Kristal

’n Kristal van ametiskwarts.

’n Kristal is ’n soliede materiaal wat bestaan uit atome, molekules of ione wat in 'n geordende patroon gerangskik is in al drie ruimtedimensies. Benewens hul mikroskopiese struktuur kan groot kristalle gewoonlik geëien word aan hul makroskopiese geometriese vorm, wat bestaan uit plat oppervlakke met spesifieke, kenmerkende oriëntasies. Suiwer stowwe vorm gewoonlik kristalle en word kristalvormig of kristallyn genoem. Materiale wat nie 'n geordende patroon vorm nie, word amorf genoem.

Die wetenskaplike studie van kristalle word kristallografie genoem en die proses waardeur kristalle vorm, kristallisering.

Voorbeelde van groot kristalle sluit in sneeuvlokkies, diamante en tafelsout. Voorbeelde van amorfe materiale sluit in glas, was en plastiek. Kristalglas is ook nie kristallyn nie.

Kristalle word gevorm wanneer 'n vloeistof in 'n vaste stof oorgaan en dit bestaan uit atome, ione en molekules wat simmetries gerangskik is. 'n Kristal word begrens deur plat vlakke wat so reëlmatig saamgestel is dat dit in die algemene voorkoms van die gekristalliseerde stat uiting vind. In die natuur is daar pragtige voorbeelde van kristalle, waarvan die kwartskristal een is.

Die woord kristal kan enigsins verwarrend wees aangesien dit na sowel 'n enkele kristal- wat uit klein kristalletjies bestaan - as na een van die kristalletjies kan verwys. Dit moet daarom as sodanig gelees word. Die uitwendige struktuur van kristalle kan verskil al het dit dieselfde inwendige struktuur, en die strukture word in die kristallografie bestudeer. Daar word dikwels van kristal modelle gebruik gemaak om die fisiese eienskappe daarvan te beskryf. Die kwantummeganika speel hierby 'n belangrike rol.

Inleiding

Kristalle ontstaan wanneer 'n gesmelte stof stol en die vloeistof dan in 'n vaste stof oorgaan, of wanneer die vaste stowwe in 'n oplossing onderling verbind. In teenstelling met vloeistowwe is die materie in kristalle baie georden en bestaan dit uit die herhaling van 'n motief (patroon) wat uit een of meer atome, ione of molekules opgebou is. Daarom kan kristalle gewoonlik uitgeken word aan hul gladde, plat oppervlakke wat netjiese, skerp hoeke met mekaar vorm.

As die groepies kristalle ordelik in een kristal gerangskik is, het dit die enkelvoudige voorkoms van individuele stafies en blokkies wat enkelkristallyn genoem word. Baie kristalle vertoon egter hoekig en bonkig en staan as polikristallyne bekend. Kristalle is ongelooflik reëlmatig en hoewel kristalformasies soms na deurmekaar massas lyk, sal die reëlmaat duidelik blyk indien die hoeke wat die plat vlakke met mekaar vorm, gemeet word. Die ordelikheid van kristalle bring dan ook mee dat dit herkenbare strukture het.

Die verwantskap tussen die strukture van verskillende kristalle het aanleiding gegee tot die indeling daarvan in groepe of klasse sodat dit daarvolgens uitgeken kan word. Vanweë die tallose fatsoene het klassifikasie aanvanklik na 'n onbegonne taak gelyk, maar die Deense fisikus Nicolaus Steno het die eerste stap in die regte rigting gedoen deurdat hy 'n kristal in seksies gesny en vasgestel het dat die plat vlakke hoeke met duidelik herhaalbare projeksies vorm.

Daarna is kristalle nie meer deurgesny nie, maar in stereografiese projeksies ontleed. In 'n stereografiese projeksie word die fatsoen van ʼn enkelkristal op papier in 'n driedimensionele (isometriese) projeksie binne 'n sfeer geplaas en die hoeke aangedui wat die vlakke met mekaar vorm. Dit word dan op 'n plat vlak geprojekteer en die struktuur van elke kristal word herkenbaar. As die punte van 'n stereografiese projeksie met mekaar verbind word, vorm dit strukture met 'n voorkoms wat aan ’n rooster herinner.

By verdere ontleding van die projeksies het die gedagte ontstaan dat kristalle uit klein deeltjie-eenhede of selle bestaan wat in 'n kristalrooster herhaal word. Die kristalrooster kan beskou word as ’n wiskundige figuur wat deur die verbinding tussen die selle bepaal word terwyl die kristalstruktuur van die rangskikking van die selle afhanklik is.

Klassifikasie

Die kompleksiteit van saamgestelde kristalle bring mee dat dit nie sommer op die oog geïdentifiseer kan word nie, maar as die simmetrie (herhaling van eenderse dele) van die kristal as ’n geheel bestudeer word, kan ’n rowwe klassifikasie gemaak word. Eerstens kan die simmetrie van ’n deursnitvlak in oënskou geneem word, dit wil sê die kristal word denkbeeldig in twee gedeel totdat twee identiese helftes verkry word.

