кристалл

Рис. 1: Схема кристалла поваренной соли ( хлорида натрия ). Во всех пространственных направлениях атомы натрия (серый) регулярно чередуются с атомами хлора (зеленый). Каждый нарисованный октаэдр показывает атом с шестью ближайшими соседями. Длина ребра октаэдра (расстояние от одного атома до следующего атома того же элемента) составляет 0,56 нанометра .

Кристалл представляет собой твердое вещество , чьи строительные блоки - например , Б. Атомы , ионы или молекулы - упорядоченно расположены в кристаллической структуре . Хорошо известными кристаллическими материалами являются поваренная соль , сахар , минералы и снег, но также и металлы . Из-за регулярного расположения атомов или молекул кристаллы имеют не непрерывную, а дискретную симметрию; говорят о дальнем порядке или трансляционной симметрии .

Наука о свойствах и форме кристаллов кристаллография . Металлография и минералогия тесно связаны .

Более точное определение, различия

Кристалл является однородным телом, потому что он материально и физически однороден. Но многие физические свойства зависят от пространственного направления, т.е. ЧАС. кристалл анизотропен .

До 1992 года кристаллы определялись по их периодичности : в этом смысле кристалл трехмерно периодически создается из постоянных структурных единиц. Эта структурная единица называется элементарной ячейкой или элементарной ячейкой .

С 1992 года кристалл определялся в соответствии с Международным кристаллографическим союзом IUCr по его дискретным порядкам дифракции (при освещении рентгеновскими лучами). Таким образом, он имеет дальний порядок , но не обязательно периодический. Это определение было усилено квазикристаллами, открытыми в 1984 году , которые образуют подгруппу апериодических кристаллов . Тем не менее периодические кристаллы составляют самую большую подгруппу кристаллов.

Рис.2: Идиоморфные кристаллы галита почти кубической формы.

Различают в зависимости от характеристик внешней формы.

Внешняя форма идиоморфного кристалла указывает на соответствующую кристаллическую структуру. Поэтому z. Б. Кристаллы хлорида натрия, которые выросли без помех (поваренная соль, минерал галит), имеют форму куба. Даже в случае идиоморфных кристаллов обычно существует определенное искажение в природе, т.е. длина кромок (но не углы) могут значительно отклоняться от идеальной формы (см. Закон постоянства углов ).

Внешняя форма кристалла определяется независимыми характеристиками кристаллической привычки и кристаллического костюма. На грани кристалла , как решетчатые плоскости по индексам Миллера описано.

Типы кристаллов также могут быть дифференцированы с помощью способа, которым являются их строительные блоки , связанного (например , ионный кристалл ).

Поскольку характерным свойством кристаллов является регулярное расположение во всех трех пространственных направлениях , также возможны тела, строительные блоки которых повторяются только в одном или двух пространственных направлениях. Тогда можно говорить об одномерных и двумерных кристаллах. В природе встречаются мембранные белки , которые расположены в биомембране в виде двумерных кристаллов . Одним из примеров является бактериородопсин . В структурной биологии двумерные кристаллы выращивают для определения атомных положений кристаллизованных макромолекул с помощью электронной криомикроскопии .

Рис. 3: Двумерный квазикристалл: мозаика Пенроуза повторяется пять раз с полным вращением (пятикратная вращательная симметрия), но не со сдвигом. Таким образом, у него нет трансляционно-симметричного дальнего порядка.

Кроме кристаллов существуют тела, не имеющие внутреннего дальнего порядка и называемые аморфными . Одним из примеров является стекло (также известное как свинцовый хрусталь и другое хрустальное стекло ).

Если жидкость анизотропна и поэтому проявляет некоторые свойства кристалла, это жидкий кристалл .

Происхождение слова

Термин кристалл происходит от греческого слова κρύσταλλος krýstallos (от κρύος krýos «ледяной холод, мороз, лед»). Во-первых, у Гомера это означает « лед », а потом все похожее на лед, легкое и прозрачное. В частности, горный хрусталь, но также так называются цветные драгоценные камни и стекло (например, у Страбона и Клавдия Элиана ).

