Resumo de Cristalografia

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~ Resumo de Cristalografia – Vitória Azevedo ~
· Cristal de composição química definida, arranjo interno altamente ordenado, material sólido se repetindo tridimensionalmente, de origem natural. Nem todo mineral é um cristal, mas todo cristal é um mineral.
O processo responsável pela formação dos cristais é conhecido como cristalização, que consiste no crescimento do sólido a partir de líquidos ou gases de uma substancia. A cristalização se inicia com núcleos cristalinos em que os limites são planos naturais definidores da superfície dos sólidos, denominado faces cristalinas. Essas faces tendem a crescer indefinidamente, enquanto houver espaço e fluídos suficiente para o seu desenvolvimento, além das condições de pressão e temperatura adequadas. Cristais de grandes dimensões formam-se em condições de lento crescimento e espaço suficiente, não podendo haver interferência de cristais vizinhos, como no caso dos pegmatitos.
Os cristais na maioria das vezes são poliedros convexos delimitados por faces planas, que permitem a identificação de seus sistemas cristalinos. Em casos de cristais mal formados, nos quais essa característica não é evidente (cristais anédricos, xenomórficos ou alotriomórficos), a determinação dos sistemas cristalinos por análise visual é impossível.
· Processos de cristalização é como se forma um cristal que pode ser através de um desses meios:
– Cristalização a partir de uma solução é o típico processo que ocorre na formação de depósitos evaporitícos. Nesse processo a água presente em uma solução começa a evaporar muito lentamente até alcançar a saturação. Ao saturar o líquido não é mais possível reter sal havendo a precipitação, parte do sal solúvel começa a virar sólido, devido a diminuição de temperatura ou aumento de pressão do sistema. É o processo típico da formação natural dos sais haloides como halita, silvita e carnalita.
– Cristalização a partir de uma massa em fusão pode ocorrer no processo de solidificação da água. Onde a temperatura diminui e a água não consegue mais permanecer no estado líquido, tornando-se sólida, cristalizando como gelo. As moléculas de H2O que na forma líquida se movimentavam de forma desorganizadas, agora assumem posições reticulares fixas e se ordem em estruturas hexagonais. Nos processos vulcânicos, a solidificação dos magmas e das lavas representa esse tipo de cristalização. Ao haver o resfriamento do líquido magmático, os íons presentes no meio se atraem formando as estruturas cristalinas dos diferentes minerais. Os elementos que tem maiores forças de atração formam os minerais que cristalizam primeiro.
– Cristalização a partir de vapores (de água) é o processo comum da formação dos flocos de neve. Quando o ar carregado de vapor resfria abruptamente. O processo também ocorrer na geração de enxofre nativo (S), em exalações vulcânicas, pois as fumarolas formadas pela condensação de vapores são ricas no elemento.
– Recristalização processo importante na formação de rochas metamórficas. Os minerais pré existentes que por modificações nas condições de pressão e temperatura nos meios geológicos, tornam-se instáveis. Seus átomos e íons ficam móveis e tendem a se arranjar em novas estruturas formando, novos compostos sem a necessidade de haver fusão (os materiais trabalham somente no campo deformacional plástico da matéria). Como por exemplo os polimorfos de Al2SiO5 (cianita, sillimanita e andaluzita).
· Estrutura cristalina é a maneira segundo a qual os átomos, íons ou moléculas estão arranjadas.
· Número de coordenação (NC) corresponde ao número de átomos vizinhos mais próximos, que estão em contato, realizando ligações químicas entre eles. Onde o elemento ocupa espaço dentro da estrutura do sistema cristalino.
· Estrutura cristalina dos metais como a ligação metálica é não-direcional, não há restrições quanto ao número e posições dos vizinhos mais próximos. Então, a estrutura cristalina dos metais tem geralmente um número grande de vizinhos e alto geralmente um número grande de vizinhos e alto empacotamento atômico. 
O arranjo dos átomos em uma estrutura cristalina não depende apenas das cargas dos íons ou do tipo de ligação entre átomos, mas também é dependente do tamanho dos átomos ou dos íons. Em cada estrutura molecular ou do cristal, cada átomo ou íon será cercado por outros átomos de íon.
São três estruturas cristalinas mais comuns em metais: 
– Cúbica de corpo centrado cada átomo dos vértices do cubo é dividido com 8 células unitárias. Já o átomo do centro pertence somente a sua célula unitária. Há 2 átomos por célula unitária na estrutura CCC. O Fe, Cr, W cristalizam em CCC. Para a estrutura CCC o número de coordenação é 8. O fator de empacotamento do sistema cúbico centrado é 0,68.
