Estrutura Cristalina: Estrutura, Tipos e Exemplos

A estrutura cristalina é um dos estados sólidos que átomos, íons ou moléculas podem adotar na natureza, caracterizado por possuir uma ordem espacial elevada. Em outras palavras, isso é evidência da “arquitetura corpuscular” que define muitos corpos com aparências vítreas e brilhantes.

O que promove ou que 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 buscam se acomodar para minimizar essa perda de energia.

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Então, sua natureza intrínseca os leva a se colocar no arranjo espacial mais estável. Por exemplo, esse pode ser um caso em que as repulsões entre íons com cargas iguais são mínimas ou onde átomos – como os metálicos – ocupam o maior volume possível em suas embalagens.

A palavra “cristal” tem um significado químico que pode ser deturpado para 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 usado indevidamente 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 (confusa) de silicatos e muitos outros aditivos.

Estrutura

As gemas esmeraldas são ilustradas na imagem acima. Assim, 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 puderem ser observadas a olho nu, fizer operações de simetria (inverta-o, gire-o em diferentes ângulos, reflita-o em um plano etc.), será verificado que ele permanece intacto em todas as dimensões do espaço.

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

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

Se fossem desenhados quadrados que aplicavam esferas alaranjadas e operações de simetria, eles gerariam outras partes do cristal.

O acima é repetido com quadrados cada vez menores, até encontrar um que seja 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 do espaço.

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

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

Nesse arranjo, as esferas mal ocupam 52% do volume total do cubo e, como a natureza abomina o vácuo, não há muitos compostos ou elementos que adotem essa estrutura.

No entanto, se as mesmas esferas do cubo estiverem dispostas de tal forma que ocupem o centro (cúbico no corpo, cco), será necessário um empacotamento mais compacto e eficiente (2). Agora, 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 ocupa, e todas elas ocupam até 74% do volume total (centro cúbico nas faces, ccp).

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Assim, pode-se observar que outros arranjos podem ser obtidos para o mesmo cubo, variando a maneira pela qual as esferas (íons, moléculas, átomos, etc.) são empacotadas.

Tipos

As estruturas cristalinas podem ser classificadas de acordo com seus sistemas cristalinos ou com 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 cristais metálicos.

De acordo com seu sistema cristalino

Os sete principais sistemas cristalinos estão representados na imagem anterior. Pode-se notar que, na verdade, catorze deles são produtos de outras formas de embalagem para os mesmos sistemas e compõem as redes Bravais.

De (1) a (3) são cristais com sistemas cristalinos cúbicos. Em (2) observa-se (pelas listras azuis) que a esfera do centro e a dos cantos interagem com oito vizinhos, de modo que as esferas têm um número de coordenação igual a 8. E em (3) o número de coordenação é 12 (para ver é necessário duplicar o cubo em qualquer direção).

Os elementos (4) e (5) correspondem aos sistemas tetragonais simples e centrados no centro. Diferentemente do cúbico, seu eixo c é mais longo que os eixos aeb.

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

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

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

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

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De acordo com sua natureza química

– Se os cristais são formados por íons, são cristais iônicos presentes nos sais (NaCl, CaSO 4 , CuCl 2 , KBr, etc.)

– Moléculas como a forma de glicose (sempre que possível) cristais moleculares; Neste caso, os famosos cristais de açúcar.

– Átomos cujas ligações são essencialmente covalentes formam cristais covalentes. São os casos de diamante ou carboneto de silício.

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

Exemplos

K 2 Cr 2 O 7 (sistema triclínico)

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NaCl (sistema cúbico)

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ZnS (wurtzita, sistema hexagonal)

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CuO (sistema monoclínico)

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Referências

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

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