Ein kristallener oder kristallener Festkörper ist ein festes Material, dessen konstituierende Atome, Moleküle oder Ionen in einem regelmäßigen, sich wiederholenden Muster eingeordnet werden, das sich in allen drei Raumdimensionen ausstreckt. Zusätzlich zu ihrer mikroskopischen Struktur sind große Kristalle gewöhnlich durch ihre makroskopische geometrische Gestalt identifizierbar, das Bestehen aus der Wohnung konfrontiert mit spezifischen, charakteristischen Orientierungen.

Die wissenschaftliche Studie von Kristallen und Kristallbildung sind als Kristallographie bekannt. Der Prozess der Kristallbildung über Mechanismen des Kristallwachstums wird Kristallisierung oder Festwerden genannt.

Der Wortkristall wird aus dem Alten griechischen Wort abgeleitet, sowohl "Eis" als auch "Bergkristall", von , "eisige Kälte, Frost bedeutend".

Allgemeine Kristalle schließen Schneeflocken, Diamanten und Tabellensalz ein; jedoch sind allgemeinste anorganische Festkörper Polykristalle. Kristalle werden häufig symmetrisch zwischenangebaut, um Kristallzwillinge zu bilden.

(Mikroskopische) Kristallstruktur

Die wissenschaftliche Definition eines "Kristalls" basiert auf der mikroskopischen Einordnung von Atomen darin, genannt die Kristallstruktur. Ein Kristall ist ein Festkörper, wo die Atome eine periodische Einordnung bilden. (Quasikristalle sind eine Ausnahme, sehen unten.)

Nicht alle Festkörper sind Kristalle. Zum Beispiel, wenn flüssiges Wasser anfängt zu frieren, beginnt die Phase-Änderung mit kleinen Eiskristallen, die wachsen, bis sie durchbrennen, eine polykristallene Struktur bildend. Im Endblock des Eises ist jeder der kleinen Kristalle (hat "crystallites" oder "Körner" genannt), ein wahrer Kristall mit einer periodischen Einordnung von Atomen, aber der ganze Polykristall hat keine periodische Einordnung von Atomen, weil das periodische Muster an den Korn-Grenzen gebrochen wird. Die meisten makroskopischen anorganischen Festkörper sind polykristallen, einschließlich fast aller Metalle, Keramik, Eises, Felsen, usw. werden Festkörper, die weder kristallen noch wie Glas polykristallen sind, amorphe Festkörper, auch genannt glasig, gläsern, oder nichtkristallen genannt. Diese haben keine periodische Ordnung sogar mikroskopisch. Es gibt verschiedene Unterschiede zwischen kristallenen Festkörpern und amorphen Festkörpern: am meisten namentlich veröffentlicht der Prozess, ein Glas zu bilden, die latente Schmelzwärme nicht, aber das Formen eines Kristalls tut.

Eine Kristallstruktur (eine Einordnung von Atomen in einem Kristall) wird durch seine Einheitszelle, einen kleinen imaginären Kasten charakterisiert, der ein oder mehr Atome in einer spezifischen Raumeinrichtung enthält. Die Einheitszellen werden im dreidimensionalen Raum aufgeschobert, um den Kristall zu bilden.

Die Symmetrie eines Kristalls wird durch die Voraussetzung beschränkt, dass die Einheitszellen vollkommen ohne Lücken aufschobern. Es gibt 219 möglichen Kristall symmetries, genannt crystallographic Raumgruppen. Diese werden in 7 Kristallsysteme, wie Kubikkristallsystem gruppiert (wo die Kristalle Würfel oder rechteckige Kästen wie halite bilden können, der am Recht gezeigt ist), oder sechseckiges Kristallsystem (wo die Kristalle Sechsecke, wie gewöhnliches Wassereis bilden können).

Kristallgesichter und Gestalten

Kristalle werden durch ihre Gestalt allgemein anerkannt, das Bestehen aus der Wohnung konfrontiert mit scharfen Winkeln. Diese Gestalt-Eigenschaften sind für einen Kristall nicht notwendig — ein Kristall wird durch seine mikroskopische Atomeinordnung, nicht wissenschaftlich definiert seine makroskopische Gestalt — aber die charakteristische makroskopische Gestalt ist häufig da und ist leicht zu sehen.

Kristalle von Euhedral sind diejenigen mit offensichtlichen, gut gebildeten flachen Gesichtern. Kristalle von Anhedral tun nicht gewöhnlich, weil der Kristall ein Korn in einem polykristallenen Festkörper ist.

Die flachen Gesichter (auch genannt Seiten) eines euhedral Kristalls werden auf eine spezifische Weise hinsichtlich der zu Grunde liegenden Atomeinordnung des Kristalls orientiert: Sie sind Flugzeuge des relativ niedrigen Index von Miller. Das kommt vor, weil einige Oberflächenorientierungen stabiler sind als andere (senken Sie Oberflächenenergie). Als ein Kristall wächst, haften neue Atome leicht den raueren und weniger stabilen Teilen der Oberfläche, aber weniger leicht zu den flachen, stabilen Oberflächen an. Deshalb neigen die flachen Oberflächen dazu, größer und glatter zu wachsen, bis die ganze Kristalloberfläche aus diesen Flugzeug-Oberflächen besteht. (Sieh Diagramm auf dem Recht.)

Eine der ältesten Techniken in der Wissenschaft der Kristallographie besteht daraus, die dreidimensionalen Orientierungen der Gesichter eines Kristalls zu messen, und sie zu verwenden, um die zu Grunde liegende Kristallsymmetrie abzuleiten.

Eine Gewohnheit von Kristall ist seine sichtbare Außengestalt. Das wird durch die Kristallstruktur bestimmt (der die möglichen Seite-Orientierungen einschränkt), die spezifische Kristallchemie und verpfändend (kann der einige Seite-Typen über andere bevorzugen), und die Bedingungen, unter denen sich der Kristall geformt hat.

Ereignis in der Natur

Felsen

Durch das Volumen und Gewicht sind die größten Konzentrationen von Kristallen in der Erde ein Teil der festen Grundlage der Erde.

Einige Kristalle haben sich durch magmatic und metamorphe Prozesse geformt, Ursprung großen Massen des kristallenen Felsens gebend. Die große Mehrheit von Eruptivfelsen wird vom geschmolzenen Magma gebildet, und der Grad der Kristallisierung hängt in erster Linie von den Bedingungen ab, unter denen sie fest geworden sind. Solche Felsen wie Granit, die sehr langsam und unter dem großen Druck kühl geworden sind, haben völlig kristallisiert; aber viele Arten der Lava wurden an der Oberfläche eingegossen und sind sehr schnell kühl geworden, und in dieser letzten Gruppe ist ein kleiner Betrag der amorphen oder glasigen Sache üblich. Andere kristallene Felsen, die metamorphen Felsen wie Marmore, Glimmerschiefer-Schiefer und Quarzfelsen, werden wiederkristallisiert. Das bedeutet, dass sie an den ersten Trümmerfelsen wie Kalkstein, Schieferton und Sandstein waren und in einer geschmolzenen Bedingung noch völlig in der Lösung, aber der hohen Temperatur nie gewesen sind und Druck-Bedingungen von metamorphism ihnen durch das Auslöschen ihrer ursprünglichen Strukturen und das Verursachen der Rekristallisierung im festen Zustand gefolgt haben.

Andere Bergkristalle haben sich aus dem Niederschlag von Flüssigkeiten, allgemein Wasser geformt, um Drusen oder Quarzadern zu bilden.

Die evaporites wie Felsen-Salz, Gips und einige Kalksteine sind von der wässrigen Lösung größtenteils infolge der Eindampfung in trockenen Klimas abgelegt worden.

Eis

Wasserbasiertes Eis in der Form des Schnees, Seeeis und Gletscher sind eine sehr allgemeine Manifestation der kristallenen oder polykristallenen Sache auf der Erde. Eine einzelne Schneeflocke ist normalerweise ein Monokristall, während ein Eiswürfel ein Polykristall ist.

Kristalle von Organigenic

Viele lebende Organismen sind im Stande, Kristalle, zum Beispiel Kalkspat und aragonite im Fall von den meisten Mollusken oder hydroxylapatite im Fall von Wirbeltieren zu erzeugen.

Polymorphism und allotropy

Dieselbe Gruppe von Atomen kann häufig auf viele verschiedene Weisen fest werden. Polymorphism ist die Fähigkeit eines Festkörpers, in mehr als einer Kristallform zu bestehen. Zum Beispiel wird Wassereis normalerweise im sechseckigen Form-Eis I gefunden, aber kann auch als das Kubikeis I bestehen, die rhombohedral vereisen II, und viele andere Formen. Die verschiedenen polymorphs werden gewöhnlich verschiedene Phasen genannt.

Außerdem können dieselben Atome im Stande sein, nichtkristallene Phasen zu bilden. Zum Beispiel kann Wasser auch amorphes Eis bilden, während SiO beide verschmolzene Kieselerde (ein amorphes Glas) und Quarz (ein Kristall) bilden kann. Ebenfalls, wenn eine Substanz Kristalle bilden kann, kann sie auch Polykristalle bilden.

Für reine chemische Elemente ist polymorphism als allotropy bekannt. Zum Beispiel sind Diamant und Grafit zwei kristallene Formen von Kohlenstoff, während amorpher Kohlenstoff eine nichtkristallene Form ist. Polymorphs, trotz, dieselben Atome zu haben, kann wild verschiedene Eigenschaften haben. Zum Beispiel ist Diamant unter den härtesten bekannten Substanzen, während Grafit so weich ist, dass es als ein Schmiermittel verwendet wird.

Polyamorphism ist ein ähnliches Phänomen, wo dieselben Atome in mehr als einer amorpher fester Form bestehen können.

Kristallisierung

Kristallisierung ist der Prozess, eine kristallene Struktur von einer Flüssigkeit oder von in einer Flüssigkeit aufgelösten Materialien zu bilden. (Seltener können Kristalle direkt von Benzin abgelegt werden; sieh Dünnfilm-Absetzung und Kristallwachstum.)

Kristallisierung ist ein kompliziertes und umfassend studiertes Feld, weil abhängig von den Bedingungen eine einzelne Flüssigkeit in viele verschiedene mögliche Formen fest werden kann. Es kann einen Monokristall, vielleicht mit verschiedenen möglichen Phasen, stoichiometries, Unreinheiten, Defekten und Gewohnheiten bilden. Oder es kann einen Polykristall, mit verschiedenem possibities für die Größe, Einordnung, Orientierung und Phase seiner Körner bilden. Die Endform des Festkörpers wird durch die Bedingungen bestimmt, unter denen die Flüssigkeit, wie die Chemie der Flüssigkeit, des umgebenden Drucks, der Temperatur und der Geschwindigkeit konsolidiert wird, mit der sich alle diese Rahmen ändern.

Spezifische Industrietechniken, um große Monokristalle zu erzeugen (hat boules genannt), schließen den Prozess von Czochralski und die Technik von Bridgman ein. Andere weniger exotische Methoden der Kristallisierung können verwendet werden, abhängig von den physikalischen Eigenschaften der Substanz, einschließlich der Hydrothermalsynthese, Sublimierung, oder hat einfach Lösungsmittel Kristallisierung gestützt.

Große Monokristalle können durch geologische Prozesse geschaffen werden. Zum Beispiel, selenite Kristalle über 10 Meter werden in der Höhle der Kristalle in Naica, Mexiko gefunden. Weil mehr Details auf der geologischen Kristallbildung oben sehen.

Kristalle können auch durch biologische Prozesse gebildet werden, oben zu sehen. Umgekehrt haben einige Organismen spezielle Techniken, um Kristallisierung davon abzuhalten, wie Frostschutzmittel-Proteine vorzukommen.

Defekte, Unreinheiten und twinning

Ein idealer Kristall hat jedes Atom in einem vollkommenen, sich genau wiederholenden Muster. Jedoch, in Wirklichkeit, haben am meisten kristallene Materialien eine Vielfalt von crystallographic Defekten, Plätze, wo das Muster von Kristall unterbrochen wird. Die Typen und Strukturen dieser Defekte können eine tiefe Wirkung auf die Eigenschaften der Materialien haben.

Einige Beispiele von crystallographic Defekten schließen Defekte der freien Stelle ein (ein leerer Raum, wo ein Atom passen sollte), zwischenräumliche Defekte (ein hineingezwängtes Extraatom, wo es nicht passt), und Verlagerungen (sieh Zahl am Recht). Verlagerungen sind in der Material-Wissenschaft besonders wichtig, weil sie helfen, die mechanische Kraft von Materialien zu bestimmen.

Ein anderer allgemeiner Typ des crystallographic Defekts ist eine Unreinheit, bedeutend, dass der "falsche" Typ des Atoms in einem Kristall da ist. Zum Beispiel würde ein vollkommener Kristall des Diamanten nur Kohlenstoff-Atome enthalten, aber ein echter Kristall könnte vielleicht einige Bor-Atome ebenso enthalten. Diese Bor-Unreinheiten ändern die Farbe des Diamanten zu ein bisschen blau. Ebenfalls ist der einzige Unterschied zwischen Rubin und Saphir der Typ der Unreinheitsgegenwart in einem Korund-Kristall.

In Halbleitern, einem speziellen Typ von Unreinheit, hat einen dopant genannt, drastisch ändert die elektrischen Eigenschaften von Kristall. Halbleiter-Geräte, wie Transistoren, werden möglich größtenteils durch das Stellen verschiedenen Halbleiters dopants in verschiedene Plätze in spezifischen Mustern gemacht.

Twinning ist ein Phänomen irgendwo zwischen einem crystallographic Defekt und einer Korn-Grenze. Wie eine Korn-Grenze hat eine Zwillingsgrenze verschiedene Kristallorientierungen auf seinen zwei Seiten. Aber verschieden von einer Korn-Grenze sind die Orientierungen nicht zufällig, aber in einem spezifischen, Spiegelimage Weg verbunden.

Chemische Obligationen

Kristallene Strukturen kommen in allen Klassen von Materialien mit allen Typen von chemischen Obligationen vor. Fast das ganze Metall besteht in einem polykristallenen Staat; amorphe oder Einkristallmetalle müssen synthetisch häufig mit der großen Schwierigkeit erzeugt werden. Ionisch verpfändete Kristalle können sich auf das Festwerden von Salzen entweder von einer geschmolzenen Flüssigkeit oder auf die Kristallisierung von einer Lösung formen. Covalentlys verpfändete Kristalle sind auch sehr allgemeine, bemerkenswerte Beispiele, die, Kieselerde und Grafit Diamant-sind. Polymer-Materialien werden allgemein kristallene Gebiete bilden, aber die Längen der Moleküle verhindern gewöhnlich ganze Kristallisierung. Schwache Kräfte von van der Waals können auch eine Rolle in einer Kristallstruktur spielen; zum Beispiel hält dieser Typ des Abbindens lose die sechseckig gestalteten Platten im Grafit zusammen.

Eigenschaften

Quasikristalle

Ein Quasikristall besteht aus der Reihe von Atomen, die bestellt, aber nicht ausschließlich periodisch werden. Sie haben viele Attribute genau wie gewöhnliche Kristalle, wie das Anzeigen eines getrennten Musters in der Röntgenstrahl-Beugung und der Fähigkeit, Gestalten mit glatten, flachen Gesichtern zu bilden.

Quasikristalle sind wegen ihrer Fähigkeit am berühmtesten, fünffache Symmetrie zu zeigen, die für einen gewöhnlichen periodischen Kristall unmöglich ist (sieh crystallographic Beschränkungslehrsatz).

Die Internationale Vereinigung der Kristallographie hat den Begriff "Kristall" wiederdefiniert, um sowohl gewöhnliche periodische Kristalle als auch Quasikristalle einzuschließen ("ein im Wesentlichen getrenntes Beugungsdiagramm" jeder fest zu haben).

Quasikristalle, zuerst entdeckt 1982, sind in der Praxis ziemlich selten. Wie man bekannt, bilden nur ungefähr 100 Festkörper Quasikristalle, im Vergleich zu ungefähr 400,000 periodischen Kristallen gemessen bis heute. Der 2011-Nobelpreis in der Chemie wurde Dan Shechtman für die Entdeckung von Quasikristallen zuerkannt.

Spezielle Eigenschaften von anisotropy

Kristalle können bestimmte spezielle elektrische, optische und mechanische Eigenschaften haben, dass Glas und Polykristalle normalerweise nicht können. Diese Eigenschaften sind mit dem anisotropy des Kristalls, d. h. dem Mangel an der Rotationssymmetrie in seiner Atomeinordnung verbunden. Ein solches Eigentum ist die piezoelektrische Wirkung, wo eine Stromspannung über den Kristall zusammenschrumpfen lassen oder es strecken kann. Ein anderer ist Doppelbrechung, wo ein doppeltes Image erscheint, wenn es einen Kristall durchschaut. Außerdem können verschiedene Eigenschaften eines Kristalls, einschließlich des elektrischen Leitvermögens, elektrischen permittivity, und des Moduls von Young, in verschiedenen Richtungen in einem Kristall verschieden sein. Zum Beispiel bestehen Grafit-Kristalle aus einem Stapel von Platten, und obwohl jede individuelle Platte mechanisch sehr stark ist, werden die Platten zu einander eher lose gebunden. Deshalb ist die mechanische Kraft des Materials abhängig von der Richtung der Betonung ziemlich verschieden.

Nicht alle Kristalle haben alle diese Eigenschaften. Umgekehrt sind diese Eigenschaften zu Kristallen nicht ziemlich exklusiv. Sie können in der Brille oder den Polykristallen erscheinen, die anisotropic durch das Arbeiten oder Betonung - zum Beispiel, Betonungsveranlasste Doppelbrechung gemacht worden sind.

Kristallographie

Kristallographie ist die Wissenschaft, die Kristallstruktur (mit anderen Worten, die Atomeinordnung) von einem Kristall zu messen. Eine weit verwendete Kristallographie-Technik ist Röntgenstrahl-Beugung. Die große Anzahl bekannter Kristallstrukturen wird in crystallographic Datenbanken versorgt.

Galerie

Image:Insulincrystals.jpg|Insulin Kristalle, die im Weltraum angebaut sind

Image:Unknown Quarzkristall 66. JPG|Quartz Kristall. Die individuellen Körner dieser polykristallenen Mineralprobe sind klar sichtbar.

Image:Monocristal dsc03676.jpg|A großer Monokristall des Kaliums dihydrogen Phosphat, das von der Lösung durch Saint-Gobain für den Megajoule-Laser von CEA angebaut ist.

Image:Gallium1 640x480.jpg|Gallium, ein Metall, das leicht große Kristalle bildet.

Image:Hanksite. JPG|Hexagonal hanksite Kristall von Searles Lake, Kalifornien. Kugelschreiber im Hintergrund für die Skala.

Image:Monokristalines Silizium für sterben Waferherstellung.jpg|Boules von Silikon, wie dieser, sind ein wichtiger Typ von industriell erzeugtem Monokristall. Diese werden gewöhnlich durch den Prozess von Czochralski angebaut, und gewöhnlich für einheitliche Stromkreise und Sonnenzellen verwendet.

Siehe auch

• Sich verpacken lassender Atomfaktor
• Cocrystal
• Gallertartiger Kristall
• Kristalloszillator
• Flüssiger Kristall

Weiterführende Literatur

Links