Können Sie erklären, warum sich Kristalle ohne Thermodynamik bilden?

Nicht die Thermodynamik steuert die Kristallbildung auf atomarer Ebene, sondern die Quantenmechanik. Große Kristalle, von Diamanten bis hin zu klaren Eiskristallen, sind eine makroskopische Manifestation der zugrunde liegenden quantendynamischen Ebene. Die Moleküle, die den Kristall aufbauen, haben solche Feldeigenschaften, Dipole und Quadrupole und noch höhere Momente, die anziehende und abstoßende Felder haben, die wie LEGO in stabile symmetrische Konfigurationen passen können.

Diese Felder entstehen, obwohl Atome und Moleküle neutral sind, weil die Elektronen um den positiven Kern keine kugelsymmetrische Ladungsverteilung haben, sondern Verformungen aufgrund der quantenmechanischen Ebenen der sie bildenden Elektronen aufweisen. Diese Verformungen erzeugen Anziehungskräfte zwischen Molekülen, die auch Symmetrien im Raum tragen. Als Beispiel sehen Sie hier eine Darstellung von Molekülorbitalen für ein bestimmtes Molekül. Ein Orbital ist der quantenmechanische Ort der Wahrscheinlichkeit, dort ein Elektron zu finden, und spiegelt das Quadrat der quantenmechanischen Wellenfunktion wider.

Vollständiger molekularer Orbitalsatz von Acetylen (H–C≡C–H). Die linke Spalte zeigt MOs, die im Grundzustand besetzt sind, mit dem energieärmsten Orbital oben. Die in einigen MOs sichtbare weiße und graue Linie ist die Molekülachse, die durch die Kerne verläuft. Die Orbitalwellenfunktionen sind in den roten Regionen positiv und in den blauen negativ. Die rechte Spalte zeigt virtuelle MOs, die im Grundzustand leer sind, aber in angeregten Zuständen besetzt sein können.

Das LEGO-Analogon soll Ihnen eine Intuition geben, wie, wenn spezifische Rezeptoren und Extrusionen in komplexeren Molekülen existieren, in verschiedenen Symmetrien unterschiedliche Formen aufgebaut werden können. Die Anziehungskraft des elektrischen Feldes hält alles zusammen, positive Regionen verbinden sich mit negativen.

Die Bildung eines Kristalls aus einem Niederschlag sollte Ihnen eine Vorstellung davon vermitteln, wie die Moleküle „wissen“, dass sie Muster mit großer Reichweite im Raum bilden. Erstens ist es eine statistische Wahrscheinlichkeit, dass sich unter den richtigen Bedingungen kleine Kristalle bilden. Wenn die Lösung gesättigt ist, geschieht dies zufällig, die Rezeptoren und Erhebungen fallen zufällig zusammen, werden angezogen und haften, und das nächste Molekül kommt ..... Keime aus der zufälligen Kristallisation können verwendet werden, um gezielt große Einkristalle herzustellen.

Thermodynamik tritt in die Umgebung ein, in der die Kristalle wachsen können, Temperatur und Druck. Auch die chemische Umgebung ist sehr wichtig für das Wachstum. Zum Beispiel in der Frage nach Calcit in Ihrem Kommentar:

Calcit bildet sich aus einer schlecht geordneten Vorstufe (amorphes Calciumcarbonat, ACC). Der Kristallisationsprozess erfolgt in zwei Stufen; Erstens dehydrieren und kristallisieren die ACC-Nanopartikel schnell, um einzelne Vateritpartikel zu bilden; Zweitens wandelt sich der Vaterit über einen Auflösungs- und Wiederausfällungsmechanismus in Calcit um, wobei die Reaktionsgeschwindigkeit durch die Oberfläche des Calcits gesteuert wird. Die zweite Stufe der Reaktion ist ungefähr zehnmal langsamer als die erste. Es wurde jedoch beobachtet, dass die Kristallisation von Calcit vom Ausgangs-pH und der Anwesenheit von Mg in Lösung abhängt. Ein neutraler Ausgangs-pH während des Mischens fördert die direkte Umwandlung von ACC in Calcit. Wenn sich dagegen ACC in einer Lösung bildet, die mit einem basischen Anfangs-pH beginnt, erfolgt die Umwandlung in Calcit über metastabilen Vaterit, der sich über einen sphärolithischen Wachstumsmechanismus bildet. In einer zweiten Stufe wandelt sich dieser Vaterit über einen oberflächengesteuerten Auflösungs- und Rekristallisationsmechanismus in Calcit um. Mg hat eine bemerkenswerte Wirkung sowohl auf die Stabilität von ACC als auch auf seine Umwandlung in kristallines CaCO3, was zur Bildung von Calcit direkt aus ACC führt, da dieses Ion die Struktur von Vaterit destabilisiert.

Obwohl also die inhärenten Symmetrien ein quantenmechanischer Ausdruck der molekularen Energieniveaus sind, ist der Kristallbildungsprozess komplex und von vielen Variablen abhängig.

Die unterschiedlichen ausgedrückten Symmetrien weisen darauf hin, dass es mehr als eine Möglichkeit gibt, die Energie für dieses bestimmte Molekül zu minimieren, wenn es zur Bildung der Kristallstruktur passt, und es hängt vom Keim ab, den ersten paar Molekülen, die sich in einer bestimmten Konfiguration verbinden.