Cristal - Crystal

Cristais de quartzo ametista
Microscopicamente, um único cristal possui átomos em um arranjo periódico quase perfeito ; um policristal é composto de muitos cristais microscópicos (chamados " cristalitos " ou "grãos"); e um sólido amorfo (como o vidro ) não tem nenhum arranjo periódico, mesmo microscopicamente.

Um cristal ou sólido cristalino é um material sólido cujos constituintes (como átomos , moléculas ou íons ) estão dispostos em uma estrutura microscópica altamente ordenada, formando uma rede cristalina que se estende em todas as direções. Além disso, os monocristais macroscópicos são geralmente identificáveis ​​por sua forma geométrica, consistindo em faces planas com orientações características específicas. O estudo científico dos cristais e da formação de cristais é conhecido como cristalografia . O processo de formação de cristais por meio de mecanismos de crescimento de cristais é denominado cristalização ou solidificação .

A palavra de cristal deriva do Grego antigo palavra κρύσταλλος ( krustallos ), ou seja, tanto " gelo " e " cristal de rocha ", a partir de κρύος ( kruos ), "gelado frio, geada".

Exemplos de grandes cristais incluem flocos de neve , diamantes e sal de cozinha . A maioria dos sólidos inorgânicos não são cristais, mas policristais , ou seja, muitos cristais microscópicos fundidos em um único sólido. Exemplos de policristais incluem a maioria dos metais , rochas, cerâmicas e gelo . Uma terceira categoria de sólidos são os sólidos amorfos , em que os átomos não têm estrutura periódica. Exemplos de sólidos amorfos incluem vidro , cera e muitos plásticos .

Apesar do nome, o cristal de chumbo, o vidro de cristal e produtos relacionados não são cristais, mas sim tipos de vidro, ou seja, sólidos amorfos.

Os cristais costumam ser usados ​​em práticas pseudocientíficas , como a terapia com cristais , e, junto com as pedras preciosas , às vezes são associados a feitiços nas crenças wiccanas e movimentos religiosos relacionados.

Estrutura cristalina (microscópica)

Halite (sal de cozinha, NaCl): microscópico e macroscópico
Cristal Halite (microscópico)
Estrutura microscópica de um cristal de halita . (Roxo é íon sódio , verde é íon cloro ). Há simetria cúbica no arranjo dos átomos
Cristal de halita (macroscópico)
Cristal de halita macroscópico (~ 16 cm). Os ângulos retos entre as faces do cristal são devidos à simetria cúbica do arranjo dos átomos

A definição científica de um "cristal" é baseada no arranjo microscópico dos átomos dentro dele, chamado de estrutura cristalina . Um cristal é um sólido em que os átomos formam um arranjo periódico. ( Quasicristais são uma exceção, veja abaixo ).

Nem todos os sólidos são cristais. Por exemplo, quando a água líquida começa a congelar, a mudança de fase começa com pequenos cristais de gelo que crescem até se fundirem, formando uma estrutura policristalina . No bloco final de gelo, cada um dos pequenos cristais (chamados " cristalitos " ou "grãos") é um verdadeiro cristal com um arranjo periódico de átomos, mas todo o policristal não tem um arranjo periódico de átomos, devido ao padrão periódico é quebrado nos limites do grão . A maioria dos sólidos inorgânicos macroscópicos são policristalinos, incluindo quase todos os metais , cerâmicas , gelo , rochas , etc. Os sólidos que não são cristalinos nem policristalinos, como o vidro , são chamados de sólidos amorfos , também chamados de vítreos , vítreos ou não cristalinos. Estes não têm ordem periódica, mesmo microscopicamente. Existem diferenças distintas entre sólidos cristalinos e sólidos amorfos: mais notavelmente, o processo de formação de um vidro não libera o calor latente de fusão , mas a formação de um cristal sim.

Uma estrutura cristalina (um arranjo de átomos em um cristal) é caracterizada por sua célula unitária , uma pequena caixa imaginária contendo um ou mais átomos em um arranjo espacial específico. As células unitárias são empilhadas em um espaço tridimensional para formar o cristal.

A simetria de um cristal é restringida pelo requisito de que as células unitárias se empilhem perfeitamente, sem lacunas. Existem 219 simetrias cristalinas possíveis, chamadas grupos espaciais cristalográficos . Estes são agrupados em 7 sistemas de cristal , como sistema de cristal cúbico (onde os cristais podem formar cubos ou caixas retangulares, como halita mostrada à direita) ou sistema de cristal hexagonal (onde os cristais podem formar hexágonos, como gelo de água comum ).

