![[4 crystals with grain boundaries]](fig1.gif)
Co vyplývá z pozorování.
1. Za vhodných podmínek nabývají některé látky pevných, pravidelných forem, tvoří krystaly.
2. Krystaly se zvětšují, jestliže na jejich vnějších plochách přibývá hmoty.
3. Krystaly se vylučují z roztoků při vypařování rozpouštědla. Krystaly se vytváří chladnutím taveniny. Krystaly se tvoří z horké páry, jestliže se pára setká s chladnějším povrchem.
4. Krystaly různých látek mají různý tvar.
5. Krystaly různých látek mají rozdílné vlastnosti, to znamená, že některé jsou barevné a jiné ne, některé rostou dobře a jiné ne, některé se štípají (bude o tom řeč později) a jiné ne, některé jsou mezi zkříženými polarizátory světlé (viz oddíl D) a jiné ne.
6.V tom, jak krystal roste, musí být určitá zákonitost (řád), která je zodpovědná za jeho hladké plochy, jejich charakteristický tvar a způsob, jakým odrážejí světlo. Tato zákonitost musí být pro různé látky různá.
Krystal dané látky je vystavěn z ploch, které spolu svírají vždy stejný úhel a má další vlastnosti, které vyplývají z uspořádanosti atomů, iontů nebo molekul, ze kterých je utvořen. Tato uspořádanost struktury (struktura krystalu je vnitřní uspořádání základních stavebních částic (atomů, iontů, molekul) v krystalu. Ilustrovaný encyklopedický slovník, Encyklopedický institut ČSAV, Academia 1982, pozn. př.) je nalezena ve většině pevných látek i když některé látky jsou více uspořádané než jiné. I ve dřevě jsou molekuly uspořádány podél vláken, ačkoliv vlákna samotná uspořádaná moc nejsou. Je dřevo krystal? Nemá lesklé plochy. Někteří krystalografové (lidé, kteří studují krystaly) by řekli, že vlákna dřeva krystaly jsou, jiní že ne.
Sloučenina, která je utvořena z krystalů se nazývá krystalická. Někdy se užívá slovo polykrystalická pro označení, že sloučenina je složena z mnoha krystalů. V jednom krystalu (monokrystalu) uspořádanost řad atomů není přerušena a nemění směr. Rostou-li dva krystaly vedle sebe, pak místo, kde uspořádání jednoho svírá s uspořádáním druhého určitý úhel, se nazývá hranice. Na nákresu je naznačen řez čtyřmi krystaly s takovými hranicemi. Plné čáry představují hranice mezi krystaly (nazývané též hranice zrn). Tečkované čáry znázorňují vrstvy atomů, iontů nebo molekul.
Většina látek, které známe, je vytvořena z uspořádaných krystalů, které nemají hladké plochy, protože sousední krystaly vyrostly vedle sebe s nepravidelnými hranicemi. Téměř všechny horniny jsou utvořeny z krystalů a v hornině můžeme často rozlišit jejich různé druhy. Kovové předměty jsou utvořeny z těsně spojených krystalů. Někdy jsou na ulomených mosazných klikách viditelné hranice krystalů ze kterých je klika zhotovena.
![[Brass door handle]](p6.gif)
Látka ve které atomy, ionty nebo molekuly nejsou pravidelně uspořádány, se nazývá sklovitá. Známý příklad je okenní sklo. Sopečné sklo a některé druhy sopečného popela jsou také sklovité – nejsou krystalické. Existuje sklovitý druh cukroví (bonbonů). Je lesklé, obvykle má uvnitř oříšek. Připravuje se rychlým zchlazením roztaveného cukru, aby se dříve, než kapalina ztuhne, nevytvořily krystaly. Molekulám se tak nedovolí, aby zaujaly své správné polohy k vytvoření krystalu. Rychlým ochlazením mohou být připraveny i jiné sklovité látky. To je případ sopečného skla a také některých skel připravených ve sklárnách. V továrně zhotovené sklo může obsahovat příměsi, které způsobí, že sklo může být zchlazeno vhodnou rychlostí, aniž by zkrystalizovalo. V některém skle zhotoveném starší technikou se po létech začnou tvořit krystaly, atomy se pomalu přemisťují do uspořádaných poloh přitahovány silami, které mezi nimi působí. Neexistuje velmi staré sopečné sklo, neboť za stovky a tisíce let měly atomy čas vytvořit krystaly.