– Cúbica de face centrada na CFC cada átomo dos vértices do cubo é dividido com 8 células unitárias. Já os átomos das faces pertencem somente a duas pertencem somente a duas células unitárias. Há 4 átomos por célula unitária na estrutura CFC. É o sistema mais comum encontrado nos metais (Al, Fe, Cu, Pb, Ag, Ni etc). Para a estrutura CFC o número de coordenação é 12.
– Hexagonal compacta (HC) é mais comum nos metais (ex: Mg, Zn). Pode ser chamado de sistema de empacotamento elevado. Na HC cada átomo de uma dada camada está diretamente abaixo ou acima dos interstícios formados entre as camadas adjacentes. Há 6 átomos por célula unitária. Cada átomo no centro das bases está dividido em 2 células unitárias e os 3 do centro estão integralmente dentro da célula. O número de coordenação para a estrutura HC é 12, portanto o fator de empacotamento é o mesmo da CFC, ou seja, 0,74.
– Hexagonal simples onde metais não cristalizam nesse sistema, pois o fator de empacotamento é muito baixo. Entretanto, cristais com mais de um tipo de átomo, cristalizam nesse sistema.
– Cúbico simples em que os átomos se tocam em uma face. O fator de empacotamento do sistema cúbico é 0,52. O número de coordenação é 6. Não há exemplo de metais puros, devido o fator de empacotamento ser muito baixo.
· Teoricamente existe três tipos de cristal:
– Ideal: sem defeitos, com estrutura infinita (não existe).
– Perfeito: se assemelha ao ideal, porém com estrutura finita.
– Real: estrutura finita e com defeitos em sua estrutura cristalina (o mais usado).
· Criptocristalino sólidos são extremamente pequenos, sendo criptocristalino que é formado por granulação muito fina devido a cristalização rápida (difração de raio X ou microscópio de varredura eletrônica). 
· Matéria cristalina é o nome que se dá ao material que forma os cristais e apresenta homogeneidade, podendo ser isótropa (em determinados retículos ou seções) ou anisotrópa. 
A matéria cristalina é sempre homogênea devido ao fato de duas ou mais porções de um determinado cristal serem de tamanhos iguais e formas. Pode ser classificada em dois grupos: 
– Material cristalino posicionamento dos constituintes da matéria no espaço é uniforme, ordenado e repetitivo. Ordem de longa distância (tamanhos iguais) atômica formando uma estrutura tridimensional que se chama rede cristalina. Todos os metais, cerâmicas e alguns polímeros formam estruturas cristalinas sob condições normais de solidificação.
– Material amorfo/material não cristalino a distribuição espacial dos constituintes é eventual e irregular, como nos líquidos de escoamento lento. Não existe ordem de longo alcance na disposição dos átomos. Algumas cerâmica e polímeros não apresentam estruturas cristalina. Ordem de curta distância (distâncias irregulares).
Há um número grande de diferentes estruturas cristalinas, desde estruturas simples exibidas pelos metais até estruturas mais complexas exibidas pelos cerâmicos e polímeros.
· Anisotropia é o fato de que as substâncias cristalinas apresentam ordenações diferentes de seus átomos ou variações de composição química nas suas múltiplas direções e em consequência disso as propriedades físicas e químicas também diferentes ao longo delas. A propagação não será a mesma em algumas regiões do cristal. É um condutor de calor.
· Isotropiaé a propagação da luz ou qualquer outra propriedade física em determinadas direções, com igualdade de velocidade, como por exemplo a luz. Apresenta esse fenômeno as substâncias não cristalinas (amorfas) como os gases, os líquidos e o vidro. Os cristais isométricos, com constantes paramétricas a = b = c, também apresenta essa propriedade os cristais do sistema tetragonal em sua seção basal com constantes paramétricas (a = b). determinadas seções de sólidos de outros sistemas cristalinos, quando apresentarem parâmetros iguais, também serão isótropas. Como exemplos de substâncias naturais isótropas tem o ouro (Au) e o diamante (C)
· Polimorfismo e Alotropia alguns metais e não-metais podem ter mais de uma estrutura cristalina dependendo da temperatura e pressão. Esse fenômeno é conhecido como polimorfismo. Geralmente as transformações polimórficas são acompanhadas de mudanças na densidade e mudanças de outras propriedades físicas.
