Cristalografia

Cristalografia – Definição

Cristalografia é o estudo da formação e estrutura de substâncias cristalinas. Inclui o estudo da formação de cristais, ligações químicas em cristais e as propriedades físicas dos sólidos.

A cristalografia é o estudo dos cristais, incluindo sua forma, estrutura, hábito e simetria.

A cristalografia está particularmente preocupada com a estrutura interna dos cristais. A cristalografia de raios X usa raios X para descobrir a estrutura molecular dos cristais.

·Cristalografia – O que é

Os cientistas têm várias técnicas analíticas sofisticadas à sua disposição para elucidar a estrutura física e as propriedades das substâncias. Uma tecnologia comumente empregada por cientistas analíticos é a cristalografia, da qual existem muitas variações.

Cristalografia, ramo da ciência que trata de discernir o arranjo e ligação de átomos em sólidos cristalinos e com a estrutura geométrica de redes cristalinas.

Classicamente, as propriedades ópticas dos cristais eram valiosas em mineralogia e química para a identificação de substâncias. A cristalografia moderna é amplamente baseada na análise da difração de raios-X por cristais que atuam como grades ópticas.

Usando a cristalografia de raios X, os químicos são capazes de determinar as estruturas internas e os arranjos de ligação de minerais e moléculas, incluindo as estruturas de grandes moléculas complexas, como proteínas e DNA.

Cristalografia é o termo aplicado ao campo que estuda estruturas cristalinas. Muitas estruturas cristalinas existem na natureza, como pedras preciosas e rochas. No campo das ciências da vida, no entanto, a cristalografia é usada principalmente para estudar proteínas e outras moléculas biológicas importantes que não cristalizam naturalmente.

A cristalografia é uma técnica analítica robusta que tem sido usada em vários campos, como ciências da vida, geologia e ciência dos materiais. Tem sido usado para revelar a estrutura de vírus, proteínas, ácidos nucléicos, pedras preciosas e substâncias industrialmente importantes. Continua sendo um dos padrões de ouro da química analítica.

Cristais e Cristalografia

Cristalografia

Um cristal é uma montagem tridimensional padronizada de átomos que é uma matriz repetitiva (periódica) de átomos. Os cristais contêm matrizes repetidas ou átomos organizados em células unitárias.

A cristalografia é o estudo dos processos de formação que produzem cristais e dos detalhes estruturais e de identificação dos cristais.

No mundo antigo e medieval, os cristais eram considerados uma estranha união dos reinos animal e mineral, crescendo em formas predeterminadas como seres vivos, mas aparentemente sem vida.

Muitos mineralogistas levantaram a hipótese de que seu crescimento foi resultado de forças astrológicas.

Não foi até que Robert Boyle e Robert Hooke começaram a fazer experiências com microscópios que a verdadeira natureza dos cristais começou a ser compreendida. Durante os últimos três séculos, todo um campo de estudo, a cristalografia, desenvolveu-se para aprofundar a compreensão dos cristais.

Toda matéria sólida é amorfa (sem forma definida) ou cristalina (da palavra grega para gelo transparente). Os cristais são definidos por uma estrutura molecular regular e bem ordenada chamada rede, consistindo em planos empilhados de moléculas. Como as moléculas do cristal se encaixam e contêm fortes atrações elétricas entre os átomos, um cristal é tipicamente muito forte.

Existem muitas formas nas quais os cristais podem ser encontrados, dependendo do tipo de ligação atômica que é mais dominante.

Dentro de suas moléculas (por exemplo, iônico, covalente ou metálico). Cristais ricos em ligações iônicas são freqüentemente cúbicos; estes incluem sal e açúcar, bem como pirita de ferro.

As ligações covalentes são muito fortes, produzindo um cristal extremamente durável, como um diamante. As ligações metálicas são caracterizadas por uma nuvem de elétrons livres, dando menos definição à forma do composto, mas permitindo uma grande condutividade elétrica e térmica; a maioria dos metais são tecnicamente cristais muito ricos em ligações metálicas.

Cristalografia

Todos os cristais são formados por minúsculos blocos de construção atômicos chamados células unitárias.

Mudando a maneira como as células unitárias são empilhadas, sete estruturas cristalinas diferentes podem ser formadas: triclínica, monoclínica, ortorrômbica, trigonal, tetragonal, hexagonal e cúbica.

Além de sua estrutura, os cristais são classificados por sua simetria, ou seja, a capacidade do cristal de parecer o mesmo quando girado. Alguns cristais são simétricos ao longo de dois eixos, alguns ao longo de três eixos e alguns ao longo de quatro eixos; alguns não exibem nenhuma simetria.

Ao longo da história, muitos materiais cristalinos, incluindo a maioria das pedras preciosas, foram valorizados por sua capacidade de serem cortados ao longo de planos planos chamados de faces de clivagem. Isso é feito separando um plano de treliça do próximo, produzindo uma superfície quase perfeitamente plana. No entanto, nem todos os cristais permitem cortes tão limpos. Muitas substâncias como metal, pedra e tijolo se comportam como cristais, mas são muito difíceis de cortar ao longo de uma face de clivagem.

Devido às muitas aplicações industriais e científicas dos cristais, a demanda por amostras transparentes e perfeitamente formadas é muito alta. Infelizmente, a natureza raramente produz tais cristais; mais frequentemente o cristal apresenta falhas ou impurezas; e é por esta razão que pedras preciosas grandes e perfeitas são tão valorizadas. A fim de atender à demanda por cristais puros, os cientistas desenvolveram métodos para “cultivar” cristais. Um método comum é simplesmente derreter um grande suprimento de cristal não refinado e permitir que ele se refaça; enquanto em estado líquido, o cristal fundido é frequentemente peneirado de impurezas, a fim de produzir cristais de maior qualidade. Outro método para cultivar cristais é chamado de semeadura. Aqui, uma pequena amostra de cristal é colocada em um vapor ou solução; permite-se que o material se acumule na semente até que o sistema atinja o equilíbrio. Freqüentemente, na semeadura de cristal, é usada uma semente de um material diferente daquele do cristal. Este é o caso da formação de cristal natural chamada semeadura de nuvens, onde sementes de iodeto de prata são jogadas nas nuvens; o iodeto de prata acumula cristais de gelo que eventualmente caem na forma de chuva ou neve.

Os cientistas começaram a investigar a natureza dos cristais já no século XVII, quando o geólogo dinamarquês Nicolaus Steno (1638-1686) iniciou seus experimentos com cristais comuns.

Ele descobriu que todos os cristais de um determinado composto têm ângulos característicos nos quais as faces se encontram.

Isso significa que cada pedaço de sal terá forma cúbica e que esmagar um pedaço de sal resultará em cubos cada vez menores. Assim começou a ciência da cristalografia, e a observação de Steno tornou-se sua primeira lei.

O próximo grande cristalógrafo foi o mineralogista francês René-Just Haüy (1743-1822), que se envolveu com a ciência por acaso. Enquanto navegava na coleção de minerais de um amigo, ele derrubou uma grande amostra de calcita. Ele ficou surpreso ao notar que a amostra se fragmentava em planos retos. Embora Steno tivesse apontado isso mais de um século antes, foi Haüy quem levantou a hipótese da existência de células unitárias, mostrando como as células básicas poderiam ser combinadas para criar as diferentes formas de cristal.

No início do século XIX, muitos físicos faziam experiências com cristais; em particular, eles ficaram fascinados por sua capacidade de dobrar a luz e separá-la em suas cores componentes.

Por causa de suas estruturas moleculares variadas, diferentes tipos de cristal afetariam a luz de maneira diferente. Entre os membros mais influentes do campo emergente da mineralogia óptica estava o cientista britânico David Brewster; em 1819, Brewster conseguiu classificar a maioria dos cristais conhecidos de acordo com suas propriedades ópticas.

Em meados do século XIX, o preeminente químico francês Louis Pasteur examinou cristais de tartarato ao microscópio; esses cristais eram conhecidos por distorcer o caminho da luz às vezes em uma direção e às vezes na direção oposta. Ele descobriu que os cristais de tartarato não eram todos idênticos e que alguns eram imagens especulares dos outros. Quando combinadas, as duas formas dentro de todo o tartarato desviariam a luz em duas direções possíveis. Usando uma pinça, Pasteur separou meticulosamente os cristais em duas pilhas, que foram derretidas e então reformadas em dois cristais distintos. Uma vez separados, cada novo cristal distorceria a luz em apenas uma direção, uma no sentido horário e a outra no sentido anti-horário.

O trabalho de Pasteur tornou-se a base da polarimetria de cristal, um método pelo qual a luz é polarizada ou alinhada a um único plano. Logo se descobriu que outros cristais também eram capazes de polarizar a luz.

Hoje, a polarimetria de cristal é usada extensivamente em física e óptica.

Outro fenômeno exibido por certos cristais é a piezoeletricidade. De uma palavra grega que significa “pressionar”, a piezoeletricidade é a criação de um potencial elétrico ao espremer certos cristais.

Esse estranho efeito foi descoberto pela primeira vez por Pierre Curie e seu irmão, Jacques, em 1880, que ficaram surpresos ao detectar uma voltagem na superfície do sal de Rochelle comprimido.

O efeito piezoelétrico também funciona ao contrário: quando uma corrente elétrica é aplicada a um cristal como o quartzo, ele se contrai; se a direção da corrente for invertida, o cristal se expandirá.

Se for usada uma corrente alternada, o cristal piezoelétrico irá expandir e contrair rapidamente, produzindo uma vibração cuja frequência pode ser regulada. Por causa de suas vibrações precisas, os cristais piezoelétricos são usados em transmissores de rádio e relógios de quartzo.

Talvez a aplicação mais importante dos cristais seja na ciência da cristalografia de raios-x. Experimentos neste campo foram conduzidos pela primeira vez pelo físico alemão Max von Laue.

Enquanto instrutor na Universidade de Munique, Laue havia feito um extenso trabalho com grades de difração (malhas de metal usadas para separar a luz em suas cores componentes).

Seu objetivo era aplicar essas grades ao estudo da radiação de raios X porque, nessa época, a verdadeira natureza dos raios X ainda não havia sido totalmente compreendida. No entanto, os comprimentos de onda dos raios x eram muito curtos para que as grades de difração fossem usadas, os raios x passariam pelos orifícios sem serem afetados.

O que era necessário era uma grade com orifícios microscopicamente minúsculos; infelizmente, não existia tecnologia para construir tal grade.

Em 1912, Laue percebeu que a estrutura regular de planos empilhados de um cristal agiria como uma grade de difração muito pequena; essa hipótese foi testada com sucesso com um cristal de sulfeto de zinco, e assim nasceu a cristalografia de raios-x. Usando um cristal, os cientistas agora podiam medir o comprimento de onda de qualquer raio x, desde que conhecessem a estrutura interna de seu cristal. Além disso, se um raio X de um comprimento de onda conhecido fosse usado, a estrutura molecular de cristais desconhecidos poderia ser determinada.

A cristalografia de raios X foi aperfeiçoada apenas alguns anos depois pela equipe de pai e filho de William Henry Bragg (1862–1942) e William Lawrence Bragg (1890–1971), que receberam o Prêmio Nobel de Física de 1915 por seu trabalho. Desde aquela época, a cristalografia de raios X tem sido usada para examinar a estrutura molecular de milhares de substâncias cristalinas e foi fundamental na análise do DNA.

A cristalografia continua sendo um ramo importante das ciências da terra porque a análise e o estudo dos cristais geralmente fornecem informações importantes sobre o tipo e a taxa dos processos geológicos.

Cristalografia – Princípios e Teoria

Cristalografia – Raios X

Os métodos de cristalografia analisam os padrões de difração de uma substância causados pelo brilho de um feixe de radiação nela. A radiação eletromagnética, como os raios X, é a mais comum, mas também são usados nêutrons e elétrons. Os três tipos de feixes – raios X, elétrons ou nêutrons – interagem com a substância de maneiras diferentes. Cada um é adequado para diferentes estudos.

Os padrões de difração criados pelos raios X são devidos à interação com os elétrons de valência e sua distribuição espacial.

Feixes de elétrons detectam a distribuição de carga em núcleos atômicos e seus elétrons circundantes. Feixes de nêutrons sofrem dispersão por forças como fortes forças nucleares e campos magnéticos.

A cristalografia é usada para estudar estruturas atômicas porque a microscopia óptica não é adequada para essa finalidade. Isso ocorre porque o comprimento de onda da luz visível é várias magnitudes maior que o comprimento das ligações atômicas e dos átomos. O menor comprimento de onda da radiação eletromagnética é, portanto, mais adequado para a análise de estruturas nessa escala.

Uma diferença fundamental entre cristalografia e técnicas ópticas é que o feixe não pode ser focado para produzir imagens como tal. Em vez disso, a estrutura é reconstruída a partir do padrão de difração usando uma variedade de técnicas, incluindo software.

No padrão de difração produzido por técnicas cristalográficas, as características nítidas são causadas por fótons refletidos pelos átomos na estrutura, enquanto as características difusas e fracas são causadas por componentes não periódicos. Devido à natureza repetitiva e ordenada das redes cristalinas, os padrões de difração criados por métodos cristalográficos são ideais para fornecer informações sobre a estrutura de materiais sólidos.

Fonte: www.worldhistory.org/www.oxfordreference.com/www.encyclopedia.com/www.earthscienceworld.org/www.news-medical.net/www.chemeurope.com