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Technical Documents - Documentos Técnicos: Cristales y cristalografía

Los cristales son formas poliédricas, compuestas sin artificios, que tienen los minerales. Constituyen sólidos de forma geométrica definida, pero no debe confundirse forma cristalina con forma geométrica. Así, por ejemplo, la magnetita, que es un óxido de hierro, cristaliza en formas octaédricas, que no se parecen al octaedro y, sin embargo lo son, porque el valor de los ángulos que forman sus caras es igual al que forman las caras de este poliedro geométrico. La sal común es un cloruro de sodio que forma cristales cúbicos, como puede comprobarse examinándola con una lupa, y el cuarzo aparece en la naturaleza como hermosos cristales prismáticos de seis lados. Casi todas las sustancias puras cristalizan; las que no lo hacen, se llaman amorfas. Algunas, como el vidrio , aparentan serlo, pero forman cristales sólidos a temperaturas suficientemente bajas. En la vida diaria, se utilizan con frecuencia los cristales. Cristales de azúcar o de sal para condimentar la comida. El agua produce cristales cuando solidifica y forma hielo y nieve.

Pero la mayoría de los cristales conocidos no parecen tener forma definida. Esto ocurre porque en ocasiones la forma externa ha sido suprimida por diversos factores destructores de ella, y otras veces, como sucede en el grafito, por ser muy pequeños y estar aglutinados en una masa informe. Aunque los diamantes y otras piedras preciosas utilizadas en joyería aparentan tener estructuras definidas, éstas son artificiales, producidas por cortes en los cristales naturales, lo que permite formar facetas nuevas.

Los cristales se producen en varios modos. Cuando una solución de ciertas sustancias sólidas pierde agua, se vuelve cada vez más concentrada, hasta que comienza a formar cristales. La sal común se obtiene evaporando agua de mar . Por el mismo procedimiento se logran grandes cristales de ciertas soluciones. El alumbre puede obtenerse en grandes cristales. Para ello se disuelve tanta cantidad de esta sustancia como sea posible en un recipiente que contenga agua; luego se filtra la solución y se deja en otro recipiente de boca muy ancha, en un ambiente tranquilo; al evaporarse el agua, se forman hermosos cristales octaédricos de alumbre.

Tales cristales también se forman cuando las sustancias líquidas son enfriadas por debajo de su punto de solidificación. El agua en el aire se congela y da origen a cristales de hielo. Las rocas fundidas se solidifican, y cristalizan en el interior de la corteza de la tierra . También se forman si los vapores de ciertas sustancias se solidifican. Los de yodo se originan calentando un poco de éste en estado sólido dentro de un recipiente cerrado. El vapor de yodo se condensa en las paredes del recipiente cristalizándose.

Los cristales se originan y crecen con formas definidas porque los átomos de las sustancias cristalinas se disponen ordenadamente de acuerdo con un patrón definido. Mientras aumentan de tamaño, se agregan nuevas capas de átomos. Pero cada uno de ellos siempre se depositará en cierto ángulo y a determinada distancia de los otros. De ese modo, se realiza un ordenamiento de átomos y un crecimiento del cristal. La forma básica depende, pues, de los ángulos y de la distancia entre un átomo y su vecino.

Resumiendo, podemos decir que un cristal está formado por retículos simples o redes atómicas entrelazadas y específicas para cada sustancia cristalina. Los de sal gema o cloruro de sodio, y los diamantes contienen un retículo hecho con átomos espaciados de forma equidistante unos de otros, a ambos lados y en todas direcciones. Por lo tanto adoptan la forma cúbica. En este caso, el tipo de retículo es obvio, por la estructura del cristal. Pero si éste se rompiese, la forma básica no podría verse, aunque la disposición de átomos permaneciera invariable. La naturaleza del retículo puede descubrirse haciendo pasar rayos X a través del cristal y haciéndolos incidir sobre una placa fotográfica. En ésta se obtiene una figura representativa de la distribución de los átomos.

 

 
 

El estudio de los cristales se denomina cristalografía.

Muchos de ellos contienen moléculas de agua en proporciones fijas y determinadas; ésta es la llamada agua de cristalización, que los hace a menudo vivamente coloreados. Al desaparecer por calentamiento, los cristales pueden perder el color que el agua les daba. El sulfato de cobre, por ejemplo, forma hermosos cristales azules que contienen cinco moléculas de agua por cada una de sulfato de cobre; calentándolo, pierde agua y se vuelve blanco.

