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CONCURSO NACIONAL DE CRECIMIENTO DE CRISTALES

Grupo de Trabajo del Año Internacional de la Cristalografía. Facultad de Química, Universidad de la República.

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Página web del Tercer Concurso Nacional de Crecimiento de Cristales - 2016 de Uruguay http://www.cncc.fq.edu.uy

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¿QUÉ ES UN CRISTAL?

Imágenes cortesía de Carmen Leite y Cecilia Quintáns

Examine sus ideas o su conocimiento previo sobre qué es un cristal. Deberían surgir ideas tales como transparencia, pureza, simetría, formas constantes o regulares, caras planas, vértices agudos, aristas bien definidas. Si pensó en una copa de cristal o los cristales de los lentes pero no en los diamantes, rubíes, zafiros o los cristales de sal o azúcar tiene muy internalizado el uso vulgar de la palabra cristal pero no tiene presente el significado científico de la misma. Diapositiva 4

¿QUÉ ES UN CRISTAL? De Wikipedia en Español: “un cristal es un sólido homogéneo que presenta un orden interno periódico de sus partículas reticulares, sean átomos, iones o moléculas.” De Wikipedia en Inglés:” Un cristal o sólido cristalino es un material sólido cuyos átomos, moléculas, o iones constituyentes están dispuestos en un modelo ordenado que se extiende en las tres dimensiones espaciales. Además de su estructura microscópica, los cristales grandes son normalmente identificables por su forma geométrica macroscópica, formada por caras planas con orientaciones específicas, características.”

Un cristal es un sólido que presenta caras, aristas y vértices bien formados cuyas relaciones de proporción surgen debido al ordenamiento interno de los átomos que lo componen. Es decir, un cristal tiene la forma exterior que podemos observar porque en su interior los átomos están ordenados de forma muy precisa. La diferencia entre definiciones es que la definición en español incluye la palabra PERIÓDICO que no es completamente correcta según la definición oficial de cristal. El 99.99% de los cristales cuya estructura se ha determinado es periódica pero existen cristales aperiódicos como los cuasicristales y otros que presentan otras características no periódicas. Lo correcto es hablar de sólido con partículas ordenadas en las tres dimensiones espaciales. El tipo de ordenamiento puede ser periódico o no pero está perfectamente definido. El ordenamiento es opuesto al desorden u aleatoriedad de un compuesto amorfo.

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¿QUÉ ES UN CRISTAL? Sólido homogéneo Ordenamiento interno (puede no ser periódico)

Caras planas, aristas rectas, vértices agudos Relación geométrica (ángulo) entre caras bien definidas y constantes entre cristales de la misma composición.

Un cristal tiene la forma exterior característica que sirve para describirlo porque en su interior los átomos están ordenados de forma muy precisa. (Primera ley de la cristalografía: Aunque el tamaño relativo de las caras de un cristal pueda cambiar, el ángulo entre caras adyacentes es invariable para cristales de la misma sustancia). Pero la homogeneidad del cristal se debe más a su ordenamiento interno y el reflejo de éste en su forma macroscópica no refiere necesariamente a su composición química ya que hay cristales cuyo crecimiento ocurre en ambientes de composición de variable que pueden presentar regiones de distinto color, lo que indica una composición química variable. Aunque para la mayoría de los compuestos cristalinos también existe una composición química homogénea. Diapositiva 6

¿QUÉ ES UN CRISTAL?

Imágenes http://classiccurios.com/product-crystal-paperweight-diamond-medium.htm y http://www.clker.com/clipart-transparent-magnifying-glass.html

¿Podemos ver dentro de un cristal para conocer su estructura? ¿Conocer cómo están ordenados los átomos? Con microscopías electrónicas especiales ES POSIBLE ver los átomos de la superficie y las columnas de átomos detrás, de finas capas de algunos cientos de átomos de espesor.

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¿QUÉ ES UN CRISTAL?

http://www.stecf.org/~ralbrech/amico/intabs/ottu.html

Solo con instrumentos especiales, llamados microscopios electrónicos de transmisión, en condiciones favorables, se pueden ver los átomos, y ¿qué se ve cuando se mira un diamante o cualquier cristal? En un cristal se observan átomos ordenados. En Uruguay hay 2 de estos microscopios electrónicos. La forma general de determinación de la estructura, que permite ver la estructura “promedio” del cristal es la difracción de rayos X. En la figura se muestra una imagen de microscopía electrónica de transmisión de un nano-cristal de diamante encontrado en un meteorito. Diapositiva 8

