Cristalisació

Archiu:Process-of-Crystallization-200px.png

Cristalisació

Archiu:CuS caps block 0 monocrystal.jpg

Monocristal de sulfat de coure pentahidratado

La cristalisació és un procés físic-químic pel qual es forma un sòlit. Si el procés és suficientment llent, les partícules que originen la fase sòlida apleguen a dispondre's d'un modo ordenat, formant partícules en formes geomètriques regulars que reben el nom de cristals. Els cristals es poden formar a partir d'un líquit o un gas pur, generalment per refredat (cas de la formació dels copos de neu o dels cristals de yodo). També es poden formar per evaporament llenta del dissolvent de les dissolució que contenen les substàncies cristalizables. La dissolució i posterior cristalisació de substàncies és un dels métodos de purificació de sòlits més eficaços empleats en el laboratori químic.

Introducció

L'idea de que les substàncies químiques poden organisar-se de forma ordenada per a formar cristals ya va ser apuntada per R. Hooke en 1665 i posteriorment, cap a 1784, estudiada pel mineralogista francés René Just Haüy, que és considerat com el fundador de la cristalografia, ya que va ser este científic el que va començar l'estudi sistemàtic dels cristals.

El tamany i perfecció dels cristals depén principalment de les condicions en que es formen (pressió, temperatura, presència d'impurees, ...). Quan el líquit fos, o la dissolució saturada es gelen llentament, el número inicial de cristals, denominats núcleus de cristalisació, és relativament reduït i per tant, estos primers cristals poden, posteriorment, créixer fins a tamanys grans, fàcils d'apreciar a simple vista. Ademés, els àtoms, ions o molècules que formen el cristal, tenen temps suficient per a colocar-se en les seues posicions en la ret cristalina, a mida que el cristal va creixent, donant lloc a cristals en major perfecció. Pel contrari, si el procés de cristalisació és molt ràpit, es forma un gran número de núcleus de cristalisació, donant com a resultat final cristals de menor tamany i en numeroses imperfeccions en les seues cares. Si les condicions de formació del sòlit són molt desfavorables, pot aplegar a perdre-se l'ordenació cristalina, donant lloc a un sòlit amorfo.

La majoria de mineralés i molècules orgàniques cristalizan fàcilment, i els cristals resultants són generalment de bona calitat, és dir, sense defectes visibles. No obstant, les molècules bioquímiques de major tamany, com les proteïnas, són a sovint difícils de cristalizar. La facilitat en la que les molècules cristalizan depén de l'intensitat de les forces atòmiques (en el cas de substàncies minerals), forces intermoleculars (substàncies orgàniques i bioquímiques) o forces intramoleculares (substàncies bioquímiques).

La cristalisació és també una tècnica de separació química sòlit-líquit, en la que es produïx la transferència de massa d'un solut de la solució líquida a una fase cristalina sòlida pura i s'utilisa com a procediment de purificació, tant a nivell de laboratori com a nivell industrial. La cristalisació està per tant relacionada en la precipitació, encara que en este cas, el procés és molt més ràpit i el resultat, en molts casos, sol ser l'obtenció de substàncies sòlides amorfas.

Procés

El procés de cristalisació consistix en dos events principals, nucleación i creiximent del cristal que són impulsats per propietats termodinàmiques aixina com propietats químiques. La nucleación és l'inici d'una transició de fase en una regió menuda pero estable. La transició de fase pot ser la formació d'una bombeta o d'un cristal a partir d'un líquit. La creació de gotes de líquit en vapor saturat també es caracterisa per la nucleación (vore Núcleus de condensació de núvols). -->La nucleación és el pas en el que les molècules o àtoms de solut dispersos en el dissolvent comencen a agrupar-se en cúmuls, a escala microscòpica (elevant la concentració de solut en una menuda regió), que es tornen estables en les condicions d'operació actuals. Estos cúmuls estables constituïxen els núcleus. Per lo tant, els cúmuls deuen alcançar un tamany crític per a convertir-se en núcleus estables. Dit tamany crític ve dictat per molts factors diferents (temperatura, sobresaturación, etc.). És en l'etapa de nucleación quan els àtoms o molècules es disponen d'una manera definida i periòdica que definix la estructura cristalina - note's que "estructura cristalina" és un terme especial que es referix a la disposició relativa dels àtoms o molècules, no a les propietats macroscòpiques del cristal (tamany i forma), encara que estes siguen resultat de l'estructura interna del cristal.

El creiximent cristalí és el subsegüent aument de tamany dels núcleus que conseguixen alcançar el tamany crític de l'agrupació. El creiximent cristalí és un procés dinàmic que es produïx en equilibri, en el que les molècules o àtoms de solut precipiten fòra de la solució i es dissolen de nou en ella. [La sobresaturación és una de les forces motrius de la cristalisació, ya que la solubilidad d'una espècie és un procés d'equilibri quantificat per K_sp. Depenent de les condicions, la nucleación o el creiximent poden predominar sobre l'atre, dictant el tamany dels cristals.

Molts composts tenen la capacitat de cristalizar i alguns tenen estructures cristalines diferents, un fenomen cridat polimorfisme. Certs polimorfos poden ser metaestables, lo que significa que encara que no està en equilibri termodinàmic, és cinéticamente estable i requerix algun aporte d'energia per a iniciar una transformació a la fase d'equilibri. Cada polimorfo és, de fet, un estat sòlit termodinàmic diferent i els polimorfos cristalins d'un mateix compost presenten propietats físiques distintes, com la velocitat de dissolució, la forma (ànguls entre facetes i velocitat de creiximent de les facetes), el punt de fusió, etc. Per este motiu, el polimorfisme té una gran importància en la fabricació industrial de productes cristalins. Ademés, a voltes les fases cristalines poden interconvertirse variant factors com la temperatura, com en la transformació de les fases anatasa a rútil del diòxit de titani.