Kristall


Disambig-dark.svg Dieser Artikel beschäftigt sich mit dem physikalischen Begriff. Für weitere Bedeutungen siehe Kristall (Begriffsklärung).
Schema des Kristallgitters von Kochsalz (Natriumchlorid). In jeder Raumrichtung wechseln Natriumatome (grau) regelmäßig mit Chloratomen (grün) ab. Die eingezeichneten Oktaeder zeigen je ein Atom mit seinen sechs nächsten Nachbaratomen. Der Abstand zweier benachbarter Atome beträgt 0,56 Nanometer.

Ein Kristall ist ein Körper, dessen Atome oder Moleküle nicht zufällig, sondern regelmäßig in einem Kristallgitter angeordnet sind. Bekannte Kristallmaterialien sind Kochsalz, Zucker, Minerale und Schnee – aber auch die Metalle.

Inhaltsverzeichnis

Genauere Definition, Unterscheidungen

Die charakteristische Eigenschaft eines Kristalls ist seine Fernordnung. Der Kristall ist dreidimensional periodisch aus gleichbleibenden Struktureinheiten aufgebaut.[1] Diese Struktureinheit heißt Einheitszelle oder Elementarzelle. Ein Kristall ist ein homogener Körper, denn er ist stofflich und physikalisch einheitlich. Aber die physikalischen Eigenschaften variieren mit der Raumrichtung, d. h. ein Kristall ist anisotrop.[2] Die Wissenschaft, welche die Eigenschaften und Formen von Kristallen erforscht, ist die Kristallographie.

idiomorph gewachsene Halit-Kristalle

Je nach Ausprägung der äußeren Form unterscheidet man

  • unbeeinträchtigt ausgebildete, sogenannte idiomorphe (altgriechisch ἲδιος eigen und μορφἠ Gestalt) Kristalle und
  • xenomorphe (altgriechisch ξένος fremd und μορφἠ Gestalt) Kristalle, deren äußere Form durch fremde Grenzflächen bestimmt ist.

Der idiomorphe Kristall weist in seiner äußeren Form auf die jeweilige Kristallstruktur hin. Deshalb sind z. B. ungestört gewachsene Natriumchloridkristalle (Kochsalz, Mineral Halit) würfelförmig.

Im Regelfall liegt ein kristalliner Festkörper als Polykristall und nicht als Einkristall vor, das heißt der Körper besteht aus vielen kleinen Kristallen (Kristalliten), die durch Korngrenzen voneinander getrennt sind. Liegen verschiedene Kristallarten nebeneinander vor, so spricht man von Phasengrenzen.

Da die charakterische Eigenschaft von Kristallen die regelmäßige Anordnung in allen drei Raumrichtungen ist, sind auch Körper denkbar, deren Bausteine sich nur in einer oder zwei Raumrichtungen wiederholen. Dann lässt sich von eindimensionalen und zweidimensionalen Kristallen sprechen. In der Natur kommen Membranproteine vor, die sich als zweidimensionale Kristalle in der Biomembran anordnen. Ein Beispiel ist Bacteriorhodopsin.[3] In der Strukturbiologie werden 2D-Kristalle gezüchtet, um die Atompositionen der kristallisierten Makromoleküle mittels Elektronen-Kryomikroskopie zu ermitteln.[4]

Kein Kristall, sondern ein zweidimensionaler Quasikristall: Die Penrose-Parkettierung wiederholt sich bei einer vollständigen Drehung fünf mal (fünfzählige Rotationssymmetrie), aber nicht bei einer Verschiebung. Sie besitzt also keine translationssymmetrische Fernordnung.