¿QUÉ ES UN CRISTAL? Diamante en bruto

Diamante tallado

Imagen: Wikimedia Commons

Los diamantes, en la naturaleza, no vienen con la forma perfecta que los vemos en los anillos o alhajas. Vienen en bruto. Aún tienen formas geométricas regulares, pero no son como los de la joyería ¿Cómo se hace para tallar un diamante, y porqué otras piedras preciosas no se pueden tallar como los diamantes? Los diamantes se pueden tallar porque tienen los átomos ordenados en su interior y están empacados en forma compacta (sin espacios entre ellos). Debido al particular ordenamiento es posible “clivar” los cristales de diamante en formas geométricas muy simétricas. El “clivaje” es la propiedad que presentan ciertos cristales de minerales de dividirse fácilmente ante un esfuerzo mecánico siguiendo planos determinados de debilidad que respetan la simetría del cristal.

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¿QUÉ ES UN CRISTAL? Diamante en bruto

Estructura del Diamante

Imagen: Wikimedia Commons

La estructura del diamante consiste de átomos de carbono unidos a cuatro vecinos en las tres direcciones del espacio. La fuerza de los enlaces C-C y la formación de una red tridimensional muy compacta explica la dureza del diamante (mineral más duro).

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¿QUÉ ES UN CRISTAL? Diamante en bruto

Estructura del Diamante

Imagen: Wikimedia Commons

Con los átomos de carbono, ordenados, como en el diamante, se puede formar un cristal de diamante natural, o un cristal de diamante cortado. A la derecha modelo de un cristal de diamante con caras en las direcciones diagonales del cubo.

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¿QUÉ ES UN CRISTAL? Diamante cortado

Estructura del Diamante

Imagen: Wikimedia Commons

Las caras de los cristales están formadas también por los átomos ordenados y son las caras más compactas las que suelen ser mejores para cortar y dar forma a los diamantes u otros cristales que se usan en joyería o aplicaciones. Diapositiva 12

CRISTALES QUE NO SON CRISTALES El cristal de las copas o adornos de cristal, en realidad NO ES de un material cristalino (ordenado). Es de un material desordenado (amorfo) también conocido como vidrio.

www.amara.com

Pero cuidado, en nuestro lenguaje diario llamamos cristal a un material que no es un cristal, que no tiene los átomos ordenados. Muchas veces se denomina vidrio cristal al vidrio utilizado en copas, lentes, etc. sin embargo este no presenta el ordenamiento de largo alcance típico del cristal. Este problema se presenta en muchas lenguas y es necesario advertirlo. Los cristales de las copas de cristal, las cuentas de cristal o los cristales de los lentes son en general hechos de vidrio (puede ser vidrio orgánico o inorgánico, pero vidrio al fin) y el vidrio es por definición “amorfo” o sin forma propia, es decir no presenta el ordenamiento interno propio de los cristales.

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CRISTALES QUE NO SON CRISTALES Vidrio: desordenado

Cuarzo: ordenado

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El vidrio, compuesto mayoritariamente de Silicio (Si) y Oxígeno (O) tiene composición similar al cuarzo, SiO2. En el cuarzo los átomos de Si se unen a cuatro oxígenos (en la figura no se representa la cuarta unión que está fuera del plano hacia arriba o hacia abajo) y los de oxígeno a dos silicios. Las uniones forman hexágonos regulares como los panales de abeja. En el vidrio sigue sucediendo que cada Si se une a cuatro O y cada O a dos Si, y en distancias cortas el vidrio es muy parecido al cuarzo, pero algunos hexágonos son remplazados por pentágonos y otros por heptágonos y ya no se puede formar la estructura repetitiva de panal de abejas. A corto alcance tienen la misma estructura, pero no a largo alcance y los átomos no están siempre con la misma posición relativa. Cuando los átomos se unen de forma ordenada se forma un cristal de Cuarzo, que es uno de los compuestos cristalinos formado por Si y O. Cuando se unen en forma desordenada se forma el vidrio. Los vidrios comerciales (por ejemplo los de botellas y ventanas) están compuestos por oxido de silicio, de calcio, sodio y aluminio entre otros. Los vidrios que se usan en el laboratorio, llamados vidrios de borosilicato, contienen boro además de silicio y oxígeno. Diapositiva 14

CRISTALES QUE NO SON CRISTALES El vidrio (desordenado) es más blando que el cuarzo (ordenado).

thehappyscientist.com

A pesar de tener igual composición, el cuarzo, ordenado, es mucho más duro que el vidrio común, se puede rayar el vidrio con una punta de cuarzo pero no se puede rayar el cuarzo con una punta de vidrio. Sin embargo el vidrio puede ser modificado químicamente para hacerse más duro, porque al ser amorfo presenta variabilidad, el cuarzo al ser ordenado no puede ser modificado y siempre tiene las mismas propiedades. El Cuarzo tiene dureza 7 en la escala de Moss (el talco tiene dureza 1 y el diamante 10 en esta escala) el vidrio común dureza 5.5, el “gorilla glass” vidrio más duro que se ha fabricado hasta ahora, que se usa para hacer pantallas de celulares tiene dureza 6.8. Aún no raya al cuarzo pero es mucho más duro que el vidrio común.

