Kristāls

Kristāls (no grieķu: κρύσταλλος; sākotnēji vārds apzīmēja — ledu, vēlāk — kalnu kristālu) ķīmijā un mineraloģijā ir cietviela, kuru veidojošie atomi, molekulas vai joni ir izkārtoti noteiktā, regulārā kārtībā, šai kārtībai cikliski atkārtojoties visās trīs telpiskajās dimensijās. Ar kristālu pētīšanu nodarbojas kristalogrāfija.

Kvarca kristāls

Kristālu veidošanās

Parasti kristāli veidojas vielas sacietēšanas procesā. Ideālos apstākļos izveidojas viens kristāls - monokristāls, kam pilnīgi visi atomi pieder pie vienotas, stingri noteiktas kristāliskās struktūras. Tomēr dabā ideālu apstākļu nav un veidojas daudzi kristāli vienlaicīgi, kopā veidojot polikristālisku vielu. Piemēram, ikdienā sastopamie metāli ir polikristāli. Nereti kristāli simetriskā veidā saaug kopā, veidojot dvīņu kristālus.

To, kādu kristālisko struktūru pieņems šķidrums, nosaka:

• Šķidruma ķīmiskais sastāvs;
• Apstākļi, kādos tas sacietē;
• Spiediens, kādā notiek sacietēšana.

Insulīna kristāli

Kristāliskās struktūras veidošanās procesu bieži dēvē par kristalizāciju.

Kaut gan parasti, vielai atdziestot veidojas kristālisks materiāls, noteiktos apstākļos šķidrums var sacietēt arī nekristāliskā stāvoklī. Visbiežāk tas notiek tad, ja sacietēšana notiek ļoti strauji, un atomi zaudē mobilitāti, pirms tie sasnieguši savas vietas kristāliskajā režģī. Šādu nekristālisku materiālu sauc par amorfu vielu, par stiklu. Jāatzīmē, ka principā pastāv atšķirība starp amorfu cietvielu un stiklu: stikls drīzāk ir viskozs šķidrums nevis cietviela - kaut gan par šo jautājumu vēl notiek speciālistu diskusijas.

Kristālu izplatība un īpatnības

Kristāliskā struktūra sastopama visu veidu materiālos ar visu veidu ķīmiskajām saitēm. Praktiski visi metāli eksistē polikristāliskā veidā - lai radītu amorfu vai vienkristālisku metālu, tas jādara mākslīgā veidā sarežģītos apstākļos. Kristāli ar jonu saitēm veidojas sacietējot sāļiem. Ļoti izplatīti ir kristāli ar kovalentām saitēm - te jāpiemin dimants, kvarcs, grafīts. Polimēros materiālos ir vairāk kristalizēti apvidi, taču kopumā lielie molekulu izmēri neļauj notikt pilnīgai kristalizācijai. Arī vājie van der Vāla spēki piedalās kristāliskās struktūras veidošanā - tie, piemēram, satur kopā grafīta plāksnītes.

Lielākajai daļai kristālu piemīt kristalogrāfiskie defekti. Šo defektu tipiem un struktūrai var būt ļoti liela ietekme uz minerālu īpašībām.

Daudziem kristāliskas formas materiāliem raksturīgas specifiskas elektriskās īpašības - feroelektriskais efekts un pjezoelektriskais efekts. Arī gaisma, ejot cauri kristālam, var iegūt specifiskas īpašības, piemēram, košas krāsas. Šos gaismas efektus pēta kristāloptika.

Gallijs — metāls, kas viegli veido lielus monokristālus

Kristālu audzēšana

Lielu kristālu iegūšanai vislabāk izmantot vara vitriolu CuSO₄·5H₂O vai kālija alumīnija alaunu KAl(SO₄)₂·12H₂O, pagatavojot šo vielu piesātinātus šķīdumus. Šim nolūkam emaljētā traukā vai ugunsizturīga stikla vārglāzē, kuras tilpums ir 1,5 litri, ieber 200 gramus vara vitriola, pielej 1 litru destilēta ūdens un samaisa. Lai šķīšanu paātrinātu, trauku lēnām silda līdz +40 °C, šķīdumu periodiski maisot un pakāpeniski pieberot vēl 100 gramus minētās vielas. Iegūto šķīdumu atdzesē līdz +30 °C un filtrē caur vati vai parasto filtrpapīru. Pēc tam šķīdumu ielej emaljētā vai stikla traukā, piemēram, 0,5 litru tilpuma burkā. Pie koka skaliņa, kas garumā nedaudz pārsniedz trauka diametru, piestiprina smalku un izturīgu linu diedziņu, ko ievieto šķīdumā 5 cm dziļumā, skaliņu pārliekot pār trauku. Lai šķīdumā neiekļūtu putekļi, trauku nosedz ar papīru un noliek tādā vietā, kur to neskar satricinājumi un krasas temperatūras svārstības. Šķīduma pārpalikumu uzglabā noslēgtā pudelē.

Pēc vienas dienas diedziņu uzmanīgi izņem no šķīduma, izvēlas lielāko un skaistāko kristālu, bet pārējos ar pincetes vai adatiņas palīdzību rūpīgi notīra. Tad diedziņu atkal ievada šķīdumā.

Lai kristāls sekmīgi augtu, jāievēro, ka traukam un šķīdumam jābūt pilnīgi tīriem. Ik pēc 1—2 dienām šķīdumu un kristālu pārbauda. Ja uz diega vai uz izvēlētā kristāla parādās jauni, sīki kristāliņi, tos atkal uzmanīgi notīra. Ja kristāli sāk parādīties uz trauka sienām vai dibenā, tad šķīdums jāpārlej citā traukā, kristāli jānotīra, trauks jāmazgā, šķīdums jāpārlej atpakaļ un diegs ar kristālu atkal jāievieto tajā. Pretējā gadījumā liekie kristāli sāk augt, bet izvēlētais izšķīst.

Ūdenim pamazām iztvaikojot, vara vitriola pārpalikums nosēžas uz kristāla. Tas aug, bet šķīduma daudzums traukā samazinās, tāpēc šķīdums katru nedēļu jāpapildina līdz sākuma daudzumam, pielejot piesātināto vara vitriola šķīdumu.

Lai veicinātu kristālu augšanu, ik pēc 23 dienām šķīdumu var sasildīt par 2 °C, taču nekādā gadījumā vairāk, jo, paaugstinot temperatūru, palielinās vielas šķīdība, un kristāls nevis augs, bet izšķīdīs.

Pie diedziņa var izaudzēt līdz 100 gramiem smagu kristālu. Lai audzēšanu turpinātu, diegs jānogriež un kristāls jānovieto trauka dibenā vai vislabāk uz diviem šauriem stikla paliktņiem 1—2 cm augstumā no trauka dibena.

Ik pēc 1—2 dienām kristāls jāpārveļ citā stāvoklī un pēc vajadzības jāpapildina šķidruma daudzums — tad kristāls vienmērīgi augs no visām pusēm. Ja traukā sāk veidoties jauni kristāli, tie nekavējoties jāizņem vai arī audzēšanai kristāli jāpārliek citā traukā.

Kad kristāls izaudzis tik liels, ka trauka izmēri sāk traucēt tā augšanai, tas jānovieto lielā traukā. Līdz 100 g smagu kristālu var izaudzēt traukā ar 0,5 l lielu tilpumu. Tālākai kristāla audzēšanai nepieciešams trauks ar 1 litra tilpumu.

Kristālus var izaudzēt arī no amonija dzelzs alauna – NH₄Fe(SO₄)₂·12H₂O, kālija hroma alauna KCr(SO₄)₂·12H₂O, kālija dihromāta K₂Cr₂O₇, niķeļa sulfāta NiSO₄·7H₂O. Lai pagatavotu 1 litru attiecīgās vielas šķīduma, jāņem:

• amonija dzelzs alauns 700 g
• kālija hroma alauns 600 g
• kālija dihromāts 154 g
• niķeļa sulfāts 540 g

Kad uzglabā izaudzētos kristālus, tie gaisā pamazām sairst, zaudē formu un krāsu, tas ir — sadēd, tāpēc tie jāpārklāj ar plānu vazelīna kārtiņu un jāpatur 1—2 sekundes acetonā.

Termins "kristāls" sarunvalodā

Terminam "kristāls" ir precīzi noteikta nozīme materiālu zinātnē un cietvielu fizikā, taču sarunvalodā vārdu "kristāls" attiecina uz cietvielām, kam ir labi izteikta un skaista ģeometriska forma. Arī šādas nozīmes kristāli dabā ir bieži sastopami. Sadzīvē pazīstami kristāli ir sniegpārsliņas, dimanti un parastā vārāmā sāls. Terminu "kristāls" attiecina arī uz materiāliem, kam šķautnaina forma piešķirta ar atliešanu formās, slīpēšanu un pulēšanu - stikla traukiem, piekariņiem.

Kristāla formu nedrīkst jaukt ar skaldnības plakņu piešķirtajām formām.

Kristāliem dažādās mitoloģijās nereti piedēvē ārstnieciskas īpašības un citas īpašas spējas.

Ārējās saites

• Vikikrātuvē par šo tēmu ir pieejami multivides faili. Skatīt: Kristāls.

• Encyclopædia Britannica raksts (angliski)
• Krievijas Lielās enciklopēdijas raksts (krieviski)
• Encyclopædia Universalis raksts (franciski)
• Enciklopēdijas Krugosvet raksts (krieviski)
• Ievads kristalogrāfijā (angliski)
• Milzu kristālu projekts - datu apkopojums par lielākajiem zināmajiem kristāliem pasaulē (angliski)