В уже древней Греции питания добычи , вероятно , были кварцевые кристаллы обнаружены. Их ошибочно приняли за лед, который, должно быть, образовался при таких низких температурах, что больше не мог таять. Эта точка зрения была широко распространена до раннего средневековья. От латинского кристалла (также cristallus и lapis cristallus ) образовалось древневерхненемецкое название crystallo , которое со временем превратилось в кристалл . В 19 веке также использовался хрусталь .

Строение и классификация периодических кристаллов

Рис.4: Октаэдр из хромовых квасцов (KCr (SO 4 ) 2 12H 2 O) (длина края 2,5 см)
Метрика элементарных ячеек различных кристаллических систем (длины и углы связаны с базисными векторами)
Кубическая примитивная решетка с элементарной ячейкой и тремя базисными векторами синего цвета
Наиболее распространены кристаллические системы металлов.

Направление и длина векторов, на которые может быть сдвинута кристаллическая структура, так что положения атомов повторяются, описываются векторами трансляции или базисными векторами. Таким образом, структура каждого типа кристалла представлена со своей собственной специфической системе координат , в системе координат . Помимо смещения, кристаллическую структуру можно мысленно вращать вокруг этих осей до тех пор, пока повернутая структура не совпадет с исходной структурой. Поскольку трансляционная симметрия должна быть сохранена, вращательная симметрия может иметь место только при описании одного, двух, трех, четырех или шести повторений в полном повороте (360 °). Мы говорим о 1-, 2-, 3-, 4- или 6-значных осях. Существуют кристаллы, которые, помимо осей вращения и трансляций, имеют другие элементы симметрии , а именно зеркальные плоскости и центры инверсии , а также связи между этими симметриями для образования вращательных инверсий , скользящих отражений и завинчивания .

Свойства симметрии используются для классификации кристаллов. Количество возможных комбинаций и возможностей связывания элементов симметрии ограничено (см. Также теорию групп ). Существует 17 плоских кристаллографических групп в двумерных кристаллах и 230 кристаллографических пространственных групп в трехмерных кристаллах , все из которых перечислены в International Tables for Crystallography , Vol .

Если исследуется новый кристалл, космическая группа изначально неизвестна. При описании внешней формы кристалла его можно отнести только к одной из 32 точечных групп (также называемых классами кристаллов). Эти точечные группы описывают свойства макроскопической симметрии кристаллов и суммируют те пространственные группы, которые отличаются только трансляционной симметрией. Трансляция не играет роли при внешнем наблюдении кристаллов. Поскольку углы между гранями кристалла одинаковы для каждого типа кристалла и часто совместимы с вращательной симметрией (например, 90 ° для галита с четырехкратной вращательной симметрией), семь кристаллических систем используются для описания морфологии кристалла , в которой положение и относительная длина осей дифференцированных клеток. Кристалл бывает триклинным , моноклинным , ромбическим , тетрагональным , тригональным , гексагональным или кубическим , в зависимости от его принадлежности к соответствующей кристаллической системе .

Огюст Браве классифицировал различные возможные сетки перевода. Эти сетки состоят из одинаковых параллелепипедов , углы которых представляют собой точки сетки. Чтобы иметь возможность описать симметрию определенных решеток, он допустил не только примитивные элементарные ячейки (с одной точкой решетки на ячейку), но и более крупные элементарные ячейки, которые являются гранецентрированными или объемно-центрированными. Пример гранецентрированной элементарной ячейки показан на рис.5. В трехмерном пространстве 14 сеток Браве .

Рис. 5: Наименьшая возможная ячейка в решетке галита - это ромбоэдр (синий). Только гранецентрированная элементарная ячейка (черная) делает кубическую симметрию решетки более четкой.

При анализе кристаллической структуры картины рассеяния дифракции рентгеновских лучей можно разделить на одиннадцать центросимметричных точечных групп, которые называются группами Лауэ или классами Лауэ . Потому что даже с нецентросимметричными кристаллическими структурами возникают центросимметричные дифракционные картины, поскольку отражения возникают как пары Фриделя с обычно одинаковой интенсивностью. Таким образом, группы Лау могут быть получены путем добавления центра симметрии к точечной группе кристалла.

Кристаллическая структура не зависит от вещества, т.е. вещество с определенным химическим составом может иметь различные термодинамически стабильные структуры в зависимости от внешних условий (давления, температуры). Различные кристаллические структуры одного и того же вещества называются модификациями ; наличие различных модификаций называется полиморфизмом . Модификации представляют собой различные фазы в смысле физической химии , диапазоны устойчивости которых могут быть показаны на фазовых диаграммах . Помимо имен собственных, отдельные модификации или фазы вещества обычно нумеруются последовательно строчными греческими буквами (для железа, например, α- ( феррит ), γ- ( аустенит ), δ-, ε-железо; см. Диаграмму углерода железа ).

Кристаллизация

Кристалл создается, когда атомы или молекулы образуют регулярную структуру с дальним порядком. В системах с одним веществом кристаллизация происходит из другой кристаллизованной фазы, из пара или из расплава . Кроме того, кристаллы могут образовываться из многокомпонентных систем, а именно из раствора . Чтобы сделать возможной кристаллизацию, состояние атомов или молекул не должно быть в равновесии. В случае пара и растворов говорят о пересыщении , в случае расплава - о переохлаждении .

Скорость играет роль в росте кристаллов. В случае плавления, например, температура должна достаточно медленно опускаться ниже точки плавления . Тогда тепловое движение отдельных атомов становится настолько малым, что взаимные связи уже не могут быть нарушены вибрациями - образуется однородная решетка, для которой характерен дальний порядок. Если, с другой стороны, температура расплава падает так быстро, что атомы не могут периодически организовываться, образуется аморфный материал, стекло, которое имеет только ближний порядок . Из-за упорядоченной структуры на решетке кристалл имеет более низкую свободную энтальпию, чем аморфное стекло .

Формирование кристалла - экзергонический процесс: хотя энтропия в системе уменьшается (из-за увеличения дальнего порядка), при температурах вплоть до точки плавления это сверхкомпенсируется уменьшением энтальпии из-за притяжения между частицы (= теплота кристаллизации).

Отправной точкой для образования кристаллов является зародыш кристалла, который растет при понижении температуры. Если таких зародышей кристаллов много или если кристаллизация начинается в нескольких местах одновременно, образуется поликристалл . Во многих случаях два кристалла одинаковой структуры и состава, но разной ориентации в пространстве ( кристаллический двойник ) срастаются во время кристаллизации .

Рекристаллизация - это изменение кристаллической структуры, вызванное изменениями внешних факторов, таких как давление и температурные условия. Здесь кристаллическое твердое тело меняет свою модификацию .

Искусственное производство кристаллов известно как выращивание кристаллов .

характеристики

Неметаллические неорганические кристаллы тверже , но при этом более хрупкие. В термодинамическом равновесии все металлы обычно затвердевают в кристаллической форме.

Поведение света в кристаллах описывается кристаллооптикой . Важными свойствами и явлениями, связанными с этим, являются оптическая активность , поляризация , двулучепреломление и плеохроизм . Периодические диэлектрические структуры, так называемые фотонные кристаллы , демонстрируют новые оптические свойства.

Некоторые кристаллы, например Б. Кристаллы кварца обладают пьезоэлектрическими свойствами. Они создают электрическое напряжение при деформации и деформируются при приложении электрического напряжения. Этот эффект присутствует в пьезо зажигалках, используемых для генерации искры . В электронике пьезоэлектрики служат кварцевыми генераторами в качестве часов (например, как в кварцевых часах ). Некоторые, но не все пьезоэлектрические кристаллы преобразуют разницу температур в разделение зарядов. Это свойство называется пироэлектричеством . Такие кристаллы используются в детекторах движения и датчиках температуры . Особым случаем пироэлектричества является сегнетоэлектричество : в сегнетоэлектрических кристаллах поляризация электрической поляризации может быть изменена на противоположную, приложив напряжение.

Разрушение решетки

Реальный кристалл содержит дефекты решетки , т.е. трехмерное периодическое расположение атомов нарушено. Есть ошибки точки, ошибки линии, ошибки площади и ошибки объема. Точечные ошибки - единственные ошибки решетки, которые также возникают в термодинамическом равновесии . Кристалл без дефектов решетки имел бы состояние минимальной энтропии и не мог бы быть достигнут согласно второму закону термодинамики . Монокристаллы, выращенные в лаборатории, имеют плотность дислокаций порядка 10 3 - 10 5 см -2 , правильные кристаллы и поликристаллы - 10 5 - 10 9 см -2, а сильно деформированные кристаллы - до 10 14 см -2 . Для кристаллооптических свойств точечные и объемные ошибки обычно являются характерными линейными дефектами ( дислокациями ) и дефектами поверхности ( границами зерен ) в отличие от механических свойств.

Формы и примеры

Монокристалл и поликристалл

Как правило, кристаллическое твердое вещество присутствует в виде поликристалла, а не в виде монокристалла, т.е. оно состоит из множества мелких кристаллов ( кристаллитов ), которые отделены друг от друга границами зерен . Например, металлические предметы, проволока и т. Д. Обычно представляют собой поликристаллы. Существует тело разных типов кристаллов , границы раздела между ними называются фазовыми границами .

Минералы

Кристаллы в одной из пещер рудника Найка. Обратите внимание на человека для сравнения размеров.
Рис.6: Бесцветный горный хрусталь
Рис.7: Ярко окрашенный агат

Многие минералы могут принимать различные формы и цвета кристаллов. Самыми известными примерами являются, с одной стороны, кварц , формы которого охватывают весь диапазон от бесцветного макрокристаллического ( горный хрусталь ) до микрокристаллического цвета ( агат ), а с другой стороны, кальцит с таким же богатством разновидностей .

Самые большие кристаллы в мире были обнаружены на руднике Наика в 2000 году . Они состоят из гипса типа Marienglas , имеют длину до 14 м и вес до 50 тонн.

Алмаз , кристаллическая форма углерода , является самым твердым природным минералом. Также кремний кристаллизуется в виде алмаза .

Технические приложения

Кремний в настоящее время является веществом, которое в больших количествах чаще всего используется в виде монокристалла (монокристалла), а именно в полупроводниковой технологии . Сегодня цилиндрический кристалл, «вынутый» из расплава диаметром 30 см, является обычным явлением, процесс восходит к Яну Чохральскому примерно в 1916 году.

Арсенид галлия (GaAs), который также используется в качестве полупроводника, имеет так называемую структуру цинковой обманки .

Нанотехнология занимается, среди прочего, нанокристаллами .

Мелкие кристаллы алмаза, корунда и карбида кремния используются в виде суспензии, в рыхлом или связанном виде в качестве абразивов, отдельные алмазы также в качестве режущих инструментов.

Пьезокристаллы могут быть микрофонами или громкоговорителями, датчиками силы или исполнительными механизмами.

На химических предприятиях препараты очищают перекристаллизацией.

Однако при производстве стекла кристаллизация нежелательна. В производстве металлов обычно стремятся к самым мелким кристаллитам или зернам.

Органические кристаллы

Органические вещества, например Образуются кристаллы, такие как сахар и белки , но последнее, однако, только в исключительных случаях. Например, пероксисомы растений содержат кристаллы каталазы, которые можно визуализировать с помощью электронной микроскопии . Фермент каталаза представляет собой белок. Белок кристаллография касается роста кристаллов белков для структурного анализа .

Коллоиды

Коллоиды обычно образуют паракристаллы, потому что не все строительные блоки идентичны, сами строительные блоки обычно анизотропны и потому, что сильные и слабые связи между атомами и группами атомов сосуществуют. С другой стороны, монодисперсные суспензии твердых сфер могут образовывать кристаллы, потому что все строительные блоки идентичны и изотропны.

литература

  • Вальтер Борхардт-Отт: Кристаллография. Springer, Berlin 2002. ISBN 3-540-43964-1 .
  • Дороти Г. Белл: теория групп и кристаллические решетки. В кн . : Обзор современной физики. Том 26, № 3, 1954 г., стр. 311.
  • Чарльз Киттель : Введение в физику твердого тела. Ольденбург, Мюнхен 2002. ISBN 3-486-27219-5 .
  • Will Kleber , Hans-Joachim Bautsch , Joachim Bohm : Введение в кристаллографию. Verlag Technik, Берлин 1998. ISBN 3-486-27319-1 .
  • Вернер Масса: Определение кристаллической структуры. Teubner, Wiesbaden 2009. ISBN 978-3-8348-0649-9 .
  • Ульрих Мюллер: неорганическая структурная химия. Teubner, Wiesbaden 2004. ISBN 3-519-33512-3 .
  • Лесли Смарт, Элейн Мур: Введение в химию твердого тела. Vieweg, Wiesbaden 1997, ISBN 3-528-06773-X .
  • Роберт Ф. Саймс и Р. Р. Хардинг: драгоценные камни и кристаллы. Таинственные сокровища земли; Внешний вид, развитие, обработка , Gerstenberg Verlag, Hildesheim 1991, ISBN 3-8067-4560-9 .

веб ссылки

Викисловарь: Кристалл  - объяснение значений, происхождение слов, синонимы, переводы
Commons : Crystals  - коллекция изображений, видео и аудио файлов

Замечания

  1. ↑ Инверсии вращения состоят из вращения и инверсии; они обычно отмечены значком и т. д.
  2. ↑ Скользящие отражения состоят из переноса и отражения; Символ в зависимости от оси перевода
  3. ↑ Винты состоят из вращения и перемещения; z. B. - символ поворота на 180 ° и перемещения на половину вектора сетки.

Индивидуальные доказательства

  1. ^ Will Kleber, Hans-Joachim Bautsch и Joachim Бем (1990): Введение в кристаллографии. Издательская техника. ISBN 3-341-00479-3 , стр. 14.
  2. ^ Will Kleber, Hans-Joachim Bautsch и Joachim Бем (1990): Введение в кристаллографии. Издательская техника. ISBN 3-341-00479-3 , стр. 19.
  3. ^ "Интернет-словарь" Международного кристаллографического союза.
  4. ↑ Хаято Ямасита, Кислон Войчовский, Такаюки Учихаши, Соня Анторанс Контера, Джон Ф. Райан и Тошио Андо (2009): Динамика 2D-кристалла бактериородопсина, наблюдаемая с помощью высокоскоростной атомно-силовой микроскопии, Журнал структурной биологии, том 167, выпуск 2, Страницы 153-158, ISSN  1047-8477 , DOI : 10.1016 / j.jsb.2009.04.011 .
  5. ↑ Майкл Г. Россманн и Эдди Арнольд, ред. (2001): Международные таблицы кристаллографии, том F: Кристаллография биологических макромолекул. Kluwer Academic Publishers, Dordrecht et al., Pages 459f.
  6. ^ Will Kleber, Hans-Joachim Bautsch и Joachim Бем (1990): Введение в кристаллографии. Издательская техника. ISBN 3-341-00479-3 , стр. 199.
  7. ^ Вильгельм Папе : Краткий словарь греческого языка. Краткий греко-немецкий словарь. 3. Издание. Брауншвейг 1914 г.
  8. ↑ Воутер С. ван ден Берг (ред.): Eene Middelnederlandsche vertaling van het Antidotarium Nicolaï (Ms. 15624–15641, Kon. Bibl. Te Brussel) встретился с латинским текстом первого напечатанного uitgave van het Antidotarium Nicolaï. Под редакцией Софи Дж. Ван ден Берг, Н. В. Бекхандель и Друккерий Э. Дж. Брилл , Лейден, 1917, стр. 230.
  9. ↑ Вольфганг Пфайфер и др.: Этимологический словарь немецкого языка. dtv, Мюнхен, 1995 г., ISBN 3-423-03358-4 , стр. 735.
  10. ↑ а б Гельмут Г.Ф. Винклер: Сто лет решетки Браве. В кн . : Естественные науки. Том 37, № 17, 1950, стр 385-390,. DOI : 10.1007 / BF00738360 .
  11. ^ Will Kleber, Hans-Joachim Bautsch и Joachim Бем (1990): Введение в кристаллографии. Издательская техника. ISBN 3-341-00479-3 , стр. 17.
  12. ^ Will Kleber, Hans-Joachim Bautsch и Joachim Бем (1990): Введение в кристаллографии. Издательская техника. ISBN 3-341-00479-3 , стр. 23.
  13. ^ Siegfried Haussühl (1993): Kristallgeometrie. Издательство Weinheim. ISBN 3-527-29018-4 , стр. 66.
  14. ↑ Вернер Масса (1996): Определение кристаллической структуры Teubner Verlag. ISBN 3-519-13527-2 , стр. 60ff.
  15. ^ Siegfried Haussühl (1993): Kristallgeometrie. Издательство Weinheim. ISBN 3-527-29018-4 , стр. 57.
  16. ^ . Тео Hahn, Ed (2005): Международные Столы для Chrystallography, Том А. Springer Verlag. ISBN 0-7923-6590-9 .
  17. ↑ Збигнев Даутер и Мариуш Яскольски (2010): Как читать (и понимать) Том A Международных таблиц по кристаллографии: введение для неспециалистов. J. Appl. Cryst. ( ISSN  0021-8898 ), 43, 1150–1171, doi : 10.1107 / S0021889810026956 , онлайн (PDF; 3,3 МБ), по состоянию на 20 декабря 2010 г.
  18. ^ Will Kleber, Hans-Joachim Bautsch и Joachim Бем (1990): Введение в кристаллографии. Издательская техника. ISBN 3-341-00479-3 , стр. 67.
  19. ^ Will Kleber, Hans-Joachim Bautsch и Joachim Бем (1990): Введение в кристаллографии. Издательская техника. ISBN 3-341-00479-3 , стр. 22.
  20. ^ . Тео Hahn, Ed (2005): Международные Столы для Chrystallography, Том А. Springer Verlag. ISBN 0-7923-6590-9 , стр. 762.
  21. ^ Will Kleber, Hans-Joachim Bautsch, Joachim Бем (1990): Введение в кристаллографии. Издательская техника. ISBN 3-341-00479-3 , стр. 202
  22. ^ Will Kleber, Hans-Joachim Bautsch и Joachim Бем (1990): Введение в кристаллографии. Издательская техника. ISBN 3-341-00479-3 , стр. 267-272.
  23. ^ Will Kleber, Hans-Joachim Bautsch и Joachim Бем (1990): Введение в кристаллографии. Издательская техника. ISBN 3-341-00479-3 , стр. 262.
  24. ^ Will Kleber, Hans-Joachim Bautsch и Joachim Бем (1990): Введение в кристаллографии. Издательская техника. ISBN 3-341-00479-3 , стр. 264.
  25. ↑ Н. Фолл и др.: Введение в Материаловедения I. ТФ КАУ Киль, доступ к 23 октября 2020 года .
  26. ↑ Журнал GEO № 05/08. Спелеология: В палате кристальных гигантов , стр. 2 из 4 .
  27. ↑ Эльмар Вейлер и Лутц Новер (2008): Общая и молекулярная ботаника. Георг Тиме Верлаг, Штутгарт и Нью-Йорк. ISBN 978-3-13-147661-6 , стр. 73, рис. 2.21 и стр. 327, рис. 10.8.