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NUCLEACIÓN Y CRECIMIENTO DEL CRISTAL

Conceptos Teóricos, Cristalización,

La CRISTALIZACIÓN tiene lugar en dos etapas: la formación del nuevo cristal, que recibe el nombre de nucleación, y el crecimiento del cristal. La fuerza impulsora de ambas etapas es la sobresaturación, de forma que ni la nucleación ni el crecimiento del cristal se darán por debajo de la curva de saturación, una vez alcanzadas las condiciones definidas por ésta.

La nucleación se define como el nacimiento de cuerpos sólidos muy pequeños en el seno de una fase fluida homogénea sobresaturada. Se produce como consecuencia de de rápidas fluctuaciones locales a escala molecular en una fase homogénea que se encuentra en estado de equilibrio inestable. Se distinguen principalmente dos tipos de nucleación: la nucleación primaria (homogénea y heterogénea) y la nucleación secundaria (por contacto y por esfuerzo cortante). La nucleación secundaria está catalizada por la presencia de cristales macroscópicos en el magma, por lo que para que tenga lugar es necesario que haya existido una cristalización previa, o bien que se siembren cristales con el propósito de inducir este tipo de nucleación. Por su parte, la nucleación primaria se da en el seno del fluido (homogénea: es espontánea y requiere la mayor sobresaturación), o bien se ve favorecida por la presencia de partículas sólidas o paredes u otros elementos del cristalizador (heterogénea: catalizada por la presencia de superficies sólidas).

Por su parte, el crecimiento del cristal consiste en la incorporación de nuevas moléculas al núcleo ya formado y estable. Cuando aparece un núcleo, éste actúa como un punto de convergencia para las moléculas adyacentes al cristal, de modo que crece en forma de capas sucesivas. Debido a la presencia del cristal, se dice que el crecimiento del cristal es un proceso difusional modificado por la presencia de las superficies sólidas.

En el siguiente vídeo puedes identificar varios de los fenómenos descritos:

FORMAS DE CRISTALIZAR

Conceptos Teóricos, Cristalización, , , ,

Para cristalizar se necesita sobresaturar la disolución, lo cual implica obtener una disolución con una concentración de solutos mayor a la que viene dada por su equilibrio termodinámico, es decir, por su curva de saturación.

Existen diferentes formas de alcanzar la sobresaturación:

  • Por concentración.
  • Por enfriamiento.
  • Por reacción o desplazamiento del equilibrio.

Si la solubilidad del soluto aumenta fuertemente con la temperatura, como ocurre frecuentemente con muchas sales inorgánicas y sustancias orgánicas, una solución saturada se transforma en sobresaturada disminuyendo la temperatura por enfriamiento. Si la solubilidad es relativamente independiente de la temperatura como en el caso de sal común, la sobresaturación se puede conseguir evaporando parte del disolvente. Por último, si la solubilidad es muy elevada estos métodos pueden no resultar adecuados, por lo que se recurre a añadir un tercer componente, lo que se conoce como cristalización por reacción o desplazamiento del equilibrio. El tercer componente puede actuar físicamente dando lugar a una mezcla con el disolvente original en la que la solubilidad del soluto disminuye bruscamente, o bien se puede crear químicamente un nuevo soluto añadiendo un tercer componente que reaccione con el soluto original para formar una sustancia insoluble. En determinados casos, se combinan ambos procesos (evaporación y enfriamiento) para conseguir la sobresaturación necesaria.

A continuación se muestra cómo alcanzar la sobresaturación sobre curvas de solubilidad de (A. izquierda) compuestos cuya solubilidad varía significativamente con la temperatura y (B. derecha) compuestos cuya solubilidad no varía significativamente con la temperatura. Para los primeros, el enfriamiento es una buena forma de conseguir la sobresaturación, mientras que para cristalizar los segundos es necesario concentrar la disolución.

En cualquier caso, la fuerza impulsora del proceso de cristalización es la sobresaturación, de forma que tanto la nucleación como el crecimiento del cristal se darán únicamente si la disolución está sobresaturada.

CRISTALLIZATION PROCESSES

Crystallization can only take place when a solution is supersaturated, which implies obtaining a solution with a concentration higher than the given by its thermodynamic equilibrium, that is, the given by its saturation or solubility curve.

There are different ways of supersaturating a solution:

  • Concentration
  • Cooling
  • Reaction or equilibrium displacement

If solubility significantly depends on temperature, as occurs with some inorganic salts and organic substances, a saturated solution transforms into a supersaturated one by cooling. In contrast, if solubility is rather temperature independent, as in the case of NaCl, supersaturation is better achieved by evaporating part of the solvent. In most cases, both cooling and concnetration are combined to obtain the desired supersaturation. Finally, if solubility is significantly high these methods may not be adequate, for which it is common to modify the component solubility by adding a third compound, this procedure is known as crystallization by reaction or equlibrium displacement. The third component may act physically by creating a mixture with the original solvent, i which the solute solubility decreases dramatically, or either chemically creating a new solute which solubility in the original solvent is very low.

Next, the ways in which supersaturation may be reached on different solubility curves/lines are shown: (A. left) Solutes which solubility significantly varies with temperature and (B. right) compounds which solubility does not significantly vary with temperature. For the former, cooling is a good way of reaching supersaturation, whereas the latter require concentration by solvent removal.

In any case, supersaturation is the driving force for crystallization, so that both nucleation and crystal growth can only take place when the solution is supersaturated.

INTERÉS DE LA OPERACIÓN DE CRISTALIZACIÓN

Contextualización, Cristalización, , ,

La CRISTALIZACIÓN es una operación unitaria de separación o purificación mediante la cual se separa un componente de la fase fluida homogénea (disolución/vapor/fusión) en la que está presente, transfiriéndolo a una fase sólida en forma de cristales que precipitan.

Su interés industrial radica en que es una operación necesaria para todo compuesto químico que se presenta comercialmente en forma de polvo o cristales, dado que:

1. Un cristal formado a partir de una disolución impura es esencialmente puro.

2. Proporciona un método práctico para la obtención de sustancias químicas puras en condiciones adecuadas para su envasado, transporte y almacenamiento.

La mayoría de aplicaciones industriales aplican la cristalización a partir de disoluciones, aunque también se pueden obtener cristales a partir de un vapor (caso de la nieve) o de una fusión (caso de los minerales a partir de roca fundida). Cuando la fase fluida de partida es una disolución la operación se conoce generalmente como cristalización a partir de la (di)solución.

Existen evidencias de que la cristalización a partir de la solución es una de las Operaciones Unitarias más antiguas, datada entre el año 2500 y 3000 a.C. Evidentemente, en ese tiempo la operación de cristalización distaba mucho de llevarse a cabo en condiciones controladas en un tanque, evaporador o cristalizador continuo, pero el ser humano era capaz de aprovechar las grietas de las rocas o determinadas superficies para obtener sal, o para obtener sacarosa o pigmentos empleando salmueras naturales. De hecho, todavía existen gran cantidad de salares alrededor del mundo que emplean la evaporación solar para obtener cristales de cloruro sódico. Un ejemplo, es el salar de Uyuni (Bolivia), que aparece a continuación, y que tiene una extensión de más de 12.000 km².