La cristalografía se ocupa de estudiar los cristales de los minerales, evidenciando las distintas modalidades estructurales para explicar las diferentes propiedades que caracterizan cada especie minerológica.
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| Diamantes. Los cristales de los mismos siempre han resultado, como mínimo, fascinantes. |
- Cristales: concepto
Los cristales son el fruto visible de la disposición interna de las partículas que forman un determinado mineral. Se trata por tanto de sólidos geométricos cuya forma está determinada por el equilibrio que subyace entre los átomos o los iones que lo constituyen. Como prueba de lo hasta ahora afirmado, se ha constatado que en todos los cristales de un mismo mineral, incluso en los de aspecto irregular, los ángulos diedros formados por las mismas caras mantienen entre sí un valor constante. Esta afirmación constituye una ley fundamental de la cristalografía conocida como ley de la constancia del ángulo diedro, enunciada por primera vez por el danés Niels Stensen (médico de la corte de los Medici conocido con el nombre de Nicola Stenone) en 1667.
- Isotropía y anisotropía: sustancias isótropas y anisótropas
Existen características físicas, como la densidad, que para ser definidas se bastan de un número y en ocasiones de una unidad de medida y resultan invariables en el interior de un cristal de un mineral. Estas magnitudes se denominan escalares. Por el contrario, otras características físicas están definidas, además de por un número y su eventual unidad de medida, por una dirección que muestra valores diferentes según se considere en un cristal una dirección u otra; estas magnitudes se denominan vectoriales. Por ejemplo, el índice de refracción de la luz o la dilatación térmica varían en función de la dirección considerada en los cristales de cuarzo, calcita y otros numerosos minerales, mientras que no varía, por ejemplo, en el vidrio. Las sustancias (coloides, líquidos, gases, sólidos amorfos) que no muestran variaciones de estas propiedades se conocen como isótropas, mientras que con el nombre de anisótropas se conocen las sustancias que presentan variaciones, incluso notables, según la dirección. La mayoría de los minerales son anisótropos debido al modo en que están dispuestas en el espacio las partículas que los constituyen.
- Celdas elementales y retículos cristalinos
Las partículas (átomos e iones) que constituyen los minerales están dispuestas en alineamientos regulares (filas), que se disponen indefinidamente con las mismas características en el interior de cada cristal. A lo largo de estas filas, las partículas de una misma naturaleza se encuentran a una distancia fija constante (período de identidad) con espacios vacíos entre unas y otras. Tres filas dispuestas en el espacio de manera que no compartan un mismo plano generan el retículo cristalino, que se caracteriza por los períodos de las tres filas y por los ángulos que forman entre sí. El retículo cristalino puede dividirse en numerosas celdas elementales, que son las porciones de retículo más pequeñas que se pueden aislar sin alterar las características del mismo. La repetición indefinida en las tres direcciones del espacio de estas celdas elementales forma el retículo de un cristal. Se han diferenciado 14 celdas elementales diferentes, que constituyen los llamados retículos elementales de Bravais. Las celdas elementales tienen formas de sólidos geométricos más o menos regulares en cuyos vértices (nudos) se encuentran los átomos o los iones que conforman el mineral y que pertenecen a su vez a otras celdas adyacentes entre sí en el retículo. En algunas celdas elementales las partículas se pueden encontrar también en el centro de las caras o en el centro mismo de la celda. La forma de la celda elemental típica para cada mineral caracteriza también hábito (o aspecto exterior del cristal); por ejemplo, el cloruro de sodio (más conocido como sal común), denominado en su forma mineral sal gema, cristalizado asume un hábito cúbico que reproduce la forma de su celda elemental. La hipótesis de la estructura reticular de los cristales fue propuesta en el siglo XIX por Frankenheim y Bravais, que reconocieron los 14 retículos elementales y por lo tanto elaboraron la teoría estructural de los cristales. Hacia finales del mismo siglo Schönflies explicó de manera concisa todas las posible modalidades de simetrías (con un total de 230 grupos) que se pueden encontrar en los cristales. Posteriormente, a principios del siglo XX, el cristalógrafo Groth avanzó la hipótesis de que los puntos y los nudos de los retículos cristalinos serían en realidad las partículas de los elementos químicos constitutivos de los respectivos minerales. Loa hipótesis y la teoría estructural fueron definitivamente confirmadas pocas años después por los experimentos con rayos X llevados a cabo por el alemán Max von Laue primero, y los físicos británicos W. H. Bragg y W. L. Bragg después (1915), quienes determinaron la estructura de los cristales del cloruro del socio.
- Clases de simetría y sistemas cristalinos
El análisis detallado de los cristales de los distintos minerales ha evidenciado la existencia de algunos elementos geométricos respecto a los cuales se verifica una repetición de caras homólogas en el interior del cristal. Estos elementos geométricos, llamados elementos de simetría, son: centro, eje y plano de simetría; respecto a los cuales las diversas partes de un cristal resultan iguales y dispuestas de modo simétrico y, del mismo modo, se repiten simétricamente las propiedades de los diferentes cristales. Los cristales de un mineral pueden o no tener ningún elemento de simetría o tener varios. El conjunto de todos éstos constituye el grado de simetría.
El grado de simetría permite reagrupar los cristales de los minerales diferentes que tienen los mismos elementos de simetría en 32 clases de simetría que, a su vez, se pueden agrupar en siete sistemas cristalinos siguiente características comunes. Los siete sistemas cristalinos ordenados de menor a mayor número de elementos de simetría presentes son: triclínico, monoclínico, rómbico, romboédrico, tetragonal, hexagonal y cúbico.
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