CRISTAL·LITZACIÓ: PROCÉS, TIPUS, EXEMPLES, SEPARACIÓ - QUIMICA - 2026

La cristal·lització és un procés físic en el que de manera natural o artificial un sòlid cristal·lí, és a dir, d'estructura ordenada, es forma a partir d'un medi líquid o gasós. Es diferencia de la precipitació en el fet que aquesta última es desenvolupa sense un rigorós control dels paràmetres de procés, ia més de que pot produir sòlids amorfs i gelatinosos.

L'objectiu de la cristal·lització, com el seu nom simplement indica, és el de generar cristalls. Aquests no només es caracteritzen per ser ordenats, sinó també per ser sòlids purs. Per tant, en la síntesi de compostos sòlids es busca obtenir productes d'alta puresa, vidres el més purs possibles.

Cristal·lització d'un solut hipotètic de color morat en dissolució aquosa. Font: Gabriel Bolívar.

A la imatge superior es mostra una cristal·lització generalitzada i hipotètica d'un solut morat en dissolució aquosa.

Cal notar que la barra vermella actua com a termòmetre. Quan la temperatura és alta, la dissolució conté a l'solut dissolt, el qual roman soluble en aquestes condicions. No obstant això, a l'anar descendint poc a poc la temperatura, comencen a aparèixer els primers vidres morats.

A mesura que la temperatura continua disminuint, els vidres aniran creixent de mida fins a formar robustos hexàgons morats. El canvi de coloració de la dissolució és indicatiu que el solut va passar d'estar dissolt, a incorporar-se als creixents vidres. Com més lenta sigui la cristal·lització, més pur serà el sòlid cristal·lí obtingut.

Hi ha altres variables a tenir en compte durant aquest procés: quant solut es dissol en el solvent determinat, a quina temperatura s'ha d'escalfar la dissolució, quant de temps ha de durar el refredament, què tan necessari és el recórrer o no a l'agitació sònica, entre d'altres aspectes.

El procés de cristal·lització, més que un complex fenomen que involucra dinàmica molecular i termodinàmica, és un art que demanda constant aprenentatge, assaigs i errors, fins perfeccionar dins el laboratori o en la indústria.

Procés de cristal·lització

La cristal·lització en essència consisteix en dos processos: la nucleació i el creixement dels cristalls.

Les dues etapes sempre tenen lloc durant la cristal·lització, però quan la primera passa ràpidament, la segona amb prou feines tindrà temps de desenvolupar-se. Mentrestant, si la nucleació és lenta, els vidres tindran més temps de créixer, i per tant, tendiran a ser més grans. Això últim és la situació assumida en la imatge amb els hexàgons morats.

nucleació

Es va dir a el principi que els cristalls són sòlids d'estructures ordenades. De la dissolució on el solut es troba dispers en desordre, les seves partícules han de acostar-se a la distància suficient perquè les seves interaccions, siguin iòniques o de tipus Van der Walls, permetin l'assentament del primer grup de partícules de solut: un clúster.

Aquest clúster pot dissoldre i tornar a formar-se les vegades que siguin necessàries fins que sigui estable i cristal·lí. Es diu llavors que ha aparegut el primer nucli. Si el nucli apareix del no-res, és a dir, de l'homogeneïtat mateixa de l'mig durant el seu refredament, es tractarà d'una nucleació homogènia.

En canvi, si aquest nucli té lloc gràcies a la superfície aportada per una altra partícula sòlida insoluble, o de les imperfeccions de l'recipient, tindrem llavors una nucleació heterogènia. Aquesta última és la més utilitzada i coneguda, especialment quan s'addiciona a la dissolució un vidre diminut, prèviament obtingut, de l'espècie que volem cristal·litzar.

Els vidres mai podran formar-se del no-res sense que abans es doni la nucleació.

Creixement dels cristalls

Encara hi ha molt solut dissolt en la dissolució, però la concentració de solut en aquests nuclis és més alta que en els seus voltants. Els nuclis actuen com suports perquè més partícules de solut s'allotgin i "calcin" entre els seus creixents estructures. D'aquesta manera, les seves geometries es mantenen i van creixent de mica en mica.

Per exemple, els primers nuclis de la imatge són hexàgons morats; aquesta és la seva geometria. A mesura que van incorporant partícules de solut, els nuclis creixen fins a esdevenir vidres robustos hexagonals, els quals seguiran creixent encara més si es submergeix la dissolució en un bany de gel.

Tipus de cristal·lització

El que s'ha explicat fins ara consisteix en la cristal·lització per refredament de l'solvent.

Cristal·lització per eliminació de solvent

Altres tipus de cristal·lització es basen en l'eliminació de solvent per evaporació, per la qual cosa no és necessari utilitzar tant volum d'ell mateix; és a dir, n'hi ha prou amb tot just saturar de solut i escalfar per sobresaturarlo i després, una mica més, deixant-després en repòs, perquè cristal·litzi finalment el solut.

