Breve historia de la cristalografía: (VII) Moléculas, superfluidades y contaminaciones

Moléculas integrantes

La teoría de Haüy introdujo en la cristalografía un concepto fundamental, el de periodicidad. En los primeros estudios sobre el empaquetamiento de esferas la periodicidad estaba implícita, pero fue Haüy quien hizo énfasis en este punto. De Haüy en adelante los cristales pasaron a considerarse agregados de materia en los que la materia se repite periódicamente. Esta visión se mantuvo inalterada, y sigue siendo correcta para la inmensa mayoría de los casos, hasta el descubrimiento de los cuasicristales en la década de los ochenta del siglo XX.

Más interesante es que, desde un punto de vista puramente químico, afirmar que un cristal es una ordenación periódica tridimensional de unidades poliédricas implica que cada unidad tiene que tener la misma composición química que el conjunto y, si esta unidad es realmente la más pequeña, representa una “molécula” del compuesto. Haüy era plenamente consciente de esto. De hecho en su Essai d’une théorie sur la structure des crystaux (1784) llamaba a las unidades constituyentes fundamentales “molécules intégrantes”. Su empleo de la palabra “molécula” para referirse a un grupo de átomos conectados está en línea con el uso que de la palabra se hacía desde mediados del siglo XVII en que Pierre Gassendi la empleó en su Syntagma Philosophiae Epicuri (1646).

No sólo eso. Si las moléculas en el sentido de Haüy tienen una forma geométrica (poliédrica) definida de aquí se sigue que cada sustancia química tiene una forma cristalina característica. Otro corolario es que dos sustancias de diferente composición química, en general, no tendrán el mismo aspecto externo (hábito) salvo que sus molécules intégrantes sean muy simétricas, cúbicas por ejemplo.

Con todo, Haüy no empleó mucho tiempo en discutir la naturaleza química de las moléculas, de las que la única propiedad relevante para él era la geométrica. La forma de las moléculas define la forma de su primer agregado (el grano o semilla, “noyau”) a partir del cual el cristal crece capa a capa hasta formar su hábito externo.

Deodat de Dolomieu

Los aspectos moleculares de la teoría de Haüy fueron desarrollados en detalle por Dieudonné Sylvain Guy Tancrède de Dolomieu, más conocido como Déodat Gratet de Dolomieu (de quien las montañas dolomitas toman su nombre) en su Sur la philosophie minéralogique et sur l’espèce minéralogique (1801). Para Dolomieu la “molécula integrante” representa un “individuo completo” y todas las propiedades químicas de una sustancia son, de hecho, las propiedades químicas de sus moléculas, y por tanto independientes de la forma macroscópica, visible, de una sustancia.

Espato de islandia

Efectivamente, las “moléculas integrantes” de “carbonato de cal” (carbonato de calcio) pueden agruparse ordenadamente para formar un cristal, como el espato calcáreo (espato de Islandia), o lo pueden hacer irregularmente como en la creta; ambas sustancias tienen el mismo tipo de “molécula” a pesar de su aspecto tan diferente. De esta forma, Dolomieu expandió la teoría molecular más allá de los cuerpos cristalinos regulares para incluir las “tierras” amorfas y, en general, todos los sólidos.

Creta

Otro punto que trató Dolomieu fue el de la presencia simultánea de diferentes tipos de moléculas. En un agregado de moléculas de un tipo, las moléculas de otro tipo pueden aparecer como “superfluidades” (superfluités) o “contaminaciones” (pollutions).

Superfluidad de hierro en el corindón. Zafiro Logan

Las superfluidades entran en el agregado sin modificar la forma de las moléculas mayoritarias y permitiendo que se ordenen como si fuesen puras. El resultado es una mezcla homogénea (que también podría considerarse un compuesto) y, por lo tanto, las superfluidades no disminuyen ni la transparencia ni ninguna otra propiedad del cristal, aunque pueden aportar otras propiedades, como el color. Los agentes colorantes en los minerales alocromáticos son pues superfluidades de Dolomieu.

Cuarzo rutilado

Las contaminaciones, por otra parte, se interponen entre las “moléculas integrantes” mayoritarias durante la formación del cristal, lo que lleva a imperfecciones. Estas imperfecciones se traducen en pérdida de transparencia y que otras propiedades como el color, brillo, densidad o la dureza se vean afectadas, ya que un cristal con contaminaciones ya no es una sustancia pura homogénea sino una mezcla mecánica heterogénea.

La sugerencia de Dolomieu de que una sustancia química, definida por sus “moléculas”, podría existir en formas sólidas distintas fue una idea revolucionaria y un paso importante hacia el concepto de polimorfismo. Dolomieu, sin embargo, no dio el siguiente paso: darse cuenta de que sustancias de la misma composición pueden tener diferentes moléculas.

Este texto es la séptima parte de la serie Notas para una breve historia de la cristalografía.

Referencias generales de la serie:

[1] Wikipedia (enlazada en el texto)

[2] Cristalografía – CSIC

[3] Molčanov K. & Stilinović V. (2013). Chemical Crystallography before X-ray Diffraction., Angewandte Chemie (International ed. in English), PMID:

[4] Lalena J.N. (2006). From quartz to quasicrystals: probing nature’s geometric patterns in crystalline substances, Crystallography Reviews, 12 (2) 125-180. DOI:

[5] Kubbinga H. (2012). Crystallography from Haüy to Laue: controversies on the molecular and atomistic nature of solids, Zeitschrift für Kristallographie, 227 (1) 1-26. DOI:

[6] Schwarzenbach D. (2012). The success story of crystallography, Zeitschrift für Kristallographie, 227 (1) 52-62. DOI:

Esta entrada es una participación de Experientia docet en la Edición Inaugural del Festival de la Cristalografía que organiza Educación química y en la XXX Edición del Carnaval de Química que acoge Activa tu neurona.

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[…] Si seguimos profundizando en la historia, con mayúsculas, podemos leer la interesante ocurrencia del cura rompecristales, René Just Haüy, como le llama en el título de su post, César Tomé López @EDocet. http://edocet.naukas.com/2013/12/19/...ecristales/ Además de las anécdotas, descubriremos en este post que los minerales tienen hábitos, y que cuando los rompemos, en realidad los estamos exfoliando… La historia continúa en la última entrega, (la VII), de su serie llamada “Breve Historia de la Cristalografía”. http://edocet.naukas.com/2013/12/26/...grafia-vii/ […]

[…] Compañero de aventuras y correrías del joven Arago, Jean-Baptiste Biot observó la rotación óptica (hoy diríamos actividad óptica) de los cristales de cuarzo (1812) y de algunas sustancias orgánicas: el aceite de trementina, los extractos cítricos, el extracto de laurel, las disoluciones de alcanfor, el azúcar (1815). Biot observó además que los compuestos orgánicos retenían su actividad óptica independientemente de su estado de agregación, esto es, el azúcar es dextrorrotatoria (gira el plano de polarización a la derecha desde el punto de vista del observador) tanto esté en forma cristalina como en disolución. El cuarzo fundido, sin embargo, es ópticamente inactivo. Biot llegó a la conclusión de que la rotación óptica de los compuestos orgánicos es una propiedad molecular, mientras que la rotación óptica del cuarzo es una propiedad del cristal, el resultado de cómo se empaquetan las “moléculas”. […]

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