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CRECIMIENTO DE CRISTALES A PARTIR DE UNA SOLUCIÓN Una solución es un sistema homogéneo de dos o más componentes. Llamamos soluto a la componente minoritaria y solvente a la mayoritaria.

El aire puede considerarse una solución de O2, Ar, CO2, H2O y otros gases minoritarios en N2. A las soluciones gaseosas también se las denomina mezclas. Un cristal de rubí es una solución de Cr en corindón Al2O3. Esto es una solución sólida. Otras soluciones sólidas son la sal fluorada o Iodada (NaCl con partes de F o I sustituyendo al Cl). En general solemos llamar solución a una mezcla de un sólido o líquido (soluto) en un solvente líquido.

Una solución es un sistema homogéneo de dos o más componentes, el mayoritario se llama solvente, el o los minoritarios soluto. Aunque estamos acostumbrados a pensar en una solución de un sólido en un líquido, el concepto de solución es mucho más amplio. Por ejemplo el aire es una solución de Oxígeno, Argón, dióxido de carbono, agua y componentes minoritarios en Nitrógeno gaseoso. Un número muy importante de los minerales utilizados como gemas, sobre todo aquellos que pueden encontrarse de distintos colores (zafiros, esmeraldas) son soluciones sólidas de un componente minoritario (en general cationes de metales de transición como Cromo, Hierro, Cobalto o Níquel) en una matriz formada por un silicato incoloro.

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CRECIMIENTO DE CRISTALES A PARTIR DE UNA SOLUCIÓN La cantidad de soluto que forma parte de una solución se llama concentración, o partes (masa, moles) de soluto en el volumen o masa de la solución.  Las concentraciones se expresan en g/L o mol/L.

Se dice que una solución de un soluto sólido (C) en el solvente líquido (S) está saturada si la solución está en equilibrio químico con C sólido.

 Esto implica que si agrego más C sólido a la solución no aumentará la concentración de C en la solución y todo el sólido agregado permanecerá de esta forma. También imlica que la solución es estable en el tiempo y no forma cristales.

La solubilidad de un sólido (C) en un líquido (L) es la máxima concentración que puede alcanzar la solución de C y L expresada en masa de C por volumen de L (no es por volumen de la solución).

El concepto de saturación es importante para el trabajo a realizar. Una solución saturada es un sistema en equilibrio donde la cantidad de soluto es la máxima que puede disolverse en el solvente. Por ejemplo el agua en cursos naturales y el océano está saturada en oxígeno (del que viven los peces), a 25 °C hay 8 partes por millón de oxígeno en el agua saturada. El agua del mar muerto está saturada de NaCl conteniendo aproximadamente 360 g/l de agua. Sobre todo hay que insistir que de una solución saturada NO CRECEN CRISTALES porque está en equilibrio.

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CRECIMIENTO DE CRISTALES A PARTIR DE UNA SOLUCIÓN La solubilidad de cierto sólido en un líquido depende del tipo de interacción fisicoquímica que se establece entre las moléculas, iones o partículas del sólido en solución y las moléculas del solvente y es imposible de prever teóricamente. En general: los solventes polares disuelven a las sustancias iónicas o polares (agua disuelve sales, alcohol, ácidos y bases) los solventes apolares disuelven a las sustancias apolares (disan disuelve grasas y ceras)

La solubilidad es una propiedad muy compleja de interacción entre dos tipos de partículas (iones con moléculas, moléculas con moléculas, etc.) de soluto y solvente. Es tan compleja que no existen métodos teóricos capaces de predecir cuál es la solubilidad de un sólido cualquiera en un líquido cualquiera. Solutos insolubles en todos los solventes comunes (el papel por ejemplo) pueden disolverse en solventes especiales como los líquidos iónicos. La interacción entre soluto y solvente es la que determina la solubilidad, pero esta puede ser afectada muy fuertemente por la presencia de solutos adicionales (efecto del ión común), la temperatura, la presión (sobre todo la solubilidad de los gases), etc. Como regla empírica se dice que los compuestos polares o iónicos se disuelven en solventes polares, ya que los solventes polares tienen interacción fuerte con iones o moléculas con cargas dipolares y los compuestos apolares se disuelven en solventes apolares donde las interacciones que dominan son las de Van der Waals y London. Dicho esto es necesario aclarar que la determinación de la solubilidad de una sustancia en otra solo puede determinarse empíricamente a través de experimentos, y no puede predecirse teóricamente.

