Kristall
Der Begriff Kristall stammt ursprünglich von dem griechischen Wort "kryos" = Eis ab. Bei dem bereits im antiken Griechenland betriebenen Bergbau wurden wahrscheinlich Quarz-Kristalle entdeckt, die für nicht geschmolzenes Eis gehalten wurden. Daher stammt die Bezeichnung "Krystall", die sich im Laufe der Zeit zu "Kristall" gewandelt hat.
Ein Kristall ist ein anisotroper, homogener Körper, der aus einer dreidimensional und periodisch angeordneten Struktureinheit besteht. Festkörper ohne eine innere Ordnung werden amorph genannt, siehe Glas. Daneben gibt es noch Quasikristalle, die zwar wohlgeordnet sind, jedoch keine dreidimensionale Translationssymmetrie besitzen und aus mehreren unterschiedlichen Struktureinheiten aufgebaut sein können.
Ein realer Kristall enthält Gitterfehler, d.h. die dreidimensional-periodische Anordnung der Atome ist gestört. Man unterscheidet Punktfehler (Leerstellen, Zwischengitteratome, Fremdatome), Linienfehler (Versetzungen), Flächenfehler (Oberfläche, Korngrenzen, Zwillingsgrenzen), Volumenfehler (Poren, Einschlüsse). Leerstellen sind die einzig thermodynamisch stabilen Gitterfehler. Im Regelfall liegt ein anorganischer Festkörper als Vielkristall (Polykristall) vor, d.h. der Körper besteht aus vielen kleinen Kristallen (Kristalliten), die durch Korngrenzen voneinander getrennt werden. Liegen verschiedene Kristallarten nebeneinander vor, so spricht man von Phasengrenzen.
Ein Kristall entsteht, wenn die Temperatur der flüssigen Materie langsam genug unter den Schmelzpunkt sinkt und daraufhin die thermische Bewegung der einzelnen Atome einen so geringen Wert annimmt, dass die gegeseitigen Bindungen durch thermische Schwingungen nicht mehr aufgebrochen werden und die Atome sich so zu einem einheitlichen Gitter vereinigen können. Das einheitliche Gitter hat eine geringere freie Enthalpie als das Glas.
Ausgangspunkt für die Kristallbildung ist ein Kristallkeim, 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 Glas.
Alle möglichen Kristallgitter lassen sich im Rahmen der Gruppentheorie anhand ihrer Kristallsymmetrie in 230 Raumgruppen klassifizieren (siehe Kristallsystem).
Die Regelmäßigkeit im Inneren spiegelt sich mitunter auch in der makroskopischen Geometrie wieder. So sind zum Beispiel Eiskristalle sechseckig, während Kochsalzkristalle würfelförmig sind. Das äußere Aussehen eines Kristalls wird als Kristallhabitus oder Kristalltracht bezeichnet. Die Kristallflächen werden durch Millersche Indizes beschrieben.
Kristalle haben eine höhere Dichte als ihre amorphen Gegenstücke. Nichtmetallische-anorganische Kristalle sind härter, aber auch spröder. Alle Metalle erstarren im Regelfall kristallin.
Viele Schmucksteine sind besonders schöne und große Kristalle der verschiedenen Mineralien. Der Bergkristall ist eine farblose Variante des Quarz-Kristalls, die violette Variante ist der Amethyst. Der Diamant ist eine kristalline Form des Kohlenstoff und das härteste natürlich vorkommende Mineral. Auch Silizium kristallisiert im Diamantgitter. Es ist wohl zur Zeit der Stoff, der am häufigsten in großen Mengen einkristallin verwendet wird (Halbleitertechnik).
Das Verhalten von Licht in Kristallen wird durch die Kristalloptik beschrieben. Periodische dielektrische Strukturen, so genannte Photonische Kristalle, zeigen neuartige optische Eigenschaften.
Siehe auch: Einkristall, Kristallographie, Flüssigkristall, Glas
Literatur
- Ashcroft, Neil W.: Festkörperphysik, München, Wien: Oldenbourg 2001, ISBN 3486248340
- Walter Borchardt-Ott: Kristallographie, Springer, 2002 ISBN 3540439641
- Charles Kittel: Einführung in die Festkörperphysik, Oldenbourg, 2002, ISBN 3486272195
- Will Kleber, Hans-Joachim Bautsch, Joachim Bohm: Einführung in die Kristallographie, Oldenbourg, 1998, ISBN 3486273191
- Konrad Kopitzki, Peter Herzog: Einführung in die Festkörperphysik, Teubner, Stuttgart, 1989, 2. Auflage, ISBN 3519330830
- Ulrich Müller: Anorganische Strukturchemie, Teubner, 2004, ISBN 3519335123
- Lesley Smart, Elaine Moore: Einführung in die Festkörperchemie, Springer, 1997, ISBN 3540670661