Fundamentos de la Materia Cristalina y Estructura de los Cristales

La Materia Cristalina y su Composición

La materia cristalina está constituida por los elementos geoquímicos de la tabla periódica: Hierro, Oxígeno, Silicio, Magnesio, Aluminio, Calcio, Sodio y Potasio. Estos elementos se unen y forman rocas.

Tipos de Materia Mineral

• Amorfa/vítrea: Los elementos químicos que las constituyen están dispuestos al azar, sin orden periódico. Representa la solidificación del desorden del estado líquido de la materia. Es inestable. Ejemplos: vidrio volcánico u obsidiana, ópalo.
• Cristalina: Sus constituyentes (átomos, iones o moléculas) están ordenados periódicamente en el espacio, unidos por enlaces químicos y formando una estructura interna cristalina. Los átomos se encuentran en equilibrio químico, por eso la mayoría de los sólidos son cristalinos.

¿Qué es un Cristal?

Es un sólido orgánico o inorgánico, con estructura interna ordenada y una composición química definida que puede ser de origen natural o sintético. Un cristal se presenta con formas poliédricas cuando, en el momento de su formación, dispone de espacio, tiempo (suficiente) y la composición química adecuada.

Procesos de Formación de los Cristales

• Solidificación a partir de un fundido: Producido por un descenso de la temperatura y un cambio de estado de líquido a sólido.
• Cristalización a partir de una disolución: Debido a la precipitación química (como la sal) o bioquímica (por la acción de seres vivos, como el travertino).
• Sublimación: A partir de un gas, como el azufre.
• Recristalización: Los cristales se forman después de haberse formado la roca, como el cuarzo o el basalto.
• Por reajustes mineralógicos: Formación de minerales por circulación de fluidos a muy alta temperatura. Es típico del metamorfismo y, en particular, del metasomatismo (un tipo de metamorfismo).
• Agregados cristalinos: Una geoda, como la amatista.

Propiedades de la Materia Cristalina

La materia cristalina es periódica y adquiere otras propiedades que le permiten ser homogénea, anisótropa y simétrica.

Periodicidad

La materia cristalina es periódica porque sus átomos se repiten en el espacio a intervalos iguales. Los átomos ocupan unas posiciones denominadas nudos, que se repiten en las tres direcciones del espacio (ejes X, Y y Z). El desplazamiento entre un nudo y otro en las tres direcciones se llama traslación.

De todas las posibles traslaciones que puedan existir en un medio periódico, la de menor magnitud se denomina traslación fundamental. La repetición de la celdilla unidad en todas las direcciones da lugar a la materia cristalina. (Referencia: Dibujo 1).

Homogeneidad

Como la materia cristalina es un medio periódico, esto implica que es una sucesión de nudos equivalentes, en los que todos tendrán las mismas propiedades físicas y químicas.

Anisotropía

La mayor parte de sus propiedades físicas varían en función de la dirección. Son constantes en las direcciones coincidentes. Hay que tener en cuenta que no todas las propiedades varían con la dirección, puesto que la materia cristalina es isótropa para algunas propiedades específicas.

Simetría

Admite elementos ideales de simetría. Los más importantes son:

• Plano de simetría: Elemento ideal que actúa como un espejo, generando la imagen especular de una figura u operador. La operación de simetría se llama reflexión.
• Centro de simetría: Operador de simetría que relaciona figuras iguales mediante una inversión.
• Eje de simetría: Operador de simetría que engendra figuras mediante giros.

Tipos de Giros

• Monario (1): 360º
• Binario (2): 180º
• Terciario (3): 120º
• Cuaternario (4): 90º
• Senario (6): 60º

El Retículo Cristalino

En el retículo cristalino se definen los siguientes conceptos:

• Nudo reticular: Posición de los átomos.
• Fila reticular: Recta que une dos o más nudos.
• Plano reticular: Plano ideal determinado por dos o más filas.
• Celda unidad: Conjunto de nudos, filas y planos.

La Celda Unidad

La celda unidad es la representación en las tres direcciones del espacio de la estructura cristalina, haciendo referencia a la posición de los átomos, su distancia (traslaciones) y los ángulos formados por las traslaciones.

Tipos de Celdas

• Celda simple o primitiva (P): Solo tiene nudos en los vértices.
• Centrada en las caras (F): Nudos en el centro de las caras.
• Centrada en el interior (I): Nudo en el centro geométrico de la figura.
• Centrada en las bases (C): Nudo en el centro de las bases.