Kristályszerkezet

A kristályszerkezet a kristályos anyagban lévő atomok, ionok vagy molekulák szerkezete, amely szabályos, térbeli rendezettséggel bír.^[1]^[2] A kristályszerkezetet a tér minden irányában periodikusan ismétlődő elemi cella alkotja. A kristályszerkezet vizsgálata a kristálytan tudományágának a tárgya. A kristálytan a kristályok külső alakját és belső szerkezeti felépítését vizsgálja.

Alapfogalmak

A kristályok vizsgálata során használt, alapvető kifejezések terén széleskörű zavar mutatkozik: gyakran összekeverik a kristályrendszert a kristálycsaláddal, a rácsrendszert a kristályrendszerrel, illetve a kristályszerkezetet a kristályráccsal. Emiatt fontos a jelentésbeli különbségtétel a fogalmak között.

A kristályszerkezet a kristályos anyagban lévő részecskék szabályos elrendeződése a háromdimenziós térben.^[3] Ezzel szemben a kristályrács csak képzeletbeli pontok tömbje, bár a kristályrácspontok hagyományosan az elemi cella sarkaiba vannak helyezve, ezért könnyű összekeverni a két kifejezést.^[2]

A kristályrács olyan matematikai koncepció, amelyben a rácspontok szabályos, geometriai elrendeződésben vannak, és periodikusan ismétlődnek. A kristályrácsban lévő rácspontok megfeleltethetők az adott kristályos anyag részecskéivel.^[2]^[4]

A Bravais-rács a kristálytan egy geometriai modellje, amelyet kristályok szerkezetének leírásához alkalmaznak. A kristályrács általános fogalmához egy csoportosítási módszert ad, segítségével a kristályok szimmetriái, és az azzal kapcsolatos törvényszerűségek írhatók le. A Bravais-rácsokat hét rácsrendszer és négy rácstípus kombinációja adja az ekvivalens rácsok kiszűrése után. Ennek értelmében a háromdimenziós térben a Bravais-rácsnak 14 lehetséges típusa fordulhat elő, melyekbe minden kristályos anyag besorolható.^[3]

A kristálycsalád a tércsoportok legalapabb készlete, mely tartalmazza a 32 kristályosztály mindegyikét. A kristálycsaládokat rácsok és pontcsoportok határozzák meg. Térbeli vonatkozásban a kristálycsaládok és kristályrendszerek megegyeznek, kivéve a hexagonális és trigonális kristályrendszereket, melyek ugyanabba a hexagonális kristálycsaládba vannak egyesítve. Összesen hat kristálycsalád létezik: monoklin, triklin, ortorombos, tetragonális, hexagonális és köbös.

A kristályrendszer a kristályrácsok elemi cellája alapján besorolt hét rendszer (monoklin, triklin, ortorombos, trigonális, tetragonális, hexagonális, köbös) valamelyike.^[5]

Az anyagok kristályos és amorf szerkezete

Az ásványok alaktani és fizikai tulajdonságaik alapján kétfélék lehetnek.

Alaktalanok vagyis amorfok, melyeknek semmiféle jellegzetes alakjuk nincs és fizikai tulajdonságaik minden irányban megegyeznek, ezek izotrópok.
Kristályosak, amelyeknek valamilyen törvényszerű, illetve szimmetrikus térrácsban helyezkednek el az alkotórészek, ebből következően kifejlődésük is felismerhető szabályossággal rendelkezik.

A kristályok többségének fizikai sajátosságai csak a párhuzamos irányokban azonosak, a különböző irányokban eltérőek, ezeket anizotrópnak nevezzük. Az ásványok zöme anizotróp tulajdonságú kristályokból épül fel, vagyis jellemzőjük a kristályszerkezet, az alkotóelemek térbeli elhelyezkedése, vagyis az a kristályrács, ami különböző szimmetriákban nyilvánul meg, és egyes ásványfajtákon belül különböző is lehet.

