zijn homogene, anisotrope stoffen, die gewoonlijk vast zijn en waarin de elementen op meetkundig regelmatige wijze gerangschikt zijn. Wanneer kristallen zich gedurende hun groei ongehinderd kunnen ontwikkelen, worden zij door platte vlakken begrensd.
Elke kristalpolyëder bezit een bepaalde som van symmetrie-eigenschappen. Voor een bepaalde kristalsoort is meetkundig het meest typische de grootte der hoeken tussen de verschillende kristalvlakken. Naast de gewone of vaste kristallen worden de vloeibare kristallen of kristallijne vloeistoffen onderscheiden. Het zijn vloeistoffen, waarin de elementen een zekere mate van regelmatige rangschikking bezitten, hetgeen o.a. aan de optische eigenschappen herkend kan worden.Natuurlijke kristallen, die in de aardkorst voorkomen, heten mineralen. Daarnaast zijn kristallen uit het planten- en dierenrijk bekend en een groot aantal kunstmatige kristalsoorten, vooral tot de organische chemie behorend.
Zijn de kristallen zeer klein, zodat zij slechts microscopisch zichtbaar zijn of nog kleiner, dan spreekt men van kristallieten. De metalen en legeringen zijn opgebouwd uit kristallieten. De kristallijne natuur van stoffen met sub-microscopische kristallieten blijkt uit het buigingsbeeld met Röntgenstralen, dat talrijke ringen vertoont, terwijl een amorphe stof, zoals glas, slechts een enkele vage band vertoont. Kristallijne gesteenten zijn bijv. graniet, dat uit meerdere soorten kristallieten is opgebouwd en marmer, dat slechts CaCO2-(calciet) kristalletjes bevat. Obsidiaan is daarentegen een glas.
Kristalstructuur.
In een kristal zijn de atomen gerangschikt in een zich in drie dimensies uitstrekkende regelmatige herhaling, in een rooster, ook wel tralie genoemd. De zich telkens herhalende eenheid is de elementaire cel. Wanneer er verschillende atoomsoorten in het kristal aanwezig zijn, vormt ieder van deze soorten een rooster, maar soms ook zijn gelijksoortige atomen in het kristal niet aequivalent en dus in afzonderlijke roosters gerangschikt. Het gehele kristalrooster bestaat uit de regelmatige herhaling in de drie richtingen van de elementaire cel, die minstens een formule-eenheid van de verbinding, vaak echter een veelvoud daarvan omvat. Van moleculen kan alleen dan gesproken worden, wanneer zich in het kristal duidelijke eenheden afgrenzen; bij keukenzout is daarvan echter geen sprake. Het keukenzout-rooster bestaat uit roosters van de natrium- en van de chloorionen, die ieder een kubus met atomen in de middens van de vlakken (zgn. vlakgecentreerde kubus) vormen.
Kristalstructuuranalyse is de methode ter bepaling van de bouw der kristallen door middel van Röntgenstralen. In 1912 ontdekten von Laue, Friedrich en Knipping, dat een bundel Röntgenstralen, die op een kristal valt, op een daarachter geplaatste fotografische plaat, rondom de vlek van de recht doorvallende straling, aanleiding geeft tot een patroon van stippen. Von Laue interpreteerde dit verschijnsel als een gevolg van de buiging van de straling door een driedimensionaal rooster, gevormd door de regelmatige rangschikking van de atomen. Later hebben o.a. Bragg, vader en zoon, dit verschijnsel ontwikkeld tot een zeer verfijnde methode, zodat wij thans een zeer nauwkeurige en gedetailleerde kennis bezitten van de bouw van een groot aantal kristallen. Volgens Bragg kan men de afbuiging beschouwen als een reflectie van de straling aan een vlak (niet noodzakelijk een uitwendig vlak!), welke alleen optreedt in bepaalde richtingen ten gevolge van de interferentie aan het gehele systeem evenwijdige vlakken. Deze reflectievoorwaarde wordt uitgedrukt in de Wet van Bragg.
Terwijl von Laue zgn. wit Röntgenlicht gebruikte, wordt bij de methode van Bragg en andere moderne methoden van monochromatische straling gebruik gemaakt. Uit de afbuigingshoeken 20 kan men dus de netvlakafstanden d afleiden en aldus kan men de elementaire cel bepalen, waaruit het gehele kristalrooster afgeleid is te denken door herhaling in drie richtingen. De atoomligging binnen deze cel kan worden afgeleid uit de intensiteiten van de verschillende afgebogen bundels. Niet alleen van éénkristallen, maar ook van kristalpoeders krijgt men een buigingsbeeld, dat nu niet uit punten maar uit lijnen bestaat (Debye-Scherrer- of poedermethode). Het Röntgendiagram stelt in staat een stof te identificeren ook in mengsels, hetgeen vooral van belang is in gevallen, waarin de afzonderlijke kristalletjes zo klein zijn, dat ze zelfs onder de microscoop niet zichtbaar zijn, zoals bij de kleimineralen. Isomorphe (z isomorphie) kristallen geven een overeenkomstig diagram, dat echter een kleine verschuiving te zien geeft in verband met het verschil in afmetingen van de elementaircel en ook zijn veschillen in intensiteit mogelijk als gevolg van verschil in verstrooiend vermogen van de afzonderlijke atomen (ongeveer evenredig met het atoomnummer).
Bij zeer kleine kristalletjes, kleiner dan 100 A, (1 A = 10~8 cm) zijn de lijnen in het poederdiagram verbreed en uit de gevonden breedte kan de deeltjesgrootte worden berekend (z koolstof). Bij metalen kan er nog een andere oorzaak zijn van lijnverbreding, nl. als gevolg van deformatie van de afzonderlijke kristallieten. Na verhitting, temperen, worden de Röntgenlijnen weer scherp.
Deze kristalstructuuranalyse heeft zich sedert de fundamentele ontdekking van het buigingsverschijnsel door von Laue (1912) ontwikkeld tot de belangrijkste methode van onderzoek van de vaste stof. Van ingewikkelde verbindingen, zoals penicilline, is het gelukt aldus de structuur vast te stellen, zelfs nog voordat de gebruikelijke methoden uit de organische chemie hier tot het juiste resultaat hadden gevoerd.
Natuurlijk neemt de ingewikkeldheid van de kristalstructuur toe met die van de scheikundige formule van de gekristalliseerde stoffen.
De elementen bezitten uit de aard der zaak een eenvoudige structuur, omdat zij opgebouwd zijn te denken (z ionstraal en atoom) uit even grote bollen. Twee structuren treden hierbij op de voorgrond; dat zijn de regulaire en hexagonale dichtste bolstapelingen. Bij beide wordt elke bol door 12 andere geraakt, waarvan er zes in een vlak liggen, drie daarboven en drie daaronder. Het verschil tussen de regulaire en hexagonale bolstapelingen ligt in de plaatsing van de bovenste laag ten opzichte van de onderste. Terwijl bij de hexagonale stapeling de derde laag recht boven de eerste laag ligt, is dit bij de regulaire of kubische stapeling pas met de vierde laag het geval. Deze laatste komt overeen met een kubus met atomen op de hoekpunten en in de middelpunten van de vlakken.
Talrijke reeds lang bekende verschijnselen, zoals van isomorphie en mengkristalvorming, vinden een verklaring door het inzicht in de kristalstructuur.
PROF. DR J. A. A. KETELAAR
Lit.: J. M. Bijvoet, N. H. Kolkmeyer en C. H. MacGillavry, Röntgenanalyse van Kristallen, 2de dr. (Amsterdam 1948); W. H. en W. L. Bragg, The Crystalline State (London 1933); P. P. Ewald en G. Hermann, Strukturbericht 1913-1928 (Leipzig 1931), R W. G. Wyckoff, The Structure of Crystals (New York 1931).
