Cristalización
Definición de cristalización
La cristalización es un proceso natural que ocurre cuando los materiales se solidifican a partir de un líquido, o cuando se precipitan de un líquido o gas. Esto puede deberse a un cambio físico, como un cambio de temperatura, o un cambio químico como la acidez. La cristalización es un proceso dirigido por el tamaño y la forma de las moléculas involucradas y sus propiedades químicas. Los cristales se pueden formar a partir de una sola especie de átomo, diferentes especies de iones o incluso moléculas grandes como las proteínas. Algunas moléculas grandes tienen más dificultades para someterse al proceso de cristalización, porque su química interna no es muy simétrica o interactúa consigo misma para evitar la cristalización.
La unidad más pequeña de un cristal se llama celda unitaria. Esta es la formación de bases de átomos o moléculas a las que se pueden unir unidades adicionales. Puede pensar en esto como un bloque de construcción para niños, al que se pueden unir otros bloques. La cristalización procede como si estuviera uniendo estos bloques en todas direcciones. Algunos materiales forman cristales de diferentes formas, lo que explica la gran variación de forma, tamaño y color de varios cristales.
Proceso de cristalización
Nucleación
El primer paso en el proceso de cristalización es la nucleación. Los primeros átomos de la masa que forman una estructura cristalina se convierten en un centro y más átomos se organizan alrededor de este núcleo. Mientras esto sucede, más células unitarias se ensamblan alrededor del núcleo, se forma un pequeño cristal semilla. El proceso de nucleación es extremadamente importante en la cristalización, el núcleo de un cristal determinará la estructura de todo el cristal. Las imperfecciones en el núcleo y el cristal semilla pueden provocar reordenamientos drásticos a medida que el cristal continúa formándose. La nucleación ocurre en un líquido sobreenfriado o en un solvente supersaturado.
Un líquido sobreenfriado es cualquier líquido a punto de convertirse en sólido. Para que eso suceda, se debe formar un núcleo inicial. Es alrededor de este núcleo donde continuará el proceso de cristalización. En un líquido refrigerante, el núcleo se formará cuando los átomos o moléculas ya no tengan la energía cinética para rebotar entre sí. En cambio, comienzan a interactuar entre sí y forman formaciones de cristales estables. Los elementos puros suelen formar una estructura cristalina, mientras que las moléculas más grandes pueden ser difíciles de cristalizar a temperaturas y presiones normales.
En una solución sobresaturada, el disolvente que lleva el cristal deseado está a capacidad. A medida que la temperatura se enfría, o la acidez cambia, la solubilidad de los átomos o moléculas en la solución cambia y el solvente puede contener menos de ellos. Como tal, «caen» de la solución, chocando entre sí. Esto también provoca la nucleación y la cristalización posterior.
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 proceso puede suceder muy rápido o muy lentamente, según las condiciones. El agua puede cristalizarse en hielo en cuestión de minutos, mientras que se necesitan milenios para formar cristales geológicos “típicos” como el cuarzo y los diamantes. La formación básica establecida alrededor del núcleo determina la totalidad de la estructura cristalina. 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.
Solo hay un puñado de formas geométricas que pueden tomar los cristales. Estos están determinados por los enlaces e interacciones de las moléculas involucradas. Las diferentes formas son causadas por los diferentes ángulos de enlace de los átomos, basados en el núcleo original. Las impurezas en la solución o el material provocarán una desviación del patrón típico. Como se ve en los copos de nieve, incluso las pequeñas impurezas en el núcleo dan lugar a diseños completamente nuevos y únicos.
Usos de cristalización en laboratorio
La cristalización es una técnica de laboratorio común y útil. Se puede utilizar para purificar sustancias y se puede combinar con técnicas de imagen avanzadas para comprender la naturaleza de las sustancias cristalizadas. En la cristalización de laboratorio, una sustancia se puede disolver en un solvente apropiado. El calor y los cambios de acidez pueden ayudar a que el material se disuelva. Cuando se invierten estas condiciones, los materiales dentro de la solución precipitan a diferentes velocidades. Si las condiciones se controlan adecuadamente, se pueden obtener cristales puros de una sustancia deseada.
Se puede disparar una técnica de imagen avanzada, llamada cristalografía, rayos X u otros rayos y partículas de alta energía a través de la estructura cristalina de una sustancia pura. Si bien esto no crea una imagen visible, los rayos y las partículas se difractan en patrones específicos. Estos patrones pueden detectarse mediante detectores electrónicos o de papel de revelado especiales. Luego, el patrón puede ser analizado por matemáticas y computadoras, y puede formarse un modelo del cristal. Los patrones de difracción se crean cuando las partículas o haces son redirigidos por densas nubes de electrones dentro de la estructura cristalina. Estas áreas densas representan los átomos y enlaces presentes en el cristal, formados durante la cristalización. Con este método, los científicos pueden reconocer casi cualquier sustancia basándose en su forma cristalina.
Ejemplos de cristalización
Escala de tiempo humana
Los cristales pueden tardar una enorme cantidad de tiempo en formarse, o pueden formarse rápidamente. Los científicos pudieron estudiar la cristalización, porque hay muchos eventos en la naturaleza en los que la cristalización tiene lugar rápidamente. Como ya se ha comentado, el hielo y los copos de nieve son grandes ejemplos de cristalización del agua. Otro ejemplo interesante es la cristalización de la miel. Cuando las abejas regurgitan la miel en el panal, es un líquido. Con el tiempo, las moléculas de azúcar dentro de la miel comienzan a formar cristales, a través del proceso de cristalización descrito anteriormente. Si tienes una botella vieja de miel, mira dentro. Probablemente habrá pequeños cristales de azúcar dentro del líquido. Si desea acelerar el proceso, coloque la miel en el refrigerador. El enfriamiento del líquido disminuye la solubilidad del azúcar dentro del líquido y formará cristales rápidamente.
Escala de tiempo geológico
Si bien el proceso es similar, el tiempo que lleva formar cosas como cuarzo, rubí y granito es mucho más largo. Estos cristales se forman bajo presiones extremadamente altas dentro de la corteza y el magma de la Tierra. Si bien el proceso de cristalización es el mismo, se necesita mucho tiempo para que las condiciones y los átomos se unan de la manera correcta para cristalizar. Estos procesos se pueden replicar en el laboratorio, en tiempos más cortos, creando las condiciones ideales para que ocurra la cristalización. Los laboratorios también pueden cultivar cristales semilla, que pueden introducirse para acelerar en gran medida la producción de grandes lotes de cristal a la vez.
En una escala de tiempo un poco más corta, también se forman acumulaciones minerales como estalactitas y estalagmitas a través del proceso de cristalización. A medida que se caen pequeñas gotas de agua sobre estos cristales, los minerales que contienen se integran en la estructura cristalina ya presente y el agua se escurre.
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