Cristalización

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Cristalización
Se conoce como cristalización a un proceso químico en el que se transforma un gas, un líquido o una disolución, en un conjunto de cristales sólidos. Dichos cristales están formados por un conjunto ordenado de enlaces moleculares rígidos que son puros en su naturaleza elemental. Debido a esto, la cristalización puede ser empleada como un método para separar los componentes sólidos de alguna mezcla homogénea, es decir, puede ser empleada como un método de purificación.
Existen diferentes métodos de cristalización, que pueden emplear la alteración selectiva de las condiciones físicas de temperatura o de presión, así como la adición de ciertas sustancias químicas. La forma, el tamaño y la calidad de los cristales así obtenidos van a depender de las condiciones puntuales en que ocurra el proceso y del tiempo durante el cual se lo deje ocurrir.
Los cristales obtenidos mediante este método son formaciones sólidas, dotadas de un patrón muy bien definido de difracción (fenómeno que consiste en la desviación de una onda cuando atraviesa un obstáculo por un orificio pequeño y luego se propaga en todas las direcciones detrás de este orificio). Dependiendo de las condiciones en que se lleve a cabo la cristalización y del tipo de sustancia que se va a cristalizar, los cristales obtenidos tendrán un color específico, una transparencia determinada y una geometría definida.
Los cristales son comunes en la naturaleza mineral y se clasifican de acuerdo a sus propiedades en:
· Cristales sólidos. Son los más numerosos. Con excepción del vidrio y algunas sustancias sólidas amorfas (sustancias sólidas en las cuales sus partículas no están ordenadas, es decir, carecen de forma), casi toda la materia sólida está en estado cristalino. Por ejemplo: la sal, el azúcar y algunas piedras preciosas.
· Cristales luminosos. Son considerados como líquidos y se suelen utilizar en las pantallas de equipos electrónicos.
· Cristales iónicos. Son duros y quebradizos. Los cationes y aniones que los forman son de distinto tamaño y, por lo general, estos cristales tienen puntos de fusión altos. Por ejemplo: cloruro de potasio (KCl) y sulfuro de zinc (ZnS).
· Cristales covalentes. Los átomos que los componen están unidos por enlaces covalentes formando una red tridimensional. Por ejemplo: el grafito y el diamante.
· Cristales moleculares. Sus partículas están unidas por fuerzas de Van der Waals (fuerzas atractivas o repulsivas entre moléculas, interacciones que son menores que las correspondientes a un enlace químico) y/o interacciones por puente de hidrógeno (interacciones atractivas entre un átomo de hidrógeno enlazado a un átomo electronegativo, con otro átomo electronegativo que pertenece a otra molécula, estas interacciones también son menores que las correspondientes a un enlace químico). Estos compuestos suelen ser quebradizos y sus puntos de fusión están por debajo de 100 ºC. Por ejemplo: el tetrafósforo (P4) y el diyodo (I2).
· Cristales metálicos. Los cristales metálicos están compuestos por átomos del mismo metal. Por lo general, son muy densos y sus propiedades (como el punto de fusión y la dureza) varían de acuerdo al tipo de metal. Por otra parte, estos compuestos son buenos conductores del calor y la electricidad. Por ejemplo: níquel (Ni), hierro (Fe) y cobalto (Co).
Ejemplos de cristalización
· Formación de escarcha. En ciertas condiciones de humedad ambiental, el vapor de agua del aire puede cristalizarse directamente sobre superficies frías (como los vidrios o los metales) y formar estructuras semejantes a la nieve, llamadas escarcha. Algunos congeladores tienden a formar escarcha también. Se trata de cristales de agua, cuya constitución es muy regular y muy bien formada.
· Congelación del agua. El hielo es agua congelada y, como tal, no es un cristal. Pero durante las primeras fases de congelación de este líquido, puede verse cómo surgen dendritas (cristales en los que las orientaciones cristalinas son todas diferentes) y otras estructuras cristalinas sumergidas.
· Evaporación de agua de mar. Para obtener cristales de sal, así como agua desalinizada, suele hervirse agua tomada del mar. De esta manera, el líquido se transforma en un gas (vapor de agua) dejando las sales que estaban disueltas en el envase, que quedan como perfectos cristales salinos.
· Cristales de plata para fotografía. Los cristales de plata son útiles para determinados artefactos de la industria fílmica o de la antigua fotografía (no la digital, obviamente) dado que al ser sensibles a la luz, estos cristales se reacomodan frente a la luz, copiando así la impresión lumínica. Para obtenerlos, se emplean compuestos como el bromuro, el cloruro o el yoduro de plata.
· Cristales de oxalato de calcio. Formados por la acumulación de sales y de calcio en los riñones, estos cristales suelen ser dolorosos para el ser humano, y a veces se requiere de una intervención quirúrgica para extraerlos, pues entorpecen la normal expulsión de la orina. Poseen la forma de pequeñas piedras oscuras, conocidas como cálculos renales, o también “piedra” o “arenilla” en los riñones.
Proceso
El proceso de cristalización consiste en dos eventos principales, nucleación y crecimiento del cristal que son impulsados por propiedades termodinámicas así como propiedades químicas. La nucleación es el inicio de una transición de fase en una región pequeña pero estable. La transición de fase puede ser la formación de una burbuja o de un cristal a partir de un líquido. La creación de gotas de líquido en vapor saturado también se caracteriza por la nucleación (véase Núcleos de condensación de nubes). -->La nucleación es el paso en el que las moléculas o átomos de soluto dispersos en el disolvente comienzan a agruparse en cúmulos, a escala microscópica (elevando la concentración de soluto en una pequeña región), que se vuelven estables en las condiciones de operación actuales. Estos cúmulos estables constituyen los núcleos. Por lo tanto, los cúmulos deben alcanzar un tamaño crítico para convertirse en núcleos estables. Dicho tamaño crítico viene dictado por muchos factores diferentes (temperatura, sobresaturación, etc.). Es en la etapa de nucleación cuando los átomos o moléculas se disponen de una manera definida y periódica que define la estructura cristalina - nótese que "estructura cristalina" es un término especial que se refiere a la disposición relativa de los átomos o moléculas, no a las propiedades macroscópicas del cristal (tamaño y forma), aunque éstas sean resultado de la estructura interna del cristal.
El crecimiento cristalino es el subsiguiente aumento de tamaño de los núcleos que logran alcanzar el tamaño crítico de la agrupación. El crecimiento cristalino es un proceso dinámico que se produce en equilibrio, en el que las moléculas o átomos de soluto precipitan fuera de la solución y se disuelven de nuevo en ella. [La sobresaturación es una de las fuerzas motrices de la cristalización, ya que la solubilidad de una especie es un proceso de equilibrio cuantificado por Ksp. Dependiendo de las condiciones, la nucleación o el crecimiento pueden predominar sobre el otro, dictando el tamaño de los cristales.