Rostos e formas de cristal

À medida que um cristal de halita está crescendo, novos átomos podem facilmente se ligar às partes da superfície com uma estrutura áspera em escala atômica e muitas ligações pendentes . Portanto, essas partes do cristal crescem muito rapidamente (setas amarelas). Eventualmente, toda a superfície consiste em faces lisas e estáveis , onde novos átomos não podem se ligar tão facilmente.

Os cristais são comumente reconhecidos por sua forma, consistindo em faces planas com ângulos agudos. Essas características de forma não são necessárias para um cristal - um cristal é cientificamente definido por seu arranjo atômico microscópico, não por sua forma macroscópica - mas a forma macroscópica característica está freqüentemente presente e fácil de ver.

Cristais euédricos são aqueles com faces planas bem formadas e óbvias. Cristais anédricos não, geralmente porque o cristal é um grão em um sólido policristalino.

As faces planas (também chamadas de facetas ) de um cristal euédrico são orientadas de uma maneira específica em relação ao arranjo atômico subjacente do cristal : são planos de índice de Miller relativamente baixo . Isso ocorre porque algumas orientações de superfície são mais estáveis ​​do que outras (menor energia de superfície ). À medida que um cristal cresce, novos átomos se ligam facilmente às partes mais ásperas e menos estáveis ​​da superfície, mas menos facilmente às superfícies planas e estáveis. Portanto, as superfícies planas tendem a crescer e ficar mais lisas, até que toda a superfície do cristal consista nessas superfícies planas. (Veja o diagrama à direita.)

Uma das técnicas mais antigas na ciência da cristalografia consiste em medir as orientações tridimensionais das faces de um cristal e usá-las para inferir a simetria subjacente do cristal .

O hábito de um cristal é sua forma externa visível. Isso é determinado pela estrutura do cristal (que restringe as possíveis orientações das facetas), a química e a ligação específicas do cristal (que podem favorecer alguns tipos de facetas em relação a outros) e as condições sob as quais o cristal se formou.

Ocorrência na natureza

Cristais de gelo
Concha fóssil com cristais de calcita

Rochas

Em volume e peso, as maiores concentrações de cristais na Terra fazem parte de sua rocha sólida . Cristais encontrados em rochas normalmente variam em tamanho de uma fração de milímetro a vários centímetros de diâmetro, embora cristais excepcionalmente grandes sejam encontrados ocasionalmente. Em 1999, o maior cristal de ocorrência natural conhecido no mundo é um cristal de berilo de Malakialina, Madagascar , com 18 m (59 pés) de comprimento e 3,5 m (11 pés) de diâmetro e pesando 380.000 kg (840.000 lb).

Alguns cristais se formaram por processos magmáticos e metamórficos , dando origem a grandes massas de rocha cristalina . A grande maioria das rochas ígneas são formadas de magma derretido e o grau de cristalização depende principalmente das condições em que se solidificaram. Rochas como o granito , que resfriaram muito lentamente e sob grandes pressões, cristalizaram completamente; mas muitos tipos de lava foram derramados na superfície e resfriados muito rapidamente, e neste último grupo uma pequena quantidade de matéria amorfa ou vítrea é comum. Outras rochas cristalinas, as rochas metamórficas como mármores , micaxistos e quartzitos , são recristalizadas. Isso significa que elas eram, a princípio, rochas fragmentadas como calcário , xisto e arenito e nunca estiveram em uma condição fundida nem totalmente em solução, mas as condições de alta temperatura e pressão do metamorfismo agiram sobre elas, apagando suas estruturas originais e induzindo a recristalização em o estado sólido.

Outros cristais de rocha se formaram a partir da precipitação de fluidos, geralmente água, para formar drusas ou veios de quartzo . Evaporitos como halita , gesso e alguns calcários foram depositados em solução aquosa, principalmente devido à evaporação em climas áridos.

Gelo

Gelo à base de água na forma de neve , gelo marinho e geleiras são estruturas cristalinas / policristalinas comuns na Terra e em outros planetas. Um único floco de neve é um único cristal ou uma coleção de cristais, enquanto um cubo de gelo é um policristal .

Cristais organigênicos

Muitos organismos vivos são capazes de produzir cristais, por exemplo calcita e aragonita no caso da maioria dos moluscos ou hidroxilapatita no caso dos vertebrados .

