Cristalización para niños
La cristalización es un proceso natural y científico donde las partículas de una sustancia se unen de forma ordenada para crear un sólido con una forma geométrica regular, llamado cristal. Esto puede ocurrir cuando un líquido o un gas puro se enfrían, como cuando se forman los copos de nieve. También sucede cuando el líquido de una disolución se evapora lentamente, dejando atrás los cristales de la sustancia disuelta.
En los laboratorios de química, la cristalización es una forma muy efectiva de limpiar sustancias sólidas, disolviéndolas y luego dejándolas cristalizar de nuevo.
Contenido
¿Qué es la Cristalización y Cómo Funciona?
La idea de que las sustancias pueden organizarse para formar cristales fue propuesta por Robert Hooke en 1665. Más tarde, en 1784, el mineralogista francés René Just Haüy estudió esto a fondo, por lo que se le considera el fundador de la cristalografía, el estudio sistemático de los cristales.
Factores que Influyen en la Formación de Cristales
El tamaño y la perfección de los cristales dependen de las condiciones en que se forman, como la presión, la temperatura y la presencia de otras sustancias.
- Cuando un líquido caliente o una disolución saturada se enfrían despacio, se forman pocos cristales al principio. Estos primeros cristales, llamados núcleos de cristalización, pueden crecer mucho. Los átomos o moléculas tienen tiempo de acomodarse bien, creando cristales grandes y perfectos.
- Si el proceso es muy rápido, se forman muchos núcleos a la vez. Esto resulta en cristales más pequeños y con más imperfecciones.
- Si las condiciones son muy malas, la sustancia puede no formar cristales y convertirse en un sólido amorfo, que no tiene una estructura ordenada.
La mayoría de los minerales y muchas moléculas orgánicas cristalizan fácilmente y forman cristales de buena calidad. Sin embargo, moléculas más grandes, como las proteínas, son más difíciles de cristalizar. La facilidad con la que una molécula cristaliza depende de las fuerzas que unen sus átomos o moléculas.
Cristalización como Método de Purificación
La cristalización también es una técnica para separar sustancias. Un soluto (la sustancia disuelta) pasa de una disolución líquida a una fase sólida pura en forma de cristal. Por eso, se usa mucho para purificar sustancias, tanto en laboratorios como en la industria. Es similar a la precipitación, pero la cristalización es más lenta y produce sólidos ordenados, mientras que la precipitación suele ser más rápida y puede dar sólidos sin forma definida.
El Proceso de Cristalización: Nucleación y Crecimiento
El proceso de cristalización tiene dos pasos principales: la nucleación y el crecimiento del cristal. Ambos están influenciados por las propiedades de la sustancia y su entorno.
¿Qué es la Nucleación?
La nucleación es el primer paso. Las moléculas o átomos de la sustancia disuelta empiezan a agruparse en pequeños cúmulos dentro del líquido. Estos cúmulos deben alcanzar un tamaño mínimo para volverse estables y convertirse en los "núcleos" que darán origen a los cristales. En esta etapa, los átomos o moléculas se organizan de una manera específica y repetitiva que define la estructura cristalina del futuro cristal.
Tipos de Nucleación
La nucleación puede ser de dos tipos:
- Nucleación primaria: Es la formación inicial de cristales cuando no hay otros cristales presentes. Puede ser:
* Homogénea: Ocurre sin la influencia de ninguna superficie sólida, como las paredes del recipiente. Requiere mucha energía y es rara en la práctica. * Heterogénea: Ocurre cuando partículas sólidas extrañas ayudan a que se formen los núcleos. Es más común.
- Nucleación secundaria: Es la formación de nuevos núcleos gracias a la presencia de cristales ya existentes. Esto sucede cuando los cristales chocan entre sí o con las paredes del recipiente, o cuando el líquido se mueve rápidamente alrededor de ellos, desprendiendo pequeños fragmentos que actúan como nuevos núcleos. La nucleación por contacto es la más común y eficiente.
¿Cómo Crecen los Cristales?
El crecimiento cristalino es el aumento de tamaño de los núcleos que ya se han formado. Es un proceso dinámico: las moléculas de la sustancia disuelta se unen al cristal y, al mismo tiempo, algunas se disuelven de nuevo en el líquido. La clave para el crecimiento es la sobresaturación, que significa que hay más sustancia disuelta de la que el líquido puede contener normalmente a esa temperatura. Dependiendo de las condiciones, la nucleación o el crecimiento pueden ser más importantes, lo que determina el tamaño final de los cristales.
Algunos compuestos pueden formar cristales con diferentes estructuras, un fenómeno llamado polimorfismo. Cada estructura tiene propiedades físicas distintas, como la velocidad a la que se disuelve o su punto de fusión. Por eso, el polimorfismo es muy importante en la fabricación de productos cristalinos.
