• Гідрологія і Гідрометрія
• Господарське право
• Економіка будівництва
• Економіка природокористування
• Економічна теорія
• Земельне право
• Історія України
• Кримінально виконавче право
• Медична радіологія
• Методи аналізу
• Міжнародне приватне право
• Міжнародний маркетинг
• Основи екології
• Предмет Політологія
• Соціальне страхування
• Технічні засоби організації дорожнього руху
• Товарознавство продовольчих товарів

Зародження та зростання кристалів

Кристалізація– утворення кристалів із газу, розчину, розплаву, скла або кристалу іншої структури при поліморфному перетворенні.

Кристалізація полягає у впорядкуванні атомів, молекул або іонів в кристалічну гратку.

Термодинаміка кристалізації. Розташування часток у кристалі впорядковане і їх ентропія S_K меньша за ентропію S_C середовища. Тому, зниження температури Т при постійному тиску Р призводить до того, що хімічний потенціал речовини в кристалі:

стає меншим за його потенціал у вихідному середовищі:

де: Е_К та Е_С – енергії взаємодії часток у кристалі та середовищі, відповідно,

S_K та S_С – ентропії кристалу та вихідної речовини, відповідно,

V_K та V_С – об’єми кристалу та вихідної речовини, відповідно.

Тобто, в розглянутих умовах кристалічна фаза стає більш доцільною (μ_К<μ_С). Саме тому відбувається кристалізація.

Для початку кристалізації необхідно, щоб зародок досяг критичної величини, тобто містив таку кількість частинок, при якому приєднання наступної частки зробило б розростання зародка енергетично більш вигідним, ніж його розпад.

Основи теорії кристалізації розроблені основоположником науки про метали (металознавство) Д. К. Черновим (1839-1921рр.). Наприкінці XIX в. американським фізиком Дж. Гіббсом (1839-1903), французьким фізиком П. Кюрі і російським кристалографом Г. В. Вульфом на термодинамічної основі була розроблена кількісна теорія зародження і росту кристалів. Кілька пізніше, в 20-х рр. XX в., німецьким фізиком М. Фольмером (1885-1965) була висунута теорія мимовільного зародження кристалів і їх зростання.

Кристалізація визначається природою кристалу та умовами його зростання, головним чином, ступенем відхилення від рівноваги структури поверхні кристалу та температурою.

Прийнятою є така класифікація рівноважних поверхонь кристалу в залежності від їх орієнтації:

Сингулярні (атомно-гладкі) –мають щільноупаковані гладкі грані(рис. 2.15).

Віцинальні (ступінчасті) –мають ступінчасту структуру з широкими ділянками площин (рис. 2.16).

На рисунку 2.17 наведений приклад ступінчастого зростання кристалу штучного алмазу на гвинтовій дислокації.

Несингулярні (атомно-шорсткі) –поверхні з іншими, відмінними під сингулярних, орієнтуваннями(рис. 2.18).

Рисунок 2.15 – Структура атомно-гладкої щільноупакованої поверхні	А – позиція приєднання атому до сходинки
Рисунок 2.16 – Ілюстрація пошарового росту кристалу на кульковій моделі ступінчастої поверхні

а	б	в
а – позиція входження атому до ступінчастої структури, б – схема віцинального росту, в – структура поверхні кристалу штучного алмазу
Рисунок 2.17– Ступінчасте зростання кристалу штучного алмазу на гвинтовій дислокації

Рисунок 2.18 – Атомно-шорстка поверхня

У випадку ступінчастого росту розвиток поверхні відбувається за рахунок її пошарового збільшення. Тобто, ріст відбувається у напрямку паралельному зовнішній поверхні шар за шаром (див. рис. 2.16).

У двох інших випадках розвиток поверхні здійснюється при наростанні часток на зовнішній грані перпендикулярно до неї (див. рис. 2.15, 2.18). Такий ріст називається нормальним.

Теорії нормального росту кристалів пов’язані, в першу чергу, з іменами К. Джексона та Дж. Кана. Авторами теорій нормального росту був оцінений вплив структури границі розділу кристал ‑ розплав.

Кількісний критерій К. Джексона враховує зміну вільної енергії в залежності від частки атомних місць, які зайняті на поверхні кристалу, що росте, при рівноважній температурі. Коли мінімум вільної енергії відповідає випадку заповненості близько половини можливих позицій, реалізується шорстка поверхня (див. рис. 2.18). Коли мінімум вільної енергії відповідає випадку тотальної заповненості всіх можливих позицій, або, навпаки одиничних позицій, реалізується гладка поверхня (див. рис. 2.15). Інші можливі варіанти є проміжними.

В цілому (рис. 2.19), в процесі росту кристалів до їх зародків (рис. 2.19 а) приєднуються нові атоми з рідкої речовини (рис. 2.19 б). Спочатку кристали вільні і зберігають правильну геометричну форму. Але це продовжується до моменту зустрічі кристалів, що ростуть, один з одним (рис. 2.19 в). В місці дотику кристалів зростання окремих їх граней зупиняється. В результаті кристали не мають правильної геометричної форми. Такі кристали називають кристалітами або зернами (рис. 2.19 г). Розмір зерен залежить від кількості центрів кристалізації та швидкості зростання кристалів. Чим більше центрів кристалізації, тим більше кристалів утворюється в даному об’ємі і кожен кристал (зерно) стає меншим.

а	б	в	г
Рисунок 2.19 – Послідовність етапів процесу кристалізації

При цьому, в ході процесу кристалізації в результаті вершинного та реберного зростання кристалів, яке відбувається при нерівномірній дифузії речовини до кристалу його структура стає дендритною(рис. 2.20).

а	б
а – початкова стадія дендритного зростання кристалу йодоформу (СНІ3), б – дендритна форма кристалічного зародку зерна сплаву Cu-Zn
Рисунок 2.20 – Мікроструктура (×100) дендритних форм зростання кристалічних речовин

Дендрит(від грецького слова δένδρον) — дерево.

В мінералогії – мінеральний агрегат або кристал деревоподібної форми. Утворюється з розчинів, пари або розплавів при швидкій кристалізації речовини в тріщинах, в’язкому середовищі тощо (рис. 2.21 а).

а	б
а – дендрити оксидів в халцедоні (моховий агат) 1:1, б – дендрит Д. К. Чернова 1:5
Рисунок 2.21 – Приклади дендритних форм мінералу та металевого кристалу

В металургії – деревоподібної будови кристаліт, який утворюється внаслідок дендритної кристалізації металів та сплавів (рис. 2.21 б).

В цілому, дендрит формується як гілчасте утворення що розходиться у різні боки, яке виникає при пришвидшеній або стисненій кристалізації в нерівноважних умовах, коли кристал розщеплюється за певними законами.

Скелетні кристали – порожньотілі або спотворені форми кристалів, що є начебто каркасом кристалу, який виріс паралельно власним ребрам, граням, або напрямам вершин правильного багатогранника(рис. 2.22).

а	б
а – срібло самородне, ґратчастий зросток скелетних кристалів 1:2, б – скелетний кристал вісмуту штучно вирощений 1:1 Рисунок 2.22 – Скелетні металеві кристали

Дендрити –це розщеплені скелетні кристали(див. рис. 2.21).

Дендрит представляє собою розгалужене (що розходиться у різні боки) утворення, яке виникає при пришвидшеній або стисненій кристалізації у нерівноважних умовах, коли ребра або вершини скелетного кристалу розщеплюються. В результаті кристалічна структура об’єкту втрачає свою первісну цілісність, з’являються кристалографічно розупорядковані субіндивиди. Вони розгалужуються та розростаються в напрямі найбільш інтенсивного масопереносу (надходження живильного матеріалу до їх поверхні).

Поряд з кристалічними дендритами відомі дендрити сферокристалічні, утворені гілчастими диссиметричними сферокристалічними сферолітами – сфероідолітами (розповсюджено – сферокристал –рис. 2.23).

а	б
а – світлова мікроскопія × 500, б – РЕМ × 1500 Рисунок 2.23 – Сферокристали графіту в високоміцному чавуні

Сфероліт– форма росту кристалу, що виникла в результаті його розщеплення в начальній стадії росту та подальшого спільного розростання утвореного при розщепленні субіндивиду за радіальними напрямами з геометричним відбором (рис. 2.24).

Сферокристал- форма розщеплення кристалів, що виникає в результаті безперервного розщеплення протягом всього процесу росту. Це індивід, що частково або повністю обмежений сферичними гранями, що утворилися в результаті радіального розщеплення окремих або усіх його пірамід росту (див рис. 2.23 та 2.24).

а	б
а – вівіаніт (фосфат заліза Fe3(PO4)2·8H2O) 1:2, б – сферокристали кремнію в сплаві Al – 26 мас. % Si ТЕМ × 14000 Рисунок 2.24 – Природні сфероліти мінеральної речовини (а) та кристалів кремнію в силуміні (б)

Переглядів: 1718