Cristal - ciencias de la naturaleza.

Cristal - ciencias de la naturaleza. 1 INTRODUCCIÓN Formación de un cristal Si una disolución no es perturbada mientras se enfría, puede superar el punto normal de cristalización y permanecer en un estado superenfriado. Esto también es válido para una disolución que contenga el máximo de soluto; si asimila más, se denomina supersaturado. En ambos casos, si se añade un cristal pequeño, llamado semilla, se produce una reacción en cadena súbita (como se muestra en las fotos) y el crecimiento del cristal es muy rápido. Yoav Levy/Phototake NYC - ciencias de la naturaleza. Cristal, porción homogénea de materia con una estructura atómica ordenada y definida y con forma externa limitada por superficies planas y uniformes simétricamente dispuestas. Los cristales se producen cuando un líquido forma lentamente un sólido; esta formación puede resultar de la congelación de un líquido, el depósito de materia disuelta o la condensación directa de un gas en un sólido. Los ángulos entre las caras correspondientes de dos cristales de la misma sustancia son siempre idénticos, con independencia del tamaño o de la diferencia de forma superficial. La mayor parte de la materia sólida muestra una disposición ordenada de átomos y tiene estructura cristalina. Los sólidos sin estructura cristalina, como el vidrio, se denominan amorfos. Debido a su estructura, son más parecidos a un líquido que a un sólido. Se conocen como líquidos superenfriados. 2 CONDICIONES DE FORMACIÓN En el interior del manto terrestre, a gran profundidad, las condiciones de presión y temperatura son tales que las rocas están fundidas formando un material fluido que denominamos magma. El magma puede enfriarse al acercarse a la superficie y solidificarse constituyendo rocas de tipo ígneo (véase Rocas ígneas). Si el enfriamiento es muy rápido, como sucede en el caso de la lava que sale al exterior en los procesos volcánicos, no da tiempo, en el proceso de solidificación, a que los átomos de los minerales se organicen formando cristales; pero si el enfriamiento es más lento y tiene lugar en el interior de la corteza, los átomos tienen tiempo para constituir estructuras ordenadas que es lo que denominamos cristales. Esto sucede, por ejemplo, en el caso del granito, formado por enfriamiento lento de ciertos tipos de magma que dan como resultado una roca en la que podemos ver los diferentes minerales componentes individualizados y cristalizados. Los mismos líquidos, que se solidifican lentamente en las profundidades de la Tierra para formar granito, son expulsados a veces en forma de lava a la superficie donde se enfrían muy rápido formando una roca vítrea llamada obsidiana. Si el enfriamiento es algo más lento, se forma una roca llamada felsita; su estructura es cristalina, pero con cristales demasiado pequeños para ser vistos sin microscopio. Una estructura así se llama criptocristalina o afanítica. Un enfriamiento aún más lento produce una roca de estructura porfídica, en la que algunos cristales son suficientemente grandes para ser visibles; esta roca, que puede tener la misma composición que la obsidiana, la felsita o el granito, se llama riolita. El granito, la riolita y la felsita no son homogéneos y por tanto no pueden ser un único cristal; son, sin embargo, rocas cristalinas. Cada uno de los constituyentes minerales de estas rocas está presente en forma de cristales que, aun siendo pequeños, son homogéneos. Las sustancias que se solidificaron primero durante el enfriamiento de la roca fundida muestran la disposición usual de las caras de sus cristales. Las que se solidificaron después, por tener una menor temperatura de congelación, se vieron obligadas a ocupar los intersticios libres y, por tanto, su aspecto externo está deformado. La tendencia que provoca la formación de cristales homogéneos a partir de mezclas líquidas, se puede aprovechar para purificar muchas sustancias cristalinas. Los químicos usan este método con frecuencia. En particular, los compuestos orgánicos, se purifican casi siempre por recristalización. En algunos grupos minerales, ciertos iones de un elemento pueden sustituirse por iones de otro, dejando la misma estructura cristalina pero formando algo que se puede considerar como una serie de disoluciones sólidas. Estos grupos, en los que hay un rango de composiciones químicas entre extremos puros de distinto material, se llaman isomorfos. Un ejemplo es la variedad de feldespato llamada plagioclasa, que contiene una serie completa, con composiciones que varían desde el aluminosilicato de sodio puro (albita) hasta el aluminosilicato de calcio puro (anortita). Otros grupos minerales que forman series isomorfas incluyen el apatito, la baritina, la calcita y la espinela. El crecimiento cristalino se inicia cuando un cristal diminuto que se haya formado extrae de su entorno más material de su misma constitución. A veces, en ausencia de este primer