ESTRUCTURA CRISTAL·LINA: ESTRUCTURA, TIPUS I EXEMPLES - QUIMICA - 2026

L' estructura cristal·lina és un dels estats sòlids que poden adoptar en la naturalesa dels àtoms, ions o molècules, el qual es caracteritza per posseir un alt ordenament espacial. En altres paraules, aquesta és una evidència de la "arquitectura corpuscular" que defineix molts cossos amb aparences vítries i brillants.

Què promou o quina força és responsable d'aquesta simetria? Les partícules no estan soles, sinó que interactuen unes amb les altres. Aquestes interaccions consumeixen energia i afecten l'estabilitat dels sòlids, de manera que les partícules busquen acomodar-se per reduir a el mínim aquesta pèrdua energètica.

Llavors, les seves natures intrínseques les porten a col·locar-se en l'arranjament espacial més estable. Per exemple, aquest pot ser aquell on les repulsions entre ions amb iguals càrregues siguin mínimes, o on també uns àtoms -com els metàl·lics- ocupin el major volum possible en les seves empaquetaments.

La paraula «vidre» té un significat químic que pot ser tergiversat per altres cossos. Químicament, fa referència a una estructura ordenada (microscòpicament) que per exemple, pot constar de molècules d'ADN (un cristall d'ADN).

No obstant això, popularment és mal emprada per referir-se a qualsevol objecte o superfície vítria, com els miralls o les ampolles. A diferència dels veritables vidres, el vidre consisteix d'una estructura amorfa (desordenada) de silicats i molts altres additius.

estructura

A la imatge superior s'il·lustren unes gemmes de maragdes. Així com aquestes, molts altres minerals, sals, metalls, aliatges i diamants exhibeixen una estructura cristal·lina; però, quina relació té el seu ordenament amb la simetria?

Si a un vidre, les partícules poguessin ser observades a simple vista, se li aplica operacions de simetria (invertir-, rotar-lo a diferents angles, reflectir-ho en un plànol, etc.), llavors es trobarà que roman intacte en totes les dimensions de l'espai.

El contrari passa per un sòlid amorf, a partir de què s'obtenen diferents ordenaments a l'sotmetre-ho a una operació de simetria. A més, aquest no té patrons de repetició estructural, el que demostra l'aleatorietat en la distribució de les seves partícules.

Quina és la unitat més petita que fa el patró estructural? A la imatge superior el sòlid cristal·lí és simètric en l'espai, mentre que el amorf no ho és.

Si es dibuixaran uns quadrats que tanquessin unes esferes taronges i se'ls apliqués les operacions de simetria, es trobaria que generen altres parts de l'vidre.

L'anterior es repeteix amb quadrats més i més petits, fins a trobar aquell que sigui asimètric; el que li antecedeix en grandària és, per definició, la cel·la unitària.

cel·la unitària

La cel·la unitària és la mínima expressió estructural que permet la reproducció completa de l'sòlid cristal·lí. A partir d'aquesta és possible armar el vidre, traslladant-la en totes les direccions de l'espai.

Es pot considerar com un calaix petit (bagul, cub, contenidor, etc.) on les partícules, representades per esferes, es col·loquen seguint un patró d'ompliment. Les dimensions i geometries d'aquest calaix depenen de les longituds dels seus eixos (a, bic), així com dels angles entre aquests (α, β i γ).

La més simple de totes les cel·les unitàries és la de l'estructura cúbica simple (imatge superior (1)). En aquesta el centre de les esferes ocupa els cantons de la galleda, situant-se quatre en la seva base i quatre en el sostre.

En aquest arranjament, les esferes amb prou feines ocupen el 52% de l'volum total de la galleda, i atès que la naturalesa avorreix el buit, no són molts els compostos o elements que adopten aquesta estructura.

No obstant això, si a la mateixa galleda se li disposen les esferes de tal manera que una ocupi el centre (cúbica centrada en el cos, bcc), llavors es tindrà un empaquetament més compacte i eficient (2). Ara les esferes ocupen el 68% de l'volum total.

D'altra banda, a (3) cap esfera ocupa el centre de la galleda, però sí el centre de les seves cares, i totes ocupen fins al 74% de l'volum total (cúbica centrada en les cares, ccp).

Així, es pot apreciar que per al mateix cub poden obtenir altres arranjaments, variant la manera de com s'empaqueten les esferes (ions, molècules, àtoms, etc.).

tipus

Les estructures cristal·lines poden classificar-se en funció dels seus sistemes cristal·lins o de la naturalesa química de les seves partícules.

Per exemple, el sistema cúbic és el més comú de tots i molts sòlids cristal·lins es regeixen a partir d'aquest; però, aquest mateix sistema s'aplica tant per cristalls iònics com per vidres metàl·lics.

Segons el seu sistema cristal·lí

A la imatge anterior es representen els set sistemes cristal·lins principals. Pot notar-se que en realitat hi ha catorze d'aquests, els quals són producte d'altres formes de empaquetaments per als mateixos sistemes i conformen les xarxes de Bravais.

De (1) a (3) són els vidres amb sistemes cristal·lins cúbics. En (2) s'observa (per les franges blaves) que l'esfera de centre i la de les cantonades interactuen amb vuit veïns, de manera que les esferes tenen un nombre de coordinació de 8. I a (3) el nombre de coordinació és 12 (per veure-ho és necessari duplicar el cub en qualsevol direcció).

Els elements (4) i (5) corresponen als sistemes tetragonals simple i centrat en les cares. A diferència de l'cúbic, el seu eix c és més llarg que els eixos ai b.

De (6) a (9) són els sistemes ortorrómbicos: des del simple i el centrat en les bases (7), fins als centrats en el cos i en les cares. En aquests α, β i γ són de 90º, però tots els costats són de diferents longituds.

Les figures (10) i (11) són els vidres monoclínics i la (12) és el triclínic, presentant l'últim desigualtats en tots els seus angles i eixos.

L'element (13) és el sistema rombohedral, anàleg a l'cúbic però amb un angle γ diferent a 90º. Finalment hi ha els vidres hexagonals

Els desplaçaments dels elements (14) originen el prisma hexagonal traçats per les línies puntejades de verd.

Segons la seva naturalesa química

- Si els vidres estan formats per ions, llavors són cristalls iònics presents en les sals (NaCl, CAS ₄, CuCl ₂, KBr, etc.)

- Les molècules com la glucosa formen (sempre que puguin) cristalls moleculars; en aquest cas, els famosos cristalls de sucre.

- Els àtoms els enllaços són essencialment covalents formen cristalls covalents. Tals són els casos de el diamant o de l'carbur de silici.

- Així mateix, els metalls com l'or formen estructures cúbiques compactes, les quals constitueixen els vidres metàl·lics.

exemples

K

NaCl (sistema cúbic)

ZnS (wurtzita, sistema hexagonal)

CuO (sistema monoclínic)

referències

1. Quimitube. (2015). Per què els "vidres" no són vidres. Recuperat el 24 de maig de 2018, de: quimitube.com
2. Pressbooks. 10.6 Lattice Structures in Crystalline Solids. Recuperat el 26 de maig de 2018, de: opentextbc.ca
3. Crystal Structures Academic Resource Center.. Recuperat el 24 de maig de 2018, de: web.iit.edu
4. Ming. (30 de juny de 2015). Types Crystal Structures. Recuperat el 26 de maig de 2018, de: crystalvisions-film.com
5. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (31 de gener del 2018). Types of Crystals. Recuperat el 26 de maig de 2018, de: thoughtco.com
6. KHI. (2007). Crystalline Structures. Recuperat el 26 de maig de 2018, de: folk.ntnu.no
7. Paweł Maliszczak. (25 d'abril de 2016). Rough emerald crystals from Panjshir Valley Afghanistan.. Recuperat el 24 de maig de 2018, de: commons.wikimedia.org
8. Napy1kenobi. (26 d'abril de 2008). Bravais lattices.. Recuperat el 26 de maig de 2018, de: commons.wikimedia.org
9. User: Sbyrnes321. (21 de novembre de 2011). Crystalline or amorphous.. Recuperat el 26 de maig de 2018, de: commons.wikimedia.org