Kristal

Mikroskopski, jedan kristal ima atome u skoro savršenom periodičnom rasporedu; polikristal sastoji se od mnogo mikroskopskih kristala (nazvanih “kristaliti” ili “zrnca”); a amorfni čvrsti materijal (kao što je staklo) nema periodični raspored čak i mikroskopski. Kristal ili kristalni čvrsti materijal je čvrsti materijal čiji su sastojci (kao što su atomi, molekuli ili ioni) raspoređeni u visoko uređenoj mikroskopskoj strukturi, formirajući kristalnu rešetku koja se proteže u svim pravcima. Osim toga, makroskopski jednostruk kristali obično su identifikovani po svojoj geometrijskoj formi, koja se sastoji od ravni sa specifičnim, karakterističnim orijentacijama. Naučno proučavanje kristala i formiranja kristala poznato je kao kristalografija. Proces formiranja kristala putem mehanizama rasta kristala naziva se kristalizacija ili solidifikacija.

Sadržaj

Reč “kristal” potiče od starogrčke reči κρύσταλλος (krustallos), što znači i “led” i “stena od kristala”, od κρύος (kruos), “ledeno hladno, mraz”.

Primeri velikih kristala uključuju pahuljice snega, dijamante i kuhinjsku so. Većina neorganskih čvrstih materijala nije kristali već polikristali, tj. mnogo mikroskopskih kristala spojenih u jedan čvrsti materijal. Polikristali obuhvataju većinu metala, stena, keramike i leda. Treća kategorija čvrstih materijala su amorfni čvrsti materijali, gde atomi nemaju nikakav periodični raspored. Primeri amorfni čvrstih materijala uključuju staklo, vosak i mnoge plastike.

Iako se zovu kristal, olovni kristal, kristalno staklo i srodni proizvodi nisu kristali, već vrste stakla, tj. amorfni čvrsti materijali.

Kristali, ili kristalni čvrsti materijali, često se koriste u pseudonaučnim praksama poput kristalne terapije, i, zajedno sa dragim kamenjem, ponekad se povezuju sa čarolijom u vickanskim verovanjima i srodnim verskim pokretima.

Struktura kristala (mikroskopska) Halit (kuhinjska so, NaCl): Mikroskopska i makroskopska Halit kristal (mikroskopska) Mikroskopska struktura halit kristala. (Ljubičasta je jono natrijuma, zelena je jono hlora). Postoji kubna simetrija u rasporedu atoma Halit kristal (Makroskopska) Makroskopski (~16 cm) halit kristal. Uglovi pravog ugla između kristalnih površina su posledica kubne simetrije rasporeda atoma Glavni članak: Struktura kristala Naučna definicija “kristala” zasniva se na mikroskopskom rasporedu atoma unutar njega, koji se naziva kristalna struktura. Kristal je čvrsti materijal gde atomi formiraju periodični raspored. (Kvazikristali su izuzetak, vidi dole).

Svi čvrsti materijali nisu kristali. Na primer, kada tečna voda počne da se zamrzava, faza promene počinje sa malim kristalima leda koji rastu dok se ne spoje, formirajući polikristalnu strukturu. U konačnom bloku leda, svaki od malih kristala (nazvanih “kristaliti” ili “zrnca”) je pravi kristal sa periodičnim rasporedom atoma, ali ceo polikristal nema periodičan raspored atoma, jer je periodični uzorak razbijen na granicama zrna. Većina makroskopskih neorganskih čvrstih materijala je polikristalna, uključujući skoro sve metale, keramike, led, stene itd. Čvrsti materijali koji nisu ni kristalni ni polikristalni, kao što je staklo, nazivaju se amorfni čvrsti materijali, takođe nazvani staklasti, staklasti ili nekristalni. Oni nemaju periodičan poredak, čak ni mikroskopski. Postoje jasne razlike između kristalnih čvrstih materijala i amorfni čvrstih materijala: pre svega, proces formiranja stakla ne oslobađa latentnu toplotu fuzije, ali formiranje kristala to radi.

Kristalna struktura (raspored atoma u kristalu) karakteriše se svojom jedinicom ćelije, malom imaginarnom kutijom koja sadrži jedan ili više atoma u određenom prostornom rasporedu. Jedinične ćelije su složene u trodimenzionalnom prostoru da bi formirale kristal.

Simetrija kristala je ograničena zahtevom da se jedinične ćelije savršeno slože bez praznina. Postoji 219 mogućih kristalnih simetrija (često se navodi 230, ali to tretira kirale ekvivalente kao odvojene entitete), nazvanih kristalografskim grupama prostora. One su grupisane u 7 kristalnih sistema, kao što su kubni kristalni sistem (gde kristali mogu formirati kocke ili pravougaone kutije, kao što je halit prikazan desno) ili heksagonalni kristalni sistem (gde kristali mogu formirati šestougaone oblike, kao što je obični vodeni led).