| Chemikálie | Pomůcky |
|---|---|
| sůl (sůl kuchyňská, chlorid sodný, NaCl) | sklenice, kádinka (o objemu asi 250 ml) |
| cukr (třtinový cukr nebo řepný cukr, C12H22O11) | lžička na čaj |
| voda | nit nebo tenký provázek |
Dejte tři čajové lžičky soli do sklenice naplněné z jedné třetiny vodou. Dobře rozmíchejte. Většina soli se rozpustí a utvoří roztok soli ve vodě, ale část zůstane na dně nádoby a roztok se zdá zakalený. (Někteří výrobci soli pokrývají zrnka soli, aby se ve vlhku nelepily k sobě, neškodnou nerozpustnou látkou. Následující postup je použit k oddělení této látky od nerozpuštěné soli.) Nechte směs stát přes noc. Ráno bude roztok čirý. Přelijte čirý roztok opatrně do široké nádoby, abyste nepohnuli usazeným zbytkem na dně. (Tento postup oddělení kapaliny od pevné látky jednoduchým odlitím kapaliny se nazývá dekantace). Pevný zbytek vyhoďte. Nechte čirý roztok stát nezakrytý několik dní. Proti prachu můžete na nádobu dát překlopenou krabici.
Dané množství jakéhokoliv rozpouštědlajako je voda, udrží v roztoku určité množství sloučeniny. Toto množství sloučeniny vytvoří v roztoku nasycený roztok. Je-li množství sloučeniny menší, je roztok nenasycený. V některých případech sloučenina potřebuje zárodek – velmi malý krystalek většinou stejného složení, který způsobí počátek krystalizace pevné látky z roztoku. V případě, kdy nasycený roztok stojí a rozpouštědlo se vypařuje, roztok se stává přesyceným. V přesyceném roztoku způsobí přídavek malého množství rozpouštěné sloučeniny vyloučení jejího přebytku na dně nádoby.
Podívejte se lupou na první pevné částečky, které se objeví na dně roztoku soli. Věnujte zvláštní pozornost jednomu krystalku a pozorujte, jak se den ode dne mění. Je-li nádoba skleněná, položte ji na papír, na kterém vám značky pomohou najít sledovaný krystalek. (Při okraji roztoku, kde dochází k rychlému odpařování rozpouštědla, se tvoří bílý škraloup. O tom si povíme později.) Při pozorování vám pomůže i silné osvětlení ze strany.
Částice, které se postupně vylučují z roztoku, jsou krystaly soli. Jestliže budete pozorovat první stadia jejich tvorby, uvidíte, že mají tvar čtverce. Podíváte-li se na ně ze strany zjistíte, že jsou čtvercové nebo obdélníkové. Jejich stěny svírají po celou dobu růstu pravé úhly.
Přemýšlejte o tom! Z beztvarého roztoku se tvoří tyto dokonale utvořené pevné tvary, ať odpařujete roztok ve Španělsku nebo na Sibiři, v Africe, Americe nebo Australii, v ponorce nebo v letadle. Pevná látka, která se tvoří z roztoku soli má tvar malých krystalků s lesklými plochami, které svírají pravý úhel. Víte, proč k tomu dochází?
Vyjměte pinzetou (máte-li ji) jeden z malých krystalků z nádoby a osušte ho. Můžete ho dát do krabičky. Pokud nebude ve vlhku, nezmění se. Při velké vlhkosti vzduchu se může na krystalu usazovat voda a rozpustit ho. Zbylé krystalky v nádobě se s postupným odpařováním vody zvětšují. Sůl, kterou jste ve vodě rozpustili, přechází z roztoku na krystalky a ty se zvětšují. Tak se přidává vrstva k vrstvě, každá hladká plocha se zvětšuje a všechny spolu svírají pravý úhel.
Co se stane, jestliže se dotknou dva krystaly, které rostou vedle sebe? Dívejte se pozorně a uvidíte. Většinou rostou společně, nepravidelně, zatímco jejich krásné hladké plochy rostou na vnějších volných stranách, kde nejsou ve styku s jinými. Po určité době společného růstu je vyndejte pinzetou. Můžete říci, kde končí jeden krystal a začíná druhý? V některých případech je to lehké, v jiných ne. Můžete je oddělit?
Jak se rozpouštědlo dále odpařuje, začíná růst na dně nádoby mnoho krystalků společně. Bílý povlak na stěně nádobky je tvořen ze stejných krystalků, které také rostou společně, ale jsou velice malé. Je-li odpařování rychlé, začne růst najednou mnoho krystalků. Brzy ale narazí na sousední krystal, takže žádný z nich nevyroste velký.
Kapilární síly v úzkém prostoru mezi vrstvou krystalků a nádobou způsobí, že roztok stoupá po stěnách nádobky nahoru, kde se rychle odpařuje a vytváří se další bílý povlak.
