Nukleace

Ke vzniku krystalu dochází dvojstupňovým procesem, který se skládá z nukleace (tj. ze vzniku zárodku krystalu) a z růstu krystalu připojováním atomů, radikálů nebo molekul k tomuto zárodku.

Nukleace je z hlediska termodynamiky nejkomplikovanější etapou vzniku krystalu. Termínem nukleace jsou označovány procesy vzniku a růstu nuklea, tj. zárodku krystalu. Tento zárodek je jen nepatrným seskupením atomů, jejichž uspořádání odpovídá struktuře budoucího krystalu; jde o velmi nestabilní seskupení atomů, které se může snadno rozpadnout. Studium nukleačních procesů je neobyčejně komplikované a současná přístrojová technika dosud neumožňuje přímé pozorování vzniku a vývoje zárodků. Ke vzniku zárodků může docházet různým způsobem.

Spontánní (samovolná) nukleace je proces, při němž se vytvářejí zárodky krystalů v určitých oblastech nestabilní mateřské fáze, která může být skupenství kapalného, plynného nebo pevného. Hybnou silou spontánní nukleace je porušení rovnovážného stavu v dané soustavě, které je vyvoláno změnou fyzikálně chemických podmínek (např. poklesem teploty). Toto porušení rovnováhy může být vyjádřeno mírou přesycení, při němž se atomy, ionty nebo molekuly mohou vzájemně spojovat za vzniku zárodků. Při studiu spontánní nukleace v geochemických soustavách je často výhodnější vyjadřovat odchylku od rovnovážného stavu velikostí podchlazení. Velikostí podchlazení rozumíme rozdíl mezi rovnovážnou teplotou, při níž by se určitá pevná fáze mohla v soustavě poprvé objevit (při postupném ochlazování soustavy), a teplotou soustavy v daném okamžiku. Například při ochlazování magmatické taveniny bychom mohli očekávat vznik určitého minerálu při poklesu teploty na teplotu likvidu. Spontánní krystalizace však při teplotě likvidu rozhodně nezačne. Bude-li teplota taveniny dále postupně klesat, dojde k podchlazení taveniny a až při určité velikosti podchlazení začne z taveniny krystalizovat očekávaný minerál.

Přítomnost zárodků v dané termodynamické soustavě zvyšuje volnou energii této soustavy, a proto jsou zárodky krystalů nestabilní a snadno dochází k jejich rozpadu. Za určitých podmínek se zárodky mohou zvětšovat a jejich velikost může překročit kritickou hodnotu, která se označuje jako kritický poloměr zárodku. (Absolutní hodnota kritického poloměru závisí na látkovém složení zárodku, jeho struktuře, povaze okolního prostředí a na celé řadě vnějších faktorů.)

Dosažení a překročení kritického poloměru má pro vznik krystalické látky zásadní význam. Připojování atomů k rostoucímu zárodku o poloměru menším než kritický poloměr vede ke zvyšování volné energie soustavy, a proto je rostoucí zárodek nestabilní a snadno dochází k jeho destrukci. Pokud však zárodek dosáhne velikosti odpovídající kritickému poloměru, stane se stabilním, protože připojováním dalších atomů k jeho povrchu se bude snižovat volná energie soustavy. Dosažením kritického poloměru končí zárodečné stadium vzniku krystalu - jinak řečeno, překročením kritického poloměru zárodek přestává být zárodkem a stává se krystalem, který může dále růst připojováním dalších stavebních částic k jeho povrchu (za současného snižování volné energie soustavy). Absolutní velikost kritického poloměru zárodku závisí na mnoha faktorech. Na obr. 1 je znázorněn vztah mezi velikostí kritického poloměru zárodku forsteritu Mg₂[SiO₄] a velikostí podchlazení taveniny složením odpovídající forsteritu. Z obr. 1 je zřejmé, že kritický poloměr zárodku klesá s rostoucím podchlazením, což mj. znamená, že čím větší je podchlazení taveniny, tím větší je pravděpodobnost, že zárodek připojováním dalších stavebních částic dosáhne rozměrů odpovídajících jeho kritickému poloměru za daných podmínek. I za podmínek vhodných pro nukleaci je však pravděpodobnost dosažení kritického poloměru zárodku jen velmi malá. Spontánní nukleace má význam především při vzniku nerostů krystalizací z magmatu nebo lávy. Spontánní nukleací z hydrotermálních roztoků se tvoří zárodky řady minerálů, které se podílejí na složení hydrotermálních žil (jde např. o kalcit, dolomit, ankerit, fluorit, pyrit, chalkopyrit a scheelit).

Spontánní nukleací vytvořené zárodky mohou po dosažení určité velikosti klesat hydrotermálním roztokem a ukládat se na vrchních plochách dříve vytvořených krystalů - takto dochází např. k pokrytí krystalů křemene tenkým povlakem složeným z drobných individuí dolomitu, k uložení drobných krystalů scheelitu na krystalech křemene a k pokrytí krystalových ploch kalcitu jemným "popraškem" pyritu nebo chalkopyritu.

Často se zárodky krystalů tvoří na rozhraní dvou různých fází. Příkladem je nukleace na povrchu kapaliny, k níž dochází na hladině solných jezer a mořských zálivů, když v důsledku odpařování vody vzroste salinita povrchové vrstvy až na hodnotu, při níž je solanka přesycena např. chloridem sodným. Na hladině solanky se tvoří zárodky krystalů halitu, jejichž dalším růstem vznikají větší individua a agregáty tohoto minerálu. Jiná příčina způsobuje nukleaci kalcitu na hladině jeskynních jezírek, jejichž voda obsahuje rozpuštěný Ca(HCO₃)₂. Na hladině jeskynních jezírek dochází k úniku CO₂, což vede k lokálnímu přesycení uhličitanem vápenatým a k nukleaci kalcitu. Následným růstem kalcitových zárodků se formují větší individua tohoto minerálu a jejich agregáty, které v podobě tenkého povlaku mohou pokrýt hladinu jezírka. Vznik kalcitu na hladině jeskynního jezírka vyjadřuje rovnice:

Ca(HCO₃)₂ ===> CaCO₃ + CO₂ + H₂O

Spontánní vznik nových zárodků určitého minerálu je termodynamicky nevýhodný v soustavě, v níž již existují krystaly nebo zrna tohoto minerálu. V tomto případě dojde spíše k nukleaci na povrchu těchto krystalů nebo zrn, příp. na jimi probíhajících trhlinách; centrem krystalizace se často stávají drobné úlomky téhož minerálu. K tomuto jevu běžně dochází např. při vzniku hydrotermálních žil tvořených křemenem v horninách obsahujících křemen. Krystalizačními centry nezbytnými pro vznik relativně velkých zrn křemene v okrajových partiích žil jsou drobná křemenná zrna, která se nacházejí na okraji trhliny v hornině (později vyplněné žilnou mineralizací) a která jsou ve styku s hydrotermálním roztokem. Na obr. 2 je znázorněn sloupcovitý krystal křemene, na jehož povrchu došlo k nukleaci a následnému vzniku mladších individuí křemene, která narůstají na podložní křemenný krystal v určité zákonité orientaci.

Obr. 2

Jak již bylo uvedeno, mohou se stát krystalizačním centrem nepatrné úlomky dříve vytvořených krystalů. V dutinách některých křemenných žil se nacházejí relativně velké křemenné krystaly, na jejichž vrchních plochách narůstají drobné krystaly křemene mladší generace. Na obr. 3a je znázorněn příčný řez velkým krystalem křemene, na jehož krystalovou plochu dopadl během jeho růstu nepatrný úlomek křemene, který se stal zárodkem pro růst krystalu mladší generace křemene. Pokud na povrch rostoucího krystalu křemene dopadne větší počet křemenných úlomků, může se vytvořit drúza krystalů křemene - takto vytvořená drúza je schematicky znázorněna na obr. 3b, z něhož je zřejmé, že k dopadu úlomků křemene na plochu rostoucího křemenného krystalu došlo ve dvou různých obdobích.

Obr. 3

Při vzniku krystalu určitého minerálu se může stát "zárodkem" i krystal jiného nerostného druhu. V těchto případech dochází k narůstání jednoho minerálu na druhý, přičemž vzájemná orientace obou minerálů je zákonitá. Tento jev se označuje jako epitaxe.

Obr. 4

Na obr. 4 je znázorněn velký klenec rodochrozitu, na nějž v rozích narůstají drobné klence dolomitu (rohy rodochrozitového krystalu se tedy staly krystalizačními centry dolomitu).

Obr. 5

Obr. 5 znázorňuje epitaktické narůstání hexaedrů pyritu na krystal markazitu. V obou případech jde o narůstání mladšího minerálu na krystaly staršího minerálu, jejichž růst byl již ukončen.

Pokud růst obou minerálů v zákonité orientaci pokračuje, hovoříme o epitaktickém prorůstání, jehož příkladem je prorůstání křemene a ortoklasu na obr. 6.

další »»