Как образуются кристаллы
Представьте идеальную стену из кирпичей, где каждый элемент занимает строго отведенное ему место. Именно так и устроен любой кристалл — твердое тело, чьи внутренние частицы (атомы или молекулы) выстроены в строгом порядке. Только «кирпичики» у них могут быть не только кубическими, но и самой причудливой формы.
Чем отличаются кристаллы от минералов
Минералы — это твердые вещества, которые образуются в земной коре естественным путем и состоят из определенных химических элементов.
Горные породы, в свою очередь, представляют собой сложные «композиции» из различных минералов. Так вот, все минералы по своей природе являются кристаллами. Однако не каждый кристалл — минерал. Например, сахар и лед тоже имеют кристаллическую структуру, но минералами не являются.
В магазинах чаще всего встречаются именно минеральные кристаллы. Взять хотя бы пирит, который легко принять за настоящий драгоценный металл, или разноцветные кристаллы висмута.
Как образуются кристаллы
Кристаллы растут, когда одинаковые молекулы начинают притягиваться и прочно связываться друг с другом. Эти химические связи работают как микроскопические «липучки». Однако для начала роста нужна отправная точка — затравка. Ею может стать любая неровность на камне или даже пылинка. Молекула прилипает к этой затравке, к ней присоединяется следующая — и вот уже запущена цепная реакция, ведущая к рождению кристалла.
Многие молекулы на поверхности Земли путешествуют, будучи растворены в воде. Когда концентрация таких «путешественников» становится достаточно высокой, они начинают выпадать в осадок, то есть отделяться от воды и превращаться в твердые частицы. Если на их пути встречается затравка, они охотно прилипают к ней и начинают выстраивать упорядоченную структуру. Именно так растет обычная каменная соль.
Можно провести простой опыт: приготовить перенасыщенный раствор поваренной соли и опустить в него зубочистку. Через некоторое время станет видно, как на ней начинает расти крошечный кубик соли. Без этой зубочистки — центра кристаллизации — процесс бы не начался.
Но кристаллы рождаются не только в воде. В глубинах земной коры царит такая жара, что горные породы плавятся, превращаясь в магму. Когда эта огненная масса начинает остывать, из нее медленно вырастают кристаллы минералов — подобно тому, как при замерзании воды образуются кристаллы льда. Только происходит это при температурах в сотни градусов.
Почему кристаллы такие симметричные
Мы часто любуемся безупречными гранями кристаллов. Как же природе удается создавать такие геометрически правильные творения? Ответ кроется в их внутренней структуре.
Кристалл растет, подчиняясь принципу наименьшей энергии: каждая следующая молекула встает туда, где ей энергетически «выгоднее» всего — например, в углубление на растущей грани, где она может образовать связи с максимальным числом соседей.
Разные грани одного кристалла могут расти с разной скоростью. На это влияет и структура поверхности-затравки, и условия среды — температура, давление, чистота раствора. Иногда внутри решетки возникают дефекты, которые заставляют кристалл расти активнее в определенном направлении, формируя вытянутые или сплюснутые формы. Но даже в этом случае углы между соответствующими гранями остаются постоянными, что и придает кристаллам симметрию. Итак, их идеальная форма — это прямое следствие строгого порядка в расположении атомов.
Что узнают ученые, изучая кристаллы
Для геолога кристаллы — это важные архивные документы. По наличию определенных минералов в породе можно определить ее возраст — метод, который называется геохронологией.
Одним из самых надежных «хронометров» является циркон. Этот минерал невероятно прочен и способен сохраняться в породах миллиарды лет. Самые древние цирконы, найденные в Австралии, насчитывают около 4,3 млрд лет — почти возраст самой Земли. Химические изменения, которые «записываются» в циркон по мере его роста, служат точными часами.
Некоторые кристаллы образуют годичные кольца, похожие на древесные. Они возникают, когда в процессе роста на кристалл нарастают новые слои молекул. Эти кольца — настоящая летопись прошлого: по ним можно узнать, как менялись температура, давление и состав магмы на протяжении тысяч лет.
Самые совершенные и красивые кристаллы полируют, и они становятся драгоценными камнями.Так хрупкое равновесие химических связей, рожденное в недрах планеты, превращается в объект всеобщего восхищения.