cristal, o semilla, la cristalización no se produce, y la solución queda supersaturada, del mismo modo en que un líquido bajo su punto de solidificación está superenfriado. Cuando se produce una sustancia orgánica nueva, suele ser difícil formar el primer cristal salvo que se encuentre una sustancia isomórfica. La tendencia a la cristalización disminuye con la viscosidad creciente del líquido; si una disolución queda muy supersaturada o superenfriada se hace muy viscosa, y la cristalización deviene casi imposible. Un enfriado o una evaporación adicional del solvente produce primero un jarabe y luego un vidrio. Algunas sustancias tienen una fuerte tendencia a formar semillas cristalinas. Si una disolución de estas sustancias es enfriada lentamente, unas pocas semillas crecen en grandes cristales; pero si se enfría rápidamente, se forman numerosas semillas y crecen sólo cristales pequeños. La sal de mesa, purificada industrialmente por recristalización, está compuesta por muchos cristales cúbicos perfectos apenas visibles; la sal de roca, formada por lentos procesos geológicos, contiene cristales enormes con la misma forma cristalina cúbica. 3 CRISTALOGRAFÍA El estudio del crecimiento, la forma y la geometría de los cristales se llama cristalografía. Cuando las condiciones son favorables, cada elemento o compuesto químico tiende a cristalizarse en una forma definida y característica. Así, la sal tiende a formar cristales cúbicos; pero el granate, que ocasionalmente forma también cubos, se encuentra con más frecuencia en dodecaedros (sólidos con 12 caras) o triaquisoctaedros (sólidos con 24 caras). A pesar de sus hábitos diferentes (formas de cristalización), la sal y el granate cristalizan siempre en la misma clase y sistema. En teoría son posibles treinta y dos clases cristalinas; pero sólo una docena de clases incluye a casi todos los minerales comunes, y algunas clases nunca se han observado. Las treinta y dos clases se agrupan en seis sistemas cristalinos, caracterizados por la longitud y posición de sus ejes (líneas imaginarias que pasan por el centro del cristal e intersectan las caras definiendo relaciones de simetría en el cristal). Los minerales de cada sistema comparten algunas características de simetría y forma cristalina, así como muchas propiedades ópticas importantes. Los seis sistemas cristalinos tienen mucha importancia para los mineralogistas y los gemólogos; la especificación del sistema es necesaria en la descripción de cualquier mineral (véase Mineralogía). 3.1 Cúbico Cristal cúbico Los cristales cúbicos, como el de la pirita aquí mostrado, tienen tres ejes perpendiculares con la misma longitud. La estructura cúbica, o isométrica, es la más simétrica entre todos los cristales. El sistema cristalino de la pirita forma rocas bastante duras, pero muy friables. La pirita se conoce también como "oro de los locos" debido a su color amarillo y a su lustre metálico. Dorling Kindersley Este sistema incluye los cristales con tres ejes perpendiculares unos con otros, y con la misma longitud. 3.2 Tetragonal Cristal tetragonal La idocrasa siberiana tiene estructura cristalina tetragonal. Sus ejes son perpendiculares y dos de ellos tienen la misma longitud. Se asocia con rocas como el zircón, el rutilo y la wulfenita, rocas de dureza media que pueden tener fuego adamantino. Dorling Kindersley Este sistema incluye los cristales con tres ejes perpendiculares unos con otros, dos de los cuales tiene el mismo tamaño. 3.3 Ortorrómbico Cristal ortorrómbico La baritina, de la que procede el bario, tiene una estructura de cristales ortorrómbicos. Tiene tres ejes perpendiculares dos a dos con longitudes distintas. Muestra exfoliación perfecta, esto es, se divide con facilidad a lo largo de planos secantes específicos. Dorling Kindersley Este sistema incluye los cristales con tres ejes perpendiculares unos con otros, todos de distinto tamaño. 3.4 Monoclínico Cristal monoclínico El yeso es un ejemplo de mineral con estructura cristalina monoclínica. Estos minerales tienen tres ejes desiguales, dos de los cuales son perpendiculares al tercero, pero no entre sí. El yeso, roca sedimentaria blanda, se usa como escayola de París así como en agricultura y construcción. Dorling Kindersley Este sistema incluye los cristales con tres ejes de distinta longitud, dos de los cuales son oblicuos (es decir, no perpendiculares) entre sí, pero perpendiculares al tercero. 3.5 Triclínico Cristal triclínico Los cristales triclínicos muestran la menor simetría entre todos los sistemas cristalinos. Sus ejes son desiguales y nunca forman ángulos rectos. Esta axinita brasileña es un ejemplo de cristal triclínico. Dorling Kindersley Este sistema incluye los cristales con tres ejes de distinto tamaño y oblicuos los unos con los otros. 