Estrutura e formação dos cristais

Por definição, o cristal é uma porção homogénea de matéria com estrutura atómica ordenada e definida e com forma externa limitada por superfícies planas e uniformes, simetricamente dispostas (Dercourt, 1986: 2).

Segundo Navarro (1985: p.55), num cristal, a posição de cada um dos iões, átomos e moléculas que o constituem, é determinada pelas posições ocupadas, dispondo uma ordenação geométrica e uma periodicidade de longo alcance nas três direcções do espaço, formando uma rede perfeitamente definida.

Assim, no momento da cristalização, o fragmento reticular mais pequeno que conserva todos os elementos de simetria do cristal recebe o nome de célula unitária (fig.64). Esta, então, forma com as suas vizinhas um conjunto de ligações químicas (de qualquer tipo, indo das iónicas às ligações fracas) que determinam a posição espacial que tenderá a ocupar e cujas dimensões, em formas paralelipipédicas, representam os parâmetros estruturais do cristal (Navarro, 1985: 55). São esses os sólidos que se designam por cristais.

As estruturas cristalinas ocorrem em todos os tipos de materiais com todo o tipo de ligações inter-moleculares e inter-atómicas.

Quase todas as ligações metálicas por nuvem de electrões coexistem com um estado policristalino, já que os metais em estado amorfo ou monocristalino raramente existem na natureza. A generalidade dos sais formam cristais, já que as ligações iónicas, formadas a Fig.64 -Célula unitária da estrutura de um cristal de sal (NaCl). Fonte: http://pt.wikipedia.org/wiki/Estrutura_cris talina#Preval.C3.AAncia_da_

partir da condensação de soluções, ou da solidificação de sais em fusão, formam malhas cristalinas muito estáveis. Daí que quase todos os sais em estado sólido sejam por cristais. Exemplos de materiais que possuem a sua estrutura interna cristalina são: o sal de cozinha (halite - NaCl), gemas, ferro, cobre, diamantes, e outros.

Na halite (sal de cozinha), cristal iónico, os iões Na+ e Cl- intercalam-se em intervalos precisos e específicos e são mantidos assim, por forças de ligação iónica (Wedler, 1997: 662) (fig. 65). As ligações covalentes também são muito comuns em cristais, em particular em cristais orgânicos (como os açúcares e as proteínas puras). Outros exemplos de cristais com ligações covalentes são: o diamante e a grafite. Os polímeros em geral apresentam regiões cristalinas, mas o comprimento das cadeias dificulta a cristalização total.

Para além das ligações atrás referidas, as forças de Van der Waals36, assim denominadas em homenagem a Johannes Diderik Van der Waals, assumem um importante papel na formação de cristais moleculares, controlando a aproximação das moléculas e mantendo-as nos seus mínimos energéticos. Um exemplo deste tipo de cristais é o gelo (fig.66).

Quase todos os cristais formam-se a partir da contínua adição de matéria nova a uma massa cristalina em desenvolvimento por solidificação ou precipitação. Alguns cristais são originados do magma ou dos gases ígneos do interior da terra e outros dos

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Na química, o termo forças de Van der Waals originalmente refere-se a todas as formas de forças intermoleculares. Visto em http://pt.wikipedia.org/wiki/Liga%C3%A7%C3%B5es_de_van_der_Waals, 5/07/2006.

Fig. 66 - Cristal de gelo. Fonte: http://www.its.caltech.edu /~atomic/snowcrystals/photos/photos.htm Fig. 65 – Rede cristalográfica cúbica do NaCl. Fonte: http://pt.wikipedia.org /wiki/Quartzo

fluxos de lava vulcânica que chega à superfície. Os cristais são formados por solidificação durante o arrefecimento da massa de rocha fundida quando os átomos se agrupam numa rede cristalina que determinará o formato e a composição do cristal. Já a formação de cristais por precipitação consiste na existência de uma solução, a partir da qual o material que forma o cristal vai precipitando e, no processo, cada átomo ou molécula vai assumindo uma posição que é determinada pelos átomos ou moléculas vizinhas.

A arrumação das partículas, e a sua persistência no lugar que ocupam na malha cristalina, é determinada pela existência de um mínimo energético nessa posição, correspondente à optimização das ligações formadas entre as partículas.

Um exemplo comum é o que acontece com as soluções sobressaturadas de sal comum (cloreto de sódio): quando a quantidade de sal em solução excede a que pode ser dissolvida àquela temperatura, os iões de sódio e cloreto começam a agregar-se de forma estruturada (em geral em torno de impurezas ou de um cristal semente), crescendo rapidamente por remoção de sal da solução.

Embora menos comum, mas de forma alguma rara, é a formação de cristais a partir de um gás ou mistura gasosa. O exemplo mais comum é o crescimento dos cristais de neve (fig.66) na atmosfera por ressublimação, ou sublimação regressiva, ao ocorrer a passagem de vapor de água (um gás) directamente para sólido. O mesmo acontece com a formação de cristais de enxofre nas sulfataras e de outros cristais em torno das fumarolas.

Fig.67- Um cristal polícromo de Bismuto. Fonte: http://pt.wikipedia.org/wiki/Quartzo

Em condições ideais, o resultado dos processos de cristalização seria a formação de um único cristal, no qual todos os átomos (ou moléculas) encontrassem o seu lugar numa malha cristalina comum. Na realidade, porque o processo se inicia em múltiplos lugares e é instável no seu desenvolvimento, forma-se em geral uma miríade de cristais que se vão fundindo (com as óbvias imperfeições daí resultantes), à medida que as suas superfícies de crescimento se interceptam (fig.67).

Os sólidos policristalinos assim formados, apesar de localmente manterem a simetria imposta pela malha cristalina, assumem formas complexas onde a simetria geral pode não ser imediatamente perceptível ou mesmo não existir. Através de processos de deposição controlada, é possível fazer crescer grandes monocristais, como por exemplo os necessários para aplicações fotoeléctricas. Devido às suas propriedades e beleza são também criados cristais geminados, resultado de um crescimento simétrico em torno de um eixo predefinido.

Os vidros, como os líquidos, são isotrópicos, uma propriedade que acrescenta valor na aplicação num grande leque de finalidades. Quando um vidro arrefece, a mobilidade das suas moléculas diminui. E, embora se verifique uma tendência para elas se orientarem, quando o material se torna rígido, as moléculas fixam-se de forma desordenada, resultando num sólido com uma distribuição molecular semelhante à dos líquidos. Independentemente da direcção em que forem medidas, as propriedades dos vidros apresentam um índice de refracção igual em todas as direcções de propagação da rede cristalina37. Revelam assim isotropia, uma qualidade específica dos líquidos.