Kristály
A kristály görög eredetű szó „krüsztallosz”, jelentése: jég
A kristály szabályos helyzetű síklapokkal határolt természetes képződmény, amely anyagában egynemű, vagyis homogén és amelynek alakja és anyaga közt szoros törvényszerű összefüggés van. Eleinte csak a kvarckristályt értették alatta, amely az égi tüzek folytán a legnagyobb mértékben megszilárdult víz lett volna, később átvitték a szó jelentését mindenféle kristályra.
A kristály oly módon keletkezik, hogy az anyag részecskéi bizonyos szabály szerint egymás mellé rakódnak.
Hogy ez megtörténhessen, ahhoz megfelelő térre és időre van szükség. A kristályosodásnak tehát feltétele nemcsak az anyagnak kristályosodásra való hajlandósága, hanem a tér és idő is, ebből viszont következik, hogy szilárd halmazállapotból nem, hanem csupán gáznemű vagy cseppfolyós állapotból történhet kristályosodás, de csakis akkor, ha a gáznemű vagy cseppfolyós anyagnak elég ideje van ahhoz, hogy mozgékony részecskéi kristály alakban rendeződhessenek.
Képződhetnek kristályok szublimáció útján, vagyis olyan módon, hogy az anyag elszálló gőze lehűlve, lecsapódik és kristály alakban megszilárdul.
Képződhet kristály úgy is, hogy két gáz vagy gőz egymásra való hatásakor új anyag keletkezik és ez kristály alakban lerakódik. E két módon a természetben főként vulkáni vidékeken, a föld mélyéből felszálló gőzökből és gázokból keletkeznek kristályok.
A cseppfolyós halmazállapotból való kristályosodás egyik módja az oldatból, az oldószer elpárolgása folytán történő kicsapódás, a másik pedig az olvadékból, annak lehűtése következtében való kiválás.
Történhet kristályosodás oly módon is, hogy két különböző olvadt anyag hat egymásra, vagy pedig valamely oldatba olyan anyag kerül, amely az oldott anyagot kicsapja és kristályosodásra kényszeríti.
A kristály ugyanabban az anyagban tovább fejleszthető, mert a már kifejlődött lapokra új anyag rakódik, vagyis a lapok önmagukkal párhuzamosan, mintegy kifelé tolódnak. Izomorf vegyületek kristályai (pl. timsók) egymás oldatában is tovább növeszthetők. A kristályok növekedése legtöbb esetben nem minden irányban, azaz nem minden lapon egyenlő, mert a legtöbb kristály torzult, vagy pedig csak a váza fejlődik ki. Bármennyire torzult is valamely kristály, lapjainak egymáshoz való hajlásszöge változatlan marad, és így a kristály vizsgálatánál elsősorban ezt vesszük figyelembe. A hajlásszöget kristályszög-mérővel, goniométerrel mérjük.
A kristály a természetben vagy úgy képződik, hogy a mozgékony közegben (gázban, oldatban vagy olvadékban) minden irányban szabadon fejlődik, vagy pedig úgy, hogy valamely szilárd alapon válik ki, amikor is csak a szabad végén fejlődhet ki. Az előbbi esetben benőtt-, az utóbbi esetben felnőtt kristályról beszélhetünk. Benőtt kristályok képződnek az összetett kristályos kőzetekben, mint azoknak alkotórészei, felnőtt kristályok keletkeznek a kőzetek üregeiben, repedéseiben. A benőtt kristályok legtöbb esetben mindkét végükön azonos módon vannak kifejlődve, és csak ritkán tapasztalható, hogy a két végük más-más kifejlődésű. Az ilyen kristályokat félalakú vagy hemimorf kristályoknak nevezzük.
A kristályok nagysága függ a kristályosodó anyag különleges tulajdonságaitól.
A legtöbb anyag kristályai szabad szemmel is jól felismerhetők, viszont vannak anyagok, amelyeknek kristályai csak mikroszkóppal vehetők ki, az ilyen kristályokat mikrolitoknak és ha valamivel nagyobbak, krisztallitoknak nevezzük. Ha valamely oldatban vagy olvadékban a kristályok gátolják egymást szabad fejlődésükben, vagy pedig a fejlődésre nem áll elegendő idő rendelkezésükre, akkor csak egyes kristálylapok fejlődnek ki, de a minden oldalról síklapokkal határolt formák kialakulása elmarad. Az ilyen ásványtömeget kristályosnak mondják, ilyen pl. a márvány vagy a vulkáni kőzetek legnagyobb része.
Az anyagok nagy többsége képes kristályosodni, és aránylag kevés az olyan anyag, amely alaktalan (amorf) állapotban szilárdul meg. A sokféle anyagnak megfelelően a kristályok száma is igen nagy. Ha a kristályon minden lap egybevágó, egyszerű kristályról, ha pedig többféle lap van rajta, akkor kristály-kombinációról beszélünk. A kristályok többsége kristály-kombináció és aránylag kevés közöttük az egyszerű kristály.
A nagy változatosság mellett is a kristályok néhány csoportba (rendszerbe) sorolhatók.