By enkelvoudige kristalle Word helftes dikwels gesien wat 'n spieëlbeeld van mekaar is. Tweedens kan meer komplekse kristalle om 'n denkbeeldige as geroteer word, en dieselfde aansig sal 2, 3, 4 of 6 maal per omwenteling vertoon word. Die kristal het dan sogenaamde 2-, 3-, 4- of 6-voudlge simmetrie-as. Die simmetrie-as moet nie met die verwysings- of die kristallografiese as verwar word nie. Die kristallografiese asse word verkry wanneer lyne wat loodreg. met die kristalvlakke loop, mekaar In die middel van die kristal kruis.

Derdens kan die simmetrie van die plat vlakke weerskante van 'n kristal bekyk word. Elke kristal het gewoonlik minstens 2 kenmerkende plat (parallelle) vlakke. Op grond van simmetrie word kristalle in 7 stelsels ingedeel, naamlik die trikliene, die monokliene, die ortorombiese, die tetragonale, die trigonale, die heksagonale en die kubiese stelsels. Monokristallyne (enkel-) kristalle kan redelik maklik volgens die 7 kristalstetsels geïdentifiseer word, maar polikristallyne (meervoudige) kristalle nie, en moet daarom dikwels beoordeel word volgens die algehele indruk wat dit maak.

Sintetiese kristalle (kristalle wat in 'n laboratorium berei word) kan byvoorbeeld monokristallyn en daarom makliker herkenbaar  gemaak word, maar natuurlike kristalle wat in minerale voorkom, leen hulle gewoonlik tot polikristallyne kristalle. Kristallograwe en geoloë is vir identifikasie dikwels net op die habitus (uiterlike voorkoms van ’n mineraal aangewese en het ’n beskrywende terminologie ontwikkel waarmee hulle die kristalvorm aandui. Die vorm (kristalvorm) sluit al die vlakke van simmetrie in en kan "oop" of "geslote" wees. In 'n kubus (vierkantige kristal) of 'n oktaëder (agtkantige kristal) omsluit die buitelyne 'n redelik reëlmatige liggaam en hulle is geslote.

Prismas en pinakoïdes (minstens twee-plat-vlakkig) het egter nie definitiewe afmetings nie, want dit kan enige lengte, breedte en hoogte hê en is oop. Die habitus van kristalle (of minerale) kan onder meer as volg beskryf word:

- piramidies

- kubusvormig

- prismaties (gelyksydig, maar ongedefinieerde punte en lengte)

- naaldvormig

- druppelvormig (stalakties)

- klont- en trosvormig

- korrelagtig (dendrities)

- takagtig (dendrities).

- lamelagtig (lae of foliate)

- blaaragtig (foliate)

- skulpvormig

- onreëlmatig (piritoëdries)

- bladvormig

- agtkantig (oktaëdries)

- vierkantig (tetraëdries)

- vyfkantig (pentaedries) skilferagtig (skaal)

- veselagtig

Benewens die habitus het kristalle ook definitiewe fisiese eienskappe soos termiese geleidingsvermoë, elektriese geleidingsvermoë, ligvoortplantingsnelheid en dies meer, maar daar is spesifieke fisiese, optiese en chemiese eienskappe waarvolgens kristalle geklassifiseer kan word.

Hardheid

Hardheid moet nie met die weerstand teen breek verwar koper word nie. Op 'n skaal van 10 is hardheid die weerstand teen 'n krap- of skuurmerk wat met 'n voorwerp van bekende hardheid, soos 'n mes se lem, gemaak word. 'n Mens se vingernael het 'n hardheid van 2% en 'n meslem 'n hardheid van ongeveer 6. Speksteen (talk), 'n wit, vetterige gesteente, het 'n hardheid van 1 en voel seperig wanneer dit gehanteer word. So is die hardheid van gips byvoorbeeld 2, die van kalsiet 3, kwarts 7, topaas 8, en van die hardste van almal, diamant, 10. Materiaal met 'n hardheid van meer as 6 kan glas krap.

Breekvlak

Kristalle kan gebreek of gekloof word. 'n Breekvlak verteenwoordig 'n onreëlmatige breuk waarin die opgestapelde kristalletjies dikwels met die blote oog gesien kan word. 'n Kloofvlak het ʼn baie reëlmatige voorkoms en is dikwels spieëlglad. Die breek- en kloofbaarheid van kristalle gee gewoonlik 'n goeie aanduiding van die interne struktuur en simmetrie van 'n kristal en kan ook as basis vir klassifikasie dien. Breekvlakke kom by kwarts en metaalhoudende minerale voor, terwyl kloofvlakke by kalsiet en mika voorkom. Die kwaliteit en rigting van 'n kloofvlak het ook 'n diagnostiese waarde.

Digtheid

Die massa van kristalle is aan die digtheid daarvan verwant en met oefening kan daar 'n skatting van die digtheid gemaak word. Die digtheid van 'n stof word gedefinieer in terme van die massa per eenheidsvolume (g/cm³) of soortlike gewig (s.g.) en is afhanklik van die soort atome en hoe dig dit in die kristalstruktuur saamgepak is. Die atoomdigtheid het 'n groot invloed op kristalle, want kwarts en tridimiet is albei vorms van silikon (Si0₂), hoewel kwarts se s.g. 2,65 en tridimiet se s.g. 2,25 is. Die rede daarvoor is dat kwarts 'n geslote en tridimiet 'n oop kristalvorm het.