Polimorfismo e alotropia

O mesmo grupo de átomos pode muitas vezes se solidificar de muitas maneiras diferentes. Polimorfismo é a capacidade de um sólido existir em mais de uma forma de cristal. Por exemplo, o gelo de água é normalmente encontrado na forma hexagonal Ice I h , mas também pode existir como o gelo cúbico I c , o gelo romboédrico II e muitas outras formas. Os diferentes polimorfos são geralmente chamados de fases diferentes .

Além disso, os mesmos átomos podem ser capazes de formar fases não cristalinas . Por exemplo, a água também pode formar gelo amorfo , enquanto o SiO 2 pode formar sílica fundida (um vidro amorfo) e quartzo (um cristal). Da mesma forma, se uma substância pode formar cristais, também pode formar policristais.

Para elementos químicos puros, o polimorfismo é conhecido como alotropia . Por exemplo, diamante e grafite são duas formas cristalinas de carbono , enquanto o carbono amorfo é uma forma não cristalina. Os polimorfos, apesar de terem os mesmos átomos, podem ter propriedades totalmente diferentes. Por exemplo, o diamante está entre as substâncias mais duras conhecidas, enquanto o grafite é tão macio que é usado como lubrificante.

O poliamorfismo é um fenômeno semelhante em que os mesmos átomos podem existir em mais de uma forma sólida amorfa .

Cristalização

Cristalizador de resfriamento vertical em uma fábrica de açúcar de beterraba.

Cristalização é o processo de formar uma estrutura cristalina a partir de um fluido ou de materiais dissolvidos em um fluido. (Mais raramente, os cristais podem ser depositados diretamente do gás; consulte a deposição de película fina e epitaxia .)

A cristalização é um campo complexo e extensamente estudado porque, dependendo das condições, um único fluido pode se solidificar em muitas formas diferentes possíveis. Ele pode formar um único cristal , talvez com várias fases , estequiometrias , impurezas, defeitos e hábitos possíveis . Ou pode formar um policristal , com várias possibilidades de tamanho, disposição, orientação e fase de seus grãos. A forma final do sólido é determinada pelas condições sob as quais o fluido está sendo solidificado, como a química do fluido, a pressão ambiente , a temperatura e a velocidade com que todos esses parâmetros estão mudando.

Técnicas industriais específicas para produzir cristais únicos grandes (chamados boules ) incluem o processo de Czochralski e a técnica de Bridgman . Outros métodos menos exóticos de cristalização podem ser usados, dependendo das propriedades físicas da substância, incluindo síntese hidrotérmica , sublimação ou simplesmente cristalização à base de solvente .

Grandes cristais únicos podem ser criados por processos geológicos. Por exemplo, cristais de selenita com mais de 10 metros são encontrados na Caverna dos Cristais em Naica, México. Para obter mais detalhes sobre a formação de cristais geológicos, consulte acima .

Os cristais também podem ser formados por processos biológicos, veja acima . Por outro lado, alguns organismos têm técnicas especiais para evitar a ocorrência de cristalização, como proteínas anticongelantes .

Defeitos, impurezas e geminação

Dois tipos de defeitos cristalográficos. Canto superior direito: deslocamento da borda . Em baixo à direita: deslocamento do parafuso .

Um cristal ideal tem cada átomo em um padrão perfeito e repetitivo. No entanto, na realidade, a maioria dos materiais cristalinos tem uma variedade de defeitos cristalográficos , locais onde o padrão do cristal é interrompido. Os tipos e estruturas desses defeitos podem ter um efeito profundo nas propriedades dos materiais.

Alguns exemplos de defeitos cristalográficos incluem defeitos de vazio (um espaço vazio onde um átomo deveria caber), defeitos intersticiais (um átomo extra comprimido onde não se encaixa) e deslocamentos (veja a figura à direita). Os deslocamentos são especialmente importantes na ciência dos materiais , porque ajudam a determinar a resistência mecânica dos materiais .

Outro tipo comum de defeito cristalográfico é uma impureza , o que significa que o tipo "errado" de átomo está presente em um cristal. Por exemplo, um cristal perfeito de diamante conteria apenas átomos de carbono, mas um cristal real talvez também contivesse alguns átomos de boro . Essas impurezas de boro mudam a cor do diamante para ligeiramente azul. Da mesma forma, a única diferença entre rubi e safira é o tipo de impurezas presentes em um cristal de corindo .

Grupo de cristal de pirita geminado .

Nos semicondutores , um tipo especial de impureza, chamado dopante , altera drasticamente as propriedades elétricas do cristal. Dispositivos semicondutores , como transistores , são possíveis em grande parte colocando dopantes semicondutores diferentes em lugares diferentes, em padrões específicos.

A geminação é um fenômeno em algum lugar entre um defeito cristalográfico e um limite de grão . Como um limite de grão, um limite gêmeo tem orientações de cristal diferentes em seus dois lados. Mas, ao contrário de um limite de grão, as orientações não são aleatórias, mas relacionadas de uma maneira específica de imagem espelhada.

Mosaicidade é uma extensão das orientações do plano do cristal. Um cristal de mosaico consiste em unidades cristalinas menores que estão um tanto desalinhadas umas em relação às outras.

Ligações químicas

Em geral, os sólidos podem ser mantidos juntos por vários tipos de ligações químicas , como ligações metálicas , ligações iônicas , ligações covalentes , ligações de van der Waals e outras. Nenhum deles é necessariamente cristalino ou não cristalino. No entanto, existem algumas tendências gerais a seguir.

Os metais são quase sempre policristalinos, embora haja exceções como metal amorfo e metais de cristal único. Os últimos são cultivados sinteticamente. (Uma peça de metal microscopicamente pequena pode formar naturalmente um único cristal, mas peças maiores geralmente não.) Os materiais compostos iônicos são geralmente cristalinos ou policristalinos. Na prática, grandes cristais de sal podem ser criados por solidificação de um fluido fundido ou por cristalização de uma solução. Sólidos covalentemente ligados (às vezes chamados de sólidos de rede covalente ) também são muito comuns, exemplos notáveis ​​sendo diamante e quartzo . As forças fracas de van der Waals também ajudam a manter juntos certos cristais, como sólidos moleculares cristalinos , bem como a ligação entre camadas no grafite . Os materiais poliméricos geralmente formam regiões cristalinas, mas os comprimentos das moléculas geralmente evitam a cristalização completa - e às vezes os polímeros são completamente amorfos.

Quasicristais

O material hólmio-magnésio-zinco (Ho-Mg-Zn) forma quasicristais , que podem assumir a forma macroscópica de um dodecaedro pentagonal . Apenas os quasicristais podem assumir essa simetria de 5 vezes. As bordas têm 2 mm de comprimento.

Um quasicristal consiste em arranjos de átomos ordenados, mas não estritamente periódicos. Eles têm muitos atributos em comum com os cristais comuns, como a exibição de um padrão discreto na difração de raios-X e a capacidade de formar formas com faces planas e suaves.

Os quasicristais são mais famosos por sua capacidade de mostrar uma simetria quíntupla, o que é impossível para um cristal periódico comum (veja o teorema de restrição cristalográfica ).

A União Internacional de Cristalografia redefiniu o termo "cristal" para incluir tanto cristais periódicos comuns quanto quasicristais ("qualquer sólido com um diagrama de difração essencialmente discreto ").

Os quasicristais, descobertos pela primeira vez em 1982, são muito raros na prática. Apenas cerca de 100 sólidos são conhecidos por formar quasicristais, em comparação com cerca de 400.000 cristais periódicos conhecidos em 2004. O Prêmio Nobel de Química de 2011 foi concedido a Dan Shechtman pela descoberta de quasicristais.

Propriedades especiais da anisotropia

Os cristais podem ter certas propriedades elétricas, ópticas e mecânicas especiais que o vidro e os policristais normalmente não podem. Essas propriedades estão relacionadas à anisotropia do cristal, ou seja, à falta de simetria rotacional em seu arranjo atômico. Uma dessas propriedades é o efeito piezoelétrico , em que uma voltagem no cristal pode encolher ou esticá-lo. Outra é a birrefringência , onde uma imagem dupla aparece quando se olha através de um cristal. Além disso, várias propriedades de um cristal, incluindo condutividade elétrica , permissividade elétrica e módulo de Young , podem ser diferentes em diferentes direções em um cristal. Por exemplo, os cristais de grafite consistem em uma pilha de folhas e, embora cada folha individual seja mecanicamente muito forte, as folhas são fracamente ligadas umas às outras. Portanto, a resistência mecânica do material é bastante diferente dependendo da direção da tensão.

Nem todos os cristais têm todas essas propriedades. Por outro lado, essas propriedades não são exclusivas dos cristais. Eles podem aparecer em vidros ou policristais que foram tornados anisotrópicos pelo trabalho ou estresse - por exemplo, birrefringência induzida por estresse .

Cristalografia

Cristalografia é a ciência de medir a estrutura cristalina (em outras palavras, o arranjo atômico) de um cristal. Uma técnica de cristalografia amplamente utilizada é a difração de raios-X . Um grande número de estruturas cristalinas conhecidas é armazenado em bancos de dados cristalográficos .

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Veja também

Referências

Leitura adicional