Sistemas cristalinos

Un cristal está constituido por muchas unidades idénticas, con cierta disposición entre sus átomos. Hay siete sistemas cristalinos diferentes, definidos por sus ejes cristalográficos. Los cristales del sistema cúbico, también llamado isométrico, tienen tres ejes de igual longitud, que forman ángulos rectos entre sí. La sal gema y el alumbre cristalizan en este sistema. Los del sistema tetragonal tienen tres ejes que se cortan en ángulos rectos, pero uno de ellos es más largo o más corto que los demás. El circon o silicato de circonio, y la casiterita, o dióxido de estaño , forman cristales de este tipo. Los del sistema rómbico, u ortorrómbico, tienen tres ejes en ángulos rectos, pero todos son de distinta longitud. La aragonita, o carbonato de calcio cristaliza en este sistema. Los del monoclínico tienen tres ejes desiguales, dos en ángulo recto, como ocurre en el yeso. Los del sistema triclínico son todos desiguales y no forman ningún ángulo recto. Los del sistema hexagonal tienen cuatro ejes, tres en el mismo plano y del mismo largo, en ángulos de 60° y el cuarto, de distinta longitud, en ángulo recto con los demás. Algunos tienen formas de prismas de seis lados. El cuarzo y el berilo dan hermosos cristales hexagonales.

Los del sistema trigonal o romboédrico, que algunos autores consideran incluidos en el hexagonal, poseen los mismos ejes que los de este sistema, pero el eje perpendicular es trigonal, pues haciendo rotar el cristal alrededor de él, presenta tres veces la misma forma. Un ejemplo de cristal de este sistema es el de la calcita.

Se utilizan en joyería y como compuestos químicos. Pero, además, tienen varias aplicaciones, particularmente en electricidad . Los piezoeléctricos producen electricidad cuando son sometidos a presiones o deformaciones mecánicas. Los de tartrato sódico potásico pueden producir señales de igual frecuencia que las de ondas de sonido y se utilizan por eso en tocadiscos, micrófonos y audífonos. Los de cuarzo son empleados, por su piezoelectricidad, en la fabricación de osciladores; los de germanio, como semiconductores, que tienen aplicación en los transistores y circuitos integrados .

Osciladores electrónicos a cristal .

Uno de los fenómenos naturales que debemos mencionar ahora es la piezoelectricidad, se trata de una particularidad que presentan los cristales de ciertas sales minerales, como la sal de la Rochelle y de Seignette , que si se someten a una presión vibran, produciendo una corriente eléctrica, o producen una vibración al ser sometidas a una tensión eléctrica. En este caso nos interesa mencionar la segunda parte, o sea la vibración que producen, la cual se cumple con una cierta y determinada frecuencia, que depende, del espesor de la lámina que se ha cortado del trozo de cristal. En ese caso se adivina inmediatamente que si obtenernos una vibración, ésta da origen a una señal alterna, y entonces la pastilla aludida puede reemplazar a un circuito oscilante. Como la frecuencia producida depende únicamente del espesor de la pastilla, se obtendrán osciladores de gran fijeza de frecuencia, cosa muy interesante en emisores que deben cumplir con requisitos que especifican esa condición.

Las sales mencionadas se encuentran en forma de cristales de formación prismática hexagonal, tal corrió lo muestra la figura siguiente :

Fig. - Un cristal de sal de la Rochelle mostrando sus tres ejes fundamentales.

y presentan tres ejes definidos que se marcan en la misma figura. Para cortar las láminas destinadas a osciladores se trazan planos perpendiculares a los ejes X o Y, tal como lo indica la figura siguiente:

Fig. - Cortes de los cristales que se emplean en piezoelectricidad.

La particularidad de ambos cortes es que el llamado corte en X, ilustración a de la citada figura , da láminas con coeficiente de temperatura negativo, y haciendo el corte en Y, ilustración b, se tiene coeficiente de temperatura positivo; esto quiere decir que en el tipo X la frecuencia tiende a disminuir al aumentar la temperatura ambiente y en el Y tiende a aumentar con la temperatura. La solución lógica surge inmediatamente, haciendo cortes inclinados, en posiciones intermedias entre las a y b de la figura arribe se logran cristales casi insensibles a las variaciones de temperatura.

Siempre la frecuencia es inversamente proporcional al espesor de la lámina de cristal, y tal frecuencia, expresada en Megahertz por segundo , resulta de dividir un coeficiente comprendido entre 2 y 3 millones, por el espesor de la lámina en milímetros: la cifra del coeficiente depende del tipo de corte . Pero los cristales se adquieren diréctamente marcados con la frecuencia de trabajo , de modo que para usarlos no hay que calcular nada .

 

 

 

 

 
 
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