Kristalne površine, oblici i kristalografski oblici

Kako halit kristal raste, novi atomi se lako mogu povezati sa delovima površine sa grubom strukturom na atomskoj skali i mnogo visećih veza. Stoga, ovi delovi kristala brzo rastu (žute strelice). Na kraju, cela površina sastoji se od glatkih, stabilnih površina, gde se novi atomi ne mogu tako lako pričvrstiti. Kristali se obično prepoznaju, makroskopski, po svom obliku, koji se sastoji od ravni sa oštrim uglovima. Ove karakteristične makroskopske osobine oblika nisu neophodne za kristal – kristal je naučno definisan svojim mikroskopskim atomskim rasporedom, ne svojim makroskopskim oblikom – ali karakteristični makroskopski oblik često je prisutan i lako se vidi.

Euhedralni kristali su oni koji imaju očigledne, dobro oblikovane ravne površine. Anhedralni kristali to obično nemaju, obično zato što je kristal jedno zrno u polikristalnom čvrstom materijalu.

Ravne površine (takođe nazvane i fasete) euhedralnog kristala orijentisane su na određeni način u odnosu na osnovni atomske raspored kristala: one su ravni relativno niskog Milerovog indeksa. Ovo se dešava jer su neke orijentacije površine stabilnije od drugih (manja površinska energija). Kako kristal raste, novi atomi se lako pričvršćuju na grublje i manje stabilne delove površine, ali manje lako na ravne, stabilne površine. Stoga, ravne površine obično postaju veće i glatke, dok cela površina kristala ne bude sastavljena od ovih ravni površina. (Vidi dijagram desno.)

Jedna od najstarijih tehnika u nauci kristalografije sastoji se u merenju trodimenzionalnih orijentacija površina kristala i njihovom korišćenju za zaključivanje osnovne kristalne simetrije.

Kristalografski oblici kristala su skupovi mogućih površina kristala koje su povezane jednom od simetrija kristala. Na primer, kristali galene često imaju oblik kocki, i šest površina kocke pripadaju kristalografskom obliku koji prikazuje jednu od simetrija izometričnog kristalnog sistema. Galena se takođe ponekad kristališe kao oktahedri, i osam površina oktahedra pripadaju drugom kristalografskom obliku koji odražava drugačiju simetriju izometričnog sistema. Kristalografski oblik opisuje se stavljanjem Milerovih indeksa jedne od njegovih površina unutar zagrada. Na primer, oktahedralni oblik se piše kao {111}, a ostale površine u obliku se implicitno podrazumevaju na osnovu simetrije kristala.

Oblici mogu biti zatvoreni, što znači da oblik može potpuno da zatvori zapreminu prostora, ili otvoreni, što znači da ne može. Kubni i oktahedralni oblici su primeri zatvorenih oblika. Svi oblici izometričnog sistema su zatvoreni, dok su svi oblici monoklinskog i triklinskog kristalnog sistema otvoreni. Površine kristala mogu sve pripadati istom zatvorenom obliku, ili mogu biti kombinacija više otvorenih ili zatvorenih oblika.

Izgled kristala je njegov vidljiv spoljašnji oblik. To se određuje strukturom kristala (koja ograničava moguće orijentacije faseta), specifičnom hemijom i vezivanjem kristala (koje mogu favorizovati neke tipove faseta u odnosu na druge) i uslovima pod kojima se kristal formirao.

Pojava u prirodi

Kristali leda

Fosilna školjka sa kristalima kalcita Stene Po zapremini i težini, najveće koncentracije kristala na Zemlji su deo njenog čvrstog stenskog podloge. Kristali koji se nalaze u stenama obično se kreću u veličini od delića milimetra do nekoliko centimetara u prečniku, mada se povremeno mogu pronaći izuzetno veliki kristali. Kao što je 1999. godine, najveći poznati prirodni kristal na svetu je kristal berila iz Malakialine, Madagaskar, dug 18 m (59 ft) i prečnika 3,5 m (11 ft), i težak 380.000 kg (840.000 lb).

