Sono stati scoperti circa 4000 minerali, diversi per composizione chimica, che si presentano come cristalli, cioè con l’aspetto di solidi geometrici delimitati da superfici piane poligonali. Ma, come abbiamo già detto, non tutte le forme solide che la fantasia potrebbe immaginare si ritrovano in natura, e questo perché gli atomi o i gruppi di atomi che si uniscono tra loro nel processo di cristallizzazione (paragrafo 3.4) possono assumere solo determinate posizioni reciproche, governate da rigorose leggi fisiche. Infatti, gli atomi che si combinano vengono mantenuti uniti da legami chimici, la cui forma e intensità dipende dalla nube di elettroni che circonda il nucleo dell’atomo, per cui il contatto tra due atomi non può avvenire a caso in punti qualsiasi della loro superficie. Per esempio, quando si forma una molecola di acqua (H₂O) due atomi di idrogeno si «collegano» a un atomo di ossigeno, ma possono farlo solo mantenendo tra loro un angolo di circa 105°, per cui la molecola assume una forma a V (figura ►10).

Senza entrare in altri dettagli, ricordiamo che, nel processo di cristallizzazione, le particelle (atomi o gruppi di atomi) che si combinano per formare un composto chimico sono «costrette» a legarsi tra loro non a caso, ma formando catene lungo direzioni rettilinee ben precise, che prendono il nome di filari. Come esempio, rivediamo la figura 4: nella formazione del cloruro di sodio (salgemma), gli atomi di cloro e di sodio si alternano lungo filari che identificano tre direzioni tra loro perpendicolari. Ne risulta una struttura tridimensionale, un reticolo, che si può pensare come formato da una ideale cella cubica (delineata da pochi atomi e per il resto vuota), che si ripete in modo simmetrico nelle tre direzioni dello spazio. Il risultato è il cristallo cubico di figura 5. In altri composti gli atomi si organizzano in filari che formano tra loro angoli diversi da 90° e questo porta a forme diverse. D’altra parte, minerali con diversa composizione chimica possono cristallizzare con la stessa forma: la fluorite (fluoruro di calcio, CaF₂) forma cristalli cubici, come il salgemma.

Questa disposizione interna ordinata è stata messa in evidenza con tecniche sempre più potenti, fino all’uso del microscopio elettronico a trasmissione ad alta risoluzione (HRTEM), che permette ingrandimenti di milioni di volte della struttura interna dei cristalli (figura ►11).

Tanti filari di atomi paralleli identificano una superficie e le superfici adiacenti sono tenute «incollate» tra loro da legami chimici. Ogni faccia di un cristallo corrisponde alla superficie più esterna di quante se ne sono accumulate lungo la stessa direzione fino al momento dell’arresto della crescita. Filari estesi in direzioni diverse danno origine a facce del cristallo che si incontrano lungo uno spigolo: l’angolo tra due facce in posizione analoga, per un determinato minerale, è costante in tutti gli individui di quella specie mineralogica.

I rigorosi vincoli nella costruzione dei reticoli, dovuti alle caratteristiche chimico-fisiche dei composti che cristallizzano (legate, in ultima analisi, alla struttura dei singoli atomi) fanno sì che nei reticoli stessi si verifichino condizioni di diffusa simmetria (figura ►12). La simmetria è una caratteristica comune nel mondo inorganico, ma anche in quello organico (come la simmetria bilaterale nel corpo umano).

La presenza di precisi motivi di simmetria nel corso della formazione di un cristallo fa sì che un determinato minerale cristallizzi sempre con il medesimo tipo di poliedri e che minerali con diverso tipo di legami tra gli atomi che li compongono cristallizzino in forme poliedriche diverse. La simmetria interna di un reticolo cristallino si manifesta, quindi, nella simmetria esterna, riconoscibile nelle forme regolari dei cristalli ben sviluppati. Gli studiosi di Cristallografia hanno individuato 32 classi di simmetria, ognuna caratterizzata da un diverso tipo di simmetria, che corrisponde a forme diverse tra loro per numero e forma delle facce, per gli angoli tra le facce stesse e così via. Tutti i minerali noti si distribuiscono in una o l’altra di tali classi.

Questi brevissimi cenni dovrebbero aiutarci a comprendere il mondo multiforme dei cristalli, ma vale la pena di aggiungere un’altra «complicazione». Come abbiamo visto, i cristalli posseggono una struttura interna regolare e ordinata, ma i diversi piani e direzioni che si possono individuare all’interno dei loro reticoli mostrano differenze nella distribuzione degli atomi, e questo porta come conseguenza che le caratteristiche di un cristallo possano variare a seconda della direzione che si considera. Aiutiamoci con un esempio.

In molti cristalli, come abbiamo già visto, gli atomi si legano lungo tre direzioni tra loro perpendicolari. Il reticolo che si sviluppa ha una forte simmetria, tanto che i singoli atomi, ripetendosi a intervalli regolari lungo le tre direzioni, in realtà si trovano allineati anche lungo altre direzioni, per cui si «materializzano» altri filari, che individuano altre superfici (figura ►13). Come si vede dalla figura, certe superfici presentano una maggiore densità di «nodi», cioè di particelle, altre densità minore: questo si traduce in diversa velocità di accrescimento lungo direzioni differenti. In genere, le superfici con minor densità di nodi crescono più velocemente (nella figura 13 è il caso della superficie formata da soli ioni sodio): ma le facce a crescita più rapida, con il procedere della crescita scompaiono, eliminate letteralmente dalla costruzione delle facce a crescita più lenta, che sono più stabili. Come si vede nell’esempio di figura ►14, alla fine prevale e rimane stabile la forma del cubo e la crescita si fa più lenta, con la stessa velocità per tutte le facce, equivalenti (nella figura B sono quelle del cubo, con maggiore densità di nodi, che corrispondono sia a ioni di sodio che di cloro). La forma iniziale, l’ottaedro, e quella finale, il cubo, sono forme semplici, ma nello sviluppo del cristallo possono combinarsi insieme e dare forme composte, ovviamente compatibili con lo stesso tipo di simmetria.