Illeszkedés a kristályokban

A részecskék illeszkedését a kristályrácsokban kristályilleszkedésnek hívják, amelyet két fő törekvés szabályoz. Egyrészt a legszorosabb illeszkedés elve alapján a rácsot alkotó molekulák úgy helyezkednek el, hogy közöttük a lehető legkisebb üres tér maradjon. Másrészt pedig a legnagyobb vonzás elve arra készteti a rácsban lévő részecskéket, hogy elhelyezkedésükkel elősegítsék a minél nagyobb vonzás létrejöttét. Ez leginkább akkor tud érvényesülni, ha a részecskék töltéssel vagy polaritással rendelkeznek, és úgy rendeződnek, hogy az ellentétes töltések minél közelebb legyenek egymáshoz, ezáltal ionkötést vagy hidrogénkötést kialakítva.^[6]

A kristályrácsok típusai

A kristályrácsot atomok, ionok, és molekulák is alkothatják. A rácspontokon elhelyezkedő kristályrácsalkotók közötti kötés jellege szerint négy különböző kristályrácstípust ismerünk: atom-, ion-, molekula- és fémrácsot. A kristályrács felépítése során a rácspontba beépülő elemek energiát adnak le, ezért a kristályrács felbomlásához energiabefektetés szükséges.

Hét kristályrendszer

A kristályszerkezet alapján hét kristályrendszert és ezeken belül 32 kristályosztályt különböztetnek meg. A hét kristályrendszer egyben önálló koordináta-rendszer is, tengelykeresztjük meghatározó jelentőségű, mert tartalmazza a lehetséges szimmetriaelemeket. Egyes ásványok többféle kristályrendszerben is előfordulnak (például kén).

Triklin (háromhajlású) kristályrendszer

A tengelykeresztek különböző egységhosszúak és különböző szögeket zárnak be egymással. A legkevesebb szimmetriaelemmel rendelkezik, jellemző szimmetriatengelye nincs, minden kristálylap különálló és egyedi. A triklin rendszer két osztályt tartalmaz:

pedionos
véglapos

Fontosabb ásványai: kaolinit, rodonit, türkiz, cianit, timsócsoport, kalkantit.

Monoklin (egyhajlású) rendszer

A rendszerben a tengelyarányok különbözőek, a hajlásszögük egymáshoz képest egy kivételével derékszögű, kevés szimmetriaelemet tartalmaz. A rendszer osztályai:

szfenoidos
dómás
prizmás.

Fontosabb ásványai: gipsz, azurit, kén, lazulit, malachit, manganit, muszkovit, ortoklász, szóda, talk, timsócsoport, csillámok.

Rombos rendszer

A három koordinátatengely egymásra merőleges, de különböző egységhosszúságú. Szimmetriaelemeinek száma több, mint három. A rendszer három osztályt tartalmaz:

biszfenoidos
piramisos
bipiramisos.

Fontosabb ásványa: anhidrit, aragonit, antimonit, barit, enargit, kalkozin, kén, markazit, nagyágit, olivincsoport, topáz, csillámok.

Tetragonális (négyzetes) rendszer

A három tengely egymásra merőleges, de csak kettő azonos egységhosszúságú, így a főtengely kitüntetett szerepű. Főtengelyes kristályrendszernek is nevezik. Több főtengelyi, melléktengelyi és síkszimmetriával (tükörszimmetria) is rendelkezik. A rendszerbe hét osztály tartozik:

piramisos
bipiramisos
trapezoéderes
ditetragonális piramisos
ditetragonális bipiramisos
biszfenoidos
szkaleonéderes

Fontosabb ásványai: anatáz, bornit, cirkon, kalkopirit, kassziterit, rutil, torit, vezuvián.

Trigonális rendszer

A főtengely a melléktengelyekkel derékszöget zárnak be, a melléktengelyek egymáshoz képest nem derékszögűek, a főtengely és a melléktengelyek egységhossza különböző. Sok tengely-, lap- és tükörszimmetriával rendelkezik. Hét kristályosztály tartozik ide:

piramisos
romboéderes
trapezoéderes
ditrigonális piramisos
ditrigonális szkalenoéderes
dipiramisos
ditrigonális dipiramisos

Fontosabb ásványai: alunit, ankerit, cinnabarit, dolomit, kalcit, korund, kvarc, magnezit, rodokrozit, sziderit, tellúr, turmalincsoport.