· Poliedro cristalino é o cristal limitado por suas próprias faces. Duas faces se encontram nas arestas, três ou mais faces nos vértices. A relação entre o número de faces, arestas e vértices no cristal é expressa pela equação de F+V=A+2. 
Uma face representa um plano reticular, ou seja, um plano no qual os átomos de uma determinada substancia estão arranjados. Números de faces do cristal.
As arestas são alinhamentos resultantes da interação de duas faces de um cristal. Uma aresta representa uma fileira reticular, ou seja, um alinhamento no qual os átomos estão expostos/dispostos, sendo ligações entre átomos que ligam os planos. Número de arestas do cristal.
Um vértice representa um nó do reticulo, sendo um local de amarração da estrutura cristalina. Número de vértices do cristal.
· Constantes paramétricas os espaços existentes entre os átomos, íons ou moléculas que delimitam as células unitárias dos cristais são medidos na ordem de 10 Angström (10⁻¹⁰ m). Esses espaços são denominados de constantes paramétricas (a, b, c) e representam o comprimento dos eixos cristalográficos. As constantes paramétricas são equivalentes ao comprimento das arestas de um cristal.
· Ângulos dos cristais representam as distancias internas entre as arestas ou as faces de um determinado cristal. Os cristais podem apresentar ângulos planos que resultam do encontro entre duas arestas, ângulos diedros que são resultantes do encontro entre duas faces e ângulos sólidos que são os resultantes do encontro de três ou mais faces. 
· Constantes angulares representam a medida dos ângulos existentes entre os eixos cristalográficos de qualquer cristal. Obedecem às relações angulares das constantes paramétricas da célula unitária do cristal. Essas constantes são representadas pelas letras gregas α, β, γ e δ.
· Orientação espacial dos cristais dos sólidos cristalinos é feito segundo um sistema de eixo denominados eixo cristalográficos. São designados pelas letras X, Y e Z para os sistemas cúbico, tetragonal, ortorrômbico, monoclínico e triclínico. Nos sistemas hexagonal e sistemas trigonal utiliza outro eixo designado pela letra U, sendo ambos sistemas com quatro eixos cristalográficos. 
Nos cincos primeiros sistemas, arbitra-se a posição relativa para X positivo, de modo que ele aponte em direção ao observador, Y positivo ficando à direita e Z positivo apontando para a direção zenital (para cima). Nas extremidades opostas ficam os segmentos negativos dos eixos cristalográficos. 
Nos cristais hexagonais e trigonais, o eixo X positivo fica deslocado 30° no sentido horário da posição que aponta para o observador, ficando 30° anti horário dessa posição o eixo U negativo, a 120° anti horário de X terá o eixo Y positivo e a 120° anti horário de Y terá o eixo U positivo. m cristalografia, convenciona-se que o sinal negativo fique sobre o símbolo referido (com um traço em cima da letra) dessa forma Ū.
Todas as derivações de formas, decorrentes dos sólidos fundamentais de cada sistema seguem as mesas orientações espaciais. 
O conjunto de eixos cristalográficos de um cristal denomina-se de cruz axial.
Orientação (a) e cruz axial (b) dos cristais isométricos.
Orientação (a) e cruz axial (b) dos cristais ortorrômbicos.
Orientação (a) e cruz axial (b) dos cristais tetragonais.
 
Orientação (a) e cruz axial (b) dos cristais trigonais.
Orientação (a) e cruz axial (b) dos cristais monoclínicos.
Orientação (a) e cruz axial (b) dos cristais hexagonais.
Orientação (a) e cruz axial (b) dos cristais triclínicos.
· 7 sistemas cristalográficos/Principais sistemas cristalinos estes sistemas incluem todas as possíveis geometrias de divisão do espaço por superfícies planas contínuas superfícies planas contínuas.
– Cúbico
– Hexagonal
– Tetragonal
– Trigonal/Romboédrico
– Ortorrômbico
– Triclínico
– Monoclínico
· Retículo cristalino pode ser formado por um único tipo de átomo, íon ou molécula, ou por um grupamento de átomos, íons ou moléculas diferentes, formando o empacotamento cristalino (é a maneira de como estão organizadas as células unitárias dos cristais). Se a célula unitária de um cristal for cúbica e a sua unidade fundamental repetir-se ordenadamente ao longo das três dimensões, gerar-se-á um cubo formado por outros cubos. Porém, se por alguma razão físico-química, durante o empilhamento das unidades fundamentais, forem suprimidos cubos ao longo de determinadas direções, outras formas serão geradas (como um octaedro regular, por exemplo, se os cubos forem suprimidos ao longo dos vértices de um hexaedro regular).