Glans

Elke kristaloppervlak het 'n kenmerkende glans wat afhanklik is van die aard van die weerkaatsende vlak. Die weerkaatsende vlak gee gewoonlik 'n aanduiding van die kristalstruktuur maar kan soms effens misleidend wees omdat die glans van vlak tot vlak kan verskil.

Kristalglans word deur die graad van ligweerkaatsing en intensiteit beïnvloed, en so word 'n onderskei getref tussen metaal- en nie-metaalglans. Metale en sekere minerale absorbeer baie lig en selfs die dunste lagie daarvan is nog ondeursigtig. Die glans kan soos volg beskryf word:

- metaalglans

- submetaalglans (nie-suiwer metaalglans)

- nie-metaalglans waaronder:

- glasglans

- pêrelglans

- syglans

- diamantglans

- harpuisglans

- vetglans

- aardagtige glans.

Sommige glanse vertoon dof en andere nie en kan as sodanig as mat of blink beskryf word.

Deursigtigheid

Die deursigtigheid of ondeursigtigheid van 'n kristal is van sy interne struktuur afhanklik en gee 'n aanduiding van die verhouding tussen die lig wat geabsorbeer en die lig wat deurgelaat word.

Ligbreking

Wanneer lig met 'n skuins vlak op 'n kristal inskyn, word 'n gedeelte daarvan gereflekteer, 'n gedeelte geabsorbeer en 'n gedeelte gebreek (verbuig). Die hoek waarteen die lig in die kristal verbuig word, kan ook meehelp met die klassifikasie daarvan, maar word moeilik in die veld gemeet.

Smeer

Hoewel 'n kristal soms streperig lyk, kan die werklike kleur daarvan bepaal word deur 'n streep daarmee oor 'n onverglaasde porseleinplaatjie (afstrykplaat) te trek. Die verpoeierde smeer wat op die plaatjie agterbly, word nie deur veel meer as die werklike kleur beïnvloed nie. Dit is waardevol by kristalklassifikasie en kom goed te pas by ondeursigtige en gekleurde minerale. By silikate kan dit egter misleidend wees omdat die meeste silikate net 'n wit streep laat, en dit boonop dikwels te hard is om ʼn behoorlike smeer agter te laat.

Kleur

Kleur is een van die belangrikste eienskappe waaraan 'n kristal herken kan word. Kristalle absorbeer gedeeltes van die wit lig wat daarop val en die kleur word verteenwoordig deur die kleure (golflengtes) wat gereflekteer word. Die kleure is onder meer afhanklik van die chemiese samestelling, die kristalstruktuur en die hoeke wat die kristalvlakke vorm.

Fluoressensie

Sommige minerale veroorsaak 'n gloed wanneer dit bestraal word en soms selfs nadat die bestraling opgehou het. Dit gebeur gewoonlik in die teenwoordigheid van ultravioletlig; die kristal fluoresseer dan.

lone

Ioniese bindings speel 'n belangrike rol by kristalle. 'n Ioon is 'n atoom met 'n oormaat van of 'n tekort aan elektrone. Wanneer 'n atoom 'n oormaat elektrone het, verkry dit 'n negatiewe lading en staan as 'n anioon bekend, terwyl dit met 'n tekort aan elektrone 'n positiewe lading het en 'n katioon genoem word. Anione en katione oefen sterk elektrostatiese kragte op mekaar uit en rangskik hulle daarvolgens in 'n rooster indien daar 'n gelyke aantal anione en katione in die chemiese verbinding is. Hoe kleiner die ione is, en hoe groter die aantrekkingskragte tussen hulle is, hoe groter word die ladingsdigtheid in die kristal. Dit het 'n groot invloed op die stabiliteit van die kristal. Die stabiliteit van 'n kristal bepaal byvoorbeeld hoe hard dit is, wat die smeltpunt is en hoe die breek- en kloofvlakke daar uitsien.

Elektriese en magnetiese eienskappe

Ioniese bindings het ook 'n groot invloed op die elektriese geleidingsvermoë van kristalle en daarom kom elektriese en magnetiese eienskappe ook handig te pas by die klassifikasie van kristalle. 'n Tipiese kristalklassifikasie sien soos volg daar uit:

Kristal: kwarts (Si0₂)

Stelsel: trigonaal

Habitus: prismaties (seskantig)

Hardheid: 7

Breekvlak: ongelyk (riwwe in halwe ringe)

Digtheid: s.g. 2,65

Glans: glasglans

Kleur: kleurloos en deursigtig of wit (melkkwarts)

Onderskeidende eienskappe: monokristallyn, hard

Verspreiding: Wyd versprei, graniet en sanderige kolle.

