Cristobalita

Cristobalita () es un mineral polimorfo de sílice que se forma a temperaturas muy altas. Tiene la misma fórmula química que el cuarzo, SiO₂, pero una estructura cristalina distinta. Tanto el cuarzo como la cristobalita son polimorfos con todos los miembros del grupo del cuarzo, que también incluye coesita, tridimita y stishovita. Lleva el nombre del Cerro San Cristóbal en el municipio de Pachuca, Hidalgo, México.

Se utiliza en odontología como componente de materiales de impresión de alginato, así como para hacer modelos de dientes.

Propiedades

Metaestabilidad

La cristobalita es estable solo por encima de 1470 °C, pero puede cristalizar y persistir de forma metaestable a temperaturas más bajas. La persistencia de la cristobalita fuera de su rango de estabilidad termodinámica se produce porque la transición de cristobalita a cuarzo o tridimita es "reconstructiva", lo que requiere la ruptura y reformación de la estructura de sílice. Estos marcos están compuestos por tetraedros de SiO₄ en los que cada átomo de oxígeno se comparte con un tetraedro vecino, de modo que la fórmula química de la sílice es SiO₂. La ruptura de estos enlaces, necesaria para convertir cristobalita en tridimita y cuarzo, requiere una energía de activación considerable y puede no ocurrir en un período de tiempo humano a temperatura ambiente. Los silicatos estructurales también se conocen como tectosilicatos.

Al desvitrificar sílice, la cristobalita suele ser la primera fase en formarse, incluso cuando está muy fuera de su rango de estabilidad termodinámica. Este es un ejemplo de la regla de los pasos de Ostwald. La naturaleza dinámicamente desordenada de la fase β es en parte responsable de la baja entalpía de fusión de la sílice.

Estructuras

Hay más de una forma del marco cristobalito. A altas temperaturas, la estructura se llama β-cristobalite. Está en el sistema de cristal cúbico, grupo espacial Fd3m (No 227, símbolo Pearson cF104). Tiene la estructura de diamante pero con tetrahedra ligada de silicio y oxígeno donde los átomos de carbono están en diamante. Una forma tetragonal chiral llamada α-cristobalite (grupo espacial ya P4₁2₁2, No 92, o P4₃2₁2, No. 96, al azar) se produce enfriamiento por debajo de unos 250 °C a presión ambiente y está relacionado con la forma cúbica por inclinación estática de la tetrahedra silica en el marco. Esta transición se llama de varias maneras ${displaystyle alpha {-}beta}$ transición. Puede ser llamado "displacive"; es decir, no es generalmente posible evitar que la forma β cúbica se convierta en tetragonal por el enfriamiento rápido. En raras circunstancias, la forma cúbica puede ser preservada si el grano cristalino está clavado en una matriz que no permite la considerable cepa espontánea que está implicada en la transición, lo que causa un cambio en forma del cristal. Esta transición es muy discontinua. Ir de la forma α a la forma β causa un aumento en el volumen de 3 o 4 por ciento. La temperatura de transición exacta depende de la cristalización de la muestra cristobalita, que en sí misma depende de factores tales como cuánto tiempo se ha anelado a una temperatura particular.

La fase β cúbica consiste en tetraedros de sílice dinámicamente desordenados. Los tetraedros permanecen bastante regulares y se desplazan de sus orientaciones estáticas ideales debido a la acción de una clase de fonones de baja frecuencia llamados modos unitarios rígidos. Es el "congelamiento" de uno de estos modos unitarios rígidos que es el modo suave para la transición α-β.

En la β-cristobalita, hay hélices de tetraedros (o de átomos de silicio) derechas e izquierdas paralelas a los tres ejes. Sin embargo, en la transición de fase α-β, sólo se conserva la hélice derecha o izquierda en una dirección (la otra se convierte en un eje de tornillo doble), por lo que sólo uno de los tres ejes cristalográficos cúbicos degenerados conserva una Eje de rotación cuádruple (en realidad, un eje de tornillo) en forma tetragonal. (Ese eje se convierte en el eje "c" y los nuevos ejes "a" se giran 45° en comparación con los otros dos ejes antiguos. La nueva red "a" El parámetro es más corto aproximadamente en la raíz cuadrada de 2, por lo que la celda unitaria α contiene sólo 4 átomos de silicio en lugar de 8). La elección del eje es arbitraria, de modo que se pueden formar varios gemelos dentro del mismo grano. Estas diferentes orientaciones gemelas, junto con la naturaleza discontinua de la transición (volumen y ligero cambio de forma), pueden causar daños mecánicos considerables a los materiales en los que está presente la cristobalita y que pasan repetidamente por la temperatura de transición, como los ladrillos refractarios.

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  Un modelo idealizado de β-cristobalita, mostrando SiO de esquina₄ Tetrahedra. En el centro de la mitad de las plazas blancas hay un eje de tornillo de cuatro manos derecho y uno de mano izquierda en el centro de los demás. En esta proyección vemos planos de deslizamiento paralelos a los ejes y espejos en las diagonales. En realidad la tetrahedra está constantemente temblando.

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  β-cristobalita visto a lo largo de la dirección 101.

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  El marco depurado de α-cristobalite, relacionado con la forma β por inclinación estática de la tetrahedra. Esta vista corresponde a la vista a lo largo de la 101 dirección de la ilustración anterior, excepto que el eje "b" de esa imagen es ahora horizontal. Los ejes de tornillo dos veces aparecen aquí como ejes dobles de rotación pasando por el centro de las áreas blancas y entre los pares de átomos de oxígeno casi superpuestos.

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  Celda unitaria de α-cristobalita; las esferas rojas son átomos de oxígeno. Vemos aquí cinco átomos de silicio en un helix (el primero y el último son átomos equivalentes en la celo) yendo en la dirección "c" (en la página). Los ejes horizontales y verticales son los ejes "a".

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  Celda unitaria de β-cristobalita; las esferas rojas son átomos de oxígeno.

Ocurrencia

La cristobalita se presenta como octaedros blancos o esferulitas en rocas volcánicas ácidas y en depósitos de diatomeas convertidos en la Formación Monterey del estado estadounidense de California y áreas similares.

Las esferas de escala micrométrica que componen el ópalo precioso exhiben algunos patrones de difracción de rayos X que son similares a los de la cristobalita, pero carecen de un orden de largo alcance, por lo que no se consideran cristobalita verdadera. Además, la presencia de agua estructural en el ópalo hace dudoso que el ópalo esté compuesto de cristobalita.