ESTRUTURA CRISTALINA: ESTRUTURA, TIPOS E EXEMPLOS - QUÍMICA - 2025

A estrutura cristalina é um dos estados sólidos que átomos, íons ou moléculas podem adotar na natureza, que se caracteriza por possuir 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 colocarem 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 gemas de esmeralda são ilustradas. Assim como esses, muitos outros minerais, sais, metais, ligas e diamantes exibem uma estrutura cristalina; mas que relação tem sua ordenação com a simetria?

Se um cristal, cujas partículas podem ser observadas a olho nu, é aplicado operações de simetria (invertê-lo, girá-lo em ângulos diferentes, refleti-lo em um plano, etc.), então será verificado que ele permanece 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 as esferas laranja e operações de simetria fossem aplicadas a eles, descobriria 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 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: desde os 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 compostos de íons, então eles são cristais iônicos presentes nos sais (NaCl, CaSO ₄, CuCl ₂, 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

K

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.. Obtido em 24 de maio de 2018, em: web.iit.edu
4. Ming. (2015, 30 de junho). 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. (25 de abril de 2016). Cristais de esmeralda em bruto do vale de Panjshir, no Afeganistão.. Obtido em 24 de maio de 2018, em: commons.wikimedia.org
8. Napy1kenobi. (26 de abril de 2008). Treliças Bravais.. Obtido em 26 de maio de 2018, em: commons.wikimedia.org
9. Usuário: Sbyrnes321. (21 de novembro de 2011). Cristalino ou amorfo.. Obtido em 26 de maio de 2018, em: commons.wikimedia.org