Kristallografie

In die kristallografie is veral twee eienskappe van belang, naamlik die kristalrooster en die kristalstruktuur. Die kristalrooster het op die wiskundige figuur van 'n kristal betrekking, terwyl die struktuur deur die rangskikking van die deeltjies in 'n kristal bepaal word.

Rooster

Die wiskundige begrip van 'n rooster word soos volg beskou: Vanuit die oorsprong O loop 'n lyn in albei rigtings (weerskante) wat die a-as genoem word. Op die a-as word 'n aantal punte op 'n gelyke afstand van mekaar geplaas, en die afstand tussen die punte staan bekend as die a-periode. Die b-as kruis die a-as by a en het 'n b-periode. Die c-as is loodreg op 0 en het 'n c-periode. As daar by al die punte op die a-, b- en c-asse ewewydige lyne getrek word, sal dit mekaar op sekere punte kruis (roosterpunte) en al die a-b-punte lê op dieselfde vlak (netvlak). Die a-, b en c-asse is die kristallografiese asse en die gedeeltes wat van 0 af na bo, regs en na vore loop, is positief, terwyl die wat na onder, links en na agter loop, negatief is. Elke afsonderlike blokkie met sye a, b en c is 'n eenheidsel en die sye hoef nie noodwendig loodreg op mekaar te wees nie. Die hoek tussen die positiewe a- en b-as heet γ, die tussen die a- en c-as ϐ en die tussen die b- en c-as a. As die vorm van 'n enkele sel bekend is, kan 'n rooster opgebou word deur die verskuiwing van 'n sel ewewydig met die oorspronklike sel.

Simmetrie-elemente

Afgesien van die herhaling van selle (verplasing), is daar by kristalle ook 'n herhaling van simmetrie-elemente (vlakke, asse en punte) waaruit die motief (patroon) van 'n kristal gekenmerk word. Wanneer 'n kristal om 'n simmetrie-as (n) geroteer word, word die motief na elke 360° herhaal. As n byvoorbeeld 2 is, dit wil sê as die motief na 'n omwenteling van 180° weer dieselfde lyk, is dit 'n 2-voudige simmetrie-as, en as n 3 is, 3-voudig, ensovoorts. Wanneer 'n kristal se vlakke bekyk en 2 vlakke gevind word wat 'n spieëlbeeld van mekaar is, word dit die simmetrievlak genoem. As 'n kristal byvoorbeeld in 2 gedeel word en die deursnitvlakke identies is, is dit 'n simmetrievlak.

Puntgroepe en kristalstelsels

Met elke punt in 'n kristal (roosterpunt) word 'n aantal simmetrie-elemente geassosieer, naamlik:

- daar is slegs een n-voudige as per punt

- daar is slegs een n-voudige as loodreg met die simmetrievlak

- daar is n simmetrievlakke per n-voudige as

- daar is n 2-voudige simmetrie-asse per n-voudige as

- daar is een simmetrievlak loodreg op 'n n-voudige as en n simmetrievlakke per n-voudige asse.

Daar is 32 moontlike kombinasies van simmetrie-elemente of puntgroepe, maar aangesien daar ʼn ooreenkoms tussen sommige van die puntgroepe is, word dit in 7 kristalstelsels ingedeel.

Bravais-selle

A. Bravais (1811 - 1863) het die kleinste deeltjie-eenhede van kristalle selle genoem, en met die kombinasie van 4 selle kon hy al die kristalvorme beskryf Wanneer 'n mens 'n gebied in ʼn rooster bekyk wat 'n enkele a-, b- en c-as het en tussen 8 roosterpunte lê, sien 'n mens 'n blokkie met 6 vlakke (die sye is nie noodwendig reghoekig nie) en dit staan as die P-sel bekend. Sommige P-selle het roosterpunte in die onderste en boonste vlakke en is C-selle. So is daar selle met ʼn roosterpunt in die middel van die sel (inwendig gesentreer) en dit is I-selle. Dan is daar selle met ʼn roosterpunt in elk van die 6 selvlakke en dit is F-selle. Verdeel oor die 7 kristalstelsels is daar 7 P-selle, 2 C-selle, 3 I-selle en 2 F-selle. Dit vorm die 14 Bravais-selle wat die grondslag van elke kristalrooster is.

Keuse van asse

Wanneer die struktuur van 'n kristal bekend is (die rangskikking van die selle), kan die rooster na aanleiding van die asse van die selle beskryf word. Daar is drie reëls wat daarvoor geld:

- die kristallografiese asse moet so naas moontlik aan die simmetrieasse wees;

- die kristallografiese asse moet so ver moontlik uit die simmetrie-elemente voortspruit;

- die eenhede op die kristallografiese asse moet so klein moontlik wees.

Stereografiese projeksie

Om meer omtrent die kristalvlakke en hulle onderlinge verhouding te wete te kom, kan 'n stereografiese projeksie van die kristal gemaak word. Die kristal word in 'n sfeer geplaas en die vlakke op die sfeer, en van daar word dit op 'n plat projeksievlak geprojekteer. Waar die projeksielyne die sfeer se buitelyne sny, word die punte aangestip en na 'n plat vlak oorgedra, waar die sfeer van bo af (ekwatorvlak) beskou word. Die projeksiepunte is gewoonlik so geleë dat die reëlmaat van die kristalrooster duidelik blyk.

