Kristal (natuurwetenschappen)
Een kristal is een hoeveelheid periodiek gerangschikte atomen of moleculen, en dit zowel in 2 als in 3 dimensies. Zuivere stoffen zijn meestal in staat tot het vormen van kristallen. Materialen die uit kristallen bestaan, worden kristallijn genoemd. Materialen die daarentegen bestaan uit een hoeveelheid moleculen die niet ordelijk gerangschikt zijn, worden amorf genoemd. De bekendste amorfe stof is glas, en zelfs kristalglas is, ondanks de naam, geen kristal. Quasikristallen vormen een bijzonder aspect van kristallijne vaste stoffen, omdat zij een schijnbaar periodieke structuur bezitten.
De ordelijke rangschikking in een kristal bestaat uit een opeenstapeling van ionen of groepjes moleculen (eenheidscellen) die zich in drie richtingen steeds herhalen (periodiciteit). De totale structuur die in die rangschikking ontstaat, wordt een kristalstructuur of kristalrooster genoemd. Alle mogelijke eenheidscellen zijn wiskundig te beschrijven door middel van de veertien bravaistralies, verdeeld over 7 kristalstelsels en 32 kristalklassen. De habitus van een kristal is de totale verzameling van kristalvlakken die de macroscopische vorm van het kristal bepalen.
Eigenschappen
Kristalvorm
Kristallen komen voor in zeven verschillende kristalstelsels: kubisch, tetragonaal, hexagonaal, trigonaal, orthorombisch, monoklien en triklien.
Ionaire stoffen (zouten)
Bij zouten zijn positieve en negatieve ionen in een vaste verhouding in het kristalrooster gerangschikt. Beschouw natriumchloride (NaCl) als voorbeeld, dan kan men het kristalrooster als volgt voorstellen: ieder natrium-kation (Na+) wordt omgeven door 6 chloride-anionen (Cl−) en ieder chloride-kation wordt omgeven door 6 natrium-anionen. Er zijn hier dus geen aparte kristallen aan te wijzen. De deeltjes blijven op hun plaats in het kristalrooster doordat ze elektrisch geladen zijn en elkaar aantrekken. Zo heeft het natrium-ion een elektron te weinig, waardoor het positief geladen wordt. Het chloride-ion heeft een elektron opgenomen, waardoor het negatief geladen wordt. De natrium- en de chloride-ionen in het kristalrooster zijn in een vaste verhouding gerangschikt, zodanig dat de netto lading nul is.
In opgeloste toestand zijn de ionen van opgeloste zouten in staat om elektrische stroom te geleiden: zouten zijn sterke elektrolyten.
Moleculaire kristallen
Anders dan bij zouten zijn hier wel aparte kristallen aan te wijzen; bij een moleculaire kristallijne stof houden de moleculen elkaar op hun plaats in het kristalrooster door de cohesiekracht die er constant aanwezig is.
Vorming
Een kristal kan op meerdere manieren gevormd worden. Dit noemt men kristalgroei of kristallisatie. Een van de manieren is het langzaam afkoelen van een stof vanuit de vloeibare toestand. Her en der in de stollingsfase beginnen zich dan kleine kristallen te ontwikkelen. Wanneer de vloeistof geheel is omgezet naar een vaste fase, is er een materiaal ontstaan dat bestaat uit vele kleine stukjes kristal (korrels). Elk stukje kristal heeft haar ionen of moleculen in dezelfde richting staan, maar de kristallen onderling kunnen een verschillende draaihoek ten opzichte van elkaar hebben. Het grensvlak waarop de verschillende korrels elkaar raken, wordt de korrelgrens genoemd.
Afhankelijk van de vormingsmethode kunnen er echter ook eenkristallen gevormd worden. Bij eenkristallen zijn er geen korrelgrenzen of korrels ontstaan, maar bestaat het hele materiaal slechts uit één korrel, ofwel álle groepen ionen of moleculen bevinden zich in dezelfde stand. Een zuivere diamant is een voorbeeld van een eenkristal, maar ook suiker is in staat om als eenkristal uit te groeien. In de halfgeleidertechnologie worden eenkristallen van vooral silicium gebruikt.
Onderzoek
Onderzoek aan kristallen kan onder meer worden uitgevoerd middels röntgendiffractie. Deze methode maakt door fotonenreflectie aan het oppervlakte van het materiaal als het ware een "vingerafdruk", waaraan kan worden afgelezen uit welke kristallen een stof bestaat. De vingerafdruk is afhankelijk van de omvang en de bestanddelen van de eenheidscellen in het kristal.
Etymologie
Het woord kristal is afgeleid van het Griekse woord Krustallos dat ijs betekent. Men geloofde dat bergkristal door de goden vormgegeven ijs was.