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CRECIMIENTO DE CRISTALES A PARTIR DE UNA SOLUCIÓN Solubilidad en g/L de agua pura

La solubilidad depende además de: La temperatura de la solución La presión del sistema La presencia de otros solutos Las curvas de solubilidad registran la variación de ésta con la temperatura. En general la solubilidad de una sal en agua aumenta con la temperatura (excepción CaSO4).

La CURVA DE SOLUBILIDAD es la gráfica que muestra la concentración de saturación de un soluto en un solvente en función de una propiedad que varía. En el caso más común las curvas de solubilidad se realizan en función de la temperatura, pero pueden hacerse frente a otros efectos como se mencionan (presión, concentración de otros solutos, etc.). La forma de la curva de solubilidad permite determinar la mejor manera de preparar una solución sobresaturada de un soluto en un solvente. Cuando un compuesto tiene una curva de solubilidad plana, la solubilidad no varía apreciablemente con la temperatura (como la sal común en agua, NaCl cuya solubilidad varía entre 35.89 y 38.99 g de NaCl en 100g de agua entre temperatura ambiente y la temperatura de ebullición del agua) lo que implica que se disuelve casi siempre la misma masa de sal en agua independientemente de la temperatura. Pero la curva de solubilidad no dice cuál es la velocidad de la disolución, es decir que para preparar una salmuera conviene calentar el agua, ya que la sal se disuelve más rápido a mayor temperatura (aunque no se disolverá más sal por hacerlo en caliente, siempre se disuelve la misma cantidad independientemente de la temperatura). Existen unas pocas sustancias cuyas curvas de solubilidad frente a la temperatura no tienen un comportamiento monótono, es decir aumentan y disminuyen entre 0 y 100 °C por ejemplo el CaSO4.2H2O (sulfato de calcio dihidratado, o yeso) cuya solubilidad aumenta entre 0 y 40 °C y luego disminuye hasta 100 °C. Este comportamiento permite el crecimiento de cristales gigantes en grutas donde circulan aguas subterráneas a temperaturas superiores a la ambiente.

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CRECIMIENTO DE CRISTALES A PARTIR DE UNA SOLUCIÓN Existen tres formas principales de obtener una solución saturada (en equilibrio con el soluto sólido) a partir de una solución no saturada:

- Agregar más soluto - Reducir el volumen de la solución (evaporar solvente) - Reducir la temperatura de una solución no saturada

La obtención de cristales se realiza en forma práctica (tecnológica) de las dos últimas formas.

Para crecer cristales es necesario que una solución saturada se transforme en sobresaturada ya que en esta situación soluto comienza a separarse de la solución ya que ésta no puede disolver mayor cantidad. Fijada la concentración de soluto en un punto de saturación (en la curva de solubilidad), para movernos por encima de la curva de solubilidad solo se puede reducir la temperatura (moviendo hacia abajo la curva de solubilidad) o evaporar el solvente (moviendo hacia la izquierda el punto de concentración fijada en la gráfica). Diapositiva 20

CRECIMIENTO DE CRISTALES A PARTIR DE UNA SOLUCIÓN Sobresaturación: Fenómeno por el cual una solución contiene más soluto que la solubilidad en ciertas condiciones. La sobresaturación es un fenómeno de equilibrio metaestable (estable en ciertas condiciones pero termodinámicamente fuera del equilibrio). Una solución sobresaturada evoluciona hacia una forma estable (saturada) por cristalización (o precipitación) ante la ruptura del equilibrio por algún factor externo. La sobresaturación se logra reduciendo lentamente la temperatura o el volumen de solución de una solución saturada en ausencia de sólido remanente o agentes externos que promuevan la cristalización.

Ese importante el concepto de sobresaturación. Este es un estado metaestable (metaestable quiere decir que es un estado que parece no variar con el tiempo, pero que puede ser llevado a un estado estable con una pequeña perturbación), pero eso no significa que si dejo una solución sobresaturada el tiempo suficiente va a cristalizar. El almíbar es una solución sobresaturada de sacarosa (azúcar común) en agua y puede permanecer estable durante años a temperatura constante. La ruptura de la sobresaturación es un fenómeno cinético y muy dependiente de la formación de núcleos de cristalización viables. En algunos casos solo se puede romper agregando sólido cristalino a la solución. Un ejemplo gráfico de un estado metaestable es un lápiz parado en la punta sobre una mesa que ante cualquier perturbación se cae y llega a un estado estable, horizontal sobre la mesa.

