Krystalické látky

Protože tvorba nové sloučeniny vyžaduje pohyb reagujících atomů, molekul či iontů, vzniká řada pevných látek reakcí v tekutých systémech. Pokud je určité uskupení stavebních jednotek nově vznikající pevné látky nějak energeticky výhodné, pak při fázovém přechodu takové uskupení vzniká přednostně. Jeho soustavným opakováním se vytváří pravidelná krystalická struktura.

Ke krystalizačním jevům dochází ovšem také při tuhnutí roztavených látek či při vylučování látek z roztoku, aniž by v systému musela nutně probíhat chemická reakce.

Při krystalizaci z vodných roztoků dochází často k tomu, že integrální součástí kristalické mřížky se stává krystalová voda.

V krystalu jsou atomy, ionty nebo molekuly v prostoru pravidelně uspořádány podle jednoduchých geometrických schémat a vytvářejí krystalickou mřížku. Pokud je součástí mřížky krystalová voda, je odstranění této vody možné jen tepelným rozkladem (kalcinací). Kalcinace je provázena rozpadem krystalu.

Strukturu krystalů lze rozložit na nejmenší útvary, tzv. elementární buňky, které udávají vzájemnou polohu stavebních částic krystalu. Podle způsobu vytvoření elementární buňky se krystaly dělí do šesti krystalografických soustav (trojklonná = triklinická, jednokolnná = monoklinická, kosočtverečná = rombická, trigonální = romboedrická, hexagonální = šesterečná, krychlová = kubická).

V důsledku prostorové anizotropie jsou i vlastnosti krystalů v různých směrech různé.

Stavba krystalové mřížky je dána charakterem vazebných sil, které k sobě poutají částice pevné hmoty. Základní typy krystalických mřížek jsou mřížky iontové, atomové, molekulové a kovové.

Iontová krystalová mřížka je tvořena pravidelným střídáním pozitivně a negativně nabitých iontů. Elektrostatické přitažlivé síly působící mezi jednotlivými kationty a anionty jsou silné a iontová mřížka je díky tomu velmi stabilním útvarem. S iontovou mřížkou se setkáváme u sloučenin kovů s nekovy, především pak u solí.

Atomová krystalová mřížka je vybudována z atomů spojených mezi sebou kovalentními vazbami. Kovalentní vazba vzniká společným sdílením vazebného elektronu dvěma sousedními atomy. Atomová krystalová mřížka je typická pro sloučeniny kovů s uhlíkem (karbidy), křemíkem (silicidy) a dusíkem (nitridy).

Sloučeniny s atomovou mřížkou se vyznačují vysokým bodem tání, vysokou tvrdostí a chemickou odolností. V tomto směru vyniká zejména karbid křemičitý SiC (karborundum).

Molekulová mřížka je typická pro málo polární organické sloučeniny. Slabé elektrostatické síly v těchto látkách nepředstavují dostatečně silný impulz ke tvorbě pravidelné struktury a málo polární nebo nepolární látky proto krystalují jen neochotně.

S krystaly molekulového charakteru se setkáváme i u makromolekulárních látek, kde dochází k uspořádávání částí dlouhých makromolekulárních vláken do pravidelných svazčitých či lamelovitých struktur (kristality).

Kovová krystalová mřížka je složena z atomů vázaných mezi sebou kovovou vazbou. Mřížka je tvořena kationty, které jako celek společně sdílejí pohyblivé valenční elektrony. velká volnost valenčních elektronů v rámci celé krystalické struktury způsobuje, že na každý kus kovu je možno pohlížet jako na jedinou obří molekulu. Molekulární orbital, tvořený oblakem valenčních elektronů obklopujících kationtovou mřížku, dává kovům jejich charakteristické vlastnosti, jako jsou velká tepelná a elektrická vodivost, kujnost, tažnost barevnost a lesk.

Řada látek se může vyskytovat ve více krastalických modifikacích a někdy je přechod z jedné krystalické soustavy do druhé relativně snadný. Vždy jsou však s takovým přechodem spojeny podstatné změny vlastností.

Příprava větších ideálně krystalických těles tvořených pouze jedním krystalem je velmi náročná a s monokrystaly jako konstrukčními materiály se proto ve stavební praxi nesetkáváme.

Krystalická fáze má ve stavebních materiálech polykristalickou podobu. Sestává z velkého počtu monokrystalů, zpravidla velice drobných, jejichž krystalová mřížka není stejně orientována. Jsou-li tyto monokrystaly orientovány zcela náhodně, má výsledný polykrystal strukturu statisticky izotropní, resp. ortotropní.

Vzájemná soudržnost polykrystalů je na hranicích monokrystalických zrn zajišťována vazebními silami téhož druhu jako uvnitř monokrystalů, ale vzhledem k nejasné orientaci krystalových mřížek jsou zde kohezní síly nižší a může snáze dojít k posunům. Struktura polykristalů ve stavebních hmotách navíc není většinou dokonalá, ale obsahuje určité množství pórů a mikrotrhlin na hranicích mezi krystaly i uvnitř krystalů. Tyto defekty způsobují zhoršení mechanických vlastností materiálů.