Kristalvorm

Die kristalvorm is die versameling vlakke wat deur die werking van die simmetrie-elemente ontstaan. Die vorm word in die algemene, die limiet- en die gereduseerde vorm onderverdeel. Die algemene vorm bestaan uit vlakke wat 'n willekeurige ligging ten opsigte van die simmetrie-elemente het, en daar is 32 vorms wat by die puntgroepe tuishoort. Die limietvorm in een puntgroep het dieselfde aantal vlakke as die algemene vorm, maar verskil daarvan ten opsigte van geometrie. Die gereduseerde vorm het vlakke wat loodreg met die simmetrie-as of-vlak is en het minder vlakke as die algemene of die limietvorm.

Habitus

Die algemene indruk van die vorm van 'n kristal of kristalsamestelling word die habitus genoem, en moet nie met die kristal-vorm as sodanig verwar word nie. Enige habitus voldoen gewoonlik by benadering aan 'n beskrywing as prismaties, plaatvormig of naaldvormig. Die habitus van 'n kristal word nie alleen deur die kombinasie van kristalvorme bepaal nie, maar ook deur die grootte van die kristalvlakke. Die groeisnelheid van die vlakke speel 'n belangrike rol hierin, en die uiteindelike vorm kan slegs onder ideale toestande reg voorspel word. Hoe die kristal egter ook al daar uitsien, die hoeke tussen die vlakke bly altyd kenmerkend vir die kristal en voldoen aan die wet van konstante hoeke in kristalle.

Tweelinge

Dit gebeur soms dat twee individuele kristalle met dieselfde struktuur en chemiese samestelling so vergroei dat dit 'n eenvoudige simmetrie-as het en identies is. Hulle word tweelinge genoem en het 'n sogenaamde tweeling-as, terwyl die vergroeiingsvlak dikwels ook die simmetrievlak is. Die aansluiting tussen die tweeling is die tweelingvlak. As die tweeling-as loodreg met die vergroeiingsvlak is, vorm dit ʼn kontaktweeling. Indien die tweeling-as in die tweelingvlak lê, vorm dit 'n deurdringingstweeling.

Struktuur

Die eenvoudigste kristalstruktuur ontstaan wanneer dieselfde soort atome tot 'n enkelkristal verbind, en dien as basis vir komplekse kristalle. Atome en ione kan ter illustrasie as balle voorgestel en modelle dan ook so gebou word. Om 'n kristal voor te stel, word die balle op 'n plat vlak gerangskik en 1 bal word deur presies 6 balle met dieselfde grootte omsluit. 'n Verdere laag word bo-op geplaas, en om die balle so na as moontlik aan mekaar te kry, word die boonste balle so geplaas dat dit in die holte tussen 3 balle hê.

'n Bal kan in totaal deur twaalf ander balle omring word en dit staan as die koördinasiegetal bekend. Meetkundig is dit onmoontlik om meer balle om dieselfde bal te rangskik. So 'n kristal het die digste moontlike kristalstruktuur maar daar is natuurlik kristalle met minder omringende balle. Die grootte van die balle speel ook 'n belangrike rol in die balstapel, en as dit oneweredig is, kan 'n digte stapeling nie verkry word nie. Die digste moontlike kristal bestaan dan uit atome met dieselfde grootte en die maksimale koördinasiegetal. metaalkristalle is goeie voorbeelde hiervan.

Kristalgroei

Die proses waarby daar in 'n nie-kristallyne stof (damp, smeltsel, oplossing, amorfe stof) kristalle ontstaan, heet kristallisasie. By alle stowwe wat by 'n lae temperatuur verkeer, is die kristallyne fase die stabielste toestand, aangesien die chemiese bindingskragte vanweë die hoë ordeningsgraad ten volle tot hul reg kom. By hoër temperature stoot die termiese beweging van die atome die deeltjies uit die rooster en word die stof minder stabiel, totdat dit by die smeltpunt vloeibaar word.

Dit is moontlik dat 'n stof vloeibaar, gasvormig of opgelos bly terwyl dit volgens die fasewette moes gekristalliseer het, en dit blyk dat daar vir kristallisasie 'n soort hindernis oorkom moet word. Onder sekere omstandighede gebeur dit dat die stof nie in 'n ander fase wil oorgaan nie, en dit word meta-stabiliteit genoem. So is daar die bekende voorbeelde van oorversadigde damp, oorversadigde oplossings en onderverkoelde vloeistowwe. Om die hindernis te oorkom, kan bepaalde maatreëls wel kristallisasie tot gevolg hê.

By onderverkoelde water wat nie wil vries nie, kan byvoorbeeld 'n ysblokkie gevoeg word of daar kan teen die houer gestamp word. Ys sal dan begin vorm. 'n Metastabiele toestand wat oënskynlik baie stabiel is, kom voor by sekere vaste stowwe wat amorfe stowwe genoem word. 'n Amorfe stof is 'n sterk onderverkoelde vloeistof waarin kristallisasie deur die hoë viskositeit verhinder word. Glas is 'n goeie voorbeeld hiervan.