Számos kristály, ha a középpontján át egyenest (képzeletbeli tengelyt) fektetünk, akkor a tengely körül bizonyos forgatásra önmagával teljesen fedésbe jön ki (szimmetriatengely), vagy pedig a kristály a középpontján át fektetett síkkal két (tükörképi) szimmetrikus félre vágható (szimmetriasík). Ha a szimmetriatengely két végén a kristály nem egyformán van kifejlődve, akkor a szimmetriatengely poláros.
A szimmetriasíkok és tengelyek száma szerint 32 kristályosztályt különböztetünk meg, amelyeket a következő 6 kristályrendszerbe szokás összefoglalni:
- Aszimmetrikus (háromhajlású, triklin) kristályrendszer: nincsen egy szimmetriasíkja sem.
- Mono szimmetrikus (monoklin, egyhajlású) kristályrendszer: egyetlen szimmetriasíkja van, amelyre az egyetlen szimmetriatengely merőleges.
- Rombos kristályrendszer: három egymásra merőleges szimmetriasíkja van, amelyek három egymásra merőleges egyenesen, a három szimmetriatengelyen metszik egymást.
- Négyzetes (tetragonális) kristályrendszer: amelynek 5 szimmetriasíkja van, a 4 függőleges mellék szimmetriasík egymással 45°-45°-ot zár be és a függőleges főtengelyben metszi egymást, az ötödik (a fő szimmetriasík) az előbbi négyre merőlegesen, azaz vízszintesen fekszik.
- Hatszöges (hexagonális) kristályrendszer: amelynek 7 szimmetriasíkja van, a hat úgynevezett mellék szimmetriasík egymást a függőleges főtengelyben metszi és egymással 30°-30°-ot zár be, a vízszintes fő szimmetriasík tehát az előbbiekre merőleges.
- Szabályos (tesszerális) kristályrendszer: 9 szimmetriasíkja van, a három foszimmetriasík egymásra kölcsönösen merőleges, a 6 mellékszimmetriasík pedig a három fő szimmetriasíktól alkotott derékszöget megfelezi.
A hat kristályrendszeren belül a további szimmetria-viszonyok szerint alakulnak a kristály osztályok, amelyeknek száma összesen 32.
Valamely anyagon csakis ugyanazon osztálynak a kristály alakjai fordulhatnak elő. A kristály alakokat bizonyos képzelt (a középpontján áthaladó) egyenesekre az úgynevezett kristálytengelyekre szokás vonatkoztatni, ezek a tengelyek egybeesnek a szimmetriatengelyekkel. A kristály tengelyek tehát tulajdonképpen egy koordinátarendszernek a tengelyei, a koordinátatengelyeken lemetszett darabok (paraméter) határozzák meg a kristály alakot. Minden kristályosodott anyagon ezek a lemetszett darabok egy bizonyos alapalak metszeteinek racionális többszörösei (a paraméter-viszonyszámok racionalitásának törvénye). Az alapalak pedig minden egyes anyagra eltérő és jellemző, a szimmetriája és alakja alatt értjük az illető anyag kristálytani kristályelemeit.
A kristályok alakja, továbbá egyéb fizikai tulajdonságaik és a kémiai összetételük között is összefüggés van.
Minden geometriai szimmetriasík egyúttal a többi fizikai tulajdonságokra nézve szintén szimmetriasík. Különösen feltűnő ez a hasadás, optikai viselkedés, hő-és elektromos tulajdonságok tekintetében. Elektromosság tekintetében vannak jó és rossz vezetők. Rossz vezetők a kvarc, kén, amelyekben dörzsölés, nyomás stb., de főkép melegítés és hűtés révén elektromosság (piroelektromosság) gerjeszthető. Ha a kristály hibátlan, akkor az elektromosság eloszlása a szimmetriának megfelelően történik, az egyenértékű végeken azonos töltés keletkezik, a hemimorf szimmetriatengelyek 2 végén ellentétes töltés alakul ki. A kristálynak az a vége, amely melegítéskor pozitív töltést kap, lehűtéskor negatív lesz és fordítva.
Ha a lehűlő kristályt finom mínium és kénpor keverékével beszórjuk akkor a negatív pólusra tapad a vörös mínium és a pozitívra a sárga kénpor. Ezúton gyakran lehet a rejtett ikerösszenövéseket felismerni. A vezetőképesség szintén összefügg a szimmetriával, egyenértékű irányokban a vezetőképesség azonos, különböző értékű irányokban eltérő, ezek az eltérések azonban általában kicsik. A kémiailag izomér és fizikailag allotróp testek vezetőképessége rendkívül eltérő, az izomorf testeké alig különbözik egymástól.
A hőtani tulajdonságok tekintetében különösen azt kell kiemelni, hogy a szabályos rendszerbe tartozó testek minden irányban egyenlően terjednek ki. A többi rendszerekben a kiterjedés különféle irányokban eltérő, a lapok alkotta szögek tehát némileg a hőmérséklettől is függenek. Hőemelkedéskor azonban nem változik a szimmetria, a párhuzamos lapok és élek továbbra is párhuzamosak maradnak.