Außer Kristallen gibt es auch Körper, die keine innere Fernordnung haben und amorph genannt werden. Ein Beispiel ist Glas (auch sogenanntes Bleikristall und anderes Kristallglas). Weiter gibt es Quasikristalle, die zwar wohlgeordnet sind, sich jedoch nicht in regelmäßigen Abständen wiederholen. Sie besitzen also keine Translationssymmetrie.[5] [6] Ein Beispiel für einen 2D-Quasikristall ist eine Penrose-Parkettierung, die aus zwei verschiedenen Kacheln so angeordnet ist, dass sich eine fünfzählige Rotationssymmetrie ergibt, jedoch keine Translationssymmetrie. Wenn eine Flüssigkeit anisotrop ist und dadurch einige Eigenschaften eines Kristalls aufweist, bezeichnet man sie als Flüssigkristall.

Wortherkunft

Der Begriff Kristall stammt von dem griechischen Wort κρύσταλλος (krýstallos), das Bergkristall und Eis bedeutet.[7] Bei dem bereits im antiken Griechenland betriebenen Bergbau wurden wahrscheinlich Quarz-Kristalle entdeckt. Sie wurden für Eis gehalten, das bei so tiefen Temperaturen entstanden sein müsse, dass es nicht mehr schmelzen könne. Diese Ansicht war bis ins frühe Mittelalter verbreitet. Über das lateinische crystallus hat sich die althochdeutsche Bezeichnung kristallo gebildet, die sich im Laufe der Zeit zu Kristall gewandelt hat.[7]

Klassifikation und Struktur

Chromalaun (KCr(SO4)2·12H2O) Oktaeder (2,5 cm Kantenlänge)

Alle möglichen Kristallgitter lassen sich im Rahmen der Gruppentheorie anhand ihrer Kristallklassen in 230 kristallographische Raumgruppen klassifizieren, welche ihrerseits auf den Punktgruppen und den Bravais-Gittern basieren (siehe auch Kristallsystem). Die Kristallstruktur ist jedoch nicht stoffspezifisch, das heißt eine Substanz bzw. ein Mineral kann je nach äußeren Bedingungen (Druck, Temperatur etc.) unterschiedliche thermodynamisch stabile Strukturen besitzen, welche man als Modifikationen bezeichnet.

Die Regelmäßigkeit im Inneren spiegelt sich mitunter auch in der makroskopischen Gestalt des idiomorphen Kristalls wider. So sind zum Beispiel Eiskristalle sechseckig, während Kochsalzkristalle würfelförmig sind. Das äußere Aussehen eines Kristalls wird durch die voneinander unabhängigen Merkmale Kristallhabitus und Kristalltracht bestimmt. Die Kristallflächen werden ebenso wie Gitterebenen durch Millersche Indizes beschrieben. Die Untersuchung von Kristallstrukturen ist Aufgabenfeld der Kristallstrukturanalyse.

Gitterfehler

Ein realer Kristall enthält Gitterfehler, das heißt die dreidimensional-periodische Anordnung der Atome ist gestört. Man unterscheidet Punktfehler, Linienfehler, Flächenfehler und Volumenfehler. Punktfehler sind die einzigen Gitterfehler, die auch im thermodynamischen Gleichgewicht vorkommen.

Kristallisation

Ein Kristall entsteht, wenn die Temperatur einer Schmelze langsam genug unter den Schmelzpunkt sinkt und daraufhin die thermische Bewegung der einzelnen Atome einen so geringen Wert annimmt, dass die gegenseitigen Bindungen durch Schwingungen nicht mehr aufgebrochen werden können - es kommt zur Bildung eines einheitlichen Gitters, das durch Fernordnung geprägt ist. Das einheitliche Gitter hat eine geringere freie Enthalpie als das amorphe Glas, welches lediglich über eine Nahordnung verfügt. Man bezeichnet diesen Vorgang als Kristallisation.

Die Bildung eines Kristalls ist ein exergonischer Prozess: Zwar nimmt die Entropie im System ab (wegen Zunahme der Fernordnung), bei Temperaturen bis zum Schmelzpunkt wird dies jedoch durch eine Enthalpieabnahme infolge Anziehung zwischen den Teilchen (= Kristallisationswärme) überkompensiert.

