ceasurilor, cât și pentru alte mecanisme precise.
16. "Lichid solid"
Dacă se topește începe întotdeauna la aceeași temperatură, cristalizarea desigur ceva mai capricioasă. De obicei, topitura este capabilă să supracoleze sub punctul de topire. În unele cazuri, hipotermie poate fi atât de importantă încât substanța se transformă zagustevaya treptat într-un solid la atingere, dar nu și corpul cristalin - atomi și nu reușește să se alinieze în ordinea corectă.
Adesea se întâmplă ca supracolirea (adică reducerea temperaturii sub punctul de topire) să se realizeze numai cu câteva grade. Apoi, cristalizarea are loc și, spre deosebire de cazul obișnuit, apare foarte repede, imediat peste întregul volum. Starea de răcire este uneori o stare extrem de instabilă. Este suficient să agitați ușor vasul sau să faceți suprafața lichidului praf accesibil, astfel încât formarea de cristale să înceapă instantaneu.
În prezența semințelor, cristalizarea, de regulă, începe "la timp". Astfel de pulberi pot servi drept particule de praf ale solidului investigat, care sunt prezente în aer deasupra substanței de solidificare. Prin urmare, cristalizarea într-un vas deschis are loc, de obicei, fără supracolire.
Unele substanțe sunt dificil de supercool, altele, dimpotrivă, cristalizează cu dificultate. Primul aparține metalelor, la al doilea - substanțe precum glicerina, sticla, caramelul de zahăr. Acestea din urmă sunt întotdeauna obținute prin răcire sub formă de corpuri necristaline. Uneori, cristalizarea lor este detectată după mulți ani de depozitare. O astfel de cristalizare întârziată a paharului se numește devitrificare, cristalizarea caramelului de bomboane.
Ce este sticla? Este posibil să-i numiți un corp solid ca necondiționat?
Sticla își păstrează forma - este o proprietate a unui corp solid. Dar, în funcție de dispunerea moleculelor lor, sticla este lichidă. În aranjarea moleculelor de sticlă nu există nici o ordine, chiar și într-un volum mic nu există structură de zăbrele ordonată. Corpuri precum sticla - "lichide solide" - se numesc corpuri amorfe.
Spre deosebire de cristale, substanțele amorfe nu au un anumit punct de topire. Paharul nu se topește, ci se înmoaie. Când se încălzește, bucata de sticlă devine mai moale din greu: poate fi ușor îndoită sau întinsă; la o temperatură mai mare, piesa începe să-și schimbe forma sub propria gravitate. În timp ce vă încălziți, masa groasă și vâscoasă a sticlei ia forma vasului în care se află. Această masă este mai întâi groasă ca miere, apoi ca smântână, și în final devine aproape la fel de lichid cu vâscozitate scăzută ca apa. Cu toată dorința, nu putem indica aici temperatura specifică a trecerii unui corp solid în lichid. Motivele pentru aceasta se află în diferența fundamentală dintre structura sticlei și structura corpurilor cristaline.
Sticla nu se topeste, deoarece lichidul nu trebuie sa se topeasca. Topirea este tranziția de la aranjarea moleculelor într-o ordine strictă la un aranjament dezordonat. Și într-un pahar solid al unei molecule și așa sunt aranjate aleator. Prin urmare, creșterea temperaturii sticlei crește doar fluctuația moleculelor sale, le dă treptat o mai mare și o mai mare libertate de mișcare. În sticlă și substanțe similare nu au proprietățile de bază ale corpului „reale“ cristalin solid, pentru care putem spune cu încredere: „la o anumită temperatură, este greu, iar acum, împreună cu un corp solid începe să apară - ca urmare a topirii - lichid“ .
17. Corpurile cu adevărat rigide sunt construite din cristale
Deci, marea majoritate a substanțelor solide are o structură cristalină. Metalele și pietrele constau din mici cristale - boabe, vizibile în cea mai mare parte doar la microscop.
Proprietățile cristalelor, mărimea lor, aranjamentul reciproc determină proprietățile întregului solid. Oamenii de știință sovietici au lucrat mult la clarificarea acestei conexiuni și au obținut cel mai mare succes.
Să încercăm să oferim cititorului o idee despre importanța deosebită a acestor studii pentru tehnica noastră.
Orice prelucrare a metalului îi afectează boabele. Aici este o bucată de metal turnat: grăunțele sale sunt repartizate aleatoriu, dimensiunea lor este destul de mare. Metalul este din sârmă, întins de el. Cum se comporta boabele de cristal?
Studiile au arătat că schimbarea formei unui corp solid atunci când trageți un fir sau alt tratament mecanic determină zdrobirea boabelor cristaline. În același timp, sub acțiunea forțelor mecanice, apare o ordonanță în aranjamentul lor.
La ce ordine putem vorbi aici? La urma urmei, fragmentele de boabe sunt complet neformate.
Asta-i drept, forma exterioară a fragmentelor poate fi altceva decât o bucată de cristal, există încă cristal: ionii în zăbrele sa ambalate precum și într-un cristal bine fațete. Prin urmare, în fiecare fragment, puteți specifica modul în care se află celula unității sale. Înainte de prelucrare, celulele sunt ordonate strict numai în cadrul fiecărei cereale individuale - de obicei, nu există o comandă generală. După tratamentul semințelor sunt aranjate astfel încât apare o anumită procedură generală, numită texturi în aranjamentul celulelor lor. de exemplu, diagonalele celulelor tuturor boabelor sunt setate aproximativ paralele cu direcția de procesare.
În figura 40b textura este ilustrată pe exemplul ordonării anumitor planuri marcate de noi în granule - planurile celei mai densă umplere cu ioni, care sunt indicate de rânduri de puncte.
Fig. 40. Lipsa texturii (stânga) și prezența ei (dreapta).
Fenomenul texturii a fost descoperit pentru prima oară de către oamenii de știință sovietici - prof. NE Uspensky și corr. AN S.T. Konobeevskii.
Diferitele tipuri de procesare (laminare, forjare, prelungire) conduc la texturi de diferite tipuri. În unele cazuri, boabele sunt rotite astfel încât celulele lor unitate să fie aliniate de-a lungul direcției de prelucrare diagonală, în alte cazuri de marginea cubului și așa mai departe. Cu cât este mai perfectă rularea sau curățarea, cu atât textura granulelor de cristal de metal este mai perfectă. Prezența texturii afectează foarte mult proprietățile mecanice ale produsului. Studiul localizării și mărimii granulelor cristaline din produsele metalice aruncă o lumină asupra esenței tratamentului mecanic al metalelor și a indicat cum să-l ghidăm în mod corespunzător.
Un alt proces tehnic important, recoacerea, este asociat cu restructurarea boabelor cristaline. Dacă încălzim metalul laminat sau întins, apoi la o temperatură suficient de ridicată, creșterea cristalelor noi începe în detrimentul celor vechi. Ca urmare a recoacerii, textura este distrusă treptat; Noul cristale sunt repartizate aleatoriu. Pe măsură ce crește temperatura (sau pur și simplu când crește timpul de temperatură), boabele noi cresc, cele vechi dispar. Boabele pot crește până la dimensiunea vizibilă a ochiului. Annealingul schimba dramatic proprietățile metalului. Metalul devine mai plastic, mai puțin ferm. Acest lucru se datorează faptului că boabele devin mai mari și textură dispare.
Cea mai dificilă și în același timp cea mai interesantă este procesul de întărire a oțelului, esența căruia a fost descoperită de "tatăl metalurgiei ruse" Dmitri Konstantinovici Chernov.
Am spus la pagina 37 despre diferite pachete construite din aceiași atomi. Fiecare dintre pachete are un interval de temperatură "favorit", în care acesta există în mod stabil. Fierul aparține acestor substanțe. La temperaturi ridicate de ordinul a 1000 °, atomii de fier formează o latură centrat pe față, la temperatura normală, glanda are o latură centrat pe corp (vezi figura 29 de mai sus). Dacă temperatura este coborită încet, atomii de fier își rearanjează zăbrelele și formează o ambalare normală la temperatura camerei. În caz contrar, acest proces se va produce dacă temperatura este redusă rapid, de exemplu, aruncați o bucată de oțel fierbinte în apă rece. În acest caz, reconstrucția atomilor nu are timp să se întâmple și obținem la o temperatură scăzută acea structură, care este de obicei caracteristică doar temperaturii înalte.
Pentru ce este? Și este necesar pentru motivul că fierul în care atomii sunt ambalate într-o rețea centrată pe față, are un proprietăți mult mai bune mecanice: oțel călit (fier, cu o impuritate carbon pic și alte substanțe) are de multe ori mai mare fermitate și tărie decât non-hardened.
O structură cristalină granulară determină proprietățile nu numai a metalelor, ci și a altor solide.
Cresterea copacului este insotita de formarea, cresterea si schimbarea locatiei cristalitelor de celuloza.
Proprietățile produselor lactate sunt determinate de schimbările în cristalele unei substanțe numite lactoză.
Rezistența cauciucului depinde de cantitatea de cristale din el.
Numărul de exemple poate fi ușor de înmulțit, acoperind aproape toate ramurile economiei naționale, deoarece, cu câteva excepții, toate corpurile solide din jurul nostru sunt fie cristale unice, fie sunt compuse din mici cristale. Multe cărți au fost dedicate structurii cristaline a solidelor și influența acestei structuri asupra proprietăților lor.
În cazul în care cuvântul „cristal“, asociat frecvent cu ceva rar, prețios, extraordinar, a devenit pentru cititorul mai familiar și mai aproape, în cazul în care cititorul a înțeles că trăim într-o lume a cristalelor, iar în cazul în care cititorul să aibă un interes în studierea proprietăților, structura și modalitățile de obținere a cristalelor - o zonă care a adus deja multe beneficii țării noastre - sarcina acestei cărți este îndeplinită.
[2] Figura 10, a, are, de asemenea, un așa-numit centru de simetrie. care coincide cu centrul organismului. Centrul de simetrie se caracterizează prin faptul că, în orice direcție, tragem o linie dreaptă prin ea, întotdeauna punctele de pe această linie dreaptă, echidistantă de centru, aparțin unor părți similare ale corpului.
[5] A se vedea cartea prof. AI Kitaigorodsky "Structura materiei", "Biblioteca științifică populară".
[6] Ecografia este descrisă în broșura Bibliotecii Științifice Populare: prof. BB Kudryavtsev, "Sunete inadecvate".
[7] Acest desen este împrumutat din cartea "Formarea cristalelor", corespondent membru. Shubnikova A.V. pe care le datorăm cercetărilor detaliate ale mecanismului creșterii cristalelor.
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: