Propriétés de base des cristaux

Les cristaux ont de multiples facettes, car leurs taux de croissance dans différentes directions sont différents. S’ils étaient identiques, la seule forme serait une boule.

Non seulement le taux de croissance, mais aussi presque toutes leurs propriétés diffèrent dans des directions différentes, c'est-à-dire inhérent aux cristaux anisotropie (« un » - non, « nizos » - identique, « tropos » - propriété), inégalité dans les directions.

Par exemple, la calcite, lorsqu'elle est chauffée, s'étire dans le sens longitudinal (a = 24,9·10 -6 o C -1) et dans le sens transversal, elle se contracte (a = -5,6·10 -6 o C -1). Il a également une direction dans laquelle la dilatation thermique et la compression se compensent (la direction de dilatation nulle). Si vous coupez une plaque perpendiculairement à cette direction, son épaisseur ne changera pas lorsqu'elle est chauffée et elle peut être utilisée pour la fabrication de pièces en mécanique de précision.

Dans le graphite, l'expansion le long de l'axe vertical est 14 fois supérieure à celle dans les directions transversales à cet axe.

L'anisotropie des propriétés mécaniques des cristaux est particulièrement évidente. Les cristaux à structure en couches - mica, graphite, talc, gypse - se divisent très facilement en fines feuilles dans le sens des couches ; leur division dans d'autres directions est incomparablement plus difficile. Le sel est brisé en petits cubes, le longeron espagnol en rhomboèdres (phénomène de clivage).

Dans les cristaux, il existe également une anisotropie des propriétés optiques, de la conductivité thermique, de la conductivité électrique, de l'élasticité, etc.

DANS polycristallin, constitué de nombreux grains monocristallins orientés de manière aléatoire, il n'y a pas d'anisotropie des propriétés.

Encore une fois, il faut souligner que les substances amorphes isotrope.

Certaines substances cristallines peuvent également présenter une isotropie. Par exemple, la lumière se propage dans des cristaux cubiques à la même vitesse dans différentes directions. Nous pouvons dire que de tels cristaux sont optiquement isotropes, bien qu’une anisotropie des propriétés mécaniques puisse être observée dans ces cristaux.

Uniformité – la propriété d’un corps physique d’être identique dans tout son volume. L'homogénéité d'une substance cristalline s'exprime dans le fait que toutes les sections du cristal de même forme et également orientées sont caractérisées par les mêmes propriétés.

Capacité à s'autodétruire – la capacité d'un cristal à prendre une forme multiforme dans des conditions favorables. Décrit par la loi des angles constants de Stenon.

Platitude Et hanche droite . La surface du cristal est limitée par des plans ou des faces qui, se croisant, forment des lignes droites - des bords. Les points d'intersection des arêtes forment les sommets.

Les faces, les arêtes, les sommets, ainsi que les angles dièdres (droits, obtus, aigus) sont des éléments de limitation externe des cristaux. Les angles dièdres (ce sont deux plans sécants), comme mentionné ci-dessus, sont une constante pour un type de substance donné.

La formule d'Euler établit la relation entre les éléments de la contrainte (formes fermées simples uniquement) :

G + B = P + 2,

G – nombre de faces,

B – nombre de sommets,

P – nombre de côtes.

Par exemple, pour un cube 6+8=12+2

Les bords des cristaux correspondent aux rangées du réseau, les faces - aux grilles plates.

Symétrie cristalline .

« Les cristaux brillent par leur symétrie », écrivait le grand cristallographe russe E.S. Fedorov.

La symétrie est la répétition naturelle de figures égales ou de parties égales d'une même figure. "Symétrie" - du grec. « proportionnalité » des points correspondants dans l’espace.

Si un objet géométrique dans un espace tridimensionnel est tourné, déplacé ou réfléchi et, en même temps, il est exactement aligné avec lui-même (transformé en lui-même), c'est-à-dire est resté invariant à la transformation qui lui est appliquée, alors l'objet est symétrique et la transformation est symétrique.

Dans ce cas, il peut y avoir des cas de combinaison :

1. La combinaison de triangles égaux (ou d'autres formes) se fait en les faisant pivoter de 180° dans le sens des aiguilles d'une montre et en les superposant les uns sur les autres. De tels chiffres sont appelés compatibles-égaux. Exemple – gants identiques (gauche ou droite).

Les cristaux et leurs propriétés

Selon la structure interne, on distingue les solides cristallins et amorphes.
Cristalline sont appelés solides formés de particules matérielles géométriquement correctement situées dans l'espace - ions, atomes ou molécules. Leur disposition ordonnée et régulière forme un réseau cristallin dans l’espace – une formation périodique tridimensionnelle sans fin. Il distingue les nœuds (points individuels, centres de gravité des atomes et des ions), les rangées (un ensemble de nœuds situés sur la même ligne droite) et les grilles plates (plans passant par trois nœuds quelconques). Géométriquement correct forme de cristal est principalement dû à leur structure interne strictement naturelle. Les grilles du réseau cristallin correspondent aux faces d'un vrai cristal, les intersections des grilles - rangées - correspondent aux bords des cristaux, et les intersections des bords - les sommets des cristaux. La plupart des minéraux et roches connus, y compris les matériaux de construction en pierre, sont des solides cristallins.

Tous les cristaux ont un certain nombre de points communs propriétés de base.
Homogénéité de la structure- le même modèle d'agencement mutuel des atomes dans toutes les parties du volume de son réseau cristallin.
Anisotropie- la différence dans les propriétés physiques des cristaux (conductivité thermique, dureté, élasticité et autres) dans les directions parallèles et non parallèles du réseau cristallin. Les propriétés des cristaux sont les mêmes dans les directions parallèles, mais différentes dans les directions non parallèles.
Capacité à s'autodétruire, c'est à dire. prendre la forme d’un polyèdre régulier lorsque les cristaux se développent librement.
Symétrie- la possibilité de combiner un cristal ou ses parties avec certaines transformations symétriques correspondant à la symétrie de leurs réseaux spatiaux.
Les amorphes ou minéraloïdes sont des solides caractérisés par un arrangement désordonné et chaotique (comme dans un liquide) des particules constitutives (atomes, ions, molécules), par exemple le verre, la résine, le plastique, etc. Une substance amorphe est caractérisée par des propriétés isotropes et l'absence d'une température de fusion clairement définie et d'une forme géométrique naturelle.
L'étude des formes cristallines des minéraux a montré que le monde des cristaux se distingue par une symétrie, clairement visible dans la forme géométrique de leurs facettes.
Un objet est considéré comme symétrique s'il peut se combiner avec lui-même par certaines transformations : rotations, réflexions dans un plan miroir, réflexion au centre de symétrie. Les images géométriques (plans auxiliaires, lignes droites, points), à l'aide desquelles l'alignement est réalisé, sont appelées éléments de symétrie. Ceux-ci incluent les axes de symétrie, les plans de symétrie, le centre de symétrie (ou centre d'inversion).
Le centre de symétrie est un point spécial à l'intérieur d'une figure, lorsqu'il est tracé, à travers lequel toute ligne droite rencontrera à égale distance de celle-ci des parties identiques et inversement situées de la figure. Un plan de symétrie est un plan imaginaire qui divise une figure en deux parties égales de sorte qu'une partie soit l'image miroir de l'autre. L'axe de symétrie est une ligne droite imaginaire, lorsqu'elle est tournée autour d'un certain angle, des parties identiques de la figure se répètent.

Les minéraux caractérisés par une structure cristalline ont un certain type de réseau cristallin, dont les particules sont maintenues ensemble par des liaisons chimiques. Sur la base du concept d’électrons de valence, il existe quatre principaux types de liaisons chimiques :

1) ionique ou hétéropolaire (halite minérale),

2) covalent ou homéopolaire (minéral-diamant),

3) métal (or minéral),

4) moléculaire ou van der Waals. La nature de la liaison affecte les propriétés des substances cristallines (fragilité, dureté, malléabilité, point de fusion, etc.). Un cristal peut contenir un type de liaison (structure homodesmique) ou plusieurs types (structure hétérodesmique).

Sujet Symétrie des solides

1 Corps cristallins et amorphes.

2 Éléments de symétrie et leurs interactions

3 Symétrie des polyèdres cristallins et des réseaux cristallins.

4 Principes de construction des classes cristallographiques

Travail de laboratoire n°2

Étudier la structure des modèles cristallins

Instruments et accessoires : fiches indiquant les éléments chimiques ayant une structure cristalline ;

Objectif du travail : étudier les corps cristallins et amorphes, les éléments de symétrie des réseaux cristallins, les principes de construction des classes cristallographiques, calculer la période du réseau cristallin pour les éléments chimiques proposés.

Concepts de base sur le sujet

Les cristaux sont des solides possédant une structure atomique périodique tridimensionnelle. Dans des conditions d'équilibre, les formations ont une forme naturelle de polyèdres symétriques réguliers. Les cristaux sont un état d'équilibre des solides.

Chaque substance chimique, qui se trouve à l'état cristallin dans des conditions thermodynamiques données (température, pression), correspond à une certaine structure atomique-cristalline.

Un cristal qui s'est développé dans des conditions de non-équilibre et qui n'a pas la coupe correcte ou qui l'a perdu à la suite du traitement conserve la caractéristique principale de l'état cristallin - la structure atomique du réseau (réseau cristallin) et toutes les propriétés qu'elle détermine.

Solides cristallins et amorphes

Les solides sont extrêmement divers dans la structure de leur structure, la nature des forces de liaison des particules (atomes, ions, molécules) et leurs propriétés physiques. La nécessité pratique d'une étude approfondie des propriétés physiques des solides a conduit au fait qu'environ la moitié de tous les physiciens sur Terre sont engagés dans l'étude des solides, la création de nouveaux matériaux dotés de propriétés prédéterminées et le développement de leurs applications pratiques. On sait que lors du passage de substances d'un état liquide à un état solide, deux types de solidification différents sont possibles.

Cristallisation de la matière

Dans un liquide refroidi à une certaine température, des cristaux (zones de particules disposées de manière ordonnée) apparaissent - des centres de cristallisation qui, avec l'élimination supplémentaire de la chaleur de la substance, se développent en raison de l'ajout de particules de la phase liquide et couvrent tout le volume. de la substance.

Durcissement dû à une augmentation rapide de la viscosité d'un liquide avec une température décroissante.

Les solides formés au cours de ce processus de solidification sont classés comme solides amorphes. Parmi elles, on distingue les substances dans lesquelles la cristallisation n'est pas du tout observée (cire à cacheter, cire, résine) et les substances capables de cristallisation, par exemple le verre. Cependant, du fait que leur viscosité augmente rapidement avec la diminution de la température, le mouvement des molécules nécessaires à la formation et à la croissance des cristaux est entravé et la substance a le temps de durcir avant que la cristallisation ne se produise. De telles substances sont appelées vitreuses. Le processus de cristallisation de ces substances se déroule très lentement à l'état solide et plus facilement à des températures élevées. Le phénomène bien connu de « dévitrification » ou « atténuation » du verre est provoqué par la formation de petits cristaux à l’intérieur du verre, aux limites desquels la lumière est réfléchie et diffusée, ce qui rend le verre opaque. Une image similaire se produit lorsque le sucre candi clair est « sucré ».

Les corps amorphes peuvent être considérés comme des liquides présentant un coefficient de viscosité très élevé. On sait que dans les corps amorphes, une propriété de fluidité faiblement exprimée peut être observée. Si vous remplissez un entonnoir avec des morceaux de cire ou de cire à cacheter, après un certain temps, différent selon les températures, les morceaux du corps amorphe s'estomperont progressivement, prenant la forme d'un entonnoir et en sortiront sous la forme d'une tige. Même le verre a la propriété de fluidité. Les mesures de l'épaisseur des vitres des bâtiments anciens ont montré que pendant plusieurs siècles, le verre avait le temps de couler de haut en bas. L'épaisseur de la partie inférieure du verre s'est avérée légèrement supérieure à celle du haut.

À proprement parler, seuls les corps cristallins devraient être appelés solides. Les corps amorphes dans certaines propriétés, et surtout dans leur structure, sont similaires aux liquides : ils peuvent être considérés comme des liquides très surfondus avec une très haute viscosité.

On sait que, contrairement à l'ordre à longue distance dans les cristaux (l'arrangement ordonné des particules est maintenu dans tout le volume de chaque grain cristallin), l'ordre à courte distance dans l'arrangement des particules est observé dans les liquides et les corps amorphes. Cela signifie que par rapport à n'importe quelle particule, la disposition des particules voisines les plus proches est ordonnée, bien que pas aussi clairement exprimée que dans un cristal, mais lorsqu'elle est impactée par une particule donnée, la disposition des autres particules par rapport à elle devient de moins en moins ordonné à une distance de 3 à 4 diamètres effectifs de la molécule, l'ordre dans la disposition des particules disparaît complètement.

Les caractéristiques comparatives des différents états de la matière sont données dans le tableau 2.1.

Cellule de cristal

Pour faciliter la description de la structure interne correcte des solides, le concept de réseau spatial ou cristallin est généralement utilisé. C'est une grille spatiale, aux nœuds de laquelle se trouvent des particules - ions, atomes, molécules qui forment un cristal.

La figure 2.1 montre un réseau cristallin spatial. Les lignes en gras mettent en évidence le plus petit parallélépipède, par un mouvement parallèle selon trois axes de coordonnées coïncidant avec la direction des bords du parallélépipède, l'ensemble du cristal peut être construit. Ce parallélépipède est appelé cellule principale ou unité du réseau. Les atomes sont situés dans ce cas aux sommets du parallélépipède.

Pour une caractéristique univoque d'une maille unitaire, 6 grandeurs sont précisées : trois arêtes une, b, c et trois angles entre les bords du parallélépipède a, b, g. Ces quantités sont appelées paramètres de réseau. Possibilités une, b, c – ce sont les distances interatomiques dans le réseau cristallin. Leurs valeurs numériques sont de l'ordre de 10 -10 m.

Les types de grilles les plus simples sont cubique avec paramètres a=b=c Et une = b = g= 90 0 .

Indices de Miller

Pour désigner symboliquement les nœuds, les directions et les plans d'un cristal, on utilise les indices dits de Miller.

Index des nœuds

La position de n'importe quel nœud dans le réseau par rapport à l'origine sélectionnée est déterminée par trois coordonnées X, Y, Z (Figure 2.2).

Ces coordonnées peuvent être exprimées en termes de paramètres de réseau comme suit : X= ma, Y= nb, Z= pc, Où une, b, c – paramètres de réseau, m, n, p – nombres entiers.

Ainsi, si l'on prend non pas le mètre comme unité de longueur le long de l'axe du réseau, mais les paramètres du réseau une, b, c (unités axiales de longueur), alors les coordonnées du nœud seront les nombres m, n, p. Ces nombres sont appelés indices de nœuds et sont notés .

Pour les nœuds situés dans la zone de directions de coordonnées négatives, placez un signe moins au-dessus de l'index correspondant. Par exemple .

Indices directionnels

Pour définir la direction dans le cristal, une ligne droite est sélectionnée (Figure 2.2) passant par l'origine des coordonnées. Son orientation est uniquement déterminée par l'indice mnp le premier nœud par lequel il passe. Par conséquent, les indices de direction sont déterminés par les trois plus petits entiers caractérisant la position du nœud le plus proche de l'origine, se trouvant dans une direction donnée. Les indices de direction s'écrivent comme suit.

Figure 2.3 Directions principales dans un réseau cubique.

Une famille de directions équivalentes est désignée par des parenthèses brisées.

Par exemple, la famille des directions équivalentes comprend les directions

La figure 2.3 montre les principales directions dans un réseau cubique.

Indices d'avion

La position de n'importe quel dans l'espace est déterminée en spécifiant trois segments OA, OV, OS (Figure 2.4), qu'il coupe sur les axes du système de coordonnées sélectionné. En unités axiales, les longueurs des segments seront : ; ; .

Faisons le rapport des valeurs réciproques des segments axiaux et exprimons-le par le rapport des trois plus petits nombres h,k,l pour que l'égalité soit vraie .

Nombres h,k,l sont des indices du plan. Pour trouver les indices plans, le rapport est réduit à un plus petit dénominateur commun et le dénominateur est écarté. Les numérateurs de fractions donnent les indices du plan. Expliquons cela avec un exemple : m = 1, n = 2, p = 3. Alors . Ainsi, pour le cas considéré h = 6, k = 3, l = 2. Les indices du plan Miller sont entre parenthèses (6 3 2). Segments mnp peut être fractionnaire, mais dans ce cas les indices de Miller sont exprimés sous forme d'entiers.

Laisser m =1, n = , p = , alors .

Lorsque le plan est orienté parallèlement par rapport à un axe de coordonnées, l'indice correspondant à cet axe est égal à zéro.

Si le segment coupé sur l'axe a une valeur négative, alors l'indice plan correspondant aura également un signe négatif. Laisser h = - 6 , k = 3, l = 2, alors un tel plan sera écrit dans les indices du plan Miller.

Il convient de noter que les indices plans (h, k, l) ils fixent l'orientation non pas d'un plan spécifique, mais d'une famille de plans parallèles, c'est-à-dire qu'ils déterminent essentiellement l'orientation cristallographique du plan.

La figure 2.5 montre les plans principaux d'un réseau cubique.

Certains avions qui diffèrent dans les indices de Miller sont

équivalent au sens physique et cristallographique. Dans un réseau cubique, les faces d'un cube sont un exemple d'équivalence. L'équivalence physique réside dans le fait que tous ces plans ont la même structure dans la disposition des nœuds du réseau, et donc les mêmes propriétés physiques. Leur équivalence cristallographique est que ces plans sont alignés les uns avec les autres lorsqu'ils tournent autour de l'un des axes de coordonnées d'un angle qui est un multiple de . La famille des plans équivalents est spécifiée par des accolades. Par exemple, un symbole représente toute la famille des faces d’un cube.

Le symbolisme à trois composants de Miller est utilisé pour tous les systèmes de treillis, à l'exception du système hexagonal. Dans un réseau hexagonal (Figure 2.7 n°8), les nœuds sont situés aux sommets des prismes hexagonaux réguliers et aux centres de leurs bases hexagonales. L'orientation des plans dans les cristaux du système hexagonal est décrite à l'aide de quatre axes de coordonnées x1, x2, x3,z, soi-disant Indices de Miller-Bravais. Essieux x1, x2, x3 diverger de l'origine sous un angle de 120 0. Axe z perpendiculairement à eux. La désignation de directions à l’aide du symbolisme à quatre composants est difficile et rarement utilisée. C’est pourquoi les directions dans un réseau hexagonal sont spécifiées à l’aide du symbolisme à trois composants de Miller.

Propriétés de base des cristaux

L'une des principales propriétés des cristaux est anisotropie. Ce terme fait référence à la modification des propriétés physiques en fonction de la direction dans le cristal. Ainsi, un cristal peut avoir différentes résistances, duretés, conductivité thermique, résistivité, indice de réfraction, etc. pour différentes directions. L'anisotropie se manifeste également dans les propriétés de surface des cristaux. Le coefficient de tension superficielle pour des faces cristallines différentes a des valeurs différentes. Lorsqu'un cristal se développe à partir d'une masse fondue ou d'une solution, c'est la raison de la différence dans les taux de croissance des différentes faces. L'anisotropie des taux de croissance détermine la forme correcte du cristal en croissance. L'anisotropie des propriétés de surface se produit également dans la différence de capacité d'adsorption des vitesses de dissolution et dans l'activité chimique des différentes faces d'un même cristal. L'anisotropie des propriétés physiques est une conséquence de la structure ordonnée du réseau cristallin. Dans une telle structure, la densité de regroupement des atomes plans est différente. La figure 2.6 explique cela.

En classant les plans par ordre décroissant de densité de population de leurs atomes, on obtient la série suivante : (0 1 0) (1 0 0) (1 1 0) (1 2 0) (3 2 0) . Dans les plans les plus densément remplis, les atomes sont plus étroitement liés les uns aux autres, puisque la distance qui les sépare est la plus petite. D’un autre côté, les plans les plus densément peuplés, étant éloignés les uns des autres à des distances relativement plus grandes que les plans peu peuplés, seront moins connectés les uns aux autres.

Sur la base de ce qui précède, nous pouvons dire que notre cristal conventionnel est le plus facile à diviser le long d'un plan. (0 1 0), que sur les autres avions. C'est là que se manifeste l'anisotropie de la résistance mécanique. D'autres propriétés physiques du cristal (thermique, électrique, magnétique, optique) peuvent également être différentes dans différentes directions. La propriété la plus importante des cristaux, des réseaux cristallins et de leurs cellules élémentaires est la symétrie par rapport à certaines directions (axes) et plans.

Symétrie cristalline

Tableau 2.1

Système de cristal	Rapport de bord de cellule unitaire	Rapport d'angle dans une cellule unitaire
Triclinique
Monoclinique
Rhombique
Tétragonal
Cubique
Trigonal (roboédrique)
Hexagonal

En raison de la disposition périodique des particules dans un cristal, celui-ci présente une symétrie. Cette propriété réside dans le fait qu'à la suite de certaines opérations mentales, le système de particules cristallines se combine avec lui-même et se déplace vers une position impossible à distinguer de celle d'origine. Chaque opération peut être associée à un élément de symétrie. Il existe quatre éléments de symétrie pour les cristaux. Ce - axe de symétrie, plan de symétrie, centre de symétrie et axe de symétrie de rotation du miroir.

En 1867, le cristallographe russe A.V. Gadolin a montré qu'il pouvait y avoir 32 combinaisons possibles d'éléments de symétrie. Chacune de ces combinaisons possibles d'éléments de symétrie est appelée classe de symétrie. L'expérience a confirmé qu'il existe dans la nature des cristaux appartenant à l'une des 32 classes de symétrie. En cristallographie, les 32 classes de symétrie indiquées en fonction du rapport des paramètres une, b, c, une, b, g sont combinés en 7 systèmes (systèmes), qui portent les noms suivants : systèmes tricliniques, monocliniques, rhombiques, trigonaux, hexagonaux, tétragonaux et cubiques. Le tableau 2.1 montre les ratios de paramètres pour ces systèmes.

Comme l’a montré le cristallographe français Bravais, il existe au total 14 types de réseaux appartenant à différents systèmes cristallins.

Si les nœuds du réseau cristallin sont situés uniquement aux sommets d'un parallélépipède, qui est une cellule unitaire, alors un tel réseau est appelé primitif ou simple (Figure 2.7 n° 1, 2, 4, 9, 10, 12), si, en plus, il y a des nœuds au centre des bases du parallélépipède, alors un tel réseau est appelé centré sur la base (Figure 2.7 n°3, 5), s'il y a un nœud à l'intersection des diagonales spatiales, alors le réseau est appelé centré sur le corps (Figure 2.7 n°6, 11, 13), et s'il y a des nœuds au centre de toutes les faces latérales - centré sur le visage (dessin 2.7 n° 7, 14). Les réseaux dont les cellules élémentaires contiennent des nœuds supplémentaires à l'intérieur du volume d'un parallélépipède ou sur ses faces sont appelés complexe.

Le réseau de Bravais est un ensemble de particules (atomes, ions) identiques et localisées de manière identique, qui peuvent être combinées entre elles par transfert parallèle. Il ne faut pas supposer qu’un seul réseau de Bravais peut épuiser tous les atomes (ions) d’un cristal donné. La structure complexe des cristaux peut être représentée comme une combinaison de plusieurs solutions Courant Bravais, poussé l'un dans l'autre. Par exemple, le réseau cristallin du sel de table NaCl (Figure 2.8) se compose de deux réseaux de Bravais cubiques à faces centrées formés par des ions N / A - Et Cl+, décalés les uns par rapport aux autres de la moitié du bord du cube.

Calcul de la période du réseau.

Connaissant la composition chimique d'un cristal et sa structure spatiale, il est possible de calculer la constante de réseau de ce cristal. La tâche se résume à établir le nombre de molécules (atomes, ions) dans une cellule unitaire, à exprimer son volume en termes de période de réseau et, connaissant la densité du cristal, à effectuer le calcul approprié. Il est important de noter que pour de nombreux types de réseaux cristallins, la majorité des atomes n’appartiennent pas à une seule cellule unitaire, mais sont simultanément inclus dans plusieurs cellules unitaires voisines.

Par exemple, déterminons la constante de réseau du chlorure de sodium, dont le réseau est représenté sur la figure 2.8.

La période du réseau est égale à la distance entre les ions du même nom les plus proches. Cela correspond au bord du cube. Trouvons le nombre d'ions sodium et chlore dans un cube élémentaire dont le volume est égal à ré 3 , ré – période de treillis. Il y a 8 ions sodium situés aux sommets du cube, mais chacun d'eux est simultanément le sommet de huit cubes élémentaires adjacents, donc seule une partie de l'ion situé au sommet du cube appartient à ce volume. Il existe au total sept ions sodium de ce type, qui constituent ensemble l’ion sodium. Six ions sodium sont situés au centre des faces du cube, mais chacun d'eux n'appartient qu'à la moitié au cube en question. Ensemble, ils constituent l'ion sodium. Ainsi, le cube élémentaire en question contient quatre ions sodium.

Un ion chlore est situé à l'intersection des diagonales spatiales du cube. Il appartient entièrement à notre cube élémentaire. Douze ions chlore sont placés au milieu des bords du cube. Chacun d'eux appartient au volume j 3 d'un quart, puisque l'arête du cube est simultanément commune à quatre cellules élémentaires adjacentes. Il y a 12 de ces ions chlore dans le cube considéré, qui constituent ensemble des ions chlore. Au total en volume élémentaire j 3 contient 4 ions sodium et 4 ions chlore, soit 4 molécules de chlorure de sodium (n = 4).

Si 4 molécules de chlorure de sodium occupent un volume j 3, alors pour une mole de cristal il y aura un volume , où A est le numéro d’Avogadro, n– nombre de molécules dans une cellule unitaire.

D’un autre côté, où est la masse de la taupe, est la densité du cristal. Alors où

(2.1)

Lors de la détermination du nombre d'atomes dans une cellule unitaire parallélépipédique (calcul du contenu), il faut être guidé par la règle :

q si le centre de la sphère atomique coïncide avec l'un des sommets de la cellule élémentaire, alors à partir d'un tel atome appartient à cette cellule, puisqu'à n'importe quel sommet du parallélépipède convergent simultanément huit parallélépipèdes adjacents, auxquels appartient également l'atome de sommet ( graphique 2.9);

q d'un atome situé sur le bord d'une cellule appartient à cette cellule, puisque le bord est commun à quatre parallélépipèdes (Figure 2.9) ;

q d'un atome situé sur la face d'une cellule appartient à cette cellule, puisque la face de la cellule est commune à deux parallélépipèdes (Figure 2.9) ;

q un atome situé à l'intérieur d'une cellule lui appartient entièrement (Figure 2.9).

Lorsqu’on utilise cette règle, la forme de la cellule parallélépipédique est indifférente. La règle formulée peut être étendue aux cellules de n’importe quel système.

Progrès

Pour les modèles obtenus de vrais cristaux

1 Sélectionnez une cellule unitaire.

2 Déterminez le type de réseau Bravais.

3 Effectuez un « compte de contenu » pour ces cellules unitaires.

4 Déterminez la période du réseau.

Comment distinguer les cristaux des solides non cristallins ? Peut-être sous une forme multiforme ? Mais les grains de cristal en métal ou en roche ont une forme irrégulière ; et d'autre part, le verre, par exemple, peut aussi avoir de multiples facettes - qui n'a pas vu de perles de verre à facettes ? Or, on dit que le verre est une substance non cristalline. Pourquoi?

Tout d'abord parce que les cristaux eux-mêmes, sans aide humaine, acquièrent leur forme aux multiples facettes, et le verre doit être taillé par une main humaine.

Toutes les substances du monde sont construites à partir des particules les plus petites, invisibles à l'œil nu et en mouvement continu - à partir d'ions, d'atomes, de molécules.

La principale différence entre le verre et le verre réside dans leur structure interne, dans la manière dont se trouvent les plus petites particules de matière - molécules, atomes et ions. Dans les corps gazeux, liquides et solides non cristallins, comme le verre, les plus petites particules de matière sont disposées de manière totalement aléatoire. Et dans les corps cristallins solides, les particules sont disposées selon une sorte d’ordre régulier. Ils ressemblent à un groupe d'athlètes en formation, à la différence cependant que les rangées régulières de particules s'étendent non seulement vers la droite et la gauche, vers l'avant et vers l'arrière, mais aussi vers le haut et le bas. De plus, les particules ne restent pas immobiles, mais oscillent continuellement, maintenues en place par des forces électriques. Les distances entre les particules à l’intérieur des cristaux sont petites, tout comme les atomes eux-mêmes : environ 100 millions d’atomes peuvent être localisés sur un segment de 1 cm de long. C’est un chiffre très important : imaginez 100 millions de personnes alignées côte à côte. Une telle ligne pourrait encercler la Terre le long de l’équateur.

La structure correcte des particules dans chaque substance est différente, c'est pourquoi les formes des cristaux sont si diverses. Mais tous les cristaux ont des atomes ou des molécules disposés dans un ordre strict, mais les corps non cristallins n'ont pas un tel ordre. C'est pourquoi nous disons : les cristaux sont des corps solides dans lesquels les particules qui les constituent sont disposées dans un ordre régulier.

Les lois pour la construction de tous les cristaux ont été théoriquement dérivées du grand cristallographe russe Evgraf Stepanovich Fedorov (1853-1919) et du cristallographe allemand Arthur Schonflies. Il est remarquable que Fedorov ait fait cela 20 ans auparavant, en 1912, il avait été prouvé expérimentalement à l'aide des rayons X que les atomes dans les cristaux étaient effectivement disposés dans un ordre régulier et que les lois de leur disposition étaient exactement celles que brillait le scientifique russe. prévoyait.

La disposition périodique régulière des atomes (ou autres particules) dans un cristal est appelée réseau cristallin.

Chacun a sa propre forme polyédrique caractéristique, qui dépend de la structure de son réseau cristallin. Par exemple, les cristaux de sel de table ont généralement la forme d'un cube; d'autres substances cristallisent sous la forme de diverses pyramides, prismes, octaèdres (octaèdres) et autres polyèdres.

Mais de telles formes régulières de cristaux sont rares dans la nature ; vous en apprendrez davantage à ce sujet plus loin.

Les substances non cristallines n'ont pas leur propre forme, car leurs particules constitutives sont situées de manière chaotique, aléatoire.

La disposition correcte des particules détermine également les propriétés du cristal. N'est-il pas étonnant, par exemple, que deux minéraux aussi différents que le graphite noir discret et le graphite transparent étincelant soient construits à partir des mêmes atomes de carbone ! - Ce sont des cristaux de carbone. Si les réseaux cristallins d'atomes de carbone sont disposés selon un même motif, ils forment alors des cristaux transparents de diamant, la substance la plus dure de toutes sur Terre et la plus chère des pierres précieuses. Mais si les mêmes atomes de carbone sont disposés d'une manière différente, alors de petits , des cristaux noirs et opaques sont obtenus. Le graphite est l'un des minéraux les plus mous. Le diamant est presque deux fois plus lourd que le graphite. Le graphite conduit l’électricité, mais pas le diamant. Les cristaux de diamant sont fragiles, les cristaux de graphite sont flexibles. Le diamant brûle facilement dans un courant d'oxygène et les plats ignifuges sont même fabriqués à partir de graphite - il est si résistant au feu. Deux substances complètement différentes, mais construites à partir des mêmes atomes, et la différence entre elles réside uniquement dans leur structure différente.

La structure du diamant est complètement différente de celle du graphite ; il n'y a pas de couches qui se déplacent facilement et le diamant s'avère beaucoup plus résistant que le graphite.

Tout le monde connaît les cristaux de mica. Il est facile de fendre le mica avec une lame de couteau ou simplement avec les doigts : les feuilles de mica se séparent les unes des autres presque sans difficulté. Mais essayer de séparer, couper ou casser le mica sur le plan de la plaque est très difficile : le mica, qui est faible le long du plan de la feuille, s'avère beaucoup plus résistant dans le sens transversal. La force des cristaux de mica dans différentes directions est différente.

Cette propriété est encore une fois caractéristique des cristaux. On sait que le verre, par exemple, se brise facilement de toutes les manières, dans toutes les directions, en fragments irréguliers. Mais un cristal de sel gemme, quelle que soit la finesse avec laquelle vous le brisez, restera toujours un cube, c'est-à-dire qu'il se divise toujours facilement uniquement le long de bords complètement plats et perpendiculaires entre eux.

Le cristal se divise dans les directions où la force est la plus faible. Cela ne se révèle pas dans tous les cristaux aussi clairement que dans le mica ou le sel gemme - par exemple, le quartz ne se divise pas sur des plans égaux - tous les cristaux ont des forces différentes dans des directions différentes. Le sel gemme, par exemple, est huit fois plus résistant dans un sens que dans l’autre, et les cristaux de zinc sont dix fois plus résistants. Grâce à cette caractéristique, on peut distinguer les cristaux des non-cristaux : dans les corps non cristallins, la force est la même dans toutes les directions, ils ne se divisent donc jamais le long de plans égaux.

Si vous chauffez un corps, il commencera à se dilater. Et ici, il est facile de voir la différence entre les substances cristallines et non cristallines : le verre se dilatera également dans toutes les directions, et le cristal se dilatera différemment dans différentes directions. Les cristaux de quartz, par exemple, se dilatent deux fois plus dans le sens longitudinal que dans le sens transversal. La dureté, la conductivité thermique, les propriétés électriques et autres des cristaux sont également différentes dans différentes directions.

Les propriétés optiques des cristaux sont particulièrement intéressantes. Si vous regardez des objets à travers les cristaux de longeron d'Islande, ils apparaîtront doublés. Dans un cristal de longeron d'Islande, un rayon de lumière se divise en deux. Cette propriété est également différente selon les directions : si vous faites tourner le cristal, les lettres bifurquent, parfois plus, parfois moins.

Les formes des polyèdres cristallins étonnent l’œil par leur stricte symétrie.

La symétrie des cristaux en est une propriété importante et caractéristique. La substance cristalline est déterminée par la forme des cristaux et leur symétrie.

Conférence 16

Propriétés physiques des cristaux

La physique du solide est l'étude de la structure et des propriétés physiques des solides. Il établit la dépendance des propriétés physiques sur la structure atomique d'une substance, développe des méthodes d'obtention et d'étude de nouveaux matériaux cristallins présentant des caractéristiques spécifiées.

Les propriétés physiques des cristaux sont déterminées par :

1) la nature des éléments chimiques qui composent les cristaux ;

2) type de liaison chimique ;

3) la nature géométrique de la structure, c'est-à-dire la disposition relative des atomes dans la structure cristalline ;

4) imperfection de la structure, c'est-à-dire la présence de défauts.

En revanche, c'est par les propriétés physiques des cristaux que l'on juge habituellement du type de liaison chimique.

La résistance des cristaux peut être facilement jugée par leurs propriétés mécaniques et thermiques. Plus le cristal est résistant, plus sa dureté est grande et plus son point de fusion est élevé. Si vous étudiez le changement de dureté avec un changement de composition dans une série de substances du même type et comparez les données obtenues avec les valeurs correspondantes des températures de fusion, vous pouvez remarquer un « parallélisme » dans le changement de ces propriétés.

Permettez-moi de vous rappeler que la caractéristique la plus caractéristique des propriétés physiques des cristaux est leur symétrie et anisotropie. Un milieu anisotrope se caractérise par la dépendance de la propriété mesurée à la direction de mesure.

Nous avons déjà dit que la chimie des cristaux est étroitement liée à la cristallographie et à la physique. C'est pourquoi, la tâche principale de la physique des cristaux(une branche de la cristallographie qui étudie les propriétés physiques des cristaux) est l'étude des modèles de propriétés physiques des cristaux à partir de leur structure, ainsi que la dépendance de ces propriétés vis-à-vis des influences externes.

Les propriétés physiques des substances peuvent être divisées en deux groupes : les propriétés sensibles à la structure et les propriétés insensibles à la structure. Les premiers dépendent de la structure atomique des cristaux, les seconds principalement de la structure électronique et du type de liaison chimique. Un exemple des premières est les propriétés mécaniques (masse, densité, capacité thermique, point de fusion, etc.), un exemple des secondes est la conductivité thermique et électrique, les propriétés optiques et autres.

Ainsi, une bonne conductivité électrique des métaux, due à la présence d'électrons libres, sera observée non seulement dans les cristaux, mais aussi dans les métaux en fusion.

La nature ionique de la liaison se manifeste notamment par le fait que de nombreux sels, par exemple les halogénures de métaux alcalins, se dissolvent dans les solvants polaires et se dissocient en ions. Cependant, le manque de solubilité ne peut pas encore servir de preuve de la présence d'une liaison non polaire dans un composé. Ainsi, l'énergie de liaison, par exemple, des oxydes est tellement supérieure à l'énergie de liaison des halogénures alcalins que la constante diélectrique de l'eau n'est plus suffisante pour séparer les ions du cristal.

De plus, certains composés, principalement avec une liaison de type homéopolaire, sous l'influence de la constante diélectrique élevée d'un solvant polaire, peuvent se dissocier en ions en solution, bien qu'à l'état cristallin ils puissent ne pas être des composés ioniques (par exemple, HCl, HBr).

Dans les connexions hétérodesmiques, certaines propriétés, telles que la résistance mécanique des connexions, dépendent d'un seul type de liaison (le plus faible).

Un cristal peut donc être considéré, d’une part, comme un milieu discontinu (discret). En revanche, une substance cristalline peut être considérée comme un milieu anisotrope continu. Dans ce cas, les propriétés physiques qui apparaissent dans une certaine direction ne dépendent pas des traductions. Cela permet de décrire la symétrie des propriétés physiques à l'aide de groupes de symétrie ponctuelle.

Lors de la description de la symétrie d'un cristal, nous ne prenons en compte que la forme externe, c'est-à-dire que nous considérons la symétrie des figures géométriques. P. Curie a montré que la symétrie des figures matérielles est décrite par un nombre infini de groupes ponctuels, qui à la limite tendent vers les sept groupes de symétrie limites précédemment considérés (familles d'un cône tournant, d'un cône fixe, d'un cylindre tournant, d'un cylindre, un cylindre fixe, une famille de bille à points de surface tournante, une famille de bille fixe).

Groupes de points limites - Groupes de Curie - sont appelés groupes de points contenant des axes d'ordres infinis. Il n'y a que sept groupes de limites : ¥, ¥mm, ¥/m, ¥22, ¥/mm, ¥/¥, ¥/¥mm.

Le lien entre le groupe de symétrie ponctuelle d'un cristal et la symétrie de ses propriétés physiques a été formulé par le physicien allemand F. Neumann : un matériau, en ce qui concerne ses propriétés physiques, présente une symétrie du même genre que sa forme cristallographique. Cette position est connue sous le nom de principe de Neumann.

Un élève de F. Neman, le physicien allemand W. Voigt, a considérablement clarifié ce principe et l'a formulé comme suit : un groupe de symétrie de toute propriété physique doit inclure tous les éléments du groupe de symétrie ponctuelle d'un cristal.

Considérons quelques propriétés physiques des cristaux.

Densité cristalline.

La densité d'une substance dépend de la structure cristalline de la substance, de sa composition chimique, du coefficient de compactage atomique, des valences et des rayons des particules qui la composent.

La densité change avec les changements de température et de pression, car ces facteurs provoquent l'expansion ou la contraction d'une substance.

La dépendance de la densité sur la structure peut être démontrée à l'aide de l'exemple de trois modifications d'Al2SiO5 :

· andalousite (r = 3,14 – 3,16 g/cm3) ;

· sillimanite (r = 3,23 – 3,27 g/cm3) ;

· cyanite (r = 3,53 – 3,65 g/cm3).

À mesure que le coefficient de compactage de la structure cristalline augmente, la densité de la substance augmente. Par exemple, lors de la transition polymorphe du graphite en diamant avec un changement du nombre de coordination des atomes de carbone de 3 à 4, la densité augmente en conséquence de 2,2 à 3,5 g/cm3).

La densité des cristaux réels est généralement inférieure à la densité calculée (des cristaux idéaux) en raison de la présence de défauts dans leurs structures. La densité du diamant, par exemple, varie de 2,7 à 3,7 g/cm3. Ainsi, en réduisant la densité réelle des cristaux, on peut juger du degré de leur défectuosité.

La densité change également avec un changement dans la composition chimique d'une substance lors de substitutions isomorphes - lors du passage d'un membre d'une série isomorphe à un autre. Par exemple, dans la série olivine (Mg, Fe2+ )2[ SiO4 ] la densité augmente à mesure que les cations Mg2+ sont remplacés par Fe2+ à partir de r = 3,22 g/cm3 pour la forstérite Mg2 [ SiO4 ] jusqu'à r = 4,39 g/cm3 pour la fayalite.

Dureté.

La dureté fait référence au degré de résistance d'un cristal aux influences extérieures. La dureté n'est pas une constante physique. Sa valeur dépend non seulement du matériau étudié, mais aussi des conditions de mesure.

La dureté dépend de :

· type de structure ;

· facteur d'emballage (densité spécifique);

· charge des ions formant le cristal.

Par exemple, les polymorphes de CaCO3 - calcite et aragonite - ont respectivement des densités de 3 et 4 et se distinguent par des densités différentes de leurs structures :

· pour la structure de la calcite avec CSFa = 6 - r = 2,72 ;

· pour la structure de l'aragonite avec CSFa = 9 - r = 2,94 g/cm3).

Dans une série de cristaux de construction identique, la dureté augmente avec l’augmentation des charges et la diminution de la taille des cations. La présence dans les structures d'anions assez gros tels que les molécules F-, OH- et H2O réduit la dureté.

Les faces des différentes formes cristallines ont des densités réticulaires différentes et diffèrent par leur dureté. Ainsi, les faces octaèdres (111), qui ont une densité réticulaire plus élevée par rapport aux faces cubiques (100), ont la plus grande dureté dans la structure en diamant.

Capacité à se déformer.

La capacité d'un cristal à subir une déformation plastique est déterminée avant tout par la nature de la liaison chimique entre ses éléments structurels.

Une liaison covalente, qui a une directionnalité stricte, s'affaiblit fortement même avec des déplacements insignifiants des atomes les uns par rapport aux autres. Par conséquent, les cristaux avec une liaison de type covalent (Sb, Bi, As, se, etc.) ne présentent pas la capacité de subir une déformation plastique.

Connexion métallique n'a aucun caractère directionnel et change faiblement lorsque les atomes sont déplacés les uns par rapport aux autres. Cela détermine le degré élevé de plasticité des métaux (malléabilité). Les métaux les plus malléables sont ceux dont les structures sont construites selon la loi du conditionnement cubique serré, qui comporte quatre directions de couches serrées. Métaux moins malléables avec un emballage hexagonal serré - avec une direction des couches les plus denses. Ainsi, parmi les modifications polymorphes du fer, a-Fe et b-Fe n'ont presque aucune malléabilité (réseau de type I), tandis que g-Fe à compactage cubique (réseau cubique à faces centrées) est un métal malléable comme Cu, Pt, Au, Ag, etc.

Liaison ionique n'a aucun caractère directionnel. Par conséquent, les cristaux ioniques typiques (NaCl, CaF2, CaTe, etc.) sont aussi fragiles que les cristaux possédant une liaison covalente. Mais en même temps, ils ont une plasticité assez élevée. Le glissement s'y produit le long de certaines directions cristallographiques. Ceci s'explique par le fait que dans la structure cristalline on peut distinguer (110) des réseaux formés soit par des ions Na+ seuls, soit par des ions Cl-. Lors de la déformation plastique, un maillage plat se déplace par rapport à son voisin de telle manière que les ions Na+ glissent le long des ions Cl-. La différence de charges des ions dans les réseaux voisins empêche la rupture et ils restent parallèles à leur position d'origine. Le glissement le long de ces couches se produit avec une perturbation minime dans la disposition des atomes et est le plus simple.

Propriétés thermiques des cristaux.

La conductivité thermique est étroitement liée à la symétrie. Cela peut être démontré le plus clairement dans l’expérience suivante. Recouvreons les faces de trois cristaux d'une fine couche de paraffine : un cube, un prisme hexagonal et un parallélépipède droit. A l'aide de la pointe d'une fine aiguille chaude, on touche chacune des faces de ces cristaux. A partir des contours des points de fusion, on peut juger de la vitesse de propagation de la chaleur sur les plans des faces dans différentes directions.

Sur un cristal cubique, les contours des points de fusion sur toutes les faces auront la forme d'un cercle, ce qui indique la même vitesse de propagation de la chaleur dans toutes les directions depuis le point de contact avec l'aiguille chaude. La forme des taches dans l'idée de cercles sur toutes les faces d'un cristal cubique est liée à sa symétrie.

La forme des taches sur les faces supérieure et inférieure du prisme hexagonal aura également la forme d'un cercle (la vitesse de propagation de la chaleur dans le plan perpendiculaire à l'axe principal du cristal de catégorie intermédiaire est la même dans toutes les directions). Sur les faces d'un prisme hexagonal, les points de fusion auront la forme d'ellipses, puisque les axes du 2ème ordre sont perpendiculaires à ces faces.

Sur toutes les faces d'un parallélépipède droit (cristal de système orthogonal), les points de fusion auront la forme d'une ellipse, puisque les axes du 2ème ordre sont perpendiculaires à ces faces.

Ainsi, la vitesse de propagation de la chaleur dans le corps cristallin dépend directement de l’élément de symétrie linéaire le long duquel elle se propage. En cristaux cubiques la surface de répartition de la chaleur aura la forme d'une sphère. Par conséquent, en ce qui concerne la conductivité thermique, les cristaux cubiques sont isotropes, c'est-à-dire égaux dans toutes les directions. Surface de conductivité thermique cristaux de catégorie moyenne exprimé par un ellipsoïde de révolution (parallèle à l'axe principal). DANS cristaux des catégories les plus basses et toutes les surfaces de conductivité thermique ont la forme d'un ellipsoïde.

L'anisotropie de la conductivité thermique est étroitement liée à la structure de la substance cristalline. Ainsi, les réseaux et rangées atomiques les plus denses correspondent à des valeurs de conductivité thermique élevées. Par conséquent, les cristaux en couches et en chaînes présentent de grandes différences dans les directions de conductivité thermique.

La conductivité thermique dépend également du degré de défectuosité du cristal - pour les cristaux plus défectueux, elle est inférieure à celle des cristaux synthétiques. Une substance à l'état amorphe a une conductivité thermique inférieure à celle des cristaux de même composition. Par exemple, la conductivité thermique du verre de quartz est nettement inférieure à celle des cristaux de quartz. L'utilisation généralisée de la verrerie à quartz repose sur cette propriété.

Propriétés optiques.

Chaque substance possédant une structure cristalline spécifique se caractérise par des propriétés optiques uniques. Les propriétés optiques sont étroitement liées à la structure cristalline des solides et à sa symétrie.

En ce qui concerne les propriétés optiques, toutes les substances peuvent être divisées en optiquement isotropes et anisotropes. Le premier comprend les corps amorphes et les cristaux de la catégorie la plus élevée, le second comprend tout le reste. Dans les milieux optiquement isotropes, une onde lumineuse, qui est un ensemble d'oscillations harmoniques transversales de nature électromagnétique, se propage à la même vitesse dans toutes les directions. Dans ce cas, les oscillations du vecteur d'intensité des champs électriques et magnétiques se produisent également dans toutes les directions possibles, mais dans un plan perpendiculaire à la direction du faisceau. Dans sa direction, l'énergie lumineuse est transférée. Ce type de lumière est appelé naturel ou non polarisé(Figures a, b).

Dans les milieux optiquement anisotropes, les vitesses de propagation des ondes dans différentes directions peuvent être différentes. Sous certaines conditions, ce qu'on appelle lumière polarisée, pour lequel toutes les oscillations du vecteur champ électrique et magnétique se produisent dans une direction strictement définie (Figure c, d). Le comportement d'une telle lumière polarisée dans les cristaux est basé sur la technique d'études optiques des cristaux utilisant un microscope polarisant.

Biréfringence de la lumière dans les cristaux.

polarisé linéairement avec des plans d'oscillation mutuellement perpendiculaires. La décomposition de la lumière en deux faisceaux polarisés est appelée biréfringence ou biréfringence.

La biréfringence de la lumière est observée dans les cristaux de tous les systèmes, à l'exception du cubique. Dans les cristaux des catégories inférieures et moyennes, la biréfringence se produit dans toutes les directions, à l'exception d'une ou deux directions, appelées axes optiques.

Le phénomène de biréfringence est associé à l'anisotropie des cristaux. L'anisotropie optique des cristaux s'exprime dans le fait que la vitesse de propagation de la lumière dans ceux-ci est différente selon les directions.

DANS cristaux de qualité moyenne Parmi les nombreuses directions de l’anisotropie optique, il existe une seule direction : axe optique, coïncidant avec l'axe principal de symétrie du 3ème, 4ème, 6ème ordre. La lumière se propage dans cette direction sans se diviser.

DANS cristaux de la catégorie la plus basse Il existe deux directions dans lesquelles la lumière ne se divise pas. Les sections cristallines perpendiculaires à ces directions coïncident avec les sections optiquement isotropes.

Influence des caractéristiques structurelles sur les propriétés optiques.

Dans les structures cristallines comportant des couches d’atomes rapprochés, la distance entre les atomes au sein d’une couche dépasse la distance entre les atomes les plus proches situés dans les couches adjacentes. Un tel ordre conduit à une polarisation plus facile si le vecteur tension du champ électrique de l'onde lumineuse est parallèle au plan des couches.

Propriétés électriques.

Toutes les substances peuvent être divisées en conducteurs, semi-conducteurs et diélectriques.

Certains cristaux (diélectriques) sont polarisés sous l'influence d'influences extérieures. La capacité des diélectriques à se polariser est l’une de leurs propriétés fondamentales. La polarisation est un processus associé à la création de dipôles électriques dans un diélectrique sous l'influence d'un champ électrique externe.

En cristallographie et en physique du solide, les phénomènes piézoélectricité et pyroélectricité.

Effet piézoélectrique – modification de la polarisation de certains cristaux diélectriques lors d'une déformation mécanique. L'ampleur des charges résultantes est proportionnelle à la force appliquée. Le signe de la charge dépend du type de structure cristalline. L'effet piézoélectrique se produit uniquement dans les cristaux dépourvus de centre d'inversion, c'est-à-dire ayant des directions polaires. Par exemple, cristaux de quartz SiO2, sphalérite (ZnS).

Effet pyroélectrique – l'apparition de charges électriques à la surface de certains cristaux lorsqu'ils sont chauffés ou refroidis. L'effet pyroélectrique ne se produit que dans les cristaux diélectriques à direction polaire unique, dont les extrémités opposées ne peuvent être combinées par aucune opération d'un groupe de symétrie donné. L'apparition de charges électriques ne peut se produire que le long de certaines directions polaires. Les faces perpendiculaires à ces directions reçoivent des charges de signes différents : l'une est positive et l'autre est négative. L'effet pyroélectrique peut se produire dans des cristaux appartenant à l'une des classes de symétrie polaire : 1, 2, 3, 4, 6, m, mm2, 3m, 4mm, 6mm.

De la cristallographie géométrique, il résulte que les directions passant par le centre de symétrie ne peuvent pas être polaires. Les directions perpendiculaires aux plans de symétrie ou aux axes d’ordre pair ne peuvent pas non plus être polaires.

Il existe deux sous-classes dans la classe des produits pyroélectriques. Le premier comprend les pyroélectriques linéaires, dans lesquels, dans un champ externe, la polarisation électrique dépend linéairement de l'intensité du champ électrique. Par exemple, la tourmaline NaMgAl3B3.Si6(O, OH)30.

Les cristaux de la deuxième sous-classe sont appelés ferroélectriques. Dans ceux-ci, la dépendance de la polarisation à l'intensité du champ externe est non linéaire et la polarisabilité dépend de l'intensité du champ externe. La dépendance non linéaire de la polarisation sur l'intensité du champ électrique est caractérisée par une boucle d'hystérésis. Cette caractéristique des ferroélectriques suggère qu'ils conservent la polarisation électrique en l'absence de champ externe. Grâce à cela, les cristaux de sel de Rochelle (d'où le nom ferroélectrique) se sont révélés être des accumulateurs fiables d'énergie électrique et des enregistreurs de signaux électriques, ce qui leur permet d'être utilisés dans les « cellules mémoire » d'un ordinateur.

Propriétés magnétiques.

Il s’agit de la capacité des corps à interagir avec un champ magnétique, c’est-à-dire à se magnétiser lorsqu’ils sont placés dans un champ magnétique. Selon l'ampleur de la susceptibilité magnétique, on distingue les cristaux diamagnétiques, paramagnétiques, ferromagnétiques et antiferromagnétiques.

Les propriétés magnétiques de toutes les substances dépendent non seulement des caractéristiques de leur structure cristalline, mais également de la nature des atomes (ions) qui les constituent, c'est-à-dire que le magnétisme est déterminé par la structure électronique des coquilles et des noyaux, ainsi que par le mouvement orbital de électrons autour d'eux (spins).

Lorsqu'un atome (ion) est introduit dans un champ magnétique, la vitesse angulaire des électrons en orbite change du fait qu'un mouvement de rotation supplémentaire se superpose au mouvement de rotation initial des électrons autour du noyau, ce qui entraîne l'atome reçoit un moment magnétique supplémentaire. De plus, si tous les électrons de spins opposés dans un atome sont regroupés par paires (Figure A), alors les moments magnétiques des électrons s'avèrent compensés et leur moment magnétique total sera égal à zéro. De tels atomes sont appelés diamagnétiques et les substances qui en sont constituées sont appelées matériaux diamagnétiques. Par exemple, les gaz inertes, les métaux du sous-groupe B - Cu, Ag, Au, Zn, Cd, la plupart des cristaux ioniques (NaCl, CaF2), ainsi que les substances avec une liaison covalente prédominante - Bi, Sb, Ga, graphite. Dans les cristaux à structure en couches, la susceptibilité magnétique pour les directions situées dans la couche dépasse largement celle pour les directions perpendiculaires.

Lors du remplissage des couches électroniques des atomes, les électrons ont tendance à ne pas être appariés. Par conséquent, il existe un grand nombre de substances dans lesquelles les moments magnétiques des électrons dans les atomes sont situés de manière aléatoire et, en l'absence de champ magnétique externe, aucune orientation spontanée des moments magnétiques ne se produit (Figure B). Le moment magnétique total dû aux électrons qui ne sont pas liés par paires et interagissent faiblement les uns avec les autres sera constant, positif ou légèrement supérieur à celui des diélectriques. De tels atomes sont appelés magnétiques et les substances sont appelées paramagnétique. Lorsqu'un para-aimant est introduit dans un champ magnétique, les spins mal orientés acquièrent une certaine orientation, ce qui entraîne l'observation de trois types d'ordre des moments magnétiques non compensés - trois types de phénomènes : ferromagnétisme (Figure C), antiferromagnétisme (Figure D) et ferrimagnétisme (Figure D).

Propriétés ferromagnétiques posséder des substances dont les moments magnétiques des atomes (ions) sont dirigés parallèlement les uns aux autres, ce qui permet au champ magnétique externe de s'intensifier des millions de fois. Le nom du groupe est associé à la présence d'éléments du sous-groupe du fer Fe, Ni, Co.

Si les moments magnétiques des atomes individuels sont antiparallèles et égaux, alors le moment magnétique total des atomes est nul. De telles substances sont appelées antiferromagnétiques. Il s'agit notamment des oxydes de métaux de transition - MnO, NiO, CoO, FeO, de nombreux fluorures, chlorures, sulfures, séléniures, etc.

Lorsque les moments antiparallèles des atomes de la structure cristalline sont inégaux, le moment total s'avère différent de zéro et de telles structures ont une magnétisation spontanée. Ils ont des propriétés similaires ferrites(Fe3O4, minéraux du groupe grenat).