3.6 Hexagonal Cristal hexagonal Un cristal hexagonal, como el berilo, tiene cuatro ejes de simetría. Tres de ellos tienen la misma longitud y están dispuestos de forma simétrica en un plano. El cuarto eje es perpendicular a los demás. Dorling Kindersley Este sistema incluye los cristales con cuatro ejes. Tres de estos ejes se encuentran en un mismo plano, distribuidos simétricamente y con el mismo tamaño. El cuarto eje es perpendicular a los otros tres. Algunos cristalógrafos dividen el sistema hexagonal en dos, creando un séptimo sistema llamado trigonal o romboedral. Cristales de apatito El apatito incluye varios minerales de fosfato de calcio, entre ellos el fluoruro fosfato de calcio, materia que compone los dientes y los huesos. Estos cristales amarillos de apatito pertenecen al sistema hexagonal, tienen por tanto un eje de simetría en la dirección larga y otros tres ejes simétricos sobre un plano perpendicular al primer eje. Una sección de un cristal de apatito mostraría un hexágono. George Whiteley/Photo Researchers, Inc. Algunos elementos o compuestos pueden cristalizar en dos sistemas diferentes, originando sustancias que, aunque idénticas en composición química, son diferentes en casi todas las demás propiedades físicas. Por ejemplo, el carbono cristaliza en el sistema cúbico formando diamante y en el sistema hexagonal formando grafito. Aunque el diamante pertenece al mismo sistema que la sal y el granate, está en una clase distinta: cristaliza en tetraedros (sólidos con cuatro caras) o en octaedros (sólidos con ocho caras); esto último es posible en la clase del granate y la sal, pero no lo primero. 4 OTRAS PROPIEDADES CRISTALINAS El hábito de cualquier mineral incluye muchas otras propiedades basadas en la estructura cristalina. Por ejemplo, la argentita, una mena común de plata, cristaliza en la misma clase que el granate y la sal, pero suele encontrarse en masas criptocristalinas irregulares. La fluorita, otro mineral común, también cristaliza en la misma clase y forma normalmente cubos; cuando se fractura, tiende a dividirse en fragmentos octaédricos perfectos. La sal se rompe en fragmentos cúbicos, y el granate no tiene planos de exfoliación bien definidos. Algunas sustancias tienden a formar múltiples cristales que crecen los unos sobre los otros. Algunos cristales, cuando se comprimen, producen cargas eléctricas en sus extremos; otros producen cargas similares cuando se calientan. Estas propiedades, llamadas piezoelectricidad y piroelectricidad respectivamente, son mostradas de modo notable por el cuarzo. Por esta razón, los cristales de cuarzo se usan en sonares y en muchos tipos de aparatos de radio. En un transistor, se utilizan propiedades especiales de los cristales de germanio y silicio para amplificar una corriente eléctrica. Otro dispositivo electrónico, la célula solar, utiliza un cristal de sulfuro de silicio o cadmio para convertir la luz del Sol en energía eléctrica ( véase Batería). Se ha trabajado mucho en los últimos años en la producción de monocristales de sustancias que son normalmente criptocristalinas. Por ejemplo, se pueden hacer crecer grandes monocristales de metales con diversos métodos. El más sencillo, consiste en fundir el metal en una vasija cónica, con el vértice hacia abajo, y hacerla descender lentamente desde el horno. Si se dan las condiciones adecuadas, se forma una única semilla en la punta del cono y crece hasta llenar la vasija. Estos monocristales suelen diferir notablemente de los metales en su forma usual. Los cristales puros, especialmente diseñados, se producen en la actualidad con técnicas avanzadas, como la epitaxia de haz molecular, para su uso en semiconductores, circuitos integrados y otros sistemas importantes de tecnología moderna. Cuando los rayos X atraviesan los átomos de un cristal dispuestos de forma simétrica, éstos se comportan como una red de difracción, desviando los rayos en figuras regulares. Fotografías de estas figuras dan a los científicos una base para deducir muchos datos relativos a la naturaleza del cristal. La disposición real de los átomos en los cristales puede observarse en imágenes producidas por microscopios electrónicos de transmisión ( véase Microscopio) y dispositivos de emisión de campo iónico. Un regla básica de la cristalografía ha sido durante mucho tiempo que ninguna estructura cristalina podía tener simetría pentagonal o de orden cinco. Se pensaba que dicha simetría no podía mostrar la periodicidad traslacional requerida en los cristales. Sin embargo, en 1984, un grupo de científicos descubrió una aleación de aluminio y magnesio que parecía violar la regla. Su figura de difracción indicaba que tenía la simetría de un icosaedro (sólido con 20 caras) con 10 ejes con simetría rotacional de tercer orden y 6 con simetría rotacional de quinto orden. Este descubrimiento abre la posibilidad de que exista toda una nueva fase de materia sólida organizada, distinta de los cristales y los vidrios. Véase también Gema; Geología; Cristal líquido; Mineral; Mineralogía. 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