Neki kristali su nastali magmatskim i metamorfnim procesima, stvarajući velike mase kristalnih stena. Većina magmatskih stena nastaje od rastopljene magme, a stepen kristalizacije zavisi pretežno od uslova pod kojima su se stvrdnuli. Takve stene kao što su granit, koji su se hladili veoma sporo i pod velikim pritiscima, potpuno su kristalizovane; ali mnoge vrste lave su izlivene na površinu i brzo ohlađene, i u ovu drugu grupu često je uključena određena količina amorfne ili staklaste materije. Druge kristalne stene, metamorfne stene kao što su mermeri, mikašisti i kvarciti, rekristalizovane su. To znači da su prvobitno bili fragmentarni kamenovi poput krečnjaka, škriljevca i peščara i nikada nisu bili u rastopljenom stanju niti potpuno u rastvoru, ali su visoke temperature i pritisci metamorfizma delovali na njih tako što su izbrisali njihove originalne strukture i indukovali rekristalizaciju u čvrstom stanju.

Drugi kristali u stenama formirani su taloženjem iz fluida, obično vode, da bi formirali druze ili kvartove kvarca. Evaporiti poput halita, gipsa i nekih krečnjaka talože se iz vodenih rastvora, uglavnom zbog isparavanja u suvim klimatskim uslovima.

Led

Vodeni led u obliku snega, morski led i glečeri su uobičajene kristalne/polikristalne strukture na Zemlji i drugim planetama. Jedna snežna pahulja je jedan kristal ili kolekcija kristala, dok je kocka leda polikristal. Kristali leda mogu nastati od hlađenja tečne vode ispod njenog tačke zaleđivanja, poput ledenih kocki ili zaleđenog jezera. Mraz, snežne pahulje ili male kristale leda suspendovane u vazduhu (ledena magla) češće rastu iz prezasićenog gasovitog rastvora vodene pare i vazduha, kada temperatura vazduha padne ispod njene tačke rose, bez prolaska kroz tečno stanje. Još jedna neobična osobina vode je da se širi umesto da se skuplja kada se kristalizuje.

Organski kristali

Mnogi živi organizmi mogu proizvesti kristale izrasle iz vodenog rastvora, na primer kalcit i aragonit u slučaju većine mekušaca ili hidroksilapatit u slučaju kostiju i zuba kod kičmenjaka.

Polimorfizam i alotropija Glavni članci: Polimorfizam (nauka o materijalima) i Alotropija Ista grupa atoma često se može zgusnuti na mnogo različitih načina. Polimorfizam je sposobnost čvrste materije da postoji u više od jedne kristalne forme. Na primer, vodeni led se obično nalazi u heksagonalnom obliku leda Ih, ali može postojati i kao kubni led Ic, romboedarski led II i mnoge druge forme. Različiti polimorfi obično se nazivaju različitim fazama.

Osim toga, isti atomi mogu formirati i nekristalne faze. Na primer, voda takođe može formirati amorfni led, dok SiO2 može formirati kako fuzionisanu siliku (amorfni staklo) tako i kvarc (kristal). Slično tome, ako supstanca može formirati kristale, takođe može formirati i polikristale.

Za čiste hemijske elemente, polimorfizam je poznat kao alotropija. Na primer, dijamant i grafen su dve kristalne forme ugljenika, dok je amorfni ugljenik nekristalna forma. Polimorfi, iako imaju iste atome, mogu imati veoma različita svojstva. Na primer, dijamant je najtvrđa poznata supstanca, dok je grafen toliko mekan da se koristi kao podmazivač. Čokolada može formirati šest različitih tipova kristala, ali samo jedan ima odgovarajuću tvrdoću i tačku topljenja za čokoladne šipke i konfekciju. Polimorfizam u čeliku odgovoran je za njegovu sposobnost termičke obrade, dajući mu širok opseg svojstava.

Poliamorfizam je sličan fenomen gde isti atomi mogu postojati u više od jednog oblika amorfne čvrste materije.

Kristalizacija

Vertikalni kristalizator za hlađenje u fabrikama šećera od repe. Kristalizacija je proces formiranja kristalne strukture iz fluida ili iz materijala rastvorenih u fluidu. (Ređe, kristali se mogu taložiti direktno iz gasa; vidi: epitaksija i mraz.)

Kristalizacija je složeno i opsežno proučavana oblast, jer, zavisno od uslova, jedan fluid može se usitniti u mnoge različite moguće oblike. Može formirati jedan kristal, možda sa različitim mogućim fazama, stehiometrijama, nečistoćama, defektima i navikama. Ili, može formirati polikristal, sa različitim mogućnostima za veličinu, raspored, orijentaciju i fazu svojih zrna. Konačni oblik čvrstog materijala određen je uslovima pod kojima se fluid stvrdnjava, kao što su hemija fluida, okolni pritisak, temperatura i brzina kojom se svi ovi parametri menjaju.

Specifične industrijske tehnike za proizvodnju velikih pojedinačnih kristala pod kontrolisanim uslovima nazivaju se metode uzgoja kristala.

Možda će Vas zanimati: