2.1  Vznik krystalů

hlavní stránka obsah učebnice mapa webu o autorech rejstřík

2.1.1  Krystalizace

2.1.1.1  Krystalizace z plynů

2.1.1.2  Krystalizace z roztoků a tavenin

2.1.1.3  Krystalizace v pevné fázi

2.1.2  Růst krystalů

2.1.3  Rychlost a směr růstu krystalů

2.1.4  Vliv podmínek krystalizace na růst krystalů

Krystaly představují vysoce uspořádanou hmotu v pevném skupenství a vznikají krystalizací z látek kapalných (roztok, tavenina), plynných nebo pevných. Jelikož v plynném i kapalném skupenství neexistuje uspořádání stavebních částic na dlouhou vzdálenost, můžeme krystalizaci z těchto skupenství chápat jako vznik periodického uspořádání s přechodem do pevné fáze.

Každý vznik krystalu je definován fyzikálně chemickými podmínkami. Jsou to především teplota a tlak při krystalizaci a složení krystalizující fáze. Změna podmínek při krystalizaci se může projevit na výsledných krystalech např. vznikem jiného krystalového tvaru nebo odlišnými fyzikálními vlastnostmi.

2.1.1  Krystalizace

Krystalizace probíhá v různých fyzikálních podmínkách a různých chemických prostředích. Je-li krystalizující systém jednokomponentní může docházet ke krystalizaci:

U vícekomponentních systémů je krystalizace komplexní proces a může probíhat různými procesy:

Výše uvedené procesy se v přírodě uplatňují různou měrou a některé z nich se uplatňují výhradně při laboratorním pěstování monokrystalů.

2.1.1.1  Krystalizace z plynů

Krystalizace z plynné fáze je relativně nejméně běžný případ vzniku minerálů. Proces se označuje jako sublimace. Příkladem může být vznik sněhových vloček ve vzduchu nebo tvorba síry na sopečných fumarolách. Oxid siřičitý uvolněný v magmatickém procesu se redukuje reakcí s oxidem uhelnatým za vzniku ryzí síry. Ta se v plynném stavu dostává na povrch, kde krystalizuje na chladnějších místech. Podobně může vznikat i salmiak.

Sublimačními procesy často vznikají sekundární minerály na některých hořících uhelných haldách (Radvanice, Oslavany).

2.1.1.2  Krystalizace z roztoků a tavenin

Příkladem krystalizace z roztoku může být vznik halitu nebo kamence. Budeme-li rozpouštět halit ve vodě, dojdeme do stadia, kdy zůstává v roztoku nerozpustný zbytek a mezi pevnou fází a roztokem vzniká rovnovážný stav. V takovém případě označíme roztok s rozpuštěným halitem při dané teplotě jako nasycený. Zvýšením teploty nasyceného roztoku se stává nenasyceným, protože rozpustnost pevné látky se zvyšuje s teplotou. Budeme-li z nasyceného roztoku odpařovat vodu nebo snížíme-li jeho teplotu dostaneme přesycený roztok. Z přesyceného roztoku může dojít ke krystalizaci a to přirozené nebo uměle vyvolané. Krystalizaci vyvoláme tzv. očkováním, kdy vložíme těleso (nečistota, krystal) do roztoku. K samovolné krystalizaci dojde v případě, že vzniknou krystalizační jádra – nuklea. Pokud má krystalizace z roztoku plynule probíhat musí být splněna některá z následujících podmínek:

Příkladem rozsáhlé krystalizace minerálů z roztoku je vznik ložisek evaporitů, kdy dochází ke krystalizaci v mořských lagunách za vhodných klimatických podmínek.

Asi častějším případem je v přírodě krystalizace z taveniny. Je to případ vzniku minerálů ve všech typech plutonických i vulkanických hornin. Při krystalizaci z tavenin je hlavní řídící veličinou teplota, v menší míře se podílí i tlak a celkové složení taveniny. V geologických procesech mluvíme o magmatické tavenině (nebo lávové tavenině), která je systémem zpravidla 10 – 15 hlavních komponent. Proces krystalizace z magmatu probíhá zpravidla postupně a jednotlivé fáze (minerály) vznikají v závislosti na fyzikálně chemických podmínkách prostředí. Základem pro krystalizaci pevné fáze je opět vznik krystalizačního jádra, které se zvětšuje apozicí iontů jednotlivých prvků přítomných v magmatu. Nejčastější průběh krystalizace z magmatu je definován např. Bowenovým schématem (obrázek 21-1).

2.1.1.3  Krystalizace v pevné fázi

Krystalizace v pevném stavu probíhá především v metastabilních systémech jako jsou látky s neuspořádanou vnitřní stavbou (látky amorfní). V amorfních látkách sice neexistuje uspořádání na dlouhou vzdálenost, ale lokální uspořádání stavebních částic zde najdeme v rámci stavebních jednotek (např. tetraedry SiO4 v opálu). Tyto uspořádané domény mohou posloužit jako krystalizační zárodky, které jsou základem pro postupnou rekrystalizaci v pevném stavu. Výsledné krystaly mají často radiálně paprsčité uspořádání a jehlicovité krystaly tvoří sférolity.

S podobným procesem rekrystalizace se setkáme při stárnutí okenních tabulí při tzv. odskelnění, nebo při stárnutí oceli, kdy vznikají větší zrna, která snižují pevnost a pružnost materiálu.

Za krystalizaci v pevném stavu můžeme považovat všechny fázové změny v horninách, které jsou spojeny s metamorfními pochody a všechny typy polymorfních přeměn.

2.1.2  Růst krystalů

Některé minerály jsou vyvinuty v dokonalých krystalech, jiné mají vyvinutou jen část krystalových ploch nebo plochy vyvinuty vůbec nemají. Tvar výsledného krystalu je ovlivněn podmínkami během krystalizace. Jsou to zejména následující:

Podmínkou pro následný růst krystalů je vznik zárodků – krystalizačních jader. Jakmile tato jádra přesáhnou kritickou velikost postupuje jejich růst. Z okolního roztoku se stavební částice (ionty, molekuly) ukládají na povrch rostoucího krystalu. Tento proces se označuje jako apozice. V nejbližším okolí krystalu postupně ubývá stavebních částic a snižuje se tak jejich koncentrace a vytváří se krystalizační dvorec. Další růst krystalu je možný pouze díky difúzi mezi krystalizačním dvorcem a okolní přesycenou taveninou.

 

2.1.3  Rychlost a směr růstu krystalů

Většina krystalů není tvarově homogenním tělesem, je tedy jasné, že v různých směrech je rychlost růstu krystalu odlišná. Kolmice spuštěné ze zárodečného bodu (většinou totožný se středem krystalu) na krystalové plochy udávají růstové směry těchto ploch. Rychlost postupu dané krystalové plochy při jejím růstu se označuje jako růstová rychlost. Plochy se stejným tvarem a růstovou rychlostí označujeme jako fyzikálně a krystalograficky stejnocenné. Objeví-li se plochy s jiným tvarem a jinou růstovou rychlostí, jsou vůči původním plochám různocenné.

Při apozici iontů na krystal dochází při slučování k uvolnění určité energie. Povrch krystalu je tvořen ionty, které jsou valenčně nenasycené a jsou tak nositeli energetického potenciálu. Jeho velikost závisí na pozici iontu ve struktuře, tzn. je-li na krystalové ploše, krystalové hraně nebo rohu (obrázek 21-2). Místo připojení stavební částice na krystal je určováno pravděpodobností, s jakou částice v těsné blízkosti krystalu nalezne polohu, kde bude její potenciální energie nižší než v roztoku a nebude odtržena tepelnými pohyby. Krystalizace je dynamický proces, kdy část stavebních částic se ukládá na povrch krystalu a část se odpoutává zpět do roztoku, aby si našla energeticky výhodnější místo k připojení. Částice na krystalové ploše (obrázek 21-3) je vázána se čtyřmi částicemi v téže ploše a jednou částicí z plochy spodní. Její valenční nenasycenost je minimální a tím je i minimální pravděpodobnost apozice další částice. Částice na hranách (obrázek 21-3) jsou vázány čtyřmi vazbami a dvě zůstávají volné, takže jejich energetický potenciál je větší. Částice na rozích krystalu mají největší kapacitu volných valencí a pravděpodobnost apozice další částice na tomto místě je značná.

Směr růstu krystalových ploch a výsledný habitus krystalu je úzce spjat se symetrií krystalové struktury. Existuje-li na krystalu směr s malou rychlostí růstu (např. tabulkovité nebo lístečkovité krystaly), má elementární buňka v tomto směru nejdelší periodu identity. Podobně směru s velkou růstovou rychlostí (sloupcovité a jehlicovité krystaly) odpovídá nejkratší mřížková perioda identity. Nigliho pravidlo morfologicko-strukturní závislosti říká, že nejhustěji obsazené uzlové přímky určují pásma nejsilněji na krystalu vyvinutá.

Typy ploch, které budou na výsledném krystalu převažovat definuje Bravaisův zákon: Na rovnoměrně rostoucím krystalu jsou nejlépe vyvinuté ty plochy, které odpovídají strukturním rovinám s největší retikulární hustotou (s největším počtem uzlových bodů). Z hlediska rychlosti růstu různocenných ploch můžeme říci, že na krystalu se prosadí plochy s nízkou růstovou rychlostí (obrázek 21-4). Souvislost mezi růstovou rychlostí a retikulární hustotou je zřejmá - na plochy s vyšší retikulární hustotou se musí vázat více stavebních částic a tak je jejich rychlost růstu nižší, než u ploch s nízkou retikulární hustotou. Vyšší rychlost růstu ploch s malou retikulární hustotu je podpořena i faktem, že mají vyšší povrchovou energii. Vysokou retikulární hustotu mají plochy s nízkými hodnotami Millerových indexů a ty se také na krystalech objevují nejčastěji.

 

2.1.4  Vliv podmínek krystalizace na růst krystalů

Rovnoměrně vyvinutý krystal je v přírodních podmínkách velmi vzácný. Vyžaduje to ideální krystalizační podmínky, které je možné dodržet zpravidla jen v laboratoři. V přírodě se setkáváme nejčastěji s tzv. různoměrným vývinem krystalů. Takové krystaly nejsou zcela pravidelné a vykazují odchylky od ideálních tvarů. Tyto jevy jsou způsobeny kolísáním teploty při krystalizaci, změnou tlakových podmínek, změnou složení výchozího roztoku nebo prouděním krystalizujícího roztoku.

Rovněž stupeň přesycení krystalizujícího roztoku má vliv na výsledný habitus krystalu. Jak klesá přesycení krystalizujícího roztoku, tak se na krystalu uplatňují plochy s velkými růstovými rychlostmi.

Celkový vývoj habitu krystalu a přednostní vývin určitých ploch mohou být ovlivněny přítomností některých příměsí v roztoku. Například fluorit krystalizuje v bazickém prostředí ve formě krychle, zatímco v kyselém prostředí vzniká oktaedr.

Zpět na hlavní stránku