Kristal
Kristal veya kristalli katı, bileşenleri (atomlar, moleküller veya iyonlar gibi) oldukça düzenli bir mikroskobik yapıda düzenlenmiş ve her yöne uzanan bir kristal kafes oluşturan katı bir malzemedir. Buna ek olarak, makroskopik tek kristaller genellikle belirli, karakteristik yönelimlere sahip düz yüzeylerden oluşan geometrik şekilleriyle tanımlanabilir. Kristallerin ve kristal oluşumunun bilimsel olarak incelenmesi kristalografi olarak bilinir. Kristal büyüme mekanizmaları yoluyla kristal oluşumu sürecine kristalleşme veya katılaşma denir. ⓘ
Kristal kelimesi Antik Yunanca'da hem "buz" hem de "kaya kristali" anlamına gelen κρύσταλλος (krustallos) kelimesinden, "buz gibi soğuk, don" anlamına gelen κρύος (kruos) kelimesinden türemiştir. ⓘ
Büyük kristallere örnek olarak kar taneleri, elmaslar ve sofra tuzu verilebilir. İnorganik katıların çoğu kristal değil polikristaldir, yani birçok mikroskobik kristalin bir araya gelerek tek bir katı oluşturmasıdır. Polikristallere örnek olarak çoğu metal, kaya, seramik ve buz verilebilir. Üçüncü bir katı kategorisi, atomların herhangi bir periyodik yapıya sahip olmadığı amorf katılardır. Amorf katılara örnek olarak cam, balmumu ve birçok plastik verilebilir. ⓘ
Adına rağmen kurşun kristal, kristal cam ve ilgili ürünler kristal değil, cam türü, yani amorf katılardır. ⓘ
Kristaller genellikle kristal terapisi gibi sözde bilimsel uygulamalarda kullanılır ve değerli taşlarla birlikte bazen Wiccan inançlarında ve ilgili dini hareketlerde büyü çalışmalarıyla ilişkilendirilir. ⓘ
Kristal, billur ya da kesme cam, kimyadaki katı haldeki bir elementin veya bileşiğin, molekül, atom veya iyon yığınlarının (paketinin) kesin geometrik bir yapı göstermesidir. ⓘ
Kristal yapısı (mikroskobik)
Bir "kristalin" bilimsel tanımı, kristal yapı olarak adlandırılan, içindeki atomların mikroskobik düzenine dayanır. Kristal, atomların periyodik bir düzenleme oluşturduğu bir katıdır. (Kuasikristaller bir istisnadır, aşağıya bakınız). ⓘ
Tüm katılar kristal değildir. Örneğin, sıvı su donmaya başladığında, faz değişimi küçük buz kristalleri ile başlar ve bunlar birleşerek polikristal bir yapı oluşturana kadar büyür. Son buz bloğunda, küçük kristallerin her biri ("kristalitler" veya "taneler" olarak adlandırılır) atomların periyodik bir düzenine sahip gerçek bir kristaldir, ancak tüm polikristal atomların periyodik bir düzenine sahip değildir, çünkü periyodik desen tane sınırlarında kırılmıştır. Neredeyse tüm metaller, seramikler, buz, kayalar vb. dahil olmak üzere makroskopik inorganik katıların çoğu polikristaldir. Cam gibi ne kristal ne de polikristal olan katılar amorf katılar olarak adlandırılır, camsı, camsı veya kristal olmayan olarak da adlandırılır. Bunların mikroskobik olarak bile periyodik bir düzeni yoktur. Kristal katılar ile amorf katılar arasında belirgin farklar vardır: en önemlisi, bir cam oluşturma süreci gizli füzyon ısısını açığa çıkarmaz, ancak bir kristal oluşturmak bunu yapar. ⓘ
