1.

Introduzione

Cristallo Formazione minerale solida caratterizzata da una disposizione periodica e ordinata di atomi ai vertici di una struttura reticolare che prende il nome di reticolo cristallino. La presenza di una tale organizzazione atomica conferisce al cristallo una forma geometrica definita, dotata di particolari relazioni di simmetria e delimitata da superfici piane e lisce. I cristalli si formano per solidificazione graduale di un liquido o per sublimazione di un gas (vedi Cambiamento di stato). Gli angoli tra facce corrispondenti di due cristalli della stessa sostanza, indipendentemente dalla dimensione e dalle differenze superficiali di forma, sono sempre identici.

La materia allo stato solido presenta nella maggior parte dei casi una struttura cristallina; fanno eccezione materiali detti amorfi, come ad esempio il vetro, che dal punto di vista strutturale sono più simili ai liquidi che non ai solidi.

2.

Le condizioni per la formazione

La formazione e le caratteristiche di una struttura cristallina dipendono dalla rapidità e dalle condizioni del processo di solidificazione. Gli stessi liquidi che quando solidificano gradualmente in profondità nella crosta terrestre formano il granito, qualche volta vengono eruttati in superficie come lava vulcanica e si raffreddano rapidamente, formando una roccia vetrosa chiamata ossidiana. Se il raffreddamento è un poco più lento si forma una roccia criptocristallina o afanitica, con cristalli troppo piccoli per potere essere distinti a occhio nudo. Quando il raffreddamento avviene con lentezza ancora maggiore, si forma una roccia di struttura porfirica, nella quale solo alcuni cristalli sono grandi abbastanza da essere visibili. Se la composizione è la stessa del granito, questa forma porfirica prende il nome di riolite.

Ogni minerale che costituisce una roccia è presente in forma di cristalli piccoli ma omogenei. Le sostanze che solidificano per prime durante il raffreddamento della roccia fusa presentano uno sviluppo normale delle proprie forme cristalline; diversamente quelle che cristallizzano per ultime, costrette a occupare gli interstizi rimanenti, presentano un aspetto esterno deformato. Durante il processo di cristallizzazione, si formano cristalli omogenei che si separano dalle miscele liquide. Questa caratteristica viene sfruttata anche per purificare sostanze cristalline: ad esempio le sostanze chimiche organiche vengono quasi invariabilmente purificate per ricristallizzazione.

In alcuni gruppi minerali gli ioni di un elemento possono essere sostituiti da ioni di un altro elemento, lasciando invariata la struttura cristallina e formando una serie di soluzioni solide. Quando vi è una completa e continua gradazione di composizione chimica da un membro estremo all'altro, la serie viene detta isomorfa. Un esempio è fornito dalla varietà di feldspato detta plagioclasio, che forma una serie completa di composizione, compresa tra quella del puro alluminosilicato di sodio (albite) e quella del puro alluminosilicato di calcio (anortite). Altri gruppi di minerali che formano serie isomorfe sono quelli dell'apatite, della barite, della calcite e dello spinello.

Può capitare che il processo di cristallizzazione non avvenga e la soluzione di partenza divenga soprassatura (in modo analogo una sostanza può esistere allo stato liquido a temperature inferiori del suo punto di solidificazione). La tendenza a cristallizzare diminuisce all'aumentare della viscosità del fluido; in particolare se una soluzione diviene notevolmente soprassatura e superraffreddata, la viscosità può raggiungere un livello tale da rendere quasi impossibile la cristallizzazione; un'ulteriore evaporazione del solvente o un ulteriore raffreddamento producono dapprima una sorta di sciroppo e infine un vetro. Alcune sostanze mostrano una forte tendenza a formare nuclei di cristallizzazione, cosicché, se una soluzione contenente tali sostanze viene raffreddata lentamente, avviene la crescita di pochi grandi cristalli, al contrario se il raffreddamento è rapido si formano numerosi cristalli di dimensioni minuscole.

3.

Cristallografia

Lo studio dell'accrescimento, della forma e delle caratteristiche geometriche dei cristalli è detto cristallografia.

Quando le condizioni lo permettono, ogni elemento o composto chimico cristallizza in una forma definita e caratteristica che corrisponde a una determinata disposizione degli atomi nel reticolo. Così ad esempio il sale da cucina (vedi Cloruro di sodio) forma cristalli cubici (ovvero gli atomi sono ordinatamente disposti ai vertici di un cubo) mentre il granato più comunemente si presenta in dodecaedri (solidi con 12 facce) o trisottaedri (con 24 facce).

Teoricamente sono possibili 32 classi di cristalli raggruppate in sei sistemi cristallini, definiti in base alla lunghezza e all'orientamento degli assi di simmetria, linee ideali che definiscono le proprietà di simmetria del cristallo. Quasi tutti i minerali comuni sono compresi in una dozzina di classi appartenenti a sistemi diversi. Le proprietà chimiche e fisiche dipendono dalla particolare disposizione atomica, cosicché cristalli appartenenti a un determinato sistema cristallino hanno caratteristiche comuni.

1.

Cubico

Questo sistema comprende cristalli con tre assi mutuamente perpendicolari e di uguale lunghezza.

2.

Tetragonale

Questo sistema comprende cristalli con tre assi mutuamente perpendicolari, due dei quali con uguale lunghezza.

3.

Ortorombico

Questo sistema comprende cristalli con tre assi mutuamente perpendicolari, ognuno di lunghezza diversa.

4.

Monoclino

Questo sistema comprende cristalli con tre assi di lunghezza diseguale, due dei quali (non perpendicolari) giacciono su un piano ortogonale al terzo.

5.

Triclino

Questo sistema comprende cristalli con tre assi diseguali e non mutuamente perpendicolari.

6.

Esagonale

Questo sistema comprende cristalli con quattro assi, tre dei quali giacciono su uno stesso piano, simmetricamente spaziati e di uguale lunghezza; il quarto asse è perpendicolare agli altri tre. Alcuni cristallografi dividono il sistema esagonale in due, denominando il settimo sistema trigonale o romboedrico.

Pochi elementi e composti possono cristallizzare in più sistemi cristallografici, dando luogo a sostanze che, seppure identiche in quanto a composizione chimica, posseggono proprietà fisiche diverse. Un esempio è fornito dal carbonio che cristallizza nel sistema trigonale come grafite e nel sistema cubico come diamante; questa forma, pur appartenendo allo stesso sistema del cloruro di sodio e del granato, è in una classe differente: cristallizza infatti in tetraedri (solidi a quattro facce) o ottaedri (solidi a otto facce).

4.

Altre proprietà dei cristalli

La forma di un minerale dipende dalle caratteristiche della sua struttura cristallina. Ad esempio l'argentite, un minerale dell'argento, cristallizza nella stessa classe del granato e del sale, ma si trova solitamente in irregolari masse criptocristalline. La fluorite, minerale relativamente comune, cristallizza nella stessa classe del granato formando cristalli cubici; tuttavia quando viene fratturata, essa tende a sfaldarsi in frammenti ottaedrici perfetti. Il sale forma frammenti cubici dalla sfaldatura perfetta, mentre il granato non presenta piani di sfaldatura ben definiti. Alcune sostanze inoltre tendono a formare cristalli multipli.

Alcuni cristalli manifestano proprietà elettriche come la piezoelettricità o la piroelettricità (ossia acquistano carica elettrica se vengono compressi o riscaldati), e per questo motivo sono sfruttati industrialmente. Un esempio è fornito dal quarzo che trova un vasto impiego in elettrotecnica ed elettronica. Nei transistor, le speciali proprietà dei cristalli di germanio e di silicio li rendono utilizzabili per amplificare correnti elettriche. Un altro dispositivo elettronico, la batteria solare, prevede l'uso di cristalli di silicio o di solfuro di cadmio per convertire la luce solare in energia elettrica.

In anni recenti sono stati messi a punto diversi metodi per preparare cristalli singoli di sostanze normalmente criptocristalline. Ad esempio è possibile ottenere grandi cristalli singoli di metalli mediante un semplice metodo che consiste nel fondere il metallo in un contenitore conico, che viene poi allontanato molto lentamente dal forno a cominciare dal vertice. In condizioni propizie, alla punta del cono si forma un singolo nucleo di cristallizzazione, che continua ad accrescersi fino a riempire l'intero contenitore. Tali cristalli singoli spesso sono notevolmente diversi dai metalli nella loro forma solita. Cristalli puri e particolari vengono attualmente prodotti con tecniche avanzate, come l'epitassia a fascio molecolare, per essere usati come semiconduttori e nei circuiti integrati.

Quando i raggi X incidono sulla superficie di un un cristallo, gli atomi disposti simmetricamente agiscono come reticolo di diffrazione e deflettono i raggi secondo schemi regolari dai quali è possibile risalire alla natura e alle caratteristiche strutturali del cristallo; la disposizione degli atomi può essere visualizzata direttamente per mezzo di dispositivi elettronici.

Una regola di base della cristallografia, considerata valida per lungo tempo, stabiliva che la simmetria pentagonale fosse incompatibile con la periodicità traslazionale propria dei cristalli. La scoperta, nel 1984, di una lega di alluminio e magnesio che sembra contravvenire a questa regola potrebbe indicare la possibilità dell'esistenza di una nuova fase di materia solida, diversa dai cristalli e dai vetri.