La cristalización es un proceso natural que ocurre cuando los materiales se solidifican a partir de un líquido, o cuando se precipitan de un líquido o gas. Esto puede deberse a un cambio físico, como un cambio de temperatura, o un cambio químico como la acidez.
La cristalización es un proceso dirigido por el tamaño y la forma de las moléculas involucradas y sus propiedades químicas. Los cristales se pueden formar a partir de una sola especie de átomo, diferentes especies de iones o incluso moléculas grandes como las proteínas. Algunas moléculas grandes tienen más dificultades para someterse al 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 celda unitaria. Esta es la formación de bases de átomos o moléculas a las que se pueden unir unidades adicionales. Puedes pensar en esto como un bloque de construcción para niños, al que se pueden unir otros bloques. La cristalización procede como si estuviera uniendo estos bloques en todas direcciones. Algunos materiales forman cristales de diferentes formas, lo que explica la gran variación de forma, tamaño y color de varios cristales.
Ejemplos de Cristalización
- Copos de Nieve
- Sal
- Azúcar
- Diamante
- Rubí
- Estalagmitas
- Estalactitas
- Cuarzo
- Caramelos
- Helado
- En la industria farmacéutica
- La cristalización de la miel
- La formación de escarcha.
- La congelación del agua
- Evaporación del agua salada
Los copos de nieve se forman a través de un proceso natural de cristalización. Es sabido que cada cristal de nieve es único. Esto se debe a las condiciones que se presentan durante la segunda fase de la cristalización (el crecimiento).
Las distintas formas geométricas que presentan los cristales de nieve se debe a las condiciones que estos deben afrontar durante el crecimiento del cristal.
La sal es el ejemplo más común de cristalización. Esta se puede formar tanto natural (como la sal marina) como artificialmente (como es el caso de la sal de mesa).
Después de la sal, el azúcar es uno de los cristales más comunes. Se forma a través de una serie de procesos industriales complejos en los que se toma el jugo de la caña de azúcar y se somete a un proceso artificial de cristalización.
El diamante es una piedra preciosa que se forma a partir de la cristalización de carbono puro. Este es el material más duro que se conoce en el planeta. Su formación puede ser natural, como sucede con los diamantes que se encuentran en yacimientos mineros, o sintética.
El rubí es un cristal de color rojizo que se forma a partir de la cristalización del óxido de aluminio (coridón).
Las estalagmitas son estructuras que se pueden encontrar en cuevas, específicamente en los suelos (creciendo de punta hacia arriba). Están compuestas por compuestos de calcio y se forman a partir de la cristalización de las sales de calcio que se encuentran en el agua que cae de los techos de las cuevas.
Las estalactitas, al igual que las estalagmitas, son de calcio y se encuentran en las cuevas. Se diferencian de estas últimas porque cuelgan de los techos. Se forman por la cristalización de las sales de calcio presentes en el agua que se infiltra en las cuevas.
El cuarzo es una gema que se forma a partir de la cristalización de anhídrido silícico. Es uno de los minerales que más abundan en las rocas y su color es variable.
Los caramelos se hacen con cristales de azúcar, por lo que se puede decir que intervienen dos procesos de cristalización: el primero para la formación del azúcar y el segundo para la formación de la melaza.
El helado cremoso contiene una serie de cristales que le dan la textura suave final. Entre los cristales que contiene el helado cremoso, destacan los cristales lípidos (formados a partir de grasas) y cristales de hielo. Cabe destacar que algunos helados también contienen cristales de lactosa.
En este sentido, el helado se obtiene a través de diversos procesos de cristalización artificial (uno para los lípidos, uno para el hielo y otro para la lactosa).
La cristalización se utiliza como un proceso de separación y purificación para la síntesis y aislamiento de cocristales, ingredientes farmacéuticos activos puros (API), liberación controlada de fármacos pulmonares y separación de isómeros quirales.
Otro ejemplo interesante es 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.
En días particularmente fríos, el vapor de agua ambiental puede cristalizar sobre las superficies frías como el vidrio o ciertos metales, de manera semejante a como se forma la nieve. A esto se le conoce como escarcha, pero son cristales de agua de constitución muy regular y muy bien formada.
Si bien el hielo como tal no es un cristal, durante las primeras fases de congelación del agua es posible apreciar en el envase la formación de dendritas y otras estructuras sumergidas que son de apariencia muy similar a los cristales.
Este procedimiento es muy común tanto en la obtención de cristales de sal como en la desalinización del agua.
Métodos de cristalización
La cristalización es la «operación unitaria» más antigua en el sentido de la ingeniería química. Por ejemplo, el cloruro de sodio se ha fabricado de la misma manera desde los albores de la civilización.
Existen varios métodos tradicionales para la cristalización, y cada técnica tiene ventajas e inconvenientes únicos. El método elegido debe seleccionarse en función de las propiedades del material que se cristaliza.
- Evaporación de solvente: fácil de configurar, requiere muestras estables al aire, requiere un volumen mínimo de solvente para funcionar de manera efectiva. Requiere gran cantidad de material.
- Enfriamiento lento: requiere disolventes con puntos de ebullición inferiores a 100 ° C y solubilidad moderada de solutos. Requiere gran cantidad de material.
- Difusión de vapor / solvente: funciona bien con pequeñas cantidades de material, sin embargo, encontrar dos solventes adecuados puede ser un desafío. Puede «aceitarse».
- Sublimación: no es el método de elección para cristales de calidad de difracción. Normalmente se realiza a altas temperaturas, lo que hace que los cristales crezcan demasiado rápido.
¿Cómo ocurre el proceso de cristalización?
El proceso de cristalización consta de dos eventos principales:
Nucleación
Las moléculas se juntan en grupos de una manera definida. Los conglomerados deben ser estables en las condiciones experimentales actuales para alcanzar el «tamaño crítico del conglomerado» o se volverán a disolver. Es este punto del proceso de cristalización el que define la estructura cristalina.
Crecimiento de cristales
Los núcleos que han logrado con éxito el «tamaño crítico del grupo» comienzan a aumentar de tamaño. El crecimiento de cristales es un proceso dinámico, en el que los átomos se precipitan de la solución y se vuelven a disolver. La sobresaturación y el sobreenfriamiento son dos de las fuerzas impulsoras más comunes detrás de la formación de cristales.
El desarrollo de procesos de cristalización representa un tema complejo y desafiante, que requiere el control simultáneo de varias propiedades del producto, incluida la pureza, el tamaño y la forma de los cristales y la estructura sólida a nivel molecular.
El control de la fase de nucleación es difícil pero es la clave para el control del proceso; Los químicos de cristalización usualmente apuntan a lograr objetivos de alta pureza y alto rendimiento utilizando únicamente técnicas de cristalización por enfriamiento controlado.
