Cristales: estructura, formación y aplicaciones

José Antonio Torné López »

En este artículo exploraremos los cristales desde una perspectiva química, analizando su estructura, procesos de formación y propiedades fisicoquímicas. También discutiremos la diferencia entre la materia amorfa y la materia cristalina, ejemplos cotidianos de cristales, y aplicaciones de los cristales en diversos campos científicos y tecnológicos.

Introducción

Los cristales son materiales sólidos cuya estructura se caracteriza por un ordenamiento y repetitivo de sus partículas constituyentes, en contraste con los materiales amorfos, que carecen de esta organización. Ejemplos comunes de cristales pueden ser la sal de mesa (NaCl) o el diamante, mientras que el vidrio o los plásticos son ejemplos de materiales amorfos.

Los cristales tienen múltiples aplicaciones en ciencia y en tecnología, como veremos más adelante.

El propósito de este artículo es ofrecer una visión introductoria de la química de los cristales, centrándose en su estructura, formación y aplicaciones.

1. Definición de cristal

Un cristal es una forma del estado sólido caracterizada por una estructura periódica y tridimensional de sus partículas constituyentes –ya sean éstas átomos, iones o moléculas–. Esta estructura se repite en el espacio mediante operaciones de traslación, creando un patrón regular.

Se denomina celda unitaria o celda fundamental a la unidad más pequeña del cristal que al repetirse periódicamente genera toda la estructura del sólido.

La celda unitaria se define típicamente como un paralelepípedo –es decir, un hexaedro cuyas caras son paralelogramos, paralelas e iguales dos a dos–, aunque en un sentido más general también puede considerarse como un poliedro. Este enfoque más amplio es útil en casos donde la simetría cristalina se describe mejor con figuras geométricas específicas.

Las propiedades físicas y químicas de un cristal dependen en gran medida de cómo se organizan sus partículas dentro de la celda unitaria.

1.1. Elementos de simetría

Las celdas unitarias de un cristal, así como los propios cristales, pueden presentar distintos tipos de simetrías geométricas que procedemos a describir ahora.

∎ Eje de simetría

Es una recta que pasa a través del cristal de forma que cuando éste realiza un giro completo alrededor de ella, queda invariante -es decir, presenta el mismo aspecto- dos o más veces. Por ello, los ejes de simetría se clasifican de la siguiente forma: binarios, si el cristal queda invariante al girar 180^o y 360^o; ternarios, si queda invariante bajo ángulos de giro de 120^o, 240^o y 360^o; cuaternarios, si los ángulos de giro bajo los cuales queda invariante son de 90^o, 180^o, 270^o y 360^o; o senarios, si los giros de 60^o, 120^o, 180^o, 240^o, 300^o y 360^o lo dejan invariante.

∎ Plano de simetría

Es un plano que pasa a través del cristal de forma que lo divide en dos partes especularmente simétricas respecto a dicho plano.

∎ Centro de simetría

Es un punto dentro del cristal tal que éste queda invariante bajo una simetría con centro en dicho punto.

Por ejemplo, un hexaedro regular (o cubo) tiene 13 ejes de simetría cuaternarios: las rectas que unen los centros de caras opuestas; cuatro ejes de simetría ternarios: las rectas que unen vértices opuestos; 6 ejes de simetría binarios: las rectas que unen los puntos medios de aristas opuestas; 9 planos de simetría: 3 paralelos a cada par de caras opuestas por el punto medio de las aristas que las unen, y los 6 que pasan por cada par de aristas opuestas. Tiene también 1 centro de simetría en el centro del cubo. Los ilustramos en la siguiente figura:

1.2. Sistemas cristalográficos

Las partículas de una sustancia química cristalina están ordenadas espacialmente según tres direcciones cristalográficas (ejes cristalográficos a, b, c) que forman entre ellos determinados ángulos (ángulos axiales) y, según estas direcciones las partículas (conjuntos de átomos,iones o moléculas) se repiten a una distancia constante según cada eje, llamada periodicidad (parámetros unidad).

La celda unitaria está caracterizada por el conjunto de los ejes cristalográficos, con sus respectivos ángulos. Según Bravais (1811-1863), existen 14 posibles combinaciones sin repetición de estas constantes cristalográficas, que, a su vez se agrupan en 6 Sistemas Cristalinos: Triclínico, Monoclínico, Rómbico, Hexagonal y Trigonal, Tetragonal y Cúbico.

