Estrutura cristalina

Um cristal não é apenas um sólido com uma forma geométrica regular. À escala microscópica possui ordem periódica de longo alcance: uma rede define as translações repetidas, enquanto uma base, ou motivo, especifica o que fica associado a cada ponto da rede.

Rede, base e célula unitária

A rede é um conjunto abstrato e periódico de pontos. A base é o átomo, ião ou grupo associado a cada ponto. A combinação dos dois constitui a estrutura cristalina. Uma célula unitária é uma escolha geométrica que se repete por translação; não tem de coincidir com o menor objeto de tipo molecular presente no material.

uma célula unitáriatranslação periódica
A célula unitária reproduz todo o padrão por translação. Células válidas diferentes podem descrever o mesmo cristal.

Contar partículas partilhadas entre células

Os átomos desenhados nos limites da célula são partilhados com células vizinhas. Numa célula cúbica, um átomo num vértice contribui com 1/8, um átomo no centro de uma face com 1/2 e um átomo totalmente no interior com 1. Assim, a célula cúbica simples contém 1 átomo, a cúbica de corpo centrado 2 e a cúbica de faces centradas 4.

Para um cristal cúbico, a densidade pode escrever-se ρ = ZM/(NAa³), em que Z é o número de átomos ou unidades de fórmula na célula escolhida.

cúbica simples: Z = 1corpo centrado: Z = 2faces centradas: Z = 4
Os átomos nos limites contam como frações de átomo por célula. Z depende de quantas células partilham cada posição representada.

Coordenação e empacotamento

A estrutura determina quantos vizinhos mais próximos rodeiam cada átomo e com que eficiência o espaço é preenchido. A BCC tem número de coordenação 8; a FCC, 12. Um empacotamento compacto não determina sozinho todas as propriedades, mas influencia fortemente a densidade, os sistemas de deslizamento e o comportamento mecânico.

A difração revela espaçamentos periódicos

Os planos cristalinos dispersam raios X. A interferência construtiva ocorre quando a diferença de caminho satisfaz a condição de Bragg: nλ = 2d sin θ. Os ângulos medidos codificam assim os espaçamentos interplanares, enquanto as intensidades dão informação sobre a posição dos átomos dentro da célula.

Um padrão de difração não é uma fotografia direta dos átomos: a estrutura é inferida a partir de uma medição no espaço recíproco e de um modelo compatível com os dados.

Exemplos resolvidos

1. Átomos numa célula FCC

Os 8 vértices contribuem com 8×1/8 = 1 e as 6 faces com 6×1/2 = 3. Portanto, Z = 4.

2. Densidade do cobre

Com Z = 4, M = 63,546 g·mol⁻¹ e a = 361,5 pm = 3,615×10⁻8 cm, obtém-se ρ ≈ 8,9 g·cm⁻³.

3. Ângulo de Bragg de primeira ordem

Para λ = 0,154 nm e d = 0,200 nm, sin θ = λ/(2d) = 0,385, pelo que θ ≈ 22,6°.