Cristalización en la Naturaleza
Hay muchos ejemplos de cristalización en la naturaleza:
- A escala geológica:
* La formación natural de minerales y piedras preciosas. * La formación de estalactitas y estalagmitas en cuevas.
- A escala humana (vida diaria):
* La formación de copos de nieve. * La cristalización de la Miel (casi todos los tipos de miel se cristalizan con el tiempo).
Métodos de Cristalización
Existen varias formas de hacer que una sustancia cristalice, muchas de las cuales se usan para purificarla.
Enfriamiento de una Disolución Concentrada
Si preparas una disolución concentrada de una sustancia a alta temperatura y luego la enfrías, se forma una disolución sobresaturada. Esto significa que, por un momento, tiene más sustancia disuelta de la que normalmente podría tener a esa temperatura. Al enfriar la disolución de forma controlada, la sustancia empieza a cristalizar. Es importante controlar la velocidad de enfriamiento para que los cristales tengan un tamaño adecuado: si son muy pequeños, las impurezas se pegan a su superficie; si son muy grandes, las impurezas pueden quedar atrapadas dentro. Este método funciona mejor si la solubilidad de la sustancia cambia mucho con la temperatura. Por ejemplo, la sal de mesa (NaCl) se comporta así.
Cambio de Disolvente
Puedes disolver una sustancia en un buen disolvente y luego añadir otro disolvente que se mezcle con el primero, pero en el que la sustancia no se disuelva bien. La sustancia principal empezará a precipitar (cristalizar), mientras que las impurezas se quedarán en el líquido. Por ejemplo, puedes separar el ácido benzoico de una disolución en acetona añadiendo agua.
Evaporación del Disolvente
Al evaporar el disolvente de una disolución, las sustancias disueltas empiezan a cristalizar cuando se alcanza su límite de solubilidad. Este método se ha usado durante miles de años para obtener sal del agua de mar.
Sublimación
Algunas sustancias pueden pasar directamente del estado sólido al gaseoso sin volverse líquidas (este proceso se llama sublimación). Si estos vapores se enfrían en una zona fría (como un "dedo frío"), vuelven a pasar directamente al estado sólido, formando cristales puros y dejando atrás las impurezas. Así se purifican sustancias como la cafeína, el azufre, el ácido salicílico o el yodo.
Enfriamiento Selectivo de un Sólido Fundido
Para purificar un sólido cristalino, se puede fundir. Al enfriar el líquido, el sólido puro cristaliza primero, y las impurezas se quedan en la parte líquida. Este método se usa para obtener silicio ultrapuro para la industria de los semiconductores. Se funde una parte de un cilindro de silicio impuro y se mueve la zona fundida a lo largo del cilindro. Las impurezas se disuelven en la parte fundida y se arrastran hacia un extremo. Este proceso se puede repetir varias veces para lograr la pure pureza deseada.
Crecimiento de Cristales Grandes
Para obtener cristales grandes de sustancias que no se disuelven fácilmente, se usan otras técnicas. Por ejemplo, se pueden hacer reaccionar dos compuestos en una sustancia gelatinosa. Así, el nuevo compuesto se forma lentamente, dando lugar a cristales más grandes. En general, cuanto más lento es el proceso de cristalización, más puros y grandes suelen ser los cristales.
La forma y el tamaño de los cristales pueden ser modificados por el disolvente, la concentración de las sustancias o añadiendo pequeñas cantidades de otros componentes, como proteínas. Por ejemplo, los moluscos, las diatomeas y los corales usan proteínas para formar sus conchas o esqueletos de calcita o cuarzo con la forma deseada.
La teoría más aceptada es que los cristales crecen formando capas muy delgadas alrededor de un pequeño cristal inicial. Las nuevas moléculas se unen preferentemente a las caras donde su unión libera más energía. Pequeñas diferencias en la energía o la presencia de impurezas pueden cambiar la forma en que crecen los cristales.
Los cristales con una forma y tamaño específicos son importantes para muchas aplicaciones, como:
- Determinar la estructura química de una sustancia usando difracción de rayos X.
- En la nanotecnología.
- Para fabricar películas sensibles con cristales de sales de plata para fotografía.
- En la preparación de los ingredientes activos de los fármacos.
Recristalización
La recristalización es cuando se repite el proceso de cristalización en una disolución que ya ha sido cristalizada una vez. El líquido restante todavía contiene sustancia disuelta que puede cristalizarse de nuevo. Para acelerar el proceso, se puede añadir un pequeño cristal (un "núcleo de cristalización") para que las nuevas moléculas tengan dónde empezar a unirse.
Véase también
En inglés: Crystallization Facts for Kids