Sistema triclínico: se caracteriza porque los tres parámetros unidad son distintos entre ellos, así como también lo son los ángulos que forman entre sí los ejes cristalográficos y, a su vez, son distintos de 90º.
Sistema monoclínico: caracterizado porque los tres parámetros unidad son distintos entre ellos, dos de los ángulos axiales son iguales entre ellos distintos al tercero y mayores de 90º.
Sistema rómbico u ortorrómbico: se caracteriza porque los tres parámetros unidad son distintos entre ellos, y los ángulos axiales son iguales entre ellos e iguales a 90º.
Sistema hexagonal y trigonal: caracterizado porque dos de los parámetros unidad son iguales entre ellos y distintos al tercero. Dos de los ángulos axiales son iguales entre ellos e iguales a 90º y el tercero es igual a 120º. En estos dos sistemas se introduce un cuarto eje cristalográfico «i» coplanar con los ejes x e y. Se diferencian en la simetría, ya que en el Hexagonal existe un eje senario y en el Trigonal un eje ternario.
Sistema tetragonal: se caracteriza porque dos de los parámetros unidad son iguales entre ellos y distintos al tercero. Los ángulos axiales son iguales entre ellos e iguales a 90º.
Sistema cúbico: caracterizado porque los tres parámetros unidad son iguales entre ellos, y los tres ángulos axiales son iguales entre ellos e iguales a 90º.

En la figura siguiente se representan gráficamente estos sistemas cristalinos.

Los símbolos P, C, I, F, R se refieren a los distintos tipos de red:

P = primitiva. Tiene 1 punto de red dentro la celdilla.
C = centrada en las caras perpendiculares al eje c de la celdilla.
I = centrada en el cuerpo de la celdilla.
F = centrada en todas las caras de la celdilla.
R = primitiva, con ejes iguales y ángulos iguales, o hexagonal doblemente centrada en el cuerpo.

2. Formación de un cristal

Los cristales pueden formarse por tres procesos principales: a partir de una disolución, a partir de una masa fundida y a partir de un vapor. Examinaremos ahora cada uno de ellos.

A) A partir de una disolución

En una disolución, las partículas de soluto aparecen dispersas, en un estado desordenado, azaroso. Estas partículas pueden agruparse en una estructura cristalina si se produce una saturación de la disolución por alguna de las siguientes circunstancias:

Una evaporación del disolvente, lo cual hace aumentar la concentración de soluto.
Una disminución de la temperatura, ya que a menor temperatura es menor la solubilidad.
Una disminución de la presión ejercida por un gas sobre el disolvente, puesto que a menor presión la solubilidad disminuye (como en el caso anterior).

B) A partir de una masa fundida

El magma, por ejemplo, es una masa fundida procedente del manto de la Tierra. Contiene muchos elementos disociados que pueden llegar a formar cristales si se produce una disminución de la temperatura, la presión o ambas.

C) A partir de un vapor

A medida que el vapor entra en contacto con una superficie fría, disminuye su temperatura, provocando que sus partículas constituyentes se vayan aproximando entre sí hasta dar lugar a un sólido cristalino. Es el caso de la formación de los copos de nieve a partir del aire saturado de vapor de agua de la atmósfera, o de los cristales de azufre en la base de las fumarolas.

2.1. Crecimiento de un cristal

Cualquiera que sea el proceso de formación de un cristal, éste comienza con la creación de un núcleo (conjunto de partículas ordenadas que serán la semilla del futuro cristal) capaz de crecer.

El núcleo irá creciendo siempre que el aporte de material y el espacio disponible sean los suficientes para ello. Las nuevas partículas se irán añadiendo a la superficie del cristal en formación.

3. Clasificación de los cristales según el tipo de enlace químico

Las propiedades de los cristales son, en gran medida, consecuencia de las interacciones entre sus partículas constituyentes. Según el tipo de enlace químico entre sus componentes, los cristales se clasifican en cuatro categorías: iónicos, covalentes, metálicos y moleculares.

3.1. Cristales iónicos

En esta clase de cristales, las partículas constituyentes son cationes y aniones unidos mediante fuerzas electrostáticas, es decir, enlaces iónicos. Estas fuerzas son muy intensas, lo que explica las propiedades características de este tipo de cristales:

Los puntos de fusión y ebullición son bastante altos.
Son buenos conductores de la electricidad en estado fundido o disuelto, pues en estos estados los iones son móviles.
Son frágiles, ya que las fuerzas electrostáticas pueden romperse bajo tensión mecánica.

