Можете ли вы объяснить, почему кристаллы образуются без учета термодинамики?

Не термодинамика управляет образованием кристаллов на атомном уровне, а квантовая механика. Крупные кристаллы, от алмазов до прозрачных кристаллов льда, являются макроскопическим проявлением основного квантового динамического уровня. Молекулы, из которых состоит кристалл, обладают такими полевыми свойствами, диполями и квадруполями и даже более высокими моментами, которые обладают притягивающими и отталкивающими полями, которые могут укладываться, подобно LEGO, в устойчивые симметричные конфигурации.

Эти поля возникают, даже если атомы и молекулы нейтральны, потому что электроны вокруг положительного ядра не находятся в сферически-симметричном распределении заряда, а имеют деформации из-за квантово-механических уровней составляющих их электронов. Эти деформации создают перетекание сил притяжения между молекулами, которые также обладают симметрией в пространстве. Здесь в качестве примера вы можете увидеть иллюстрацию молекулярных орбиталей для конкретной молекулы. Орбиталь — это квантовомеханическое геометрическое место вероятности найти там электрон и отражает квадрат квантовомеханической волновой функции.

Полный набор молекулярных орбиталей ацетилена (H – C ≡ C – H). В левом столбце показаны МО, занятые в основном состоянии, с орбиталью с наименьшей энергией вверху. Бело-серая линия, видимая на некоторых МО, — это молекулярная ось, проходящая через ядра. Орбитальные волновые функции положительны в красных областях и отрицательны в синих. В правом столбце показаны виртуальные МО, которые пусты в основном состоянии, но могут быть заняты в возбужденных состояниях.

Аналог LEGO должен дать вам интуитивное представление о том, как, если в более сложных молекулах с различной симметрией существуют специфические рецепторы и экструзии, могут быть созданы различные формы. Притяжение электрического поля — это то, что удерживает все вместе, положительные области соединяются с отрицательными.

Формирование кристалла из осадка должно дать вам интуитивное представление о том, как молекулы «знают» формировать дальние пространственные узоры. Во-первых, это статистическая вероятность образования маленьких кристаллов при правильных условиях. Если раствор насыщен, это происходит случайным образом, рецепторы и выступы совпадают, притягиваются и прилипают, и приходит следующая молекула ..... Затравки от случайной кристаллизации можно использовать для преднамеренного изготовления больших монокристаллов.

Термодинамика входит в среду, в которой могут расти кристаллы, температуру и давление давления. Также очень важна для роста химическая среда. Например, в вопросе о кальците в вашем комментарии:

Кальцит образуется из плохо упорядоченного прекурсора (аморфный карбонат кальция, АЦК). Процесс кристаллизации происходит в две стадии; во-первых, наночастицы АЦК быстро дегидратируются и кристаллизуются с образованием отдельных частиц ватерита; во-вторых, ватерит превращается в кальцит по механизму растворения и переосаждения, при этом скорость реакции контролируется площадью поверхности кальцита. Вторая стадия реакции примерно в 10 раз медленнее первой. Однако было замечено, что кристаллизация кальцита зависит от исходного pH и присутствия Mg в растворе. Нейтральный исходный pH во время перемешивания способствует прямому превращению АЦЦ в кальцит. И наоборот, когда ACC образуется в растворе, который начинается с основного начального pH, превращение в кальцит происходит через метастабильный ватерит, который образуется по сферолитному механизму роста. На втором этапе этот ватерит превращается в кальцит посредством поверхностно-контролируемого механизма растворения и рекристаллизации. Mg оказывает заметное влияние как на стабильность АЦК, так и на его превращение в кристаллический CaCO3, что приводит к образованию кальцита непосредственно из АЦК, так как этот ион дестабилизирует структуру ватерита.

Таким образом, хотя врожденная симметрия является квантово-механическим выражением молекулярных энергетических уровней, процесс создания кристалла сложен и зависит от многих переменных.

Выраженные различные симметрии указывают на то, что существует более одной возможности минимизировать энергию для этой конкретной молекулы, поскольку она соответствует форме кристаллической структуры, и это будет зависеть от затравки, первых нескольких молекул, которые объединяются в конкретную конфигурацию.