Bir kristal yapı (bir kristaldeki atomların düzenlenmesi), belirli bir uzamsal düzenlemede bir veya daha fazla atom içeren küçük bir hayali kutu olan birim hücresi ile karakterize edilir. Birim hücreler, kristali oluşturmak için üç boyutlu uzayda istiflenir. ⓘ
Bir kristalin simetrisi, birim hücrelerin hiçbir boşluk olmadan mükemmel bir şekilde istiflenmesi gerekliliği ile kısıtlanır. Kristalografik uzay grupları olarak adlandırılan 219 olası kristal simetrisi vardır (230 yaygın olarak belirtilir, ancak bu kiral eşdeğerleri ayrı varlıklar olarak ele alır). Bunlar, kübik kristal sistemi (kristallerin küpler veya dikdörtgen kutular oluşturabildiği, sağda gösterilen halit gibi) veya altıgen kristal sistemi (kristallerin altıgenler oluşturabildiği, sıradan su buzu gibi) gibi 7 kristal sistemi olarak gruplandırılır. ⓘ
Kristal yüzleri ve şekilleri
Kristaller genellikle keskin açılara sahip düz yüzeylerden oluşan şekilleriyle tanınır. Bu şekil özellikleri bir kristal için gerekli değildir - kristal bilimsel olarak makroskopik şekliyle değil mikroskopik atomik düzeniyle tanımlanır - ancak karakteristik makroskopik şekil genellikle mevcuttur ve görülmesi kolaydır. ⓘ
Euhedral kristaller belirgin, iyi biçimlendirilmiş düz yüzlere sahip olanlardır. Anhedral kristaller böyle değildir, çünkü genellikle kristal polikristalin bir katıdaki bir tanedir. ⓘ
Euhedral bir kristalin düz yüzeyleri (faset olarak da adlandırılır) kristalin temel atomik düzenine göre belirli bir şekilde yönlendirilmiştir: bunlar nispeten düşük Miller indeksine sahip düzlemlerdir. Bunun nedeni bazı yüzey yönelimlerinin diğerlerinden daha kararlı olmasıdır (daha düşük yüzey enerjisi). Bir kristal büyüdükçe, yeni atomlar yüzeyin daha pürüzlü ve daha az kararlı kısımlarına kolayca bağlanır, ancak düz, kararlı yüzeylere daha az kolayca bağlanır. Bu nedenle, düz yüzeyler, tüm kristal yüzeyi bu düz yüzeylerden oluşana kadar daha büyük ve daha pürüzsüz olma eğilimindedir. (Sağdaki şemaya bakınız.) ⓘ
Kristalografi bilimindeki en eski tekniklerden biri, bir kristalin yüzeylerinin üç boyutlu yönelimlerini ölçmek ve bunları altta yatan kristal simetrisini çıkarmak için kullanmaktan ibarettir. ⓘ
Bir kristalin kristalografik formları, kristalin simetrilerinden biriyle ilişkili olan kristalin olası yüzlerinin kümeleridir. Örneğin, galen kristalleri genellikle küp şeklini alır ve küpün altı yüzü, izometrik kristal sisteminin simetrilerinden birini gösteren bir kristalografik forma aittir. Galen bazen de oktahedron şeklinde kristalleşir ve oktahedronun sekiz yüzü izometrik sistemin farklı bir simetrisini yansıtan başka bir kristalografik forma aittir. Bir kristalografik form, yüzlerinden birinin Miller indeksleri parantez içine yerleştirilerek tanımlanır. Örneğin, oktahedral form {111} olarak yazılır ve formdaki diğer yüzler kristalin simetrisi tarafından ima edilir. ⓘ
Formlar kapalı olabilir, yani form bir alan hacmini tamamen çevreleyebilir veya açık olabilir, yani çevreleyemez. Kübik ve oktahedral formlar kapalı formlara örnektir. İzometrik sistemin tüm formları kapalıyken, monoklinik ve triklinik kristal sistemlerinin tüm formları açıktır. Bir kristalin tüm yüzeyleri aynı kapalı forma ait olabileceği gibi, birden fazla açık veya kapalı formun bir kombinasyonu da olabilir. ⓘ
