Эссе: Кристаллографическое и кристаллохимическое описание твердых тел

Совершенные формы природных кристаллов всегда пробуждали в людях как мистическое восхищение, так и желание разгадать скрытую в них тайну. В средневековых трактатах по минералогии и алхимии кристаллические вещества назывались порождением высших сфер: Солнца, Луны, звезд и планет, а также многочисленных богов всех времен и народов. Красотой кристаллов не только любовались: их физические свойства использовали уже в каменных орудиях, а в историческом времени кристаллические минералы стали сырьем для выплавки металлов, получения красок и лекарств, изготовления керамики, стекла, строительных материалов и других продуктов зарождающейся промышленности. Можно с уверенностью сказать, что в истории человечества кристаллы всегда были тесно связаны с химией – столь же таинственной древней областью знания о превращениях субстанций.

Кристаллография, то есть 'описание кристаллов', зародилась как научная дисциплина в XVII веке. В развитии естествознания она сыграла огромную роль: именно здесь возникли представления об атомах и молекулах как мельчайших 'кирпичиках' структуры вещества, которые затем перешли в физику и химию. Первый количественный закон химии – закон кратных отношений количества элементов в соединениях – был предложен в 1803 году англичанином Джоном Дальтоном. Но французский основоположник атомистической кристаллографии Рене Гаюи к тому времени уже сформулирован другой количественный закон о веществе, в чем-то похожий на закон Дальтона: взаимному расположению граней кристалла соответствуют различные тройки целых чисел. Лишь через два века выросшая из кристаллографии математическая теория групп показала глубинное родство законов Гаюи и Дальтона: правильные геометрические формы кристаллов следуют из симметрии кристаллической решетки, а целочисленные валентности элементов – из сферической симметрии атома.

Три столетия подряд кристаллография находилась далеко впереди всех прочих областей естествознания. Свой закон целочисленных отношений Гаюи вывел на основе первого каталога кристаллов, составленного другим французским исследователем Роме де Лилем. В 1783 г. этот каталог содержал описания 500 кристаллических веществ. Но еще в начале XVII века Кеплер, а позднее Ньютон, Гюйгенс и Ломоносов независимо друг от друга объясняли форму и оптические свойства кристаллов упорядоченным расположением составляющих частиц, для которых тогда не было даже общепринятого термина. Кристаллограф XIX века в своей работе использовал неевклидову геометрию (тригонометрию на сфере), знал и нередко развивал математическую теорию симметрии, неорганическую химию, минералогию, лишь возникавшую тогда кристаллофизику и многие другие дисциплины. А еще он умел измерять точную форму кристалла, регистрируя в темноте слабые отражения пламени свечи от граней образца, поворачиваемого в оптическом гониометре ('угломере') – современники сравнивали эти навыки с искусством фехтовальщика. По первому закону кристаллографии, независимо установленному многими великими естествоиспытателями (среди них был Ломоносов) и окончательно сформулированному Роме де Лилем, каждое вещество имеет свой индивидуальный набор углов между гранями кристалла – 'паспорт' химического соединения, выдерживаемый с точностью до сотых долей градуса.

К началу ХХ века таблицы двугранных углов и атласы с количественным описанием формы кристаллов, составленные по данным оптической кристаллографии, охватывали более 20 тысяч веществ. Точные измерения кристаллов стали первым физическим методом полной идентификации химических соединений. Задолго до начала исследований атомной структуры вещества русский кристаллограф Федоров и немецкий математик Шёнфлис вместе вывели все 230 вариантов ее симметрии в кристаллах, а англичанин Барлоу на основе постулата о плотной упаковке сферических атомов предсказал структурные типы металлов и бинарных соединений. А в ХХ веке дифракция рентгеновских лучей на кристаллической решетке произвела революцию сначала в физике и химии, а затем в биологии. Атомные структуры кристаллов стали определять экспериментально, физика твердого тела получила прочный фундамент, проверялись и исправлялись выведенные химиками структурные формулы – и все потому, что в начале ХХ века кристаллография оказалась единственной наукой, вполне готовой к открытию Вильгельма Конрада Рентгена.