Sobre o Cristal
O Cristal é um sólido cujos constituintes — átomos, moléculas ou íons — estão organizados em um padrão tridimensional bem definido que se repete no espaço, formando uma estrutura com geometria específica. Em química e mineralogia, trata-se de uma forma da matéria na qual as partículas constituintes se agregam regularmente, criando uma estrutura cristalina que se manifesta macroscopicamente por assumir a forma externa de um sólido de faces planas regularmente arranjadas, geralmente com elevado grau de simetria tridimensional. O termo "cristal" deriva da palavra grega clássica κρύσταλλος (krustallos), que significa tanto "gelo" quanto "quartzo".
Distinção entre Cristais e Vidros
Embora o termo "cristal" tenha um significado preciso na ciência dos materiais e na física do estado sólido, na linguagem coloquial ele é usado de forma ampla para designar objetos sólidos com características de brilho e forma bem marcados, geralmente associados a formas geométricas simples. Enquanto alguns desses objetos são verdadeiros cristais — como o gelo, a neve e o sal de cozinha —, outros são na realidade vítreos, ou seja, compostos por materiais cujos átomos não apresentam qualquer ordenação específica.
Apesar de o arrefecimento de uma substância geralmente conduzir à formação de cristais (cristalização), isso não é uma verdade universal. Misturas de substâncias muito heterogêneas raramente cristalizam, e em alguns casos o arrefecimento pode ser tão rápido que as moléculas ou átomos perdem mobilidade antes de alcançar a posição correta na malha cristalina. Um material não cristalino, como o vidro comum, não apresenta ordenação espacial de seus átomos ou moléculas ao longo de distâncias consideráveis, sendo denominado amorfo ou vítreo. Esses materiais são geralmente chamados de sólidos amorfos, sendo a obsidiana um exemplo geológico conhecido.
Na linguagem corrente e no comércio, a palavra "cristal" é usada para designar vidros de elevada transparência e qualidade, comercializados como cristais. Esses cristais de vidro, no entanto, não passam de vidro com alto teor de óxido de chumbo e, como vidros que são, não têm estrutura cristalina, já que seus átomos não apresentam qualquer forma de arranjo regular. Tais vidros, apesar de denominados cristais, não podem ser considerados cristais no sentido científico do termo.
Estrutura e Formação dos Cristais
Em um cristal, a posição de cada átomo, molécula ou íon é determinada pelas posições ocupadas já existentes. No momento da cristalização, a partícula forma com suas vizinhas um conjunto de ligações químicas — que podem variar de iônicas a ligações fracas — que determina a posição espacial que ela tenderá a ocupar. Como resultado, forma-se uma estrutura tridimensional, mantida de forma mais ou menos rígida pelas ligações entre partículas, que se propaga progressivamente no espaço, criando um sólido que, pela expressão macroscópica dessa ordenação interna, tende fortemente à simetria. Esses são os sólidos chamados de cristais.
As estruturas cristalinas ocorrem em todos os tipos de materiais, com todo tipo de ligações intermoleculares e interatómicas. Quase todas as ligações metálicas por nuvem de elétrons coexistem com um estado policristalino, já que metais em estado amorfo ou monocristalino raramente existem na natureza. A maioria dos sais cristaliza, pois as ligações iônicas, formadas a partir da condensação de soluções ou da solidificação de sais em fusão, criam malhas cristalinas muito estáveis. Assim, quase todos os sais em estado sólido são cristais. As ligações covalentes também são comuns em cristais, especialmente em cristais orgânicos (como açúcares e proteínas puras), além de exemplos como o diamante e o grafite. Os polímeros geralmente apresentam regiões cristalinas, mas o comprimento das cadeias dificulta a cristalização total. Além disso, as forças de van der Waals desempenham um papel importante na formação dos cristais, controlando a aproximação das moléculas e mantendo-as em seus mínimos energéticos.
Em geral, os cristais se formam a partir de substâncias fluidas à medida que estas sofrem solidificação ou precipitação (no caso de uma solução). A forma mais comum de cristalização é a partir de uma solução, na qual o material que forma o cristal vai precipitando e, no processo, cada átomo ou molécula assume uma posição determinada pelos átomos ou moléculas vizinhas. A arrumação das partículas e sua persistência no lugar que ocupam na malha cristalina é determinada pela existência de um mínimo energético nessa posição, correspondente à otimização das ligações formadas entre as partículas.
Um exemplo típico desse processo é a formação de gelo: quando o movimento browniano induzido pelo calor é suficientemente pequeno para permitir que as moléculas de água se liguem de forma estável (em água pura a 0 °C), as ligações entre as zonas de polarização elétrica positiva e negativa das moléculas são imobilizadas por ligações de van der Waals, mantendo-as em posição. Como resultado, as moléculas de água vão sendo progressivamente presas na estrutura, formando o gelo. Devido à formação dessa rede e à redução de entropia correspondente à ordenação das moléculas, o gelo tem energia interna inferior à da água, sendo necessário fornecer um calor de fusão (igual ao que ele liberta ao solidificar) para transformá-lo novamente em água. Esse calor de fusão explica a estabilidade dos cristais e a tendência das substâncias puras, quando arrefecem, a assumir a forma cristalina.
Os materiais que, ao solidificar, não liberam calor de fusão — como ocorre com a solidificação de um vidro — são, do ponto de vista termodinâmico, líquidos com viscosidade quase infinita, já que suas partículas não atingiram um estado de mínimo energético. Outra forma comum de cristalização, e a mais frequente em geologia (presente em magmas e soluções hidrotermais), é a precipitação a partir de uma solução. Um exemplo é o que acontece com soluções sobressaturadas de sal comum (cloreto de sódio): quando a quantidade de sal em solução excede a que pode ser mantida àquela temperatura, os íons de sódio e cloro começam a se agregar de forma estruturada (geralmente em torno de impurezas ou de um cristal semente), crescendo rapidamente por remoção de sal da solução. O mesmo ocorre com a formação de cristais no magma: a partir do material fundido, cristais são precipitados e crescem por agregação dos átomos que os constituem.
Embora menos comum, também ocorre a formação de cristais a partir de um gás ou mistura gasosa. O exemplo mais comum é o crescimento de cristais de neve na atmosfera por ressublimação (ou sublimação regressiva), quando o vapor de água (um gás) passa diretamente para o estado sólido. O mesmo acontece com a formação de cristais de enxofre em sulfataras e de outros cristais em torno de fumarolas. Em condições ideais, o resultado dos processos de cristalização seria a formação de um único cristal, no qual todos os átomos (ou moléculas) encontrassem seu lugar em uma malha cristalina comum. Na realidade, como o processo se inicia em múltiplos lugares e é instável em seu desenvolvimento, forma-se geralmente uma miríade de cristais que se fundem (com imperfeições resultantes) à medida que suas superfícies de crescimento se interceptam.
