Kristall


Ein Kristall ist ein Festkörper, dessen Bausteine – z. B. Atome, Ionen oder Moleküle – regelmäßig in einer Kristallstruktur angeordnet sind. Bekannte kristalline Materialien sind Kochsalz, Zucker, Minerale und Schnee – aber auch die Metalle. Aufgrund der regelmäßigen Anordnung der Atome bzw. Moleküle weisen Kristalle keine kontinuierlichen, wohl aber diskrete Symmetrien auf; man spricht von Fernordnung oder Translationssymmetrie.

Die Wissenschaft von den Eigenschaften und Formen der Kristalle ist die Kristallographie. Eng verwandt sind die Metallographie und die Mineralogie.

Ein Kristall ist ein homogener Körper, denn er ist stofflich und physikalisch einheitlich. Aber viele physikalische Eigenschaften sind von der Raumrichtung abhängig, d. h. ein Kristall ist anisotrop.[1]

Vor 1992 wurden Kristalle über ihre Periodizität definiert: In diesem Sinne ist ein Kristall dreidimensional periodisch aus gleichbleibenden Struktureinheiten aufgebaut.[2] Diese Struktureinheit heißt Einheitszelle oder Elementarzelle.

Seit 1992 ist ein Kristall gemäß der Internationalen Kristallographischen Union IUCr[3] durch seine diskreten Beugungsordnungenen (bei Beleuchtung mit Röntgenstrahlen) definiert. Er weist also eine Fernordnung auf, ist aber nicht zwangsläufig periodisch. Diese Definition wurde durch die 1984 entdeckten Quasikristalle erzwungen, die eine Untergruppe der aperiodischen Kristalle bilden. Gleichwohl bilden die periodischen Kristalle die bei weitem größte Untergruppe der Kristalle.

Der idiomorphe Kristall weist in seiner äußeren Form auf die jeweilige Kristallstruktur hin. Deshalb sind z. B. ungestört gewachsene Natriumchloridkristalle (Kochsalz, Mineral Halit) würfelförmig. Auch bei idiomorphen Kristallen liegt in der Natur meist eine gewisse Verzerrung vor, d. h. die Kantenlängen (nicht aber die Winkel) können von der Idealform deutlich abweichen (vgl. Gesetz der Winkelkonstanz).


Abb. 1: Schema des Kristalls von Kochsalz (Natriumchlorid). In jeder Raumrichtung wechseln Natrium-Ionen (grau) regelmäßig mit Chlorid-Ionen (grün) ab. Die eingezeichneten Oktaeder zeigen je ein Ion mit seinen sechs nächsten Nachbarionen. Die Kantenlänge der Oktaeder (Abstand von einem Ion zum nächsten Ion des gleichen Elements) beträgt 0,56 Nanometer.
Abb. 2: Idiomorphe, annähernd würfelförmige Halit-Kristalle
Abb. 3: Ein zweidimensionaler Quasikristall: Die Penrose-Parkettierung wiederholt sich bei einer vollständigen Drehung fünfmal (fünfzählige Rotationssymmetrie), aber nicht bei einer Verschiebung. Sie besitzt also keine translationssymmetrische Fernordnung.
Abb. 4: Chromalaun (KCr(SO4)2·12H2O) Oktaeder (2,5 cm Kantenlänge)
Metrik der Elementarzellen verschiedener Kristallsysteme (Längen und Winkel sind auf die Basisvektoren bezogen)
Kubisch primitives Gitter mit der Elementarzelle und den drei Basisvektoren in blau
Die häufigsten Kristallsysteme der Metalle.
Abb. 5: Die kleinstmögliche Zelle im Gitter des Halits ist ein Rhomboeder (blau). Erst die flächenzentrierte Elementarzelle (schwarz) macht die kubische Symmetrie des Gitters deutlich.
Kristalle in einer der Höhlen in der Mine von Naica. Man beachte die Person für den Größenvergleich.
Abb. 6: Farbloser Bergkristall
Abb. 7: Buntfarbiger Achat