Jak to udělat, aby vyrostl velký krystal, který má neporušený tvar, protože nepřijde do styku se sousedním krystalem? Než začnete číst dále, pokuste se na to dpovědět sami.
Můžete zkusit dva způsoby:
1. Rychlé odpařování rozpouštědla způsobilo, že začalo růst více krystalků najednou vedle sebe. Zabráníme-li rychlému odpařování rozpouštědla, poroste méně krystalků ve větší vzdálenosti od sebe. Nádobku proto přikryjte víkem, ale ne těsně, aby se úplně nezabránilo odpařování, ale přece jen těsněji, než jen převrácenou krabicí. Papír nebo látka přichycená gumičkou přes nádobku také zpomalí odpařování. 2. Můžeme vyndat jeden pěkný krystalek a dát do nasyceného roztoku v jiné nádobě. Takto použitý krystalek se nazývá zárodečný krystal (zárodek). Možná, že vzroste jen jeden krystal. (Na krystalu, který jste vyndali pinzetou nebo prsty, ulpívá roztok, který je nasycený. Vypařuje-li se, rostou rychle malé krystalky a vytváří další zárodky, které soutěží o látku, ze které rostou. Osušte proto rychle krystal čistou látkou nebo čistým kapesníkem a umyjte a osušte pinzetu a ruce.
Roste-li krystal položený na plochu, pak tato plocha nemá dostatek látky (hmoty) a krystal nemůže růst. Aby krystal rostl na všech stranách, je třeba ho zavěsit na nit do roztoku. Navázat krystalek na nit není lehké. Můžeme také přilepit krystalek na nit malým množstvím ve vodě nerozpustného lepidla, které se používá pro slepení talířů. Před ponořením nalepeného krystalku do roztoku necháme lepidlo přes noc zaschnout.
1. Z krystalů vyndaných v různých stupních růstu můžeme vytvořit názornou výstavku. Krystaly nalepte malým množstvím lepidla na tvrdý papír (černý nebo tmavě zbarvený) a napište pod ně dobu, jak dlouho rostly. Posloupnost od malého k velkému ukáže, jak si krystal při růstu stále zachovává svůj tvar.
![[sequence of crystals by size]](fig2.gif)
Nevybírejte kousky, které obsahují více než jeden krystal, protože to znesnadňuje pozorování tvaru a velikosti.
![[two crystals]](fig3.gif)
Dva krystaly
2. Rozbijte některé krystaly. Uhoďte jemně na krystal malým kladívkem nebo rukojetí nože, šroubováku nebo kulatou částí lžíce. Rozbije se podél plochy rovnoběžné s vnější rovinou.
![[one crystal]](fig4a.gif)
Toto se rozbije na ... tyto
![[many small pieces]](fig4b.gif)
Tyto části se mohou rozbít na menší kousky opět s rovinnou plochou (která se leskne v silném světle) rovnoběžnou s původní. Mohou se rozbít kdekoliv a povrchy budou vždy spolu rovnoběžné. Tato vlastnost krystalu rozdělit se podél rovinných ploch s v určitém směru je známa jako štěpení. Ne všechny krystaly se štěpí. Některé z nich se rozbijí jako kus skla.
V soli jsou štěpné plochy rovnoběžné s růstovými plochami. U krystalu jiné sloučeniny nemusí být štěpné roviny s růstovými plochami rovnoběžné.
Co to je, co nutí krystaly chloridu sodného růst ve tvaru obdélníků a štípat se podél rovin k sobě kolmých? Krystalografové přemýšleli a uvažovali nad těmito otázkami po mnoho let. Až ve 20. století se pomocí rentgenové difrakce podařilo vysvětlit jak uspořádání atomů, iontů a molekul v krystalu, tak způsob jejich růstu a štěpení a další vlastnosti. Rentgenové paprsky jsou atomy rozptýleny a studiem směru jejich rozptylu krystalografové zjistí, jak jsou krystaly složeny dohromady.
V chloridu sodném, obyčejné kuchyňské soli, nalezli, že sodíkové a chloridové ionty se takto střídají:
![[Sodium chloride model]](p17.gif)
Je zapotřebí 1017 takovýchto bloků ke zhotovení jedné krychle zrnka soli o rozměrech 1 x 1 x 1 mm. Tedy 100 000 000 000 000 000. To je sto milionkrát tisíc milionů. Očekávali byste, že tak velké množství je potřeba k vytvoření uspořádaných, pravidelných krystalů. Můžete také předpokládat, že velmi snadno dojde k vychýlení vrstev sodíkových nebo chloridových iontů.
Každý krystal má své charakteristické uspořádání atomů, iontů nebo molekul, které je zodpovědné za tvar, ve kterém roste a za jeho vlastnosti.
3. Dejte krystal na sklíčko nebo jiný čistý povrch, kápněte na něj trochu vody a pozorujte lupou, jak se ve vodě rozpouští. Rohy se zakulacují, protože mají vystaveny rozpouštědlu tři plochy. Hrany se zakulacují o něco pomaleji, protože mají jen dvě plochy vystavené působení rozpouštědla. Jestliže krystal zachráníte před úplným rozpuštěním, osušíte ho čistou látkou, nebo čistým kapesníkem a znovu dáte do nasyceného roztoku, začne znovu růst. Zaplní hrany a rohy a získá původní tvar.
4. Krystaly použijte jako zárodky pro vypěstování větších krystalů z nasyceného roztoku té samé sloučeniny. Čím použijete menší krystaly, tím lépe.
5. Použijte krystaly jako výchozí látku pro nový, stejný pokus. Roztok je nyní čirý, bez nerozpustné látky.
Krystal soli roste tak, že přibírá na sebe sůl z vodného roztoku soli, která ho obklopuje. Není-li jeho růst přerušen, roste s hladkými, lesklými plochami, které svírají pravé úhly.
Poznatek, že se tyto krystaly štěpí, znamená, že vlastnosti uvnitř krystalu nejsou ve všech směrech stejné. Druh a uspořádání atomů, iontů nebo molekul v krystalu, určuje jeho tvar a další vlastnosti.
Pro oddělení kapaliny od pevné látky se užívá dekantace. Růstu větších monokrystalů dosáhneme pomocí zárodečného krystalu. Na bílém škraloupu, který se rozprostře na hladině roztoku a postupuje nahoru kapilární přilnavostí, lze pozorovat, že krystaly vyrostlé z těsně uspořádaných krystalků, nemohou vyrůst do velkých rozměrů.
Sledovali jsme, jakým způsobem se z roztoku utváří pevná látka krychlových tvarů.
Je těžké vypěstovat pěkné krystaly cukru. Cukr tvoří ve vodě viskózní (syrupovitou) kapalinu a molekuly cukru se nemohou rychle pohybovat roztokem, aby se spojily s jinými molekulami cukru do upořádané formy, kterou nazýváme krystal. Tajemství úspěchu je udržovat roztok dostatečně teplý, abychom podpořili pohyblivost molekul, ale současně nezpůsobili rychlé odpařování na povrchu, které by mělo za následek tvorbu škraloupu. Proto postupujte následujícím způsobem.
Zahřejte mírně nádobu, ve které je jeden malý šálek cukru a jeden malý šálek vody. Míchejte, až se všechen cukr rozpustí a roztok je čirý. Dejte nádobu do zavařovací sklenice, položte na sklenici víčko, ale nazašroubujte je. Sklenici nechte delší dobu na teplém místě. (Můžete ji dát na věčný hořáček plynových kamen.) Voda, která se odpařuje se sráží na víčku a padá zpět na hladinu a zabraňuje tvorbě škraloupu. Trochu vody se vypaří, protože víko není pevně uzavřené. Růst pokračuje pomalu po dlouhou dobu. Když krystal vyroste, bude mít krásný tvar, charakteristický pro krystaly cukru. Roztok cukru má zajímavou vlastnost: stáčí rovinu polarizovaného světla (viz oddíl III-D). Toto stáčení je pro různé barvy světla rozdílné. Podržíte-li sklenici s cukrovým roztokem mezi zkříženými polarizátory a budete ji pozorovat v prošlém bílém světle, uvidíte, že sklenice nevypadá černě jako roztok soli, ale barevně. Otáčíte-li jedním nebo druhým polarizátorem (v jeho rovině ve směru hodinových ručiček) a ostatní neměníte, barva se mění.
Všechny pokusy s krystaly soli a borax můžete provést i s krystaly cukru. Porovnejte tvar krystalu cukru s tvary krystalů boraxu a soli.
Krystaly cukru se liší tvarem a pomalou rychlosti růstu od snadno rostoucích krystalů soli, další známé látky na našem jídelním stole. Mají také odlišný tvar od snadno rostoucích krystalů boraxu. Při vylučování cukru z roztoku mají jeho krystaly jinou stavbu než krystaly soli nebo boraxu. Každá sloučenina má svůj vlastní způsob uspořádání částic, které tvoří krystal.
Částice, které tvoří krystal se musí volně pohybovat, aby se spolu setkaly a utvořily krystal. Roztok cukru je tak viskózní, že zpomaluje pohyb a krystaly cukru nerostou tak snadno jako krystaly soli nebo boraxu.