Cristal·lització per addició de solvent

Així mateix, tenim la cristal·lització ocasionada per l'addició d'un solvent a la barreja en la qual el solut és insoluble (antisolvente). Per tant, s'afavorirà la nucleació a l'haver regions mòbils i líquides on es concentraran més les partícules de solut que en aquelles on és molt soluble.

Cristal·lització per sonificació

D'altra banda, hi ha la cristal·lització per sonificació, on el ultrasò genera i trenca bombolles petites que promouen, novament, la nucleació, a el mateix temps que ajuda a distribuir de manera més uniforme les mides dels vidres.

I finalment, hi ha la cristal·lització a partir de la deposició de vapor sobre superfícies fredes; és a dir, el fenomen invers a la sublimació dels sòlids.

Mètode de separació per cristal·lització

La cristal·lització és una tècnica indispensable a l'hora d'obtenir sòlids i purificar. És molt recurrent en les síntesis de compostos orgànics, i representa una de les últimes etapes per garantir la puresa i qualitat del producte.

Exemple de l'colorant

Suposem per exemple que s'obtenen cristalls d'un colorant i que ja s'han filtrat. A causa de que aquest colorant es va obtenir inicialment per una precipitació en una síntesi, la seva sòlid mostra l'aparença de ser amorf, ja que posseeix moltes impureses absorbides i closes entre els seus vidres moleculars.

Per tant, es decideix escalfar un solvent on el colorant és lleugerament soluble, de manera que a l'adicionárselo es dissolgui amb relativa facilitat. Un cop dissolt després addicionar una mica més de solvent, es separa la dissolució de la font de calor i es deixa en repòs. Mentre la temperatura descendeix la nucleació va prenent lloc.

Així, els vidres de colorant s'aniran formant i lluiran més definits (no necessàriament cristal·lins a la vista). És en aquest precís instant en què el recipient (generalment un matràs Erlenmeyer o un got de precipitat) es submergeix en un bany gelat. El fred d'aquest bany acaba d'afavorir el creixement dels cristalls per sobre de la nucleació.

Després, els cristalls de l'colorant es filtren a el buit, es renten amb un solvent en el qual és insoluble, i se'ls deixa assecant en un vidre de rellotge.

Temperatura de cristal·lització

La temperatura a la qual ocorre la cristal·lització depèn de què tan insoluble sigui el solut en el medi dissolvent. Així mateix, depèn del punt d'ebullició de l'solvent, ja que si a la temperatura a la qual bull encara no s'ha dissolt el solut, és perquè s'ha de recórrer a un altre solvent més apropiat.

Per exemple, els sòlids que poden cristal·litzar en mitjans aquosos ho aniran fent a mesura que l'aigua disminueixi la seva temperatura (a dir, de 100 a 50 ºC), o mentre es vagi evaporant. Si la cristal·lització passa per evaporació, llavors es diu que té lloc a temperatura ambient.

D'altra banda, la cristal·lització dels metalls o d'alguns sòlids iònics té lloc a temperatures molt altes, ja que els seus punts de fusió són molt alts, i el líquid fos és incandescent, tot i que es refreda prou perquè nucleen les seves partícules i creixin seus cristalls.

Velocitat de cristal·lització

En principi hi ha dues maneres directes de controlar la velocitat de la cristal·lització d'un sòlid: mitjançant el grau de sobresaturació (o supersaturación), o mitjançant els canvis sobtats de temperatura.

Grau de sobresaturació

El grau de sobresaturació vol dir quant solut en excés s'obliga a dissoldre per aplicació de la calor. Per tant, com més sobresaturada estigui la solució, més ràpid serà el procés de nucleació, ja que hi ha més probabilitat que es formin els nuclis.

Encara que d'aquesta manera s'accelera la cristal·lització, els cristalls obtinguts seran més petits comparats als obtinguts amb un grau de sobresaturació menor; és a dir, quan s'afavoreix el seu creixement i no la nucleació.

Canvis de temperatura

Si es disminueix la temperatura bruscament, els nuclis amb prou feines tindran temps de créixer i, no només això, sinó que a més retindran majors nivells d'impureses. El resultat és que si bé la cristal·lització es dóna més ràpidament que per refredament lent, la qualitat, mida i puresa dels cristalls acaben sent menors.

Cristal·lització ràpida per descens brusc de la temperatura. Font: Gabriel Bolívar.

La imatge de dalt serveix per contrastar a la primera. Els punts grocs representen a les impureses, les quals a causa de el creixement abrupte dels nuclis són atrapades dins d'ells.

Aquestes impureses entorpeixen la incorporació de més hexàgons morats, de manera que a la fi s'obtenen molts cristalls petits i impurs, en lloc de grans i purs.

aplicacions

La cristal·lització dels gelats és un dels aspectes més importants durant la seva producció industrial o artesanal. Font: Pixabay.

