Какие же вещества можно считать кристаллическими?
Алмаз и сапфир — безусловно, так же как сахар и соль. А вот пластмасса, стекло и даже хрусталь (если только он не в форме горного хрусталя) не являются кристаллами. Простые вещества всех элементов-металлов в твердом состоянии образуют кристаллические тела.

Кристаллическая решетка

Кристаллом является любое вещество, в котором имеется многократно повторяющееся пространственное расположение на протяжении многих сотен и тысяч атомов. Расположение атомов или молекул многократно повторяется вдоль любой прямой линии, хотя в разных направлениях оно различно. Именно такое расположение называется кристаллической решеткой. Наименьшая простейшая фигура такой решетки, повторяющаяся в пространстве, называется элементарной ячейкой. В природе существует множество форм кристаллических решеток и элементарных ячеек. Их изучением занимается наука кристаллография.

Большинство металлов и сплавов по сравнению с другими твердыми телами отличается значительной твердостью. Это возможно в тех случаях, когда атомы расположены наиболее тесно. Мягким металлам (щелочным) соответствуют большие расстояния; твердым (например, Cr, Fe, Ni) — наименьшие, так как наиболее прочные связи будут в случае минимальных расстояний. Если представить атомы в виде шаров, то минимум расстояния между атомами будет соответствовать плотнейшей упаковке твердых шаров. Существуют два способа достигнуть этого. В первом основой является шестиугольник, получающийся, когда один шар на плоскости окружен шестью другими, точно такими же. Второй ряд образован не из семи, а из трех соприкасающихся шаров, расположенных так, чтобы каждый шар — атом этого ряда — размещался непосредственно над центром одного из треугольников (рис. 1, а), образуемых шарами нижней плоскости. Третий ряд строится опять из семи шаров, расположенных точно над шарами первого ряда. Такое расположение называется плотнейшей гексагональной упаковкой. В ней кристаллизуются такие металлы, как цинк, магний, бериллий, хром и др.

Типы кристаллических упаковок

Рис. 1. Типы основных кристаллических упаковок:
а-гексагональная плотнейшая. б- гранецентрированная плотнейшая;
в - объемно-центрированная.

Вторая структура с кубической гранецентрированной плотнейшей упаковкой (рис. 1, б) — это куб, у которого, кроме восьми атомов в вершинах, размещены еще шесть атомов по одному в центре каждой из шести граней куба (похоже на игральный кубик, у которого на каждой грани одно очко). Если смотреть по диагонали, проходящей из одной вершины через центр куба к противоположной вершине, то можно заметить сходство с гексагональной плотнейшей упаковкой. Такое кристаллическое построение характерно для меди, серебра, свинца, алюминия, золота, платины и др.

Еще одна разновидность кубической структуры, встречающаяся среди металлов,— это куб, у которого в центре помещается еще один атом (рис. 1, в). Она называется кубической объемно-центрированной. В ней кристаллизуются, например, железо, натрий, ванадий и барий. Это не самая плотная упаковка, и ее прочность зависит от особенностей построения составляющих ее атомов. Большинство металлов кристаллизуется в одной из указанных трех простых структур; примерно пятьдесят имеют плотнейшие упаковки — либо гексагональную, либо кубическую гранецентрированную; около двенадцати — объемно-центрированную. Более сложные кристаллические образования строятся из многих различных элементарных ячеек. Так, структуру алмаза, в которой кристаллизуются также германий и олово (серое), можно представить себе как две пересекающиеся гранецентрированные решетки.