Bir kristalin alışkanlığı onun görünür dış şeklidir. Bu, kristal yapı (olası faset yönelimlerini kısıtlar), spesifik kristal kimyası ve bağlanma (bazı faset türlerini diğerlerine tercih edebilir) ve kristalin oluştuğu koşullar tarafından belirlenir. ⓘ
Doğada oluşumu
Kayalar
Hacim ve ağırlık olarak, Dünya'daki en büyük kristal konsantrasyonları katı ana kayasının bir parçasıdır. Kayalarda bulunan kristallerin boyutları tipik olarak milimetrenin bir kısmından birkaç santimetreye kadar değişir, ancak zaman zaman olağanüstü büyük kristaller de bulunur. 1999 yılı itibariyle dünyanın bilinen en büyük doğal kristali Madagaskar, Malakialina'dan 18 m (59 ft) uzunluğunda ve 3,5 m (11 ft) çapında ve 380.000 kg (840.000 lb) ağırlığında bir beril kristalidir. ⓘ
Bazı kristaller magmatik ve metamorfik süreçlerle oluşarak büyük kristalli kaya kütlelerine kaynaklık etmiştir. Magmatik kayaçların büyük çoğunluğu erimiş magmadan oluşur ve kristalleşme derecesi öncelikle katılaştıkları koşullara bağlıdır. Çok yavaş ve büyük basınçlar altında soğuyan granit gibi kayaçlar tamamen kristalleşmiştir; ancak birçok lav türü yüzeye dökülmüş ve çok hızlı bir şekilde soğumuştur ve bu son grupta az miktarda amorf veya camsı madde yaygındır. Mermerler, mika-şistler ve kuvarsitler gibi diğer kristal kayaçlar, metamorfik kayaçlar, yeniden kristalleşmiştir. Bu, ilk başta kireçtaşı, şeyl ve kumtaşı gibi parçalı kayaçlar oldukları ve hiçbir zaman erimiş durumda ya da tamamen çözelti halinde olmadıkları, ancak metamorfizmanın yüksek sıcaklık ve basınç koşullarının orijinal yapılarını silerek ve katı halde yeniden kristalleşmeye neden olarak üzerlerinde etkili olduğu anlamına gelir. ⓘ
Diğer kaya kristalleri, genellikle su olmak üzere sıvılardan çökelme yoluyla oluşarak drusları veya kuvars damarlarını meydana getirmiştir. Halit, alçıtaşı ve bazı kireçtaşları gibi evaporitler, çoğunlukla kurak iklimlerde buharlaşma nedeniyle sulu çözeltiden çökelmiştir. ⓘ
Buz
Kar, deniz buzu ve buzul şeklindeki su bazlı buzlar, Dünya'da ve diğer gezegenlerde yaygın olarak görülen kristalin/polikristalin yapılardır. Tek bir kar tanesi tek bir kristal veya kristaller topluluğu iken, bir buz küpü bir polikristaldir. ⓘ
Organijenik kristaller
Birçok canlı organizma, örneğin yumuşakçaların çoğunda kalsit ve aragonit veya omurgalılarda hidroksilapatit gibi kristaller üretebilmektedir. ⓘ
Polimorfizm ve allotropi
Aynı atom grubu genellikle birçok farklı şekilde katılaşabilir. Polimorfizm, bir katının birden fazla kristal formda var olma yeteneğidir. Örneğin, su buzu normalde altıgen Buz Ih formunda bulunur, ancak kübik Buz Ic, eşkenar dörtgen Buz II ve diğer birçok formda da bulunabilir. Farklı polimorflar genellikle farklı fazlar olarak adlandırılır. ⓘ