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¿CÓMO SE FORMAN Y CRECEN LOS CRISTALES? En muchos casos los cristales se forman a partir de la solidificación de un líquido (como el hielo en el agua) o condensación de un gas (los copos de nieve en el vapor de agua de la nubes).

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Cuando ponemos agua en una cubetera en un congelador o freezer, el agua líquida se transforma en agua sólida, el hielo que se forma es un compuesto cristalino con estructura ordenada, adquieren cualquier forma porque son microcristales fuertemente adheridos. El Hielo no es como el vidrio. Los copos de nieve que se forman en las nubes en las regiones frías también crecen pero a partir del vapor de agua (agua gaseosa) que hay en las nubes son en general cristales únicos y siempre son hexagonales. Diapositiva 22

¿CÓMO SE FORMAN Y CRECEN LOS CRISTALES? En otros casos se forman por precipitación lenta (cristalización) de un soluto en un solvente. En la naturaleza el solvente puedes ser agua o roca fundida debajo de la corteza terrestre.

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Los cristales pueden crecer a partir de un fundido, como los cristales de mica (muscovita) en rocas ígneas como el granito o a partir de una solución sobresaturada. Los cristales siempre crecen a partir de una pequeña semilla, microscópica, acumulando material ordenadamente en su superficie exterior, pero pueden crecer hasta más de una decena de metros como en la cueva de los cristales gigantes de Naica. El tamaño final de cualquier cristal va a depender de las condiciones en las que crece (si tiene espacio físico para crecer, si tiene material que lo alimente, si tiene competencia por el material por cristales vecinos, etc.). Una vez que removemos un cristal de su medio natural o cambiamos las condiciones del sistema el mismo deja de crecer. En el granito, los cristales componente no siguen creciendo ya que la temperatura a la que está expuesta la roca ya no permite la migración de iones para alimentar los cristales (y posiblemente no haya más material disponible). Los cristales gigantes de Naica, como los cristales ganadores del Concurso de Crecimiento de Cristales de 2014 y 2015 ya no continúan creciendo ya que fueron removidos de sus soluciones madre y no tienen posibilidad de seguir acumulando material en su superficie.

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¿CÓMO SE FORMAN Y CRECEN LOS CRISTALES?

En el esquema las letras L representan un soluto disuelto en un solvente (líquido celeste) contenido en un recipiente. En una solución las moléculas, iónes o átomos de soluto (azul) se encuentran homogéneamente dispersas (hay moléculas en todo el espacio disponible de la solución) y están todo el tiempo en movimiento (en la página siguiente hay una animación). Diapositiva 24

¿CÓMO SE FORMAN Y CRECEN LOS CRISTALES?

(Haga click para activar animación). En una solución las moléculas, iónes o átomos (partículas) de soluto (azul) se encuentran homogéneamente dispersas (hay moléculas en todo el espacio disponible de la solución) y están todo el tiempo en movimiento. Si la solución es diluida (no saturada) el estado del sistema es estable y las partículas de soluto pueden permanecer en movimiento en forma perpetua (asumiendo que la densidad de las partículas es igual que la del solvente).

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¿CÓMO SE FORMAN Y CRECEN LOS CRISTALES?

(En la versión .ppt del archivo hay una animación disponible). En circunstancias favorables algunas unidades de soluto se unen entre si formando núcleos de cristalización. Los núcleos de cristalización son submicroscópicos ya que están formados por pocas partículas de soluto y no son aún cristales, pero comienzan a tener propiedades fisicoquímicas separadas de la solución. Tampoco son una semilla que ya es un cristal diminuto, con las propiedades características de éste. Los núcleos pueden formarse en el seno de la solución (nucleación homogénea) y existir en ella, moviéndose como el resto de las partículas de soluto, o formarse en las paredes del recipiente o la superficie de la solución (nucleación heterogénea). De la probabilidad de formación de núcleos tanto en el seno de la solución como en los límites de ella, dependerá cuantos cristales se formen a partir de una solución sobresaturada y cuan grandes y rápido crezcan (cuanto menos núcleos, éstos formarán semillas más rápidamente y estas crecerán acumulando más material, creciendo más grandes).

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¿CÓMO SE FORMAN Y CRECEN LOS CRISTALