Kristal (natuurwetenschappen)

natuurwetenschappen

Een kristal is een hoeveelheid periodiek gerangschikte atomen of moleculen, en dit zowel in twee als in drie dimensies. Meestal zal de materie die uit kristallen bestaat in een vaste toestand verkeren. Echter zijn er ook uitzonderingen bekend waar de stof uit vloeibare kristallen bestaat.

Kristal van amethist-kwarts
Schematisch overzicht van de ordening van atomen in kristallijne, polykristallijne en amorfe materie.

Het woord kristal is afgeleid van het griekse woord κρύσταλλος, krustallos, dat ijs betekent. Men geloofde dat bergkristal door de goden vormgegeven ijs was.

KristalstructuurBewerken

Halietkristal (keukenzout, NaCl) op microscopische en macroscopische schaal
Microscopische structuur van een halietkristal. In het paars natrium-ionen en in het groen chloor-ionen. Er is kubische symmetrie in de rangschikking van de atomen.
Macroscopisch (~16 cm) halietkristal. De rechte hoeken tussen kristalvlakken zijn te wijten aan de kubische symmetrie in de stapeling van de atomen.

KristalliniteitBewerken

  Zie Kristalliniteit voor het hoofdartikel over dit onderwerp.

Zuivere stoffen zijn meestal in staat tot het vormen van kristallen. Materialen die uit kristallen bestaan, zijn kristallijn. Materialen die daarentegen bestaan uit een hoeveelheid moleculen die niet ordelijk gerangschikt zijn, zijn amorf. De bekendste amorfe stof is glas en zelfs kristalglas is, ondanks de naam, geen kristal. Quasikristallen vormen een bijzonder aspect van kristallijne vaste stoffen, omdat zij een schijnbaar periodieke structuur bezitten.

KristalstelselsBewerken

  Zie Kristalstelsel voor het hoofdartikel over dit onderwerp.

De ordelijke rangschikking in een kristal bestaat uit een opeenstapeling van atomen, moleculen of ionen, die symmetrisch is onder de translatie. De kleinste eenheid, die zich door translatie herhaalt, is een eenheidscel. Die herhalen zich in het kristal dus steeds in de drie richtingen steeds herhalen. Er is in ieder kristal een periodiciteit te vinden. De totale structuur die in die rangschikking ontstaat, is een kristalstructuur of kristalrooster. Alle mogelijke eenheidscellen zijn wiskundig te beschrijven door middel van de veertien Bravaisroosters, verdeeld over zeven kristalstelsels en 32 puntgroepen. De habitus van een kristal is de totale verzameling van kristalvlakken die de macroscopische vorm van het kristal bepalen.[1]

Kristallen komen voor in zeven verschillende kristalstelsels: kubisch, tetragonaal, hexagonaal, trigonaal, orthorombisch, monoklien en triklien. Kristallen die de voor een mineraal natuurlijke vorm hebben, zijn euhedrisch. Kristallen die een andere vorm hebben, zijn anhedrisch. Anhedrische kristallen ontstaan wanneer het kristal in een beperkte ruimte groeit, bijvoorbeeld omdat het omringd is door andere kristallen.

Ionaire stoffen, zoutenBewerken

Positieve en negatieve ionen zijn bij zouten in een vaste verhouding in het kristalrooster gerangschikt. Beschouw natriumchloride NaCl als voorbeeld, dan kan men het kristalrooster als volgt voorstellen: ieder natrium-kation Na+ wordt door zes chloride-anionen Cl omgeven en ieder chloride-kation door zes natrium-anionen. De ionen, atomen, blijven in het kristalrooster op hun plaats doordat ze elektrisch zijn geladen en elkaar aantrekken. Zo heeft het natrium-ion een elektron te weinig, waardoor het positief geladen wordt. Het chloride-ion heeft een elektron opgenomen, waardoor het negatief geladen wordt. De natrium- en de chloride-ionen in het kristalrooster zijn in een vaste verhouding gerangschikt, zodanig dat de netto lading nul is.

In opgeloste toestand zijn de ionen van opgeloste zouten in staat om elektrische stroom te geleiden: zouten zijn sterke elektrolyten. De ionen zijn dan niet meer met elkaar in een kristalstructuur verbonden.

Moleculaire kristallenBewerken

De moleculen houden elkaar in een moleculaire kristallijne stof op hun plaats in het kristalrooster door de cohesie, hun onderlinge aantrekkingskracht die er constant is.

VormingBewerken

  Zie Kristallisatie voor het hoofdartikel over dit onderwerp.

Een vast kristal kan worden gevormd door het langzaam afkoelen van een stof vanuit de vloeibare of gas toestand, deze overgangen heten respectievelijk stollen en rijpen. Door de temperatuurdaling begint de nucleatie en kristalgroei, deze processen zorgen samen voor de kristallisatie van het vaste kristal. Her en der in de rijp- of stollingsfase beginnen zich dan nucleatiekernen tot kleine kristallen te ontwikkelen, die steeds groter worden. Wanneer de vloeistof of het gas geheel is omgezet naar een vaste fase, is er een vast materiaal ontstaan dat bestaat uit veel kleine stukjes kristal, genaamd korrels. De atomen, moleculen of ionen in iedere korrel staan in dezelfde richting, namelijk in de groeioriëntatie, maar de korrels onderling kunnen een verschillende draaihoek ten opzichte van elkaar hebben. Het grensvlak waarop de verschillende korrels elkaar raken wordt de korrelgrens genoemd.[1]

Afhankelijk van de vormingsmethode kunnen er ook eenkristallen worden gevormd. Bij eenkristallen zijn er geen korrelgrenzen of korrels ontstaan, alle atomen, moleculen of ionen staan in dezelfde richting en vormen dus een geheel. Een zuivere diamant is een voorbeeld van een eenkristal, maar ook suiker is in staat om als eenkristal uit te groeien. In de halfgeleidertechnologie worden eenkristallen en boules van vooral silicium gebruikt.

KristallografieBewerken

  Zie Kristallografie voor het hoofdartikel over dit onderwerp.
 
Sneeuwkristal bij een sterke vergroting onder een rasterelektronenmicroscoop

Kristallografie is de wetenschap van het meten en onderzoeken van kristalstructuren, oftewel de atomaire rangschikking van een kristal. Een veelgebruikte kristallografietechniek is röntgendiffractie. Grote aantallen bekende kristalstructuren zijn opgeslagen in kristallografische databases. Het beroep dat hierbij hoort is dat van kristallograaf.

OnderzoekBewerken

Onderzoek aan kristallen kan onder meer worden uitgevoerd met röntgenkristallografie. Deze methode maakt door fotonenreflectie aan het oppervlakte van het materiaal als het ware een vingerafdruk waaraan kan worden afgelezen uit welke kristallen een stof bestaat. De vingerafdruk is afhankelijk van de omvang en de bestanddelen van de eenheidscellen in het kristal. Ook andere vormen van diffractie kunnen het kristal karakteriseren, waardoor deze informatie wordt verkregen.

TerminologieBewerken

VoorbeeldenBewerken

Voorbeelden van kristallen zijn:

GalerijBewerken

  Zie de categorie Crystals van Wikimedia Commons voor mediabestanden over dit onderwerp.