Ορισμός κρυστάλλων, παραδείγματα και κοινά είδη

Ένας κρύσταλλος αποτελείται από ύλη που σχηματίζεται από μια διατεταγμένη διάταξη ατόμων, μορίων ή ιόντων. Το πλέγμα που σχηματίζεται εκτείνεται σε τρεις διαστάσεις.

Επειδή υπάρχουν επαναλαμβανόμενες μονάδες, οι κρύσταλλοι έχουν αναγνωρίσιμες δομές. Οι μεγάλοι κρύσταλλοι εμφανίζουν επίπεδες περιοχές (όψεις) και καλά καθορισμένες γωνίες.

Οι κρύσταλλοι με προφανείς επίπεδες επιφάνειες ονομάζονται ευεδρικοί κρύσταλλοι, ενώ εκείνοι που στερούνται καθορισμένων προσώπων ονομάζονται αδενικοί κρύσταλλοι. Οι κρύσταλλοι που αποτελούνται από διατεταγμένες συστοιχίες ατόμων που δεν είναι πάντα περιοδικές καλούνται quasicrystals.

Η λέξη "κρύσταλλο" προέρχεται από την αρχαία ελληνική λέξη krustallos, που σημαίνει και "κρυστάλλινο βράχο" και "πάγο". Η επιστημονική μελέτη των κρυστάλλων ονομάζεται κρυσταλλογραφία.

Παραδείγματα καθημερινών υλικών που συναντάτε ως κρύσταλλα είναι το επιτραπέζιο αλάτι (χλωριούχο νάτριο ή κρυστάλλους ψευδαργύρου), ζάχαρη (σακχαρόζη), και νιφάδες χιονιού. Πολλοί πολύτιμοι λίθοι είναι κρύσταλλοι, συμπεριλαμβανομένου του χαλαζία και του διαμαντιού.

Υπάρχουν επίσης πολλά υλικά που μοιάζουν με κρύσταλλα αλλά είναι στην πραγματικότητα πολυκρυσταλλικά. Οι πολυκρύσταλλοι σχηματίζονται όταν οι μικροσκοπικοί κρύσταλλοι συγχωνευθούν για να σχηματίσουν ένα στερεό. Αυτά τα υλικά δεν αποτελούνται από διατεταγμένα πλέγματα.

Παραδείγματα πολυκρυσταλλικών περιλαμβάνουν πάγο, πολλά δείγματα μετάλλων και κεραμικά. Ακόμη μικρότερη δομή εμφανίζεται από άμορφα στερεά, τα οποία έχουν διαταραγμένη εσωτερική δομή. Ένα παράδειγμα ενός άμορφου στερεού είναι το γυαλί, το οποίο μπορεί να μοιάζει με ένα κρύσταλλο όταν είναι πολύπλευρο, όμως δεν είναι ένα.

Οι τύποι των χημικών δεσμών που σχηματίζονται μεταξύ ατόμων ή ομάδων ατόμων σε κρυστάλλους εξαρτώνται από το μέγεθος και την ηλεκτροαρνησία τους. Υπάρχουν τέσσερις κατηγορίες κρυστάλλων που ομαδοποιούνται από τη σύνδεσή τους:

1. Ομοιογενείς Κρύσταλλοι: Τα άτομα σε ομοιοπολικούς κρυστάλλους συνδέονται με ομοιοπολικούς δεσμούς. Τα καθαρά μη-μέταλλα σχηματίζουν ομοιοπολικούς κρυστάλλους (π.χ. διαμάντι) όπως και οι ομοιοπολικές ενώσεις (π.χ. σουλφίδιο ψευδαργύρου).
2. Μοριακοί Κρύσταλλοι: Ολόκληρα μόρια δεσμεύονται μεταξύ τους με οργανωμένο τρόπο. Ένα καλό παράδειγμα είναι ένας κρύσταλλος σακχάρων, ο οποίος περιέχει μόρια σακχαρόζης.
3. Μεταλλικοί Κρύσταλλοι: Τα μέταλλα συχνά σχηματίζουν μεταλλικούς κρυστάλλους, όπου μερικά από τα ηλεκτρόνια σθένους είναι ελεύθερα να κινούνται σε όλο το πλέγμα. Ο σίδηρος, για παράδειγμα, μπορεί να σχηματίσει διαφορετικούς μεταλλικούς κρυστάλλους.
4. Ιωνικοί Κρύσταλλοι: Οι ηλεκτροστατικές δυνάμεις σχηματίζουν ιοντικούς δεσμούς. Ένα κλασικό παράδειγμα είναι ένα κρυσταλλικό αλάτι ή αλάτι.

Υπάρχουν επτά συστήματα κρυσταλλικών δομών, τα οποία καλούνται επίσης πλέγματα ή διαστημικά πλέγματα:

1. Κυβικά ή ισομερικά: Το σχήμα αυτό περιλαμβάνει οκταεδρόνια και δωδεκαέδρους καθώς και κύβους.
2. Τετράγωνος: Αυτοί οι κρύσταλλοι σχηματίζουν πρίσματα και διπλές πυραμίδες. Η δομή είναι σαν κυβικός κρύσταλλος, εκτός του ότι ένας άξονας είναι μεγαλύτερος από τον άλλο.
3. Orthorhombic: Αυτά είναι ρομβικά πρίσματα και διπυραμίδια που μοιάζουν με τετράγωνα αλλά χωρίς τετραγωνικές διατομές.
4. Εξαγώνιος: Πρίσματα έξι πλευρών με διατομή εξάγωνου.
5. Τριγωνικός: Αυτοί οι κρύσταλλοι έχουν έναν τριπλό άξονα.
6. Triclinic: Οι τριπλικοί κρύσταλλοι τείνουν να μην είναι συμμετρικοί.
7. Μονοκλινικά: Αυτοί οι κρύσταλλοι μοιάζουν με λοξά τετραγωνικά σχήματα.

Τα σχάρες μπορεί να έχουν ένα σημείο πλέγματος ανά κύτταρο ή περισσότερα από ένα, αποδίδοντας συνολικά 14 τύπους κρυστάλλων Bravais. Τα πλέγματα Bravais, που ονομάστηκαν για τον φυσικό και τον κρυσταλλογραφικό Auguste Bravais, περιγράφουν την τρισδιάστατη διάταξη που παράγεται από ένα σύνολο διακεκριμένων σημείων.

Μια ουσία μπορεί να σχηματίσει περισσότερα από ένα κρυσταλλικό πλέγμα. Για παράδειγμα, το νερό μπορεί να σχηματίσει εξαγωνικό πάγο (όπως νιφάδες χιονιού), κυβικό πάγο και ρομβοεδρικό πάγο. Μπορεί επίσης να σχηματίσει άμορφο πάγο.

Ο άνθρακας μπορεί να σχηματίσει διαμάντι (κυβικό πλέγμα) και γραφίτη (εξαγωνικό πλέγμα).

Εμφανίζεται η διαδικασία σχηματισμού ενός κρυστάλλου αποκρυστάλλωση. Η κρυστάλλωση συνήθως συμβαίνει όταν ένας στερεός κρύσταλλος αναπτύσσεται από ένα υγρό ή διάλυμα.

Καθώς ένα ζεστό διάλυμα ψύχεται ή α κορεσμένο διάλυμα εξατμίζεται, τα σωματίδια έλκονται αρκετά κοντά για να σχηματίσουν χημικούς δεσμούς. Οι κρύσταλλοι μπορούν επίσης να σχηματιστούν από εναπόθεση απευθείας από την αέρια φάση. Οι υγροί κρύσταλλοι διαθέτουν σωματίδια προσανατολισμένα με οργανωμένο τρόπο, όπως στερεοί κρύσταλλοι, αλλά είναι σε θέση να ρέουν.