Cristalización

La cristalización es un proceso natural que ocurre cuando los materiales se solidifican de un líquido, o cuando precipitan de un líquido o gas. Esto puede ser causado por un cambio físico, como un cambio de temperatura, o un cambio químico, como la acidez.

Características de la cristalización

La cristalización es un proceso dirigido por el tamaño y las formas de las moléculas involucradas y sus propiedades químicas. Los cristales pueden formarse a partir de una sola especie de átomo, de diferentes especies de iones o incluso de moléculas grandes como las proteínas.

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Algunas moléculas grandes tienen más dificultades para pasar por el 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 célula unitaria. Es la formación de la base de átomos o moléculas sobre los que se pueden fijar unidades adicionales. Usted puede pensar en esto como un bloque de construcción de los niños, al cual se pueden unir otros bloques.

La cristalización se realiza como si estuviera uniendo estos bloques en todas las direcciones. Algunos materiales forman cristales de diferentes formas, lo que explica la gran variación en la forma, tamaño y color de varios cristales.

Proceso de cristalización

La cristalización se lleva a cabo en diferentes etapas, desde la nucleación, hasta la formación de los cristales.

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.

A medida que esto sucede, se acumulan más células unitarias alrededor del núcleo y se forma un pequeño cristal de semillas. El proceso de nucleación es extremadamente importante en la cristalización, es el núcleo de un cristal determinará la estructura de todo el cristal.

Las imperfecciones en el núcleo y en el cristal de semilla pueden llevar a cambios drásticos a medida que el cristal continúa formándose. La nucleación ocurre en un líquido sobreenfriado o en un disolvente supersaturado.

Un líquido superenfriado es cualquier líquido que esté a punto de convertirse en sólido. Para que eso suceda, debe formarse un núcleo inicial. Es alrededor de este núcleo que el proceso de cristalización continuará.

En un líquido refrigerante, el núcleo se formará cuando los átomos o moléculas ya no tengan la energía cinética para rebotar entre sí. En su lugar, comienzan a interactuar entre sí y a formar formaciones cristalinas estables.

Los elementos puros típicamente forman una estructura cristalina, mientras que las moléculas más grandes pueden ser difíciles de cristalizar a temperaturas y presiones normales.

En una solución supersaturada, el solvente que transporta el cristal deseado está a su 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 causa nucleación y cristalización posterior.

Crecimiento de cristales

A medida que otras moléculas y átomos rodean el núcleo, se ramifican de la simetría que ya ha sido establecida, añadiendo al cristal de la semilla. Este proceso puede ocurrir muy rápidamente, o muy lentamente, dependiendo de las condiciones.

El agua puede cristalizar 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.

Sólo hay un puñado de formas geométricas que los cristales pueden tomar. 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.

Una impureza en la solución o en el material llevará a la desviación del patrón típico. Como se ve en los copos de nieve, incluso las impurezas más pequeñas en el núcleo conducen a diseños completamente nuevos y únicos.

Usos de laboratorio de la cristalización

La cristalización es una técnica de laboratorio común y útil. Puede ser utilizado para purificar sustancias, y puede ser combinado con técnicas avanzadas de imagenología para entender la naturaleza de las sustancias cristalizadas.

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En la cristalización en laboratorio, una sustancia puede disolverse en un disolvente adecuado. El calor y los cambios en la acidez pueden ayudar a que el material se disuelva. Cuando estas condiciones se invierten, los materiales dentro de la solución se precipitan a diferentes velocidades. Si las condiciones se controlan adecuadamente, se pueden obtener cristales puros de una sustancia deseada.

Una técnica de imagenología avanzada, llamada cristalografía, rayos X u otros haces y partículas de alta energía pueden ser disparados a través de la estructura cristalina de una sustancia pura. Aunque esto no crea una imagen visible, los rayos y las partículas se difractan en patrones específicos.

Estos patrones pueden ser detectados por detectores especiales de revelado en papel o electrónicos. El patrón puede ser analizado por matemáticas y computadoras, y se puede formar 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. Usando este método, los científicos pueden reconocer casi cualquier sustancia basada en su forma cristalina.

Ejemplos de cristalización

Escala de tiempo humana

Los cristales pueden tardar mucho 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 la 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 quieres acelerar el proceso, pon la miel en el refrigerador. El enfriamiento del líquido disminuye la solubilidad del azúcar dentro del líquido, y rápidamente forma cristales.

Escala de tiempo geológico

Aunque el proceso es similar, el tiempo que se tarda en formar cosas como el cuarzo, el rubí y el granito es mucho más largo. Estos cristales se forman bajo presiones extremadamente altas dentro de la corteza y el magma de la Tierra.

Mientras que el proceso de cristalización es el mismo, toma mucho tiempo para que las condiciones y los átomos se unan de la manera correcta para cristalizar. Estos procesos pueden ser replicados en el laboratorio, en tiempos más cortos, creando las condiciones ideales para que ocurra la cristalización.

Los laboratorios también pueden cultivar cristales de semillas, que pueden introducirse para acelerar enormemente la producción de grandes lotes de cristal a la vez.

En una escala de tiempo ligeramente más corta, también se forman acumulaciones minerales como estalactitas y estalagmitas a través del proceso de cristalización. A medida que pequeñas gotas de agua caen sobre estos cristales, los minerales que contienen se integran en la estructura cristalina ya presente, y el agua se drena.

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