4.1. Макроскопические свойства кристаллов

Обычно твердое тело характеризуется тем, что оно стремится сохранить не только свой объем, но и приданную ему форму (стержень, пластина и т.д.). Из этого определения, которое охватывает все тела, обычно называемые твердыми, следует выделить кристаллические тела, форма которых обусловлена их внутренним строением, в отличие от квазитвердых тел - стекол (которые можно рассматривать как жидкости с бесконечно большой вязкостью), полимерных материалов и т.д.

Кристаллические вещества могут представлять собой один кристалл - монокристалл - или соединение большого числа кристаллических зерен - поликристаллы (металлы), но во всех случаях они проявляют свои особые свойства: постоянная температура плавления, анизотропность.

Анизотропией кристаллов называют различие их свойств в зависимости от направления относительно осей симметрии, поскольку кристалл представляет собой симметричную фигуру. В поликристаллических телах (металлы) анизотропия проявляется слабее, таккак кристаллические зерна могут быть ориентированы хаотично - псевдоизотропия. В определенных условиях, а именно при пластической деформации, поликристаллические металлы проявляют свою анизотропность. Квазитвердые тела этим свойством не обладают и являются изотропными.

Кристаллом является твердое тело, ограниченное плоскими гранями, пересекающимися под определенными углами. Форма кристаллов характеризуется не столько соотношением сторон, сколько двугранными углами, возникающими между пересекающимися плоскими гранями.

Одно и то же вещество, кристаллизуясь в различных условиях, может образовать кристаллы различной формы - полиморфизм.

Так, например, полиморфизмом обладает диоксид кремния SiO₂, образующий 6 различных форм кристаллов: α- и β- кварцы, α- и β- тридимиты, α- и β -кристобалиты.

Различные вещества могут образовать одинаковые формы кристаллов, обладающие при этом разным составом, - изоморфизм. Так, например, двойные соли (так называемые квасцы) KAl (SO₄)₂∙12H₂O и KCr (SO₄)₂∙12H₂O кристаллизуются в одной и той же системе и могут свои кристаллы наращивать на кристаллы других квасцов.

Различные формы кристаллов можно систематизировать, изучая их геометрию и симметрию. Е. С. Федоров (1890) систематизировал кристаллы на основе их симметрии и разработал методы количественной оценки степени симметрии по осям, плоскостям и центрам симметрии и их порядку.

Порядком оси симметрии является число повторений геометрических элементов при повороте фигуры относительно этой оси на угол 2π = 360°. Например, для такой элементарной фигуры, как куб, можно найти оси симметрии четвертого и второго порядков; такие же оси симметрии определяют собой и другую фигуру - октаэдр.

Плоскость, делящая кристалл на две зеркально отображающиеся части, называется плоскостью симметрии.

Центр симметрии, совпадающий у куба с его геометрическим центром, также характеризует симметрию кристалла.

Кристаллические системы Е.С. Федорова характеризуются взаимным расположением осей (углы между ними) и соотношением их длин. В пределах каждой системы могут быть модификации за счет усложнения форм граней, но при сохранении элементов симметрии, что в конечном итоге дает колоссальное разнообразие внешних форм кристаллов.

Так как кристаллических веществ очень много, то изучение их геометрических структур и свойств, зависящих от геометрии кристалла, развилось в особую науку - кристаллографию, основы которой были заложены Е. С. Федоровым. Внешняя форма кристалла является отображением его внутренней структуры, созданной взаимным расположением частиц в пространстве.