La cristal·lització, així com la recristal·lització, és vital per a l'obtenció de sòlids purs d'alta qualitat. Per a la indústria farmacèutica això és especialment cert perquè els seus productes han de ser el més purs possibles, a l'igual que els conservants utilitzats en la indústria alimentària.

Així mateix, la nanotecnologia depèn enormement d'aquest procés de manera que puguin sintetitzar nanopartícules o nanocristalls, en comptes de sòlids de vidres robustos.

Un dels exemples quotidians en què la cristal·lització té gran participació és en l'elaboració de gelats. Si no es va amb compte amb l'aigua, aquesta cristal·litza en una fase a part (gel) del seu contingut lipídic, afectant així la seva textura i sabor; és a dir, s'assemblarà més a un raspat o granissat, que a un gelat.

Per tant, els cristalls de gel han de ser el més petits possibles, de manera que el gelat sigui suau a l'gust i tacte. Quan aquests cristalls de gel són una mica grans, poden detectar-se a la llum perquè li aporten a el gelat una superfície gebrada.

Exemples de cristal·lització

Per finalitzar, es farà esment d'alguns exemples comuns de cristal·lització, tant naturals com artificials:

Flocs de neu

Els flocs de neu es formen a través d'un procés natural de cristal·lització. És sabut que cada cristall de neu és únic. Això es deu a les condicions que es presenten durant la segona fase de la cristal·lització (el creixement).

Les diferents formes geomètriques que presenten els cristalls de neu es deu a les condicions que aquests han d'afrontar durant el creixement de l'vidre.

sal

La sal és l'exemple més comú de cristal·lització. Aquesta es pot formar tant natural (com la sal marina) com artificialment (com és el cas de la sal de taula).

sucre

Després de la sal, el sucre és un dels vidres més comuns. Es forma a través d'una sèrie de processos industrials complexos en què es pren el suc de la canya de sucre i se sotmet a un procés artificial de cristal·lització.

diamant

El diamant és una pedra preciosa que es forma a partir de la cristal·lització de carboni pur. Aquest és el material més dur que es coneix al planeta. La seva formació pot ser natural, com succeeix amb els diamants que es troben en jaciments miners, o sintètica.

Rubí

El robí és un vidre de color vermellós que es forma a partir de la cristal·lització de l'òxid d'alumini (Coridón).

estalagmites

Les estalagmites són estructures que es poden trobar en coves, específicament en els sòls (creixent en punta cap amunt). Estan compostes per compostos de calci i es formen a partir de la cristal·lització de les sals de calci que es troben en l'aigua que cau dels sostres de les coves.

estalactites

Les estalactites, a l'igual que les estalagmites, són de calci i es troben a les coves. Es diferencien d'aquestes últimes perquè pengen dels sostres. Es formen per la cristal·lització de les sals de calci presents en l'aigua que s'infiltra a les coves.

quars

El quars és una gemma que es forma a partir de la cristal·lització d'anhídrid silícic. És un dels minerals que més abunden a les roques i el seu color és variable.

peridot

També anomenat olivina, aquesta pedra preciosa es forma gràcies a la cristal·lització de ferro i magnesi. És de color verdós i sol tenir forma de rombe.

silicats

Els silicats són materials creats per la cristal·lització de l'sílice i altres elements (ferro, alumini, calci, magnesi). Estan presents en totes les roques.

caramels

Els caramels es fan amb cristalls de sucre, de manera que es pot dir que intervenen dos processos de cristal·lització: el primer per a la formació de l'sucre i el segon per a la formació de la melassa.

gelat cremós

El gelat cremós conté una sèrie de vidres que li donen la textura suau final. Entre els cristalls que conté el gelat cremós, destaquen els vidres lípids (formats a partir de greixos) i cristalls de gel. Cal destacar que alguns gelats també contenen cristalls de lactosa.

En aquest sentit, el gelat s'obté a través de diversos processos de cristal·lització artificial (un per als lípids, un per al gel i un altre per a la lactosa).

altres

-Preparació de vidres ensucrats voltant d'un fil o corda i una solució dolça sobresaturada

-Formació de cristalls de el sucre de les mels dipositats a el fons de les seves pots

-El creixement de càlculs renals, els quals consisteixen en essència de cristalls d'oxalat de calci

-La cristal·lització de minerals, entre ells gemmes i diamants, al llarg dels anys, les formes i arestes són un reflex de les seves ordenades estructures internes

-Deposición dels vapors calents de metalls sobre barres fredes com suports per al creixement dels seus cristalls.

referències

1. Day, R., & Underwood, A. (1989). Química Analítica Quantitativa. (Cinquena ed.). PEARSON Prentice Hall.
2. Wikipedia. (2019). Crystallization. Recuperat de: en.wikipedia.org
3. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (23 de maig de al 2019). Crystallization Definition. Recuperat de: thoughtco.com
4. University of Colorado. (Sf). Crystallization. Organic Chemistry. Recuperat de: orgchemboulder.com
5. Syrris. (2019). What is crystallization? Recuperat de: syrris.com