Estrutura Cristal: Estrutura, Tipos e Exemplos - Ciência - 2023

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o estrutura de cristal É um dos estados sólidos que átomos, íons ou moléculas podem adotar na natureza, que se caracteriza por ter um alto ordenamento espacial. Em outras palavras, é uma evidência da "arquitetura corpuscular" que define muitos corpos com aparência vítrea e brilhante.

O que promove ou qual força é responsável por essa simetria? As partículas não estão sozinhas, mas interagem umas com as outras. Essas interações consomem energia e afetam a estabilidade dos sólidos, de modo que as partículas procuram se acomodar para minimizar essa perda de energia.

Portanto, suas naturezas intrínsecas os levam a se colocar no arranjo espacial mais estável. Por exemplo, pode ser aquele em que as repulsões entre íons com cargas iguais são mínimas, ou em que alguns átomos - como os metálicos - também ocupam o maior volume possível em suas embalagens.


A palavra "cristal" tem um significado químico que pode ser mal representado por outros corpos. Quimicamente, refere-se a uma estrutura ordenada (microscopicamente) que, por exemplo, pode consistir em moléculas de DNA (um cristal de DNA).

No entanto, é popularmente mal utilizado para se referir a qualquer objeto ou superfície vítrea, como espelhos ou garrafas. Ao contrário dos cristais verdadeiros, o vidro consiste em uma estrutura amorfa (desordenada) de silicatos e muitos outros aditivos.

Estrutura

Na imagem acima, algumas joias de esmeralda são ilustradas. Assim como esses, muitos outros minerais, sais, metais, ligas e diamantes exibem uma estrutura cristalina; mas, que relação tem sua ordem com a simetria?

Se um cristal, cujas partículas podem ser observadas a olho nu, são aplicadas operações de simetria (invertê-lo, girá-lo em ângulos diferentes, refleti-lo em um plano, etc.), então ele permanecerá intacto em todas as dimensões do espaço.


O oposto ocorre para um sólido amorfo, do qual diferentes ordens são obtidas submetendo-o a uma operação de simetria. Além disso, carece de padrões de repetição estrutural, o que mostra a aleatoriedade na distribuição de suas partículas.

Qual é a menor unidade que compõe o padrão estrutural? Na imagem superior, o sólido cristalino é simétrico no espaço, enquanto o amorfo não.

Se quadrados fossem desenhados para envolver esferas laranja e operações de simetria fossem aplicadas a eles, seria descoberto que eles geram outras partes do cristal.

O acima é repetido com quadrados cada vez menores, até encontrar aquele que é assimétrico; o que o precede em tamanho é, por definição, a célula unitária.

Célula unitária

A célula unitária é a expressão estrutural mínima que permite a reprodução completa do sólido cristalino. A partir disso é possível montar o vidro, movendo-o em todas as direções no espaço.


Pode ser considerada uma pequena gaveta (baú, balde, recipiente, etc.) onde as partículas, representadas por esferas, são colocadas seguindo um padrão de enchimento. As dimensões e geometrias desta caixa dependem dos comprimentos dos seus eixos (a, b e c), bem como dos ângulos entre eles (α, β e γ).

A mais simples de todas as células unitárias é a da estrutura cúbica simples (imagem superior (1)). Nele, o centro das esferas ocupa os cantos do cubo, quatro em sua base e quatro no teto.

Nesse arranjo, as esferas ocupam apenas 52% do volume total do cubo, e como a natureza abomina o vácuo, poucos compostos ou elementos adotam essa estrutura.

Porém, se as esferas estiverem dispostas no mesmo cubo de forma que uma ocupe o centro (cúbica centrada no corpo, bcc), então haverá um empacotamento mais compacto e eficiente (2). Já as esferas ocupam 68% do volume total.

Por outro lado, em (3) nenhuma esfera ocupa o centro do cubo, mas o centro de suas faces sim, e todas elas ocupam até 74% do volume total (cúbica centrada na face, cc).