Kiemvorming

Indien 'n vloeistof afgekoel word, verwag 'n mens dat dit by die oorgangspunt sal kristalliseer. Dit blyk egter dat die temperatuur tot effens benede die smeltpunt verlaag moet word voordat die reaksie plaasvind. Daar is dus sprake van 'n oorskrydingsgraad en die verskynsel wat by alle faseoorgange (toestandsverandering) plaasvind, kan verklaar word deur die oppervlakspanning van klein deeltjies in berekening te bring. Molekules of atome wat aan die buitekant (oppervlak) van 'n kristal verkeer, is minder stabiel as dié binne-in die kristal aangesien laasgenoemde van alle kante kragte ondervind.

Die buitenstes ondervind net kragte van die binnekant af. Die gevolglike energieverlies wat die buitenste deeltjies ondervind, bring dan die oppervlakspanning van die kristal mee. In 'n onderverkoelde vloeistof word daar binne elke sekonde miljoene klein kristalletjies gevorm, maar die kristalletjies - wat kristalkieme genoem word - het so 'n groot oppervlakspanning dat die energiewins nie daarteen opweeg nie. Die grootste gedeelte van die kristalkieme sal daarom snel verdwyn en weer in die vloeistoftoestand oorgaan. sommige van die kristalkieme is egter so groot dat die energiewins vanweë kristallisasie (eweredig aan die kiemgrootte) die oppervlakspanning (omgekeerd eweredig aan die grootte) oorskry.

Die afmetings waarby dit geskied, is die kritiese kiemgrootte, en slegs kieme wat dit oorskry, sal kristallisasie aan die gang kan sit. Kiemvorming word deur onsuiwerhede, elektrostatiese lading en die aanwesigheid van ander kristalle bevorder. Hoe laer die temperatuur van ʼn vloeistof, hoe kleiner word die kritiese kiemgrootte en die energiewins neem as gevolg van kristallisasie toe. Die aantal gevormde kristalkieme neem egter ook in verhouding tot die temperatuur af totdat daar 'n optimale temperatuur ontstaan waarby die kristallisasiesnelheid maksimaal is. Onder sekere omstandighede gebeur dit soms dat kiemvorming agterweë bly, en 'n sterk onderverkoelde of oorversadigde toestand ontstaan.

Dit gebeur dikwels dat net 'n enkele kiem tot 'n enkele, groot kristal uitgroei en die stof word dan monokristal lyn genoem. Om dit te doen, kan 'n enkele kristal as entkristal in 'n vloeistof gehang en die temperatuur so gekies word dat spontane kristallisasie minimaal is. In die meeste gevalle gebeur dit egter dat 'n hele aantal kieme min of meer gelyktydig aangroei en die stof dan polikristallyn word. Die monokristalle is dan mikroskopies klein. Om die kristalle groter te maak, word dit deur middel van rekristallisasie vlak benede die smeltpunt gedoen.

Kristalgroei

Wanneer 'n kristalkiem die kritiese grootte oorskry, kan dit tot 'n sigbare kristal uitgroei. 'n Kiem is soms byvoorbeeld opgebou uit kubusvormige kristallisasie-eenhede wat so teen mekaar lê dat dit terrasvormige vlakke vorm wat deur trappe geskei is. By kristallisasie sal die kristalkieme oral op die oppervlak saampak en sommige sal weer losbreek. Die aantal kieme wat saampak, is afhanklik van die temperatuur en van die wat losbreek van die kristalstruktuur.

Die uiteindelike kristalvorm word deur die groeisnelheid van die groeivlakke bepaal. As die kristal in ewewig met sy omgewing groei, neem dit 'n ewewigsvorm aan, maar in die praktyk blyk dit dat die groeisnelheid van 'n kristalvlak kleiner is namate die oppervlakspanning van 'n trappie in daardie vlak groter is. Anders gestel: 'n kristalvlak het 'n laer groeisnelheid namate die chemiese binding in 'n vlak sterker is. Die kristalstruktuur, met ander woorde die manier waarop die atome die roosterpunte beset, bepaal die groeivorm van die kristal.

Daar is sekere faktore wat veroorsaak dat die uiteindelike kristalvorm van die groeivorm afwyk. Daar kom byvoorbeeld foute in die kristalrooster (roosterfoute) voor waardeur 'n motief of 'n atoom ontbreek, en so ontstaan 'n vakature. Afwykings wat ekstra deeltjies meebring, veroorsaak weer insetsels. Ontwrigting vind plaas wanneer die motief nie op die regte tyd en plek herhaal word nie, en ʼn halfvoltooide motief word so êrens in die kristalstruktuur ingebou. Een daarvan is lynontwrigting (dislikasie), waarby die roostervlakke loodreg op die ontwrigtingslyn ontwikkel. Die ander is skroefontwrigting, waarby die roostervlakke ewewydig aan die ontwrigtingslyn ontwikkel. Skroefontwrigting (skroefdislikasie) gee aanleiding tot 'n spiraalvormige groeifront.

'n Kombinasie van die ontwrigtings kom ook dikwels voor, terwyl daar boonop eksterne invloede is wat die kristalvorm bepaal. Dit gebeur byvoorbeeld dat dun lagies van 'n ander kristalsamestelling in die struktuur opgeneem word en dit staan as epitaksie bekend.

Kristalmodelle

'n Beter begrip van kristal-eienskappe kan gevorm word as die kristal as geheel beskou word, en nie slegs die eenheidselle nie. In 'n model kan die punte in 'n kristalrooster as sfeertjies (balletjies) beskou word waarby slegs naburige deeltjies 'n kragwerking ondervind. Die kragte word dikwels aan die hand van die Lennard Jones- potensiaal beskryf, waarvolgens deeltjies hulle op 'n ewewigsafstand van mekaar bevind. Wanneer die afstand kleiner word, word die afstootkrag tussen hulle groter.

As die afstand tussen die deeltjies groter word, word ook die aantrekkingskrag groter. As die kristal dus onder druk geplaas word, word die afstand tussen die aanliggende deeltjies kleiner en ondervind dit 'n groter afstootkrag. Dit verklaar die veerkrag van 'n kristal (reaksie op vervorming). Rek- en druktoetse help dan ook baie om meer van die bindingskragte en struktuur van kristalle te wete te kom. Met behulp van modelle word daar gepoog om die uitlopende eienskappe soos toestandsverandering, geleiding, magnetiese en elektriese reaksie, en dies meer van kristalle te ondersoek. Die modelle kan een-, twee- of driedimensioneel wees en die eienskappe kan met behulp van grafieke beskryf word.

Sodoende word die fisiese model 'n wiskundige model. Die vereenvoudiging by die beskrywing van kristalle lei dikwels tot die gebruik van 'n golffunksie. Dit beskryf die magnetiese eienskappe (spin) van 'n deeltjie in 'n rooster en hoe deeltjies mekaar daardeur beïnvloed. Dit blyk dat golwing by 'n kristal kan intree as dit aan 'n magneetveld onderwerp word (spingolwe). Hoewel die golf funksies 'n kristal nie volledig kan beskryf nie, is dit aan sekere kwantum meganiese vergelykings onderworpe en help dit om sommige eienskappe van 'n kristal regstreeks op grond van simmetrie te verklaar. Die krag wat twee deeltjies op mekaar uitoefen, is volgens die Lennard-Jones-potensiaal naastenby eweredig aan die uitwyking ten opsigte van die ewewigsposisie daarvan. Hieruit blyk dit dat die deeltjies trillings uitvoer met die roosterpunt as middelpunt. As die temperatuur van die kristal verhoog word, word die trillings kragtiger.

Deur 'n baie heftige trilling kan die kristal uiteenval (smelt). Aan elke moontlike termiese beweging word 'n gemiddelde hoeveelheid energie toegeken, en dit sluit die drie loodregte trillingsmoontlikhede in, naamlik na bo, na regs en na vore. (Na onder, na links en na agter is die negatiewe loodregte trillingsrigtings.) 'n Model kan dus 'n aanduiding gee van hoeveel energie aan 'n gegewe volume van 'n kristal toegevoeg moet word om die temperatuur daarvan met een graad te verhoog (warmtekapasiteit). Die termiese beweging van kristaldeeltjies het daartoe aanleiding gegee dat die trillingsfrekwensie (aantal trillings per sekonde) deur onder andere Einstein ondersoek is. Volgens die kwantumteorie is die frekwensie afhanklik van die grootte van die deeltjies en die kragte wat dit ondervind (afstand tussen die deeltjies).

Behalwe dat Einstein die termiese gedrag (smeltpunt, warmtegeleidingsvermoë, deeltjie energie) van 'n kristal daarmee kon verklaar, het hy vasgestel dat al die deeltjies met dieselfde frekwensie tril. Dit het 'n groot invloed op die elektriese eienskappe van 'n kristal, waardeur elke kristal, byvoorbeeld teen 'n spesifieke frekwensie in ʼn elektriese stroomkring sal reageer.

Toepassings

Natuurlike sowel as sintetiese kristalle het 'n wye reeks toepassings en word vir daardie doeleindes in myne ontgin of in spesiale prosesse vervaardig. Silikonoksied (kwarts) word byvoorbeeld as mineraal ontgin (Polokwane, Limpopo) en aan die elektroniese nywerheid verskaf. Suiwer silikon is 'n isolator, maar wanneer onsuiwerhede daaraan toegevoeg word, verkry dit positiewe (P-materiaal) en negatiewe (N-materiaal) ladingsdraers en kan dit stroom gelei.

Van P- en N-materiaal word elektroniese komponente soos diodes en transistors vervaardig. Kristalle het die eienskap dat dit op druk reageer (vervorm) aangesien die deeltjies in die kristalrooster afstoot- en aantrekkingskragte ondervind. Wanneer 'n kristal dus aan trillings onderwerp word, sal dit "rek" en "krimp" teen 'n frekwensie wat kenmerkend vir die kristal is. Om hierdie rede word kristalle gebruik in ossillators en filters waar 'n stabiele frekwensie verlang word.

Voorts het 'n kristal 'n effek wat as piësoëlektrisiteit bekend staan. As daar druk op 'n kristal uitgeoefen word, ontwikkel dit 'n elektriese spanning. Dit word byvoorbeeld in die toonkop van 'n platespeler gebruik om die trillings wat van die naald afkomstig is, in elektriese pulse om te sit. 'n Terrein waarop die eienskappe van kristalle op groot skaal benut word, is die van fluoressensie. Onder sekere omstandighede kan kristalle lig "genereer" as dit aan ʼn energievorm soos röntgenstrale, elektronstrale of ultravioletlig onderwerp word.

Die deeltjies in 'n kristalrooster neem energie op en na gelang van die chemiese samestelling daarvan, verskaf dit weer energie in die vorm van elektromagnetiese strale. As fosfor byvoorbeeld met elektronstrale in 'n televisiebuis bestraal word, vind daar 'n energie-uitruiling plaas waardeur die fosfor lig uitstraal. Kristalroosters kan dus doelbewus so ingerig word dat dit oor sekere energie-uitruilingseienskappe beskik. Die atome van die swaarder metale is uiters geskik hiervoor.

In 'n fabriek word materiale met die regte eienskappe toegelaat om in baie fyn kristalle te kristalliseer, en die kristalletjies word in poeiervorm in die skerms van televisiestelle, radartoestelle, ossilloskope, elektronmikroskope en in fluoresseerlampe gebruik. Kristalstrukture het ook die vermoë om lig te breek of te reflekteer, en dit word - afgesien van optiese analise - ook vir laser gebruik. Laserstrale bestaan uit ʼn koherente ligbundel wat verkry word deur 'n intense ligstraal op ʼn kristal te rig. Die interne kristalstruktuur breek dan die lig en rig dit gelyk om 'n koherente straal te vorm. Aangesien elke kristalstruktuur lig op 'n kenmerkende manier buig of reflekteer, word kristalle tydens klassifikasie aan die optiese effek daarvan uitgeken. 'n Interessante en insiggewende resultaat word verkry wanneer 'n kristal nie met lig nie, maar met röntgenstrale (X-strale) bestraal word.

'n Navorser, Max von Laue, het in 1912 op die gedagte gekom en dit het soveel insig gebring dat die sogenaamde X-straal-kristallografie daaruit ontstaan het. Wanneer 'n bundel X-strale op 'n kristal gerig en 'n fotografiese film daaragter geplaas word, lewer dit 'n afdruk waaruit die rangskikking van die deeltjies in 'n kristalrooster duidelik waargeneem kan word. Kristalle soos die wat in laser en vir fluoressensie gebruik word, kan nie altyd in die natuur gevind word nie, en word daarom self vervaardig deur dit te "kweek". 'n Vloeistof of 'n oplossing wat ʼn kristallyne materiaal bevat, verkeer in 'n toestand van ewewig of ekwilibrium. As die ekwilibrium versteur word deur byvoorbeeld die temperatuur te verlaag, word kristalle gevorm. Vervaardigers het verskeie metodes ontwikkel waarvolgens kristalle gekweek word.

Een van die metodes is die vloeistof-vastestofproses waardeur 'n kristalkiem aan die rand van gesmelte vloeistof in 'n bakkie geplaas word. Die vloeistof naby die kiem word dan verkoel en dit kristalliseer om die kiem. Daarna word dit stadig al hoe verder weg van die kristal af verkoel totdat al die vloeistof gekristalliseer het. 'n Ander metode is die vastestofproses waardeur 'n vloeistof skielik afgekoel word sodat dit redelik onreëlmatig kristalliseer. Die kristal word dan aan 'n trekkrag onderwerp terwyl dit verhit word. Die deeltjies in die kristalrooster kry sodoende die geleentheid om hulself te rangskik. Nog 'n metode is om 'n voorafgevormde kristalletjie wat onder aan 'n buis sit, aan die oppervlak van 'n gesmelte vloeistof te laat raak.

Die kristal word dan saam met die vloeistof in die buis opgetrek. So gou as wat die vloeistof in die buis opgetrek word, word dit afgekoel en ontstaan 'n groot uniforme kristal in die buis. 'n Metode wat 'n stokperdjiegeesdriftige kan volg, is om die vloeistofverdampingsproses te gebruik. 'n Klein hoeveelheid oorversadigde oplossing word eers voorberei deur die materiaal (byvoorbeeld aluin) in vloeistof (water) op te los. Die vloeistof word dan toegelaat om te verdamp en klein kristalle wat as entkristal dien, word agtergelaat. Die entkristal word aan 'n toutjie in 'n ander oplossing gehang, en die kristal neem so materiaal uit die oplossing op en "groei". Temperatuur speel 'n belangrike rol en mooi kristalle word verkry deur die oplossing effens te verhit en die oplossing verder te versadig deur aanhoudend materiaal by te voeg.

Bron

• Wêreldspektrum, 1982, ISBN 0908409575 band

Sien ook

• Kristalstruktuur