ультате кристаллизации углерода, растворенного в расплавленных магмах при очень высоком давлении и быстром охлаждении. Искусственное же получение алмазов пытались осуществить при таких условиях, когда более устойчивой формой кристаллического углерода являлся графит.
В 1940 году советский ученый О. П. Лейпунский определил границы температур (2000°) и давлений (60 тысяч атмосфер), при которых в природе происходил процесс кристаллизации алмазов.
У некоторых веществ превращение одной кристаллической формы в другую происходит довольно легко. Подобное превращение однажды явилось причиной большого несчастья.
В 1910 году известный полярный исследователь Р. Скотт отправился на корабле «Терра нова» в экспедицию к Южному полюсу. Полюса экспедиция достигла в январе 1912 года. На обратном пути Р. Скотт и его четыре спутника погибли. Как оказалось, причиной их гибели была потеря жидкого топлива: бачки, в которых оно находилось, разрушились. Это произошло в результате превращения олова, которым были пропаяны бачки, из привычного для нас белого олова в порошкообразное серое.
Белое и серое олово различаются так же, как и алмаз и графит, строением кристалла. При температурах ниже 18 градусов более устойчиво серое олово, однако скорость превращения обычного олова в порошкообразное серое при температуре, не слишком сильно отличающейся от 18 градусов, ничтожно мала. При понижении же температуры скорость образования серого олова возрастает, достигая максимальной величины при — 33 градусах. Это и привело к гибели отважных путешественников.
Превращение белого олова в серое значительно ускоряется, если добавить к нему затравку — крупинку серого олова. Затравка может быть очень малой, — иногда достаточно привести обычное олово в соприкосновение с серым, чтобы превращение пошло быстро; серое олово как бы «заражает» своим прикосновением белое.
В средние века домашняя утварь делалась из различных сплавов, основной частью которых было олово. И если в каком-нибудь доме на тарелке, ложке или ином предмете образовывалось небольшое количество серого олова, такой предмет «заражал» другие и вся утварь разрушалась. Это бедствие очень напоминало эпидемическое заболевание, и народ, со свойственной ему меткостью, назвал его «оловянной чумой». Особенно страдали от «оловянной чумы» органные трубы, изготовлявшиеся из чистого олова.
Красивы и разнообразны кристаллы различных веществ (рис. 48).
Рис. 48. Внешний вид различных кристаллов.
Многие из них вы можете получить сами. Прибавьте к горячей воде какое-либо вещество, например поваренную соль или квасцы, в таком количестве, чтобы оно перестало в ней растворяться. Перемешайте раствор, дайте нерастворившемуся веществу осесть на дно и осторожно слейте прозрачный раствор в чистый стакан. Поставьте стакан с раствором в теплое, защищенное от тряски место. Через несколько дней, когда часть жидкости испарится, на дне стакана выпадут кристаллы растворенного вещества.
Когда переохлаждение невелико и кристаллизация происходит медленно, образуются большие, с правильными гранями кристаллы. Если же жидкость сильно переохладить и тем ускорить рост кристаллов, то они приобретают причудливый вид переплетенных нитей или ветвистого дерева.
Вспомните тонкие морозные узоры на окнах: здесь можно увидеть и цветы, и деревья, и замысловатые орнаменты, превосходящие сложностью то, что может создать фантазия художника.
Особенно красивы и разнообразны формы снежинок (рис. 49).
Рис. 49. Снежинки.
Они возникают потому, что снежинка, падая на землю, непрерывно перемещается из одного слоя атмосферы в другой и при этом непрерывно изменяются условия кристаллизации — иными делаются температура, количество водяных паров и т. д.
Не все кристаллы состоят из атомов или ионов. Существуют кристаллы, состоящие из молекул.
Примером тому сухой лед, которым охлаждают мороженое. Это превращенный в твердое кристаллическое тело углекислый газ. Частицы, образующие кристалл сухого льда, — молекулы. Они, так же как и ионы в кристалле поваренной соли, уложены с возможно большей плотностью. Однако молекулы углекислого газа имеют более сложную форму, чем шарики-ионы, и уложить их плотно труднее. Поэтому упаковка кристалла, состоящего из молекул (рис. 50), получается более рыхлой, чем у кристалла, состоящего из ионов или атомов.
Рис. 50. Строение кристалла сухого льда.
Особенно неплотно упакованы молекулы воды в кристалле льда, модель которого изображена на рисунке 51. Для удобства здесь атомы водорода (черные шарики) и кислорода (белые шарики) изображены одинаковыми, хотя в действительности их размеры различны.
Рис. 51. Строение кристалла обычного льда.
Ажурный характер кристалла льда — причина его малой плотности: мы знаем, что лед плавает на поверхности воды.
При таянии льда молекулы укладываются более плотно и объем, занимаемый веществом, уменьшается.
Свойства кристаллов
Упорядоченное расположение частиц делает свойства кристаллов не похожими на свойства жидкостей и газов.
Жидкость, например, одинаково сопротивляется растяжению, вне зависимости от того, в каком направлении ее растягивать. Если жидкость разрывается, то никаких определенных плоскостей, по которым преимущественно происходил бы этот разрыв, указать нельзя. Один раз разрыв произойдет так, другой раз иначе.
Совсем по-иному ведут себя кристаллы.
В каждом из них имеются плоскости, по которым разрыв происходит легче, чем по другим. Они называются плоскостями спайности.
Кристалл поваренной соли, какова бы ни была его форма, раскалывается на кусочки, каждый из которых кубик или прямоугольный параллелепипед.
Слюда от самого незначительного усилия расщепляется на отдельные пластинки. При желании можно изготовить тончайшие слюдяные пластинки, более тонкие, чем бумажный листок.
Эти особенности кристаллов объясняются строением их кристаллических решеток.
Взгляните на кристаллическую решетку поваренной соли. На плоскостях, параллельных какой-либо грани куба, располагаются вперемежку ионы натрия и ионы хлора. Ионы натрия, находящиеся в одной плоскости, будут притягиваться ионами хлора, лежащими в соседней плоскости, и одновременно отталкиваться лежащими в этой плоскости одноименными с ними ионами натрия. А так как ионов натрия и ионов хлора в каждой плоскости одинаковое количество, то такие плоскости будут притягиваться одна к другой в общем с небольшой силой. Это и есть плоскости спайности.
Иная картина наблюдается на диагональных плоскостях (рис. 52).
Рис. 52. Диагональные плоскости в кристалле поваренной соли.
Здесь на одной плоскости встречаются только ионы натрия, а на соседних с нею только ионы хлора. Силы сцепления между такими плоскостями велики, и кристалл по диагональным плоскостям не раскалывается.
В слюде, так же как и в графите, частицы, лежащие в одном и том же слое, связаны между собою гораздо крепче, чем расположенные в соседних слоях. Поэтому слюда и расщепляется на тонкие листочки.
В том, что свойства кристаллов различны в различных направлениях, можно убедиться, проделав такой простой опыт.
В природе часто встречаются прозрачные кристаллы горного хрусталя, обычно они образуют красивые сростки — друзы (рис. 53).
Рис. 53. Друзы горного хрусталя.
Горный хрусталь, или кварц, — это соединение кремния с кислородом, или, как говорят химики, двуокись кремния. Кварц — распространенный минерал. На его долю приходится примерно 12 процентов вещества земной коры.
Покроем одну из боковых граней кристалла кварца ровным слоем воска и прикоснемся к ее середине концом раскаленной проволоки. Распространяющееся от проволочки тепло заставит воск расплавиться, образуется лунка в форме эллипса (рис. 54).
Рис. 54. Плавление воска на поверхности кристалла кварца.
Почему лунка имеет такую форму?
Да потому, что тепло, идущее от конца проволочки, распространяется вдоль поверхности кристалла в разных направлениях, с разной скоростью. Способность кристалла проводить тепло, его теплопроводность, различна в разных направлениях. В том направлении, в котором теплопроводность кристалла больше, края лунки отстоят дальше от конца проволочки. В этом направлении и будет вытянут эллипс.
Еще более своеобразно поведение кристаллов по отношению к лучам света.
В 1669 году датский врач и математик Эразм Бартолин обнаружил, что предметы, рассматриваемые через прозрачную пластинку, сделанную из кристалла исландского шпата, кажутся раздвоенными (рис. 55).
Рис. 55. Двойное лучепреломление.
Происходит это потому, что в этом кристалле луч света распадается на два луча, идущих по разным направлениям. Открытое Бартолином явление назвали двойным лучепреломлением. Замечательно, что в том же кристалле исландского шпата можно найти такое направление, двигаясь вдоль которого световой луч не будет распадаться на два луча и кристалл будет подобен обычному стеклу.
Рассматривая особенности кристаллических тел, нельзя забыть об одном их удивительном свойстве, находящем в наше время важное применение в технике, а именно — о пьезоэлектрическом эффекте.
Если из кристалла кварца вырезать пластинку так, как это показано на рисунке 56, и сжать ее, то на противоположных гранях пластинки возникнут электрические заряды. Одна грань зарядится положительно, противоположная ей — отрицательно.
Рис. 56. Пьезопластинка.
При замене сжатия растяжением электрические заряды тоже появятся, но только знаки их будут обратными: грань, заряженная раньше положительно, теперь будет нести отрицательный заряд, и наоборот. Чем больше сжатие или растяжение пластинки, тем больше и возникающие заряды.
По-гречески слово «пьезо» означает давление, слово «эффект» — действие; поэтому появление электрических зарядов под действием давления и назвали пьезоэлектрическим эффектом.