miniatura|Representació de l'estructura cristal·lina de l'esfalerita ZnS. En groc els anions sulfur S^2- i en gris els cations zinc(+2) Zn^2+. Lestructura cristal·lina és la distribució espacial ordenada dels àtoms, molècules o ions que formen un cristall. Les substàncies adopten, en cristal·litzar, l'estructura més estable. La tendència dels àtoms és omplir l'espai de la millor manera possible, adoptant la configuració de màxima simetria per minimitzar energia. S'anomena cel·la unitària, o cel·la unitat, al volum d'un cristall que, repetit a tot l'espai, reprodueix l'estructura de tot el cristall.miniatura|Cel·la unitat del clorur de sodi, una estructura cúbica centrada en les cares. Els 12 clorurs en verd que ocupen arestes pertanyen a 4 cel·les cadascun, per tant, només 12/4 = 3 són de la cel·la. El situat al centre no és compartit. Com a resultat hi ha 3 + 1 = 4 clorurs en aquesta cel·la.
Sistemes cristal·lins La cel·la unitària Un concepte bàsic en les estructures cristal·lines és la cel·la unitària o cel·la unitat, la unitat més petita de volum que permet apilar cel·les idèntiques per omplir tot l'espai. Repetint el patró de la cel·la unitària, una vegada darrere l'altra, en totes les direccions, es pot construir tota la xarxa cristal·lina. Tot i això, una cel·la unitària no té necessàriament un volum mínim i, per tant, no és sempre una cel·la elemental o primitiva (cel·la unitària de volum mínim).UNIVERSITAT POLITÈCNICA DE CATALUNYA; TERMCAT, CENTRE DE TERMINOLOGIA; ENCICLOPÈDIA CATALANA. Diccionari de física [en línia]. 2a ed. Barcelona: TERMCAT, Centre de Terminologia, cop. 2019. (Diccionaris en Línia) (Ciència i Tecnologia) esquerra|miniatura|127x127px|Paràmetres d'una cel·la unitària que és una cel·la primitiva perquè només té punts en els vèrtexs. La cel·la unitat es caracteritza per les longituds de les tres arestes (a, b i c) i els angles que aquestes arestes formen entre elles (α, β i ɣ).UNIVERSITAT POLITÈCNICA DE CATALUNYA; TERMCAT, CENTRE DE TERMINOLOGIA; ENCICLOPÈDIA CATALANA. Diccionari de química [en línia]. 3a ed. Barcelona: TERMCAT, Centre de Terminologia, cop. 2020. (Diccionaris en Línia) (Ciència i Tecnologia)
Una cel·la unitat que només té punts de la xarxa en els seus vèrtexs és anomenada cel·la primitiva, representada per P. Si, a més, conté punts de la xarxa en altres posicions, s'anomena cel·la centrada. Entre les cel·les centrades, les més importants són la cel·la centrada en el cos (hi ha un punt de la xarxa al centre de la cel·la), representada per I; la cel·la centrada en les cares (té punts de xarxa a la intersecció de les diagonals de totes les cares), representada per F, i la cel·la centrada en els extrems (té punts de xarxa a la intersecció de les diagonals de dues cares oposades), representada per S. miniatura|L'estructura del clorur de cesi és cúbica centrada en el cos (CC). Només hi ha catorze formes diferents de cel·la unitària, així que molts cristalls diferents comparteixen un únic tipus de cel·la unitària. Una característica important d'una cel·la unitària és el nombre d'àtoms que conté. El nombre total d'àtoms en tot el cristall és el nombre en cada cel·la multiplicat pel nombre de cel·les unitàries. El coure i l'alumini tenen cadascun un àtom per cel·la unitària, mentre que el zinc i el clorur de sodi en tenen dos. La majoria dels cristalls tenen només uns pocs àtoms per cel·la unitària, però hi ha algunes excepcions. Els cristalls de polímers, per exemple, tenen milers d'àtoms en cada cel·la unitària.
Xarxes de Bravais Els cristalls es poden classificar en sis sistemes cristal·lins, o set segons altres autots, segons la simetria màxima de les seves cares, la qual cosa dona lloc a catorze tipus de xarxes cristal·lines tridimensionals que existeixen a la natura (xarxes de Bravais), cadascuna caracteritzada per una cel·la unitat diferent:
Triclínic: presenten una forma menys simètrica de tots amb tres eixos de diferents longituds i angles d'inclinació (a ≠ b ≠ c, α ≠ β ≠ γ). Exemples d'aquest sistema són l'albita, l'anortita, el caolí i la cianita. Monoclínic: Els cristalls monoclínics (amb una sola inclinació) tenen tres eixos cristal·logràfics de diferent longitud. Un d'ells presenta angles rectes respecte als altres dos, que no són perpendiculars entre ells, encara que es trobin al mateix pla (a ≠ b ≠ c, α = β = 90° ≠ γ). Tenen un eix de simetria doble. Aquest és el sistema en que cristal·litzen la majoria dels minerals com el guix, la ortosa, la malaquita o la jadeïta. Ortoròmbic: Els cristalls en aquest sistema presenten tres eixos cristal·logràfics en angles rectes i tots de diferent longitud (a ≠ b ≠ c, α = β = γ = 90°). Tenen tres eixos de simetria dobles. Exemples de minerals que cristal·litzen en aquest sistema son l'oliví, l'aragonita, el topazi, la marcassita o la baritina. Tetragonal: Aquest tipus de cristall presenta tres eixos cristal·logràfics en angles rectes, dos d'igual longitud i el tercer més llarg o més curt (a = b ≠ c, α = β = γ = 90°). Tenen un sol eix de simetria principal i quàdruple. Exemples d'aquest sistema cristal·lí són el rútil, el zircó, la cassiterita i els calomelans. Hexagonal i trigonal: Hi ha cristal·lògrafs que consideren aquests dos tipus de cristalls com a pertanyents a un únic sistema mentre que, d'altres, els consideren dos sistemes separats. Ambdós cristalls tenen tres eixos cristal·logràfics d'igual longitud i un quart eix perpendicular al pla dels altres tres eixos, inclinats tots en angles de 120º (a = b ≠ c, α = β = 90°, γ = 120°). La diferència és a la simetria, triple als trigonals i sèxtuple als hexagonals. Exemples de minerals que cristal·litzen en el sistema hexagonal es troben el beril·li (maragda i aiguamarina) i l'apatita. En el sistemes trigonals trobaríem la calcita, el quars o la turmalina, entre d'altres. Cúbic o isomètric: Els cristalls cúbics presenten tres eixos cristal·logràfics en angles rectes i d'igual longitud i quatre eixos de simetria triples (a = b = c, α = β = γ = 90°). Les principals formes d'aquest sistema son, el cub, l'octaedre i el dodecaedre ròmbic que es donen, per exemple, en l'halita, el coure, l'or, l'argent, el platí, el ferro, la fluorita o la magnetita, entre d'altres. FamíliaSistema cristal·líGrup puntual (notació de Schönflies)Xarxes de BravaisPrimitiva (P)Centrada a les bases (S)Centrada en el cos (I)Centrada a les cares (F)Triclínic (a)Ci92x92px|Triclinic aPMonoclínic (m)C2h100x100px|Monoclinic, simple mP100x100px|Monoclinic, centered mSOrtoròmbic (o)D2h105x105px|Orthorhombic, simple oP105x105px|Orthorhombic, base-centered oS105x105px|Orthorhombic, body-centered oI105x105px|Orthorhombic, face-centered oFTetragonal (t)D4h122x122px|Tetragonal, simple tP122x122px|Tetragonal, body-centered tIHexagonal (h)RomboèdricD3d81x81px|Rhombohedral hRHexagonalD6h103x103px|Hexagonal hPCúbic (c)Oh93x93px|Cubic, simple cP93x93px|Cubic, body-centered cI93x93px|Cubic, face-centered cF
Defectes cristal·lins miniatura|Vacant cristal·lina. miniatura|Àtoms intersticials en blau. Un cristall mai té una estructura perfecta; diverses imperfeccions poden afectar-ne l'ordre. Un defecte puntual és una petita imperfecció que afecta uns pocs àtoms. El tipus més senzill de defecte puntual és la falta d'un àtom i es coneix com a vacant cristal·lina. Si el cristall està format per àtoms o molècules neutres no hi ha cap altre efecte, però si està format per ions la manca d'un d'ell requereix l'absència també d'un d'una càrrega contrària. La combinació d'una vacant aniònica i d'una catiònica s'anomena defecte de Schottky.
Com que tots els àtoms ocupen espai, àtoms addicionals no poden estar situats als llocs reticulars d'altres àtoms, però es poden trobar entre ells; aquests àtoms es coneixen com àtoms intersticials. Les vibracions tèrmiques poden fer que un àtom abandoni el seu lloc original i es mogui a un lloc intersticial proper, creant un parell vacant-intersticial. La combinació d'una vacant i d'un àtom intersticial s'anomena defecte de Frenkel.
Vacants i intersticials són els tipus de defectes que es troben en un cristall pur. En un altre tipus de defecte, anomenat impur, hi ha un àtom present que és diferent dels àtoms del cristall hoste. Les impureses poden ocupar espais intersticials o substituir un àtom hoste en el seu lloc reticular.
No hi ha una distinció clara entre un aliatge i un cristall amb moltes impureses. Un aliatge es forma quan s'afegeixen suficients impureses que són solubles en el metall hoste. No obstant això, la majoria dels elements no són solubles en la majoria dels cristalls. En general, els cristalls poden tolerar algunes impureses per cada milió d'àtoms hostes. Si s'afegeixen massa impureses del tipus insoluble, aquestes es combinen per formar el seu propi cristal·lí petit. Aquestes incloses es coneixen com precipitats i constitueixen un gran defecte.
El germani és una impuresa comuna en el silici. Preferix la mateixa unió tetraèdrica que el silici i substitueix amb facilitat els àtoms de silici. De manera similar, el silici és una impuresa comuna en el germani. Cap cristall gran es pot fer sense impureses; el cristall més pur mai crescut estava fet de germani. Tenia aproximadament 1010 impureses en cada centímetre cúbic de material, el que és menys d'una impuresa per cada bilió d'àtoms. miniatura|Safir. Sovint, les impureses fan que els cristalls siguin més útils. En absència d'impureses, l'α-alúmina és incolora. Les impureses de ferro i titani li donen un color blau, i el mineral de qualitat gemma resultant es coneix com a safir. Les impureses de crom són les responsables del color vermell característic dels robins, l'altre gemma de l'α-alúmina. Els semiconductors purs rarament condueixen bé l'electricitat a temperatures ambientals. La seva capacitat de conduir electricitat és causada per les impureses. Aquestes impureses s'afegeixen deliberadament al silici en la fabricació de circuits integrats. En les làmpades fluorescents, la llum visible és emesa per impureses en els fòsfors (materials lluminiscents). miniatura|Dislocació de vora. Altres imperfeccions en els cristalls involucren molts àtoms, són defectes lineals i superficials. El bessat és un tipus especial de defecte en la frontera de grans, en què un cristall està units amb la seva imatge especular. Un altre tipus d'imatge és una dislocació, que és un defecte de línia que pot recórrer la longitud del cristall. Un dels molts tipus de dislocacions es deu a un pla addicional d'àtoms que s'insereix en algun lloc de l'estructura cristal·lina. Un altre tipus, anomenat dislocació de vora, es produeix quan hi ha una fila d'àtoms que falta. Les dislocacions es formen quan un cristall es fa créixer, i cal molta cura per produir un cristall sense elles. Les dislocacions són estables i existiran durant anys. Alleugen l'estrès mecànic. Si es pressiona un cristall, aquest s'adaptarà a l'estrès induït creant dislocacions a la superfície, que es mouen gradualment cap a l'interior. Les dislocacions fan que un cristall sigui mecànicament més dur. Quan una barra de metall es treballa en fred per laminació o martelleig, s'introduïxen dislocacions i fronteres de grans; això provoca l'enduriment.
Estructures de diferents cristalls Estructures de metalls miniatura|esquerra|Esquema de l'empaquetat hexagonal ABCABCABC... miniatura|Les dues estructures dels metalls. HC a l'esquerra i CCC a la dreta.