Definición de Cristal

Marilia Guillén
Licenciada en Química

Un cristal puede definirse como un sólido homogéneo cuyos constituyentes, ya sean átomos, iones moléculas (motivos), se empaquetan de forma regular y periódica, formando una estructura microscópica ordenada. En cristalografía se considera el estudio de la construcción de los cristales a partir de unidades pequeñas y sus propiedades estructurales.

Los motivos (átomos, iones o moléculas) que constituyen un cristal están unidos entre sí por interacciones de distinta naturaleza, tales como: enlaces metálicos, enlaces covalentes, enlaces iónicos y fuerzas de van der Waals; y dependiendo de estas podemos clasificar empíricamente los cristales [1].

Cristales covalentes, iónicos y sólidos

En los cristales covalentes, las moléculas están unidas entre sí por enlaces fuertes y generalmente son atraídas por interacciones más débiles, por ejemplo, fuerzas de van der Waals. Los enlaces covalentes construyen una variedad de geometrías moleculares que dan lugar a empaquetamientos cristalinos regulares y periódicos.

Por otra parte, los cristales iónicos se forman a partir de la unión electrostática de iones con carga opuesta que no forman moléculas discretas como en el caso anterior. Para evitar la repulsión electrónica, el empaquetamiento cristalino puede describirse como esferas de diferentes tamaños.

En el caso de los sólidos metálicos, los electrones (electrones de valencia) se mueven libremente dentro del sistema sin encontrarse específicamente sobre un átomo. Esto conduce a que el empaquetamiento cristalino pueda describirse en estructuras de alta simetría [2,3]. En particular, en los sólidos donde sus motivos están unidos por enlaces de hidrógeno suelen clasificarse como cristales de van der Waals debido a la magnitud de las fuerzas de enlace, sin embargo, la propiedad direccional de esta interacción, les confiere a los cristales de enlaces de hidrógeno ciertas características propias de un cristal covalente [4].

Estado cristalino

El estado cristalino de la materia es considerado el de mayor orden. Por esta razón, los cristales tienen ordenamiento de largo alcance, es decir, para describirlo podemos considerar un fragmento de este y evaluar sus propiedades estructurales en cualquier región del cristal.

Los materiales en estado cristalino son comunes y juegan un papel importante en la vida cotidiana, van desde productos químicos domésticos como sal, azúcar y sosa para lavar, hasta las piedras preciosas, diamantes, rubí y esmeraldas. El estudio de materiales en el estado cristalino revela características muy interesantes, entre ellas, la presencia de facetas y se encuentra que los cristales bien formados están completamente delimitados por superficies planas [1].

Naturaleza del cristal y la red cristalina

Los cristales de un material dado tienden a ser similares, por ejemplo, todas agujas o todas placas, lo que implica que la naturaleza química del material juega un papel importante en la determinación de la forma del cristal. Esto sugiere que la forma macroscópica de un cristal depende de arreglos estructurales a nivel atómico o nivel molecular y que el factor subyacente que controla la formación de cristales es la forma en que los átomos y las moléculas pueden ordenarse en el empaquetamiento cristalino [1].

Ahora bien, si describimos la periodicidad de un cristal hace como un conjunto de puntos aislados o motivos que se repiten periódicamente en tres dimensiones, a esta repetitividad se le denomina red cristalina, tal como se muestra en la figura 1 (derecha), donde el elemento geométrico de menor volumen y mayor simetría que permite reproducir por traslación en las tres direcciones la red en su totalidad se denomina celda unidad [5].

La celda unidad está definida por tres vectores no co-planares entre sí a, b y c; la magnitud de estos vectores y los ángulos formados entre pares de ellos, son llamados parámetros de celda unidad a, b, c, α, β, y γ, representada en la figura 1(izquierda) [5]. La celda unidad también describe la periodicidad interna de los cristales.

Figura 1. Representación esquemática de una red cristalina (derecha) donde el motivo de menor volumen corresponde a la celda unidad (izquierda).

La repetición periódica de los motivos contenidos en la celda unidad da lugar a operaciones de simetría que los relaciona entre sí. A partir de ocho elementos de simetría, los cristales pueden ser clasificados dentro de 32 grupos puntuales. Estos grupos puntuales restringen parámetros mínimos de simetría, lo que conlleva a la clasificación de los cristales en siete sistemas cristalinos nombrados a continuación de menor a mayor simetría: triclínico, monoclínico, ortorrómbico, tetragonal, trigonal o romboédrico, hexagonal y cúbico [3].

Clasificación

En la tabla se resume la clasificación de los 7 sistemas cristalinos, parámetros de celda y tipo de red de Bravais. La combinación de los 32 grupos puntuales, junto a las 14 redes de Bravais, ejes de tornillo y planos de deslizamiento da lugar a 230 grupos espaciales en los cuales puede cristalizar la materia en el estado sólido.

Sistema: Cúbico
Simetría: Cuatro ejes de orden 3 paralelos a las cuatro diagonales principales de la celda
Celda: a= b= c; α= β= γ= 90°
Red de Bravais (símbolo):
Primitiva (P)
Centrada en el cuerpo (I)
Centrada en todas las caras (F)

Sistema: Tetragonal
Simetría: Un eje de orden 4 paralelo al eje c
Celda: a= b≠ c; α= β= γ= 90°
Red de Bravais (símbolo):
Primitiva (P)
Centrada en el cuerpo (I)

Sistema: Ortorrómbico
Simetría: Tres ejes de orden 2 perpendiculares entre sí
Celda: a≠ b≠ c; α= β= γ= 90°
Red de Bravais (símbolo):
Primitiva (P)
Centrada en el cuerpo (I)
Centrada en la cara (C)
Centrada en todas las caras (F)

Sistema: Trigonal (también conocido como romboédrico)
Simetría: Un eje de orden 3 paralelo al eje c
Celda: a= b= c; α= β= γ≠ 90°
Red de Bravais (símbolo):
Primitiva (P)

Sistema: Hexagonal
Simetría: Un eje de orden 6 paralelo al eje c
Celda: a= b≠ c; α= β= 90°; γ= 120°
Red de Bravais (símbolo):
Primitiva (P)

Sistema: Monoclínico
Simetría: Un eje de orden 2 paralelo al eje b
Celda: a≠ b≠ c; α= γ= 90°; β≠ 90°
Red de Bravais (símbolo):
Primitiva (P)
Centrada en la cara (C)

Sistema: Triclínico
Simetría: Ninguna
Simetría: Celda: a≠ b≠ c; α≠ β≠ γ≠ 90°
Red de Bravais (símbolo):
Primitiva (P)

Por: Marilia Guillén. Licenciada en Química. Profesora Asistente del Laboratorio de Cristalografía, Departamento de Química, Facultad de Ciencias, Universidad de Los Andes, Mérida, Venezuela.

Art. actualizado: Julio 2022; sobre el original de mayo, 2015.

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