· Ângulos dos cristais representam as distancias internas entre as arestas ou as faces de um determinado cristal. Os cristais podem apresentar ângulos planos que resultam do encontro entre duas arestas, ângulos diedros que são resultantes do encontro entre duas faces e ângulos sólidos que são os resultantes do encontro de três ou mais faces.
· Célula unitária consiste em pequenos/menores grupos de átomos que formam um modelo/padrão repetitivo representativo da estrutura cristalina. A célula unitária é escolhida para representar a simetria da estrutura cristalina.
No planeta Terra existe mais minerais do sistema cristalino ortorrômbico.
· 14 redes de Bravais, dos 7 sistemas cristalinos é possível identificar 14 tipos diferentes de células unitárias, conhecidas com redes de conhecidas com redes de Bravais. Cada uma destas células unitárias tem certas características que ajudam a diferenciá-las das outras células unitárias. Além do mais, estas características também auxiliam na definição das propriedades de um material particular.
É o número de ânions que podem se colocar ao redor do cátion metálico, sendo por ele coordenado. É função do tamanho do cátion metálico e do ânion e é usado para determinar a forma do mineral. São 4 – tetragonal, 6 – octaédrica e 8 – cúbica. 
· Sólidos fundamentais descritos por Platão os cinco possíveis sólidos regulares denominados sólidos platônicos. 
· Materiais monocristalinos e policristalinos
– Monocristalinos constituídos por um único cristal em toda a extensão do material, sem interrupções. Todas as células unitárias se ligam da mesma maneira e possuem a mesma direção. Exemplo vanadita, calcita.
– Policristalinos constituído de vários cristais ou grãos, cada um deles com diferentes orientações espaciais. Os contornos de grão são regiões que fazem a separação dos cristais de diferentes orientações em um material policristalino.
· Direções e planos cristalográficos frequentemente é necessário identificar direções e planos específicos em cristais. Por exemplo as propriedades mecânicas X direções e planos: 
– Módulo de elasticidade direções mais compactas maior módulo.
– Deformação plástica deslizamento de planos - planos compactos).
Foram estabelecidas convenções de identificação, onde três números inteiros são utilizados para designar as direções e planos.
· Direções nos cristais um vetor com comprimentoconveniente é posicionado de tal modo que ele passa através da origem. O comprimento da projeção de vetor é medido em termos das dimensões da célula unitária a, b e c. Estes 3 números são multiplicados ou divididos por um fator comum. Os 3 índices, não são separados por vírgulas, são colocados entre colchetes [uvw]. Os índices negativos são representados por uma barra sobre os mesmos.
· Planos Cristalinos 
Planos (010)
– São paralelos aos eixos x e z (paralelo à face).
– Cortam um eixo (neste exemplo: y em 1 e os eixos x e z em ∞).
– 1/ ∞, 1/1, 1/ ∞ = (010).
Planos (110)
– São paralelos a um eixo (z)
– Cortam dois eixos (x e y) 
– 1/ 1, 1/1, 1/ ∞ = (110)
Planos (111)
– Cortam os 3 eixos cristalográficos
– 1/ 1, 1/1, 1/ 1 = (111)
Planos (111)
– Cortam os 3 eixos cristalográficos
– 1/ 1, 1/1, 1/ 1 = (111)
· Família de planos {110} é paralelo à um eixo.
· Família de planos {111} intercepta os 3 eixos.
· Procedimento para determinação dos índices de Miller
1. Plano a ser determinado não pode passar pela origem (0,0,0).
2. Planos paralelos são equivalentes.
3. Obtenção dos pontos de interceptação do plano com os eixos x, y e z; eixos x, y e z.
4. Obtenção dos inversos das interceptações: h=1/a, k=1/b e l=1/c.
5. Obtenção do menor conjunto de números inteiros.
6. Índices obtidos devem ser apresentados entre parênteses: (hkl) (índices de Miller).
7. Índices negativos são representados por uma barra sobre os mesmos.
· Eixo de rotação e eixo quaternário
– Eixo de rotação é uma linha imaginária em torno do qual o mineral vai girar e 
determinar o número de vezes que ele aparece com a mesma característica.
 
– Eixo quaternário significa que a repetição do giro é de 90° em 90°, para que ele tenha a mesma face. Quando Binário: 180°, Ternário:120° e Senário: 60°.