Ausgangspunkt für die Kristallbildung ist ein Kristallisationskeim, der bei sinkender Temperatur wächst. Existieren viele solcher Kristallkeime oder setzt die Kristallisation an mehreren Stellen gleichzeitig ein, so entsteht ein Polykristall. Sinkt die Temperatur der Schmelze so schnell, dass sich die Atome nicht periodisch anordnen können, so entsteht ein amorphes Material, ein Glas. In vielen Fällen kommt es im Zuge der Kristallisation zu einem Verwachsen zweier Kristalle gleicher Struktur und Zusammensetzung, welche man in Folge als Kristallzwilling bezeichnet.

Unter einer Umkristallisation versteht man die Änderung einer Kristallstruktur, bedingt durch die Änderung äußerer Faktoren wie den Druck- und Temperaturbedingungen. Hierbei wechselt der kristalline Feststoff seine Modifikation.

Die künstliche Herstellung von Kristallen bezeichnet man als Kristallzucht.

Eigenschaften

Kristalle haben eine höhere Dichte als ihre amorphen Gegenstücke. Nichtmetallische anorganische Kristalle sind härter, aber auch spröder. Alle Metalle erstarren im Regelfall kristallin.

Das Verhalten von Licht in Kristallen wird durch die Kristalloptik beschrieben. Wichtige hiermit verbundene Eigenschaften und Phänomene sind die optische Aktivität, die Polarisation, die Doppelbrechung und der Pleochroismus. Periodische dielektrische Strukturen, so genannte photonische Kristalle, zeigen neuartige optische Eigenschaften.

Manche Kristalle, z. B. Quarzkristalle, haben piezoelektrische Eigenschaften. Sie bauen eine elektrische Spannung auf, wenn sie verformt werden und verformen sich, wenn elektrische Spannung angelegt wird.[8] Dieser Effekt wird in Piezofeuerzeugen genutzt, um Zündfunken zu generieren. In der Elektronik dienen piezoelektrische Schwingquarze als Taktgeber (z. B. in Quarzuhren). Einige piezoelektrische Kristalle, jedoch nicht alle, wandeln eine Temperaturdifferenz in eine Ladungstrennung um. Diese Eigenschaft wird Pyroelektrizität genannt.[9] Solche Kristalle werden in Bewegungsmeldern und Temperaturfühlern verwendet. Ein besonderer Fall der Pyroelektrizität ist die Ferroelektrizität: Bei ferroelektrischen Kristallen kann die elektrische Polarisation durch das Anlegen einer Spannung umgepolt werden.[10]

Formen und Beispiele

farbloser Bergkristall
buntfarbiger Achat

Viele Minerale sind in der Lage, eine Vielfalt an Kristallformen und Farben auszubilden. Bekannteste Beispiele sind zum einen der Quarz, dessen Ausbildungsformen den ganzen Bereich von makrokristallin-farblos (Bergkristall) bis mikrokristallin-buntfarbig (Achat) abdeckt und zum anderen der Calcit mit ähnlichem Reichtum an Varietäten.

Der Diamant ist eine kristalline Form des Kohlenstoffs und das härteste natürlich vorkommende Mineral. Auch Silizium kristallisiert im Diamantgitter. Es ist zurzeit der Stoff, der am häufigsten in großen Mengen einkristallin, also als Monokristall, verwendet wird, nämlich in der Halbleitertechnik. Im Gegensatz dazu weist Galliumarsenid (GaAs) die so genannte Zinkblende-Struktur auf. Die Nanotechnologie befasst sich unter anderem mit Nanokristallen. Auch organische Stoffe, z.B. die Proteine, bilden Kristalle.