La sal de mesa (NaCl) es un conocido ejemplo de cristal iónico, formado por cationes Na⁺ y aniones Cl^– situados en una estructura cúbica.

3.2. Cristales covalentes

En los cristales covalentes, los átomos están unidos mediante enlaces covalentes, formando una red tridimensional continua. Se trata de un tipo de enlace muy fuerte, lo que se refleja en sus propiedades:

Presentan gran dureza y tenacidad.
Sus puntos de fusión y de ebullición son muy altos.
No son buenos conductores de la electricidad, ya que no poseen electrones libres ni iones móviles.

El diamante, por ejemplo, es un cristal covalente compuesto por átomos de carbono dispuestos en una red tetraédrica, estructura que le confiere una dureza excepcional.

3.3. Cristales metálicos

Los cristales metálicos están formados por átomos metálicos que comparten entre ellos todos sus electrones, los cuales se mueven libremente por toda la estructura cristalina, confiriendo al cristal las siguientes propiedades:

Alta conductividad térmica y eléctrica.
Ductilidad y maleabilidad.
Brillo metálico.

Por ejemplo, el hierro cristaliza en una estructura cúbica centrada en el cuerpo. Este tipo de red es común en los metales de transición.

3.4. Cristales moleculares

En este tipo de cristales, las partículas constituyentes son moléculas unidas por fuerzas intermoleculares débiles, como las fuerzas de Wan der Waals, los enlaces de hidrógeno o las interacciones dipolo-dipolo. Estas fuerzas son mucho más débiles que los enlaces iónicos o covalentes, lo que explica sus propiedades:

Bajos puntos de fusión y ebullición.
Son blandos y deformables.
No conducen la corriente eléctrica, ya que no contienen partículas cargadas.

El hielo, por ejemplo, es un cristal molecular donde las moléculas de agua están unidas mediante enlaces de hidrógeno.

4. Aplicaciones prácticas de los cristales

Los cristales tienen un importante papel en numerosos ámbitos científicos y tecnológicos gracias a sus propiedades estructurales, ópticas, eléctricas y químicas. A continuación, mencionamos algunas de las aplicaciones más relevantes.

∎ Ciencia de materiales

Los cristales son importantes en la fabricación de materiales avanzados:

Semiconductores: Cristales como el silicio y el arseniuro de galio son la base de los microchips y dispositivos electrónicos modernos.
Superconductores: A bajas temperaturas, cristales con estructuras específicas permiten la conducción de electricidad sin resistencia, lo que tiene aplicaciones en tecnología médica y sistemas de energía.

∎ Óptica y tecnología láser

Los cristales ópticos, como el cuarzo y la calcita, se utilizan en una amplia gama de aplicaciones:

Cristales piezoeléctricos: Como el cuarzo, que generan electricidad cuando son sometidos a presión. Se utilizan en relojes, sensores y dispositivos electrónicos.
Láseres: Cristales como el rubí son fundamentales en la emisión de láseres para cirugía. Corte industrial y comunicaciones.

∎ Geología y minería

Los minerales, cristales naturales, tienen aplicaciones tanto científicas como industriales:

Identificación de formaciones geológicas: Los minerales son indicadores clave en el estudio de la corteza de la Tierra.
Gemología: Cristales preciosos como diamantes, zafiros y esmeraldas son valorados tanto por su estética como por sus propiedades físicas.

∎ Medicina y biotecnología

Cristales líquidos: Utilizados en pantallas de cristal líquido, presentes en monitores, teléfonos móviles y otros dispositivos.
Difracción de rayos X: El análisis de la estructura cristalina de biomoléculas como proteínas y ADN ha sido fundamental para entender procesos biológicos y diseñar medicamentos.

∎ Industria química

La cristalización es una técnica clave en la purificación de sustancias químicas y en la fabricación de productos como:

Farmacéuticos. Muchas medicinas se producen en forma cristalina para garantizar su estabilidad y eficacia.
Alimentos. La formación de cristales es clave en productos como el azúcar y la sal, asegurando su calidad.

∎ Energías renovables

Los cristales juegan un papel crucial en la captura y conversión de energía:

Celdas solares: Los paneles fotovoltaicos están hechos de cristales de silicio que convierten la luz solar en electricidad.
Baterías: Algunos cristales, como el litio-cobalto óxido, son esenciales en las baterías recargables.

Para saber más: