1.04 Kristallen
In principe komt elke vaste stof voor in 3 vormen: amorf, kristallijn en een mengvorm van beide. Dit geldt ook voor mineralen. De mineralen, die verzameld worden, hebben heel vaak een kristalvorm, maar niet allemaal.
Is een stof amorf, dan liggen de atomen en/of moleculen zonder enige ordening door elkaar heen. Een amorf materiaal, dat we dagelijks zien (of eigenlijk niet zien) is glas. Glas bestaat uit siliciumdioxide oftewel SiO2. Kwarts bestaat uit hetzelfde materiaal, maar hierbij zijn de moleculen op een geordende manier gerangschikt. Ze zitten op vaste plaatsen in een zogenaamd kristalrooster.
De kristallen op zich zijn microscopisch klein en niet te zien met het blote oog. Veel kristallen trekken elkaar echter aan en klitten aan elkaar vast, waardoor zij groeien en er zogenaamde macrokristallen ontstaan. Het leuke is, dat deze macrokristallen vaak dezelfde vorm hebben als de microscopisch kleine kristalletjes waaruit ze opgebouwd zijn.
Afb. 9: Structuur van NaCl. (Bron: Wikipedia)
Afb. 10: Haliet.
Een molecuul keukenzout (NaCl) bestaat uit een Na+ ion en een Cl- ion. Daardoor is de ene kant van het molecuul een beetje positief geladen en de andere kant een beetje negatief.
Als er 2 moleculen zijn, dan zal de positieve kant van het ene molecuul zich vleien naast de negatieve kant van het andere molecuul en omgekeerd. En heb je veel moleculen, dan schikken ze zich zo dat elk chloor-ion aan 6 kanten grenst aan een natrium-ion. En elk natrium-ion weer aan 6 kanten aan een chloor-ion. Uiteindelijk zorgt dat ervoor dat mineraal zout (haliet) vaak uit kubusvormige kristallen bestaat. Zo ontstaat een structuur, zoals in afb. 9.
Beknopte info over elementen, atomen, ionen en isotopen, zie: https://nl.wikipedia.org/wiki/Atoom
De wetenschap, die zich met kristallen en kristalliseren bezighoudt is de kristallografie. Deze onderscheidt 7 kristalstelsels: triklien, monoklien, orthorombisch, hexagonaal, trigonaal, tetragonaal en kubisch. Een kubisch kristal zag je hierboven al.
Een kubus bestaat uit een onder- en een bovenvlak en 4 zijvlakken, die allemaal vierkant en allemaal even groot zijn.
Deze vlakken worden begrensd door zgn. ribben, die samenkomen in hoekpunten. Een kubus heeft 12 ribben, die allemaal even lang zijn, en 8 hoekpunten. In een kubisch kristalstelsel zit op elk hoekpunt een atoom of een molecuul (of preciezer: een ion, een positief of negatief geladen deeltje).
Als nu de verticale ribben een andere lengte hebben dan de horizontale ribben, maar wel alle 4 weer dezelfde lengte, dan is er sprake van een tetragonaal stelsel. En als het grondvlak en het bovenvlak geen vierkant zijn, maar een rechthoek waarbij niet alle zijden even lang zijn, terwijl alle ribben nog steeds in hoeken van 90° ten opzichte van elkaar staan, heb je te maken met een orthorombisch kristalstelsel.
Op een vergelijkbare wijze kunnen ook de hoeken, waarin de ribben ten opzichte van elkaar staan, variëren. Als van een tetragonaal stelsel de hoeken in boven- en ondervlak niet 90° zijn, maar 120°, dan krijg je een hexagonaal stelsel. Boven- en het ondervlak veranderen dan in honingraatjes. Een voorbeeld hiervan is vanadiniet (Pb5(VO4)3Cl).
Afb. 11: Celestien (SrSO4) heeft een orthorombisch kristalstelsel.
Het kristalstelsel met de minste ‘regels’ (lengte van de ribben en hoeken ten opzichte van elkaar) is het trikliene kristalselsel. Je zou ook kunnen zeggen, dat triklien het kristalstelsel is met de minste symmetrie en kubisch dat met de meeste symmetrie.
Afb. 13: Bij dit stuk vanadiniet uit Marokko zijn de honingraatjes goed zichtbaar.
Afb. 12: Pyroxmangiet (Mn2+SiO3) heeft een triklien kristalstelsel. Afkomstig uit Oostenrijk.
Een aantal kristalstelsels heeft daarnaast ook nog subvormen. Want in een kubisch kristalstelsel kan het zo zijn, dat er in het middelpunt van de kubus (dus binnenin) ook nog een ion zit. En bij een 3e variant zit er geen ion midden in de kubus, maar wel een midden in het bovenvlak, het ondervlak en alle zijvlakken. In totaal zijn het er dan dus 14. Zie de afbeeldingen hiernaast.
De Franse kristallograaf August Bravais (1811 – 1863) heeft vastgesteld, dat er in de driedimensionale ruimte op die manier in totaal 14 mogelijke constructies zijn. Deze worden ‘Bravaisroosters’ of ‘Bravaistralies’ genoemd (Engels: Bravais lattice).
Opvallend: een stelsel met én een ion in het midden van de kubus én een midden op elk zijvlak (in totaal dus 15) bestaat niet. Of liever gezegd: kan niet bestaan, zoals Bravais wiskundig heeft aangetoond.
Uiteindelijk zijn deze stelsels allemaal het resultaat van op elkaar inwerkende krachten, veroorzaakt door de elektrische lading van de betrokken elementen.
Voor wie hier meer over wil weten verwijs ik naar de volgende pagina in het Engels en het Servo-Kroatisch: https://glossary.periodni.com/dictionary.php?en=bravais+lattice
De 3 afbeeldingen van kubische kristalroosters hierboven en hiernaast heb ik overgenomen van de website van de University of Colorado in Boulder.
Niet altijd is met het blote oog te zien, wat de kristalstructuur van een mineraal is. De techniek waarmee men van elk materiaal (dus niet alleen van mineralen, maar ook van organische stoffen) de ruimtelijke structuur kan bepalen heet röntgendiffractie. Daarbij laat men röntgenstralen los op een materiaal.
Afb. 14: Impressie van de werking van röntgendiffractie. (Bron: RUL)
Aan de hand van de doorlating en de verspreiding van de stralen kan men de structuur nauwkeurig bepalen.
Leuk voor mineralen-verzamelaars, nuttig bij het vaststellen van de echtheid van edelstenen, maar letterlijk van levensbelang bij het vaststellen van de ruimtelijke structuur van eiwitten en potentiële geneesmiddelen.
Afb. 15: Zwarte arfvedsoniet-kristallen op een matrix van orthoklaas. Afkomstig uit Malawi.
Veel kristallen zitten vast in het omringende gesteente, moeder-gesteente of matrix genaamd. Dit bestaat vaak, maar zeker niet altijd, uit een mengsel van allerhande mineralen. Voorbeelden van dit soort mengsels zijn graniet, basalt, ryoliet en gabbro.
Gabbro ontstaat in de kern van vulkanen als magma op grote diepte langzaam afkoelt. Het bestaat voor c.a. 50% uit SiO2 en verder vooral uit veldspaten (zie 2.21).
Afb. 16: Gabbro-bol uit Madagaskar.
Qua chemische samenstelling lijkt gabbro op basalt, dat echter aan de oppervlakte en daardoor snel afkoelt. De structuren verschillen daardoor sterk.