La cristallochimica collega composizione chimica, struttura cristallina, tipo di legame e proprietà dei solidi. Studia come atomi, ioni o molecole si dispongono nello spazio e come questa disposizione condizioni densità, stabilità, reattività, durezza, conducibilità, colore, magnetismo e comportamento meccanico.
I concetti centrali sono cella elementare, reticolo cristallino, coordinazione, impaccamento, raggio ionico, difetti, energia reticolare e trasformazioni strutturali.
Una formula centrale è la densità cristallina:
dove Z è il numero di unità formula per cella, M la massa molare, N_A il numero di Avogadro e V_{\text{cell}} il volume della cella.
Coordinazione e raggi ionici
Nei solidi ionici, la coordinazione dipende dal rapporto tra raggi ionici, dalla carica e dall’equilibrio tra attrazione e repulsione. Ioni piccoli e molto carichi tendono a preferire ambienti più compatti e legami più forti; ioni grandi possono stabilizzare coordinazioni diverse.
Piccole sostituzioni chimiche possono modificare struttura e proprietà. Questo è decisivo in ceramici, perovskiti, semiconduttori, minerali, catalizzatori e materiali funzionali.
Polimorfismo e difetti
La cristallochimica spiega perché solidi con la stessa composizione possano avere proprietà diverse. Il polimorfismo nasce quando una sostanza può cristallizzare in strutture differenti: la composizione è la stessa, ma cambiano simmetria, impaccamento e relazioni di legame.
Anche i difetti sono essenziali: vacanze, interstiziali, sostituzioni, dislocazioni e bordi di grano possono controllare diffusione, conducibilità ionica, colore e resistenza meccanica. Un cristallo reale non è mai solo un reticolo ideale.
Diffrazione e struttura
La determinazione della struttura cristallina usa spesso la diffrattometria a raggi X. La legge di Bragg collega distanza tra piani cristallini e angolo di diffrazione:
Da posizioni e intensità dei picchi si ricavano parametri di cella, simmetria, fasi presenti e, con analisi più avanzate, posizioni atomiche.
Un errore comune è pensare che la formula chimica determini da sola le proprietà del solido. In molti materiali, la struttura cristallina e i difetti contano quanto la composizione, e talvolta di più.