Buna ek olarak, aynı atomlar kristal olmayan fazlar da oluşturabilir. Örneğin, su aynı zamanda amorf buz oluşturabilirken, SiO2 hem erimiş silika (amorf bir cam) hem de kuvars (bir kristal) oluşturabilir. Aynı şekilde, eğer bir madde kristal oluşturabiliyorsa, polikristal de oluşturabilir. ⓘ
Saf kimyasal elementler için polimorfizm allotropi olarak bilinir. Örneğin, elmas ve grafit karbonun iki kristal formudur, amorf karbon ise kristal olmayan bir formdur. Polimorflar, aynı atomlara sahip olmalarına rağmen, çılgınca farklı özelliklere sahip olabilirler. Örneğin, elmas bilinen en sert maddeler arasındayken, grafit o kadar yumuşaktır ki yağlayıcı olarak kullanılır. ⓘ
Poliamorfizm, aynı atomların birden fazla amorf katı formda bulunabildiği benzer bir olgudur. ⓘ
Kristalleşme
Kristalizasyon, bir akışkandan veya bir akışkan içinde çözünmüş malzemelerden kristal bir yapı oluşturma işlemidir. (Daha nadir olarak, kristaller doğrudan gazdan biriktirilebilir; bkz. ince film biriktirme ve epitaksi). ⓘ
Kristalleşme karmaşık ve kapsamlı olarak çalışılan bir alandır, çünkü koşullara bağlı olarak tek bir sıvı birçok farklı olası forma katılaşabilir. Belki de çeşitli olası fazlar, stokiyometriler, safsızlıklar, kusurlar ve alışkanlıklarla tek bir kristal oluşturabilir. Ya da tanelerinin boyutu, düzeni, yönelimi ve fazı için çeşitli olasılıklara sahip bir polikristal oluşturabilir. Katının nihai şekli, sıvının kimyası, ortam basıncı, sıcaklık ve tüm bu parametrelerin değişme hızı gibi sıvının katılaştığı koşullar tarafından belirlenir. ⓘ
Büyük tek kristaller (boules olarak adlandırılır) üretmek için kullanılan spesifik endüstriyel teknikler arasında Czochralski süreci ve Bridgman tekniği yer alır. Maddenin fiziksel özelliklerine bağlı olarak hidrotermal sentez, süblimasyon veya basitçe solvent bazlı kristalizasyon gibi daha az egzotik diğer kristalizasyon yöntemleri de kullanılabilir. ⓘ
Büyük tek kristaller jeolojik süreçlerle oluşturulabilir. Örneğin, Meksika, Naica'daki Kristaller Mağarası'nda 10 m'yi aşan selenit kristalleri bulunur. Jeolojik kristal oluşumu hakkında daha fazla ayrıntı için yukarıya bakınız. ⓘ
Kristaller biyolojik süreçlerle de oluşabilir, yukarıya bakınız. Buna karşılık, bazı organizmalar kristalleşmenin meydana gelmesini önlemek için özel tekniklere sahiptir, örneğin antifriz proteinleri gibi. ⓘ
Kusurlar, safsızlıklar ve ikizlenme
İdeal bir kristalde her atom mükemmel ve tam olarak tekrar eden bir düzene sahiptir. Ancak gerçekte, çoğu kristal malzemede kristalin deseninin kesintiye uğradığı yerler olan çeşitli kristalografik kusurlar bulunur. Bu kusurların türleri ve yapıları, malzemelerin özellikleri üzerinde derin bir etkiye sahip olabilir. ⓘ
Kristalografik kusurların birkaç örneği arasında boşluk kusurları (bir atomun sığması gereken yerde boş bir alan), interstisyel kusurlar (sığmadığı yerde sıkışmış fazladan bir atom) ve dislokasyonlar (sağdaki şekle bakın) bulunur. Dislokasyonlar özellikle malzeme biliminde önemlidir, çünkü malzemelerin mekanik dayanımını belirlemeye yardımcı olurlar. ⓘ
Bir başka yaygın kristalografik kusur türü de safsızlıktır, yani bir kristalde "yanlış" atom türünün bulunmasıdır. Örneğin, mükemmel bir elmas kristali yalnızca karbon atomları içerir, ancak gerçek bir kristal belki de birkaç bor atomu da içerebilir. Bu bor safsızlıkları elmasın rengini hafif maviye çevirir. Aynı şekilde, yakut ve safir arasındaki tek fark, bir korindon kristalinde bulunan safsızlıkların türüdür. ⓘ
Yarı iletkenlerde, dopant adı verilen özel bir safsızlık türü kristalin elektriksel özelliklerini büyük ölçüde değiştirir. Transistörler gibi yarı iletken cihazlar, büyük ölçüde farklı yarı iletken katkı maddelerinin farklı yerlere, belirli şekillerde yerleştirilmesiyle mümkün olmaktadır. ⓘ
İkizlenme, kristalografik kusur ile tane sınırı arasında bir yerde bulunan bir olgudur. Bir tane sınırı gibi, bir ikiz sınırının da iki tarafında farklı kristal yönelimleri vardır. Ancak tane sınırının aksine, yönelimler rastgele değil, belirli bir ayna görüntüsü şeklinde ilişkilidir. ⓘ
Mozaiklik, kristal düzlem yönelimlerinin yayılmasıdır. Bir mozaik kristal, birbirlerine göre biraz yanlış hizalanmış daha küçük kristal birimlerden oluşur. ⓘ
Kimyasal bağlar
Genel olarak katılar, metalik bağlar, iyonik bağlar, kovalent bağlar, van der Waals bağları ve diğerleri gibi çeşitli kimyasal bağ türleri ile bir arada tutulabilir. Bunların hiçbiri mutlaka kristalli veya kristalsiz değildir. Bununla birlikte, aşağıdaki gibi bazı genel eğilimler vardır. ⓘ
Amorf metal ve tek kristalli metaller gibi istisnalar olsa da metaller neredeyse her zaman polikristaldir. İkincisi sentetik olarak üretilir. (Mikroskopik olarak küçük bir metal parçası doğal olarak tek bir kristal oluşturabilir, ancak daha büyük parçalar genellikle oluşturmaz). İyonik bileşik malzemeler genellikle kristal veya polikristal yapıdadır. Pratikte, büyük tuz kristalleri erimiş bir sıvının katılaşmasıyla veya bir çözeltiden kristalleşmeyle oluşturulabilir. Kovalent bağlı katılar (bazen kovalent ağ katıları olarak da adlandırılır) da çok yaygındır; elmas ve kuvars bunun önemli örnekleridir. Zayıf van der Waals kuvvetleri de kristal moleküler katılar gibi bazı kristalleri ve grafitteki katmanlar arası bağı bir arada tutmaya yardımcı olur. Polimer malzemeler genellikle kristal bölgeler oluşturur, ancak moleküllerin uzunlukları genellikle tam kristalleşmeyi önler ve bazen polimerler tamamen amorftur. ⓘ
Yarı kristaller
Bir yarı kristal, periyodik olmayan atom dizilerinden oluşur. Pürüzsüz, düz yüzeylerle şekiller oluşturma yeteneği ve X ışını kırımında ayrı bir desen görüntüleme gibi kristallerle birçok özelliğe sahiptirler. ⓘ
Yarı kristaller, beş kat simetri gösterme özellikleri ile ünlüdür. Bu durum sıradan bir periyodik kristal için mümkün değildir. Kristalografik sıralama teoremine göre bir kristalin dönme simetrileri iki kat üç kat dört kat ve altı kat ile sınırlıydı. Ancak Shechtman tarafından 1982 yılında keşfedildiğine göre yarı kristaller beş kat gibi kırınım deseni simetrileri ile ortaya çıkabilirler. ⓘ
Uluslararası Kristalografi Birliği, kristal terimini hem sıradan periyodik kristaller hem de kuasikristalleri (ayrık bir kırınım diyagramına sahip herhangi bir katı) içerecek şekilde yeniden tanımlamıştır. ⓘ
Yarı kristaller pratikte oldukça nadirdir. 2004 yılında bilinen yaklaşık 400.000 periyodik kristal mevcuttur.Ancak yalnızca 100 katı madde kuasikristallerden oluşmuştur. Yarı kristali keşfettiği için 2011 yılında Nobel Kimya ödülü Dan Shechtman'a verilmiştir. ⓘ
Anizotropiden kaynaklanan özel özellikler
Kristaller, cam ve polikristallerin normalde sahip olamadığı bazı özel elektriksel, optik ve mekanik özelliklere sahip olabilir. Bu özellikler kristalin anizotropisi, yani atomik düzenlemesinde dönme simetrisinin olmaması ile ilgilidir. Bu özelliklerden biri piezoelektrik etkidir; kristal üzerindeki bir voltaj onu küçültebilir veya gerebilir. Bir diğeri ise bir kristalden bakıldığında çift görüntünün ortaya çıktığı çift kırılmadır. Ayrıca, elektrik iletkenliği, elektriksel geçirgenlik ve Young modülü dahil olmak üzere bir kristalin çeşitli özellikleri, bir kristalde farklı yönlerde farklı olabilir. Örneğin, grafit kristalleri bir tabaka yığınından oluşur ve her bir tabaka mekanik olarak çok güçlü olmasına rağmen, tabakalar birbirlerine oldukça gevşek bir şekilde bağlıdır. Bu nedenle, malzemenin mekanik mukavemeti gerilme yönüne bağlı olarak oldukça farklıdır. ⓘ
Tüm kristaller bu özelliklerin hepsine sahip değildir. Tersine, bu özellikler sadece kristallere özgü değildir. Çalışma veya stresle anizotropik hale getirilmiş camlarda veya polikristallerde görülebilirler - örneğin, stres kaynaklı çift kırılma. ⓘ
Kristalografi
Birleşmiş Milletler Temmuz 2012'de, 2014'ün Uluslararası Kristalografi yılı olacağını ilan ederek kristalografi biliminin önemini kabul etmiştir. "Kristalografi" kelimesi Yunanca "soğuk damla, dondurulmuş damla" kelimelerinden türetilmiştir. " Kristalografi bir kristalin atomik düzenlemesini yani kristalin yapısını ölçen bilim dalıdır. Bilinen kristal yapılar çok sayıda kristalografik veri tabanlarında saklanır. ⓘ
Yaygın olarak kullanılan kristalografi tekniklerinden biri X ışını kırınımıdır. X ışını kırınım kristalografisi geliştirilmeden önce kristaller üzerinde yapılan çalışmalar, bir gonyometre kullanarak geometrilerinin fiziksel ölçümlerinin yapılmasına dayanıyordu. ⓘ
Resim galerisi
Dünya yörüngesinde yetiştirilen insülin kristalleri.
Hoar donu: Bir tür buz kristali (yaklaşık 5 cm mesafeden çekilmiş resim).
Galyum, kolayca büyük kristaller oluşturan bir metal.
Bir apatit kristali, kiraz kırmızısı rodokroit eşkenar dörtgenleri, mor florit küpleri, kuvars ve pirinç sarısı pirit küpleri üzerinde ön ve ortada oturuyor.
Bunun gibi silisyum kümeleri, endüstriyel olarak üretilen önemli bir tek kristal türüdür.
Berrak kuvars kristalleri ve parlak pirit kristallerinden oluşan bir yatağa yerleştirilmiş bornit kaplı kalkopirit kristalinden oluşan bir numune. Bornit kaplı kristal 1,5 cm genişliğindedir.
Kısmen kalsit kristali ile kaplanmış ve yüzeylerinde zaratite oksitlenmiş iğne benzeri millerit kristalleri; Wisconsin'in Devoniyen Milwaukee Formasyonu'ndan ⓘ