Hexagonális (hatszöges) rendszer

Hasonló a trigonális rendszerhez, de szimmetriájában döntően a hatszöges elemek az elsőrendűek. Ide tartozó kristályosztályok:

piramisos
dipiramisos
trapezoéderes
dihexagonális piramisos
dihexagonális dipiramisos

Fontosabb ásványai: apatit, grafit, kalkozin, kvarc, molibdenit, nefelin, nikkelin, vanadinit.

Köbös (szabályos) kristályrendszer

Tengelykeresztjeiből mindhárom egyenértékű, egymásra merőlegesek, egymással felcserélhetők. Ez arra utal, hogy a tulajdonságok jelentős része az iránytól független. Ez a kristályrendszer szabályosságáról könnyen felismerhető, de osztályai nehezen különböztethetőek meg. A rendszer osztályai:

tetraéderes pentagon-dodekaéderes
diszdodekaéderes
pentagonikozi-tetraéderes
hexakisztetraéderes
hexakiszoktaéderes

Fontosabb ásványai: arany, argentit, arzenolit, ezüst, fluorit, galenit, gránátcsoport, gyémánt, kobaltin, kősó, krisztobalit, kuprit, lazurit, magnetit, pirit, platina, réz, szalmiák, szfalerit, timsócsoport, torianit.

Kapcsolódó szócikkek

Elemek kristályszerkezete

Jegyzetek

↑ Solid State Physics, 2nd, Manchester Physics Series, John Wiley & Sons (2010. október 13.). ISBN 9780471928041
↑ ^a ^b ^c Jenny Pickworth Glusker, Kenneth N. Trueblood. Crystal Structure Analysis - A Primer, 3rd edition, United States: Oxford University Press (2010). ISBN 978-0-19-957635-7
↑ ^a ^b Walter Borchardt. Crystallography - An Introduction, 3rd edition, Springer (2012). ISBN 978-3-642-16452-1
↑ Balla Sándor, Bán Krisztián, Lovas Antal, Szabó Attila. Anyagismeret (2011). ISBN 978-963-279-586-7
↑ John Daintith. Dictionary of Chemistry, 6th edition, Oxford University Press (2008). ISBN 978-0-19-920463-2
↑ Náray-Szabó Gábor. Kémia. Akadémiai Kiadó (2006). ISBN 963 05 8240 6

Irodalom

Boldizsár Tibor: Bányászati kézikönyv. Műszaki Könyvkiadó. Budapest. 1962.
Bognár László: Ásványhatározó. Gondolat. Budapest. 1987.
Bagyinszki Gyula. (2004): Gyártásismeret és technológia. Főiskolai tankönyv. 240 old. BGK-3010, Budapesti Műszaki Főiskola. Bánki Donát Gépészmérnöki Főiskolai Kar, Budapest
Symes, R. F. (1994): Kőzetek és ásványok. Park Kiadó, Budapest

További információk

Kémiaportál • összefoglaló, színes tartalomajánló lap

Az ásványok és kőzetek portálja • összefoglaló, színes tartalomajánló lap

[Solid_State_Physics_2010-1] Solid State Physics, 2nd, Manchester Physics Series, John Wiley & Sons (2010. október 13.). ISBN 9780471928041

[CSA-2] Jenny Pickworth Glusker, Kenneth N. Trueblood. Crystal Structure Analysis - A Primer, 3rd edition, United States: Oxford University Press (2010). ISBN 978-0-19-957635-7

[C-AI-3] Walter Borchardt. Crystallography - An Introduction, 3rd edition, Springer (2012). ISBN 978-3-642-16452-1

[any-4] Balla Sándor, Bán Krisztián, Lovas Antal, Szabó Attila. Anyagismeret (2011). ISBN 978-963-279-586-7

[DOC-5] John Daintith. Dictionary of Chemistry, 6th edition, Oxford University Press (2008). ISBN 978-0-19-920463-2

[kem-6] Náray-Szabó Gábor. Kémia. Akadémiai Kiadó (2006). ISBN 963 05 8240 6

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]