Assim, pode ser apreciado que outros arranjos podem ser obtidos para o mesmo cubo, variando a forma como as esferas são empacotadas (íons, moléculas, átomos, etc.).

Tipos

As estruturas cristalinas podem ser classificadas de acordo com seus sistemas cristalinos ou a natureza química de suas partículas.

Por exemplo, o sistema cúbico é o mais comum de todos, e muitos sólidos cristalinos são governados por ele; no entanto, esse mesmo sistema se aplica a cristais iônicos e metálicos.

De acordo com seu sistema cristalino

Na imagem anterior, os sete principais sistemas de cristal estão representados. Percebe-se que são catorze, na verdade, que são produtos de outras formas de embalagens para os mesmos sistemas e compõem as redes Bravais.

De (1) a (3) são cristais com sistemas de cristal cúbico. Em (2) observa-se (pelas listras azuis) que a esfera do centro e a dos cantos interagem com oito vizinhos, portanto as esferas têm um número de coordenação de 8. E em (3) o número de coordenação é 12 (para vê-lo você precisa duplicar o cubo em qualquer direção).

Os elementos (4) e (5) correspondem a sistemas tetragonais simples e centrados na face. Ao contrário do cúbico, seu eixo c é mais longo do que os eixos a e b.

De (6) a (9) estão os sistemas ortorrômbicos: dos simples e centrados nas bases (7), aos centrados no corpo e nas faces. Nestes α, β e γ têm 90º, mas todos os lados têm comprimentos diferentes.

As figuras (10) e (11) são os cristais monoclínicos e (12) são os triclínicos, esta última apresentando desigualdades em todos os seus ângulos e eixos.

O elemento (13) é o sistema romboédrico, análogo ao cúbico, mas com ângulo γ diferente de 90º. Finalmente, existem os cristais hexagonais

Os deslocamentos dos elementos (14) originam o prisma hexagonal traçado pelas linhas pontilhadas verdes.

De acordo com sua natureza química

- Se os cristais são formados por íons, então são cristais iônicos presentes nos sais (NaCl, CaSO4, CuCl2, KBr, etc.)

- Moléculas como a glicose formam (sempre que podem) cristais moleculares; neste caso, os famosos cristais de açúcar.

- Os átomos cujas ligações são essencialmente covalentes formam cristais covalentes. Esses são os casos do diamante ou do carboneto de silício.

- Da mesma forma, metais como o ouro formam estruturas cúbicas compactas, que constituem cristais metálicos.

Exemplos

K2Cr2OU7 (sistema triclínico)

NaCl (sistema cúbico)

ZnS (wurtzita, sistema hexagonal)

CuO (sistema monoclínico)

Referências

  1. Quimitube. (2015). Por que "cristais" não são cristais. Obtido em 24 de maio de 2018, em: quimitube.com
  2. Pressbooks. 10.6 Estruturas reticuladas em sólidos cristalinos. Obtido em 26 de maio de 2018, em: opentextbc.ca
  3. Centro de Recursos Acadêmicos da Crystal Structures. [PDF]. Obtido em 24 de maio de 2018, em: web.iit.edu
  4. Ming. (30 de junho de 2015). Tipos Estruturas de Cristal. Obtido em 26 de maio de 2018, em: crystalvisions-film.com
  5. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (31 de janeiro de 2018). Tipos de Cristais. Obtido em 26 de maio de 2018, em: Thoughtco.com
  6. KHI. (2007). Estruturas Cristalinas. Obtido em 26 de maio de 2018, em: folk.ntnu.no
  7. Paweł Maliszczak. (2016, 25 de abril). Cristais de esmeralda em bruto do Vale de Panjshir, Afeganistão. [Figura]. Obtido em 24 de maio de 2018, em: commons.wikimedia.org
  8. Napy1kenobi. (26 de abril de 2008). Treliças Bravais. [Figura]. Obtido em 26 de maio de 2018, em: commons.wikimedia.org
  9. Usuário: Sbyrnes321. (21 de novembro de 2011). Cristalino ou amorfo. [Figura]. Obtido em 26 de maio de 2018, em: commons.wikimedia.org