Cristalización

Cristalización

En la naturaleza se presentan diferentes fenómenos de gran importancia como el caso de la Mitosis, o el Ciclo de Krebs. Hay también otros procesos que igualmente ocurren en la naturaleza, pero que tal vez no son tan conocidos. Ese es el caso de la cristalización, un proceso químico que pueden experimentar líquidos, gases, e incluso disoluciones.

Si deseas conocer más acerca de la cristalización, a continuación te hablaremos sobre los aspectos más importantes de este fenómeno. Desde el significado de una red cristalina, el proceso que conlleva, las aplicaciones, y por supuesto algunos ejemplos.

¿Qué es la cristalización?

Como siempre hacemos, en primer lugar te presentamos la definición de cristalización:

La cristalización es un proceso natural y químico, que ocurre cuando la materia se solidifica a partir de un líquido, o cuando se precipita de un líquido o gas.

Dicho proceso puede puede ser el resultado de un cambio físico, como el cambio de temperatura, o un cambio químico, como la acidez. También hay que decir que la solidificación es un proceso influenciado por el tamaño y la forma de las moléculas involucradas, así como por sus sus propiedades químicas.

Definición de cristalización

En todos los casos, los cristales se pueden formar a partir de un solo tipo de átomo, o también de diferentes especies de iones. Incluso puede surgir de moléculas grandes como las proteínas. Sin embargo, para algunas moléculas grandes es más complicado someterse al proceso de cristalización. Esto se debe a que su química interna no es muy simétrica, o de hecho interactúa consigo misma para evitar la cristalización.

También es importante destacar que la unidad más pequeña de un cristal se le conoce como celda unitaria. Esta celda unitaria es básicamente la formación de bases de átomos, o moléculas, a las que se pueden añadir unidades adicionales. Es algo similar a un bloque de construcción para niños, al que se pueden unir otros bloques.

Por lo tanto, la solidificación sucede como si se estuvieran uniendo esos bloques en todas direcciones. Después, algunos materiales forman cristales de diferentes formas, lo que explica las variaciones que resultan en cuanto forma, tamaño y el color de varios cristales.

El proceso de cristalización

Para que se lleve a cabo la cristalización o solidificación, primero deben suceder dos situaciones conocidas como nucleación y crecimiento cristalino. A continuación explicamos a detalle en qué consiste cada situación.

Nucleación

La nucleación es el primer paso en el proceso de la solidificación. Durante esta etapa, los primeros átomos de la masa que forman una estructura cristalina, se convierten en un núcleo. A continuación, más y más átomos se organizan alrededor de este núcleo. Mientras esto sucede, más células unitarias se forman alrededor del núcleo, dando como resultado un pequeño cristal semilla.

Qué es nucleación

El proceso de nucleación es extremadamente importante en la solidificación, toda vez que el núcleo de un cristal determinará la estructura de toda la red cristalina. Por lo tanto, las imperfecciones en el núcleo y el cristal semilla, pueden ocasionar reordenamientos drásticos, conforme el cristal continúa en desarrollo. Esta etapa de la cristalización se presenta en un líquido sobre-enfriado, o en un solvente super-saturado .

Al hablar de un líquido sobre-enfriado, nos referimos a cualquier líquido a punto de convertirse en sólido. Pero para que algo así suceda, en primer lugar se debe formar un núcleo inicial.

Este núcleo es de gran importancia, ya que aquí es donde continuará el proceso de cristalización.En consecuencia, en un líquido refrigerante, el núcleo se formará cuando los átomos o las moléculas, ya no tengan la energía cinética para rebotar entre sí. Por el contrario, comienzan a interactuar entre sí y forman redes de cristales estables.

Por su parte, los elementos puros suelen formar una estructura cristalina, mientras que las moléculas más grandes, pueden ser difíciles de cristalizar a temperaturas y presiones normales.

Crecimiento cristalino

En el crecimiento cristalino, a medida que otras moléculas y átomos rodean el núcleo, se ramifican a partir de la simetría que ya se ha establecido, y se suman al cristal semilla. Este es un proceso que puede ocurrir muy rápido o muy lentamente, dependiendo de las condiciones.

Crecimiento cristalino

Por otra parte, el agua puede cristalizarse en hielo en cuestión de minutos, mientras que se necesitan miles de año para formar los cristales geológicos “típicos” como el cuarzo y los diamantes. La formación básica que se establece alrededor del núcleo, determina la totalidad de la estructura cristalina.

Además, esta diferencia en la formación, explica las diferencias en los cristales, desde la singularidad de un copo de nieve, hasta la claridad de un diamante. En esta etapa solo hay un puñado de formas geométricas que pueden tomar los cristales. Cada uno de ellos se encuentran determinados por los enlaces e interacciones de las moléculas involucradas.

Estas diferentes formas son causadas por los diferentes ángulos de enlace de los átomos, los cuales se basan ​​en el núcleo original. Por su parte, las impurezas en la solución o el material, provocarán una desviación del patrón típico. Tal como se aprecia en los copos de nieve, incluso las pequeñas impurezas en el núcleo, dan lugar a diseños completamente nuevos y únicos.

Usos de la cristalización en laboratorio

Por sus características, la cristalización es una técnica comúnmente utilizada en el laboratorio debido a su gran utilidad. Básicamente la solidificación se puede utilizar para purificar sustancias y también se puede combinar con técnicas de imagen avanzadas para comprender la naturaleza de las sustancias que se cristalizan.

En la cristalización que se produce en un laboratorio, una sustancia se puede disolver en un solvente apropiado. A continuación, el calor y los cambios de acidez pueden ayudar a que el material se disuelva. Luego, cuando se invierten estas condiciones, los materiales dentro de la solución se precipitan a diferentes velocidades. Por lo tanto, si las condiciones se controlan adecuadamente, es posible obtener cristales puros de cualquier sustancia.

También se puede utilizar una técnica de imagen avanzada, llamada cristalografía, los rayos X, u otros rayos y partículas de alta energía a través de la estructura cristalina de una sustancia pura. Aunque en realidad nada de esto puede crear una imagen visible, los rayos y las partículas se difractan en patrones específicos.

Dichos patrones se pueden detectar a través de detectores electrónicos, o también mediante papel de revelado especial. Una vez hecho esto, el patrón puede ser analizado utilizando las matemáticas y el ordenador, con los cual al final puede formarse un modelo de la red cristalina.

Por su parte, los patrones de difracción se crean cuando las partículas o haces son redirigidos debido a las densas nubes de electrones presentes en el interior de la estructura cristalina. Todas estas áreas densas en realidad representan los átomos y enlaces presentes en el cristal, mismos que se forman durante el proceso de cristalización. A través de este método, los científicos pueden reconocer casi cualquier sustancia basándose en su forma cristalina.

Ejemplos de cristalización

A continuación veremos los ejemplos más comunes de solidificación, los cuales se basan tanto en una escala de tiempo humana, como en una escala de tiempo geológica. Veamos en qué consiste cada una de dichas escalas.

Escala de tiempo humana

En una escala de tiempo humana, los cristales pueden tardar una gran cantidad de tiempo en formarse, o de hecho pueden formarse muy rápidamente. Los científicos han podido estudiar la cristalización, gracias a que existen muchos eventos en la naturaleza en los que la cristalización se produce rápidamente. Como ya se mencionó, tanto el hielo, como los copos de nieve, son excelentes ejemplos de la cristalización del agua.

Ejemplo de cristalización

Otro ejemplo muy común de la solidificación es la cristalización de la miel. Es decir, cuando las abejas regurgitan la miel en el panal, esta es una sustancia líquida. Con el tiempo, las moléculas de azúcar que se encuentran dentro de la miel, comienzan a formar cristales. Esto lo hacen mediante el proceso de cristalización descrito anteriormente. Esto se puede comprobar fácilmente, mirando en el interior de una vieja botella de miel.

Lo más probable es que se puedan ver pequeños cristales de azúcar dentro del líquido. En este punto es posible acelerar el proceso de solidificación, bastará con colocar la miel en el refrigerador o nevera. Debido a que el enfriamiento del líquido disminuye la solubilidad del azúcar en su interior, se formarán cristales más rápidamente.

Escala de tiempo geológica

No obstante que el proceso es similar al ejemplo anterior, el tiempo que se tarda en formar elementos geológicos como el cuarzo, el rubí y el granito, es mucho más largo. Lo que sucede es que estos cristales se forman como consecuencia de presiones extremadamente altas, dentro de la corteza y el magma terrestre.

Cristalización del cuarzo

Aunque es verdad que el proceso de solidificación es el mismo, se necesita mucho tiempo para que las condiciones y los átomos se fusionen de la manera correcta para que la cristalización suceda. Estos procesos se pueden replicar en el laboratorio, solo que en tiempos más cortos, y creando las condiciones ideales para que ocurra la cristalización.

En condiciones de laboratorio también es posible cultivar cristales semilla, los cuales pueden introducirse para acelerar en gran medida la producción de enormes lotes de redes cristalinas a la vez.

Cabe mencionar que en una escala de tiempo ligeramente más corta, también se pueden formar acumulaciones de minerales, tales como estalactitas y estalagmitas. Todo esto mediante el proceso de cristalización. Conforme se dejan caer pequeñas gotas de agua sobre las redes de cristales, los minerales que contienen se incorporan en la estructura cristalina ya presente, dando como resultado que el agua se escurra.

Video sobre cristalización:

Fuentes:

Chemestry Libretexts – Crystallization

https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Organic_Chemistry/Book%3A_Organic_Chemistry_Lab_Techniques_(Nichols)/03%3A_Crystallization

Metler Toledo – Crystallization and Precipitation

https://www.mt.com/us/en/home/applications/L1_AutoChem_Applications/L2_Crystallization.html#overviewaf

Wikipedia – Cristalización

https://es.wikipedia.org/wiki/Cristalizaci%C3%B3n