Kryształy – piękno uporządkowane
Kryształy, które podziwiamy w naturze, zachwycają regularnością kształtów. Wynika ona wprost ze składu chemicznego, a dokładniej mówiąc – z rozmiarów i rozmieszczenia atomów. Wiadomo doskonale, że kryształy soli kuchennej (czyli chlorku sodu), a także cukru zawsze mają kształt sześcianu. Z kolei kryształy ałunów wyglądają jak bipiramida tetragonalna (dwie piramidy sklejone podstawami). Oczywiście mogą one być większe lub mniejsze, ale to już jest kwestia wtórna. Niektórzy z czytelników być może hodowali jakieś kryształy – czy to w ramach projektu szkolnego, czy też z własnej ciekawości – i zapewne pamiętają, że trzeba do tego naprawdę wiele cierpliwości, bo krystalizacja potrafi trwać nawet tygodniami. Młodszych czytelników zachęcam jednak do eksperymentów, bo efekty bywają naprawdę ciekawe, zwłaszcza w przypadku związków barwnych, takich jak niebieski siarczan miedzi(II) czy fioletowy ałun chromowo-potasowy.
Przyroda sama też sobie doskonale radzi z krystalizacją. Najprostsze procesy tego typu możemy podziwiać zimą. Gdy spada temperatura, woda zmienia się w postać krystaliczną, czyli lód. Padający śnieg to oczywiście także kryształy. Ich piękny regularny sześciokątny kształt wynika z budowy cząsteczek wody oraz z faktu, że jej krople w drodze na ziemię ochładzają się dość wolno, co pozwala na ukształtowanie się płatków śniegu. Kolejnym przykładem pięknych kryształów H2O jest szadź. Inny, mniej przyjemny proces krystalizacji zaobserwujemy na naszym zimowym obuwiu, gdy pojawiają się na nim białe zacieki z soli, której użyto do posypywania śniegu na chodniku.
Hodowanie kryształów niekoniecznie musi być zabawą czy eksperymentem szkolnym. W wielu laboratoriach prowadzi się doświadczenia pozwalające otrzymać odpowiednie do badań kryształy szczególnie złożonych związków organicznych, w tym białek. W tym przypadku cały proces bywa często bardzo trudny – trzeba odpowiednio dobrać skład roztworu do krystalizacji. Uzyskane w ten sposób struktury wykorzystuje się do badań krystalograficznych i krystalochemicznych pozwalających na wyciąganie wniosków dotyczących struktury wewnętrznej, występowania wiązań wodorowych itp.
Ładne kryształy spotkamy też oczywiście w naturze. Zwykle mają one niewielkie rozmiary, chociaż zdarzają się nieprzeciętne okazy. Największy wydobyty kryształ kwarcu górskiego (właściwie agregat kryształów) ważył ponad 14 t. Zgrabne sześcienne kryształy tworzy piryt (nadsiarczek żelaza), który ze względu na podobieństwo do złota bywa nazywany złotem głupców. Czasami kryształy tworzą się wewnątrz masy skalnej, w wolnej przestrzeni. Taka geoda kryje w sobie piękne skupiska najczęściej kwarcu, ametystu czy agatu.
Wiele występujących w naturze kryształów ma zastosowanie w jubilerstwie – szczególnie cenione są oczywiście te rzadkie, jak diament (po oszlifowaniu zwany brylantem), szmaragd, rubin czy topaz.
Dziś trudno sobie wyobrazić świat bez elektroniki. Tutaj też olbrzymią rolę odegrała krystalizacja. W 1916 r. Jan Czochralski opracował sposób uzyskiwania bardzo czystych i dużych (nawet do 30 cm średnicy) kryształów krzemu, które są potem cięte na niewielkie kawałki wykorzystywane we wszelkiego typu procesorach. Metodę Czochralskiego z niewielkimi modyfikacjami stosuje się do dziś.
Trzeba również wspomnieć o ciekłych kryształach, choć nie są one obiektem bezpośredniego zainteresowania krystalografów czy mineralogów. Ich niezwykły stan materii to coś pośredniego między fazą ciekłą a klasycznie krystaliczną. Tworzące je cząsteczki z jednej strony mają pewną swobodę ruchu, ale z drugiej wykazują uporządkowanie. Przejście z jednej fazy do drugiej wywołuje się za pomocą prądu elektrycznego, czasem też dzięki zmianie temperatury. Pierwotnie ciekłe kryształy stanowiły wyłącznie ciekawostkę naukową. Dziś są niemal wszędzie – od elektroniki użytkowej (wyświetlacze w zegarkach, ekrany LCD w monitorach i telewizorach) przez optoelektronikę aż do farb i emulsji zmieniających barwę w zależności od temperatury, a nawet prostych plastikowych termometrów przylepianych na czoło.
A na koniec jako ciekawostkę dodam, że bardzo popularne jeszcze kilkadziesiąt lat temu w naszych domach dekoracyjne wyroby kryształowe tak naprawdę nie są typowymi kryształami. Nazwę zawdzięczają swojemu wyglądowi i zdolności do specyficznego odbijania, załamywania i rozszczepiania światła. Szkło, z którego są wykonywane, nosi nazwę szkła ołowiowego. Zawartość tego pierwiastka powoduje znaczący wzrost współczynnika załamania światła, a także gęstości. Podobnie jak inne rodzaje szkła także i ołowiowe nie tworzy klasycznych kryształów. W procesie przejścia ze stanu płynnego do stałego nie ma etapu typowej krystalizacji.
dr n. chem. Mirosław Dworniczak