Literatur

  • Konrad Kopitzki, Peter Herzog (1989): Einführung in die Festkörperphysik. Teubner. ISBN 3-519-33083-0
  • Lesley Smart, Elaine Moore (1997): Einführung in die Festkörperchemie. Springer. ISBN 3-540-67066-1
  • Will Kleber, Hans-Joachim Bautsch, Joachim Bohm (1998): Einführung in die Kristallographie. Oldenbourg. ISBN 3-486-27319-1
  • Anthony R. West (2000): Grundlagen der Festkörperchemie. Wiley-VCH. ISBN 3-527-28103-7
  • Neil W. Ashcroft (2001): Festkörperphysik. München, Wien: Oldenbourg. ISBN 3-486-24834-0
  • Walter Borchardt-Ott (2002): Kristallographie. Springer. ISBN 3-540-43964-1
  • Charles Kittel (2002): Einführung in die Festkörperphysik. Oldenbourg. ISBN 3-486-27219-5
  • Bernhard Bill (2003): Messen mit Kristallen. Moderne Industrie. ISBN 3-478-93269-6
  • Hans Fischer, Hansgeorg Hofmann, Jürgen Spindler (2003): Werkstoffe in der Elektrotechnik. Hanser Verlag. ISBN 3-446-22082-8
  • Ulrich Müller (2004): Anorganische Strukturchemie. Teubner. ISBN 3-519-33512-3
  • Okrusch, Matthes (2005): Mineralogie. Springer. ISBN 3-540-23812-3
  • Werner Massa (2009): Kristallstrukturbestimmung. Teubner. ISBN 978-3-8348-0649-9

Einzelnachweise

  1. ↑ Will Kleber, Hans-Joachim Bautsch, Joachim Bohm (1990): Einführung in die Kristallographie. Verlag Technik. ISBN 3-341-00479-3, Seite 19
  2. ↑ Will Kleber, Hans-Joachim Bautsch, Joachim Bohm (1990): Einführung in die Kristallographie. Verlag Technik. ISBN 3-341-00479-3, Seite 14
  3. ↑ Hayato Yamashita, Kislon Voitchovsky, Takayuki Uchihashi, Sonia Antoranz Contera, John F. Ryan, Toshio Ando (2009): Dynamics of bacteriorhodopsin 2D crystal observed by high-speed atomic force microscopy, Journal of Structural Biology, Volume 167, Issue 2, Pages 153-158, ISSN 1047-8477, DOI: 10.1016/j.jsb.2009.04.011, Online hier, abgerufen am 26. Oktober 2009
  4. ↑ Hsg. Michael G. Rossmann & Eddy Arnold, Hsg. (2001): International Tables for Crystallography Volume F: Crystallography of Biological Macromolecules. Kluwer Academic Publishers, Dordrecht u. a., Seiten 459f
  5. ↑ C. Giacovazzo, Hsg. (1992): Fundamentals of Crystallography. Oxford University Press. ISBN 0-19-855578-4, Seiten 223-226
  6. ↑ Michael Baake, Robert Moody, Uwe Grimm: Verborgene Ordnung der Quasikristalle, Spektrum der Wissenschaft Februar 2002, englische Version hier online, abgerufen am 21. Oktober 2009
  7. ↑ a b Wolfgang Pfeifer u. a.: Etymologisches Wörterbuch des Deutschen. dtv, München 1995, ISBN 3-423-03358-4, Seite 735
  8. ↑ Will Kleber, Hans-Joachim Bautsch, Joachim Bohm (1990): Einführung in die Kristallographie. Verlag Technik. ISBN 3-341-00479-3, Seiten 267-272
  9. ↑ Will Kleber, Hans-Joachim Bautsch, Joachim Bohm (1990): Einführung in die Kristallographie. Verlag Technik. ISBN 3-341-00479-3, Seite 262
  10. ↑ Will Kleber, Hans-Joachim Bautsch, Joachim Bohm (1990): Einführung in die Kristallographie. Verlag Technik. ISBN 3-341-00479-3, Seite 264

Weblinks

Commons Commons: Kristall – Sammlung von Bildern und/oder Videos und Audiodateien
Wiktionary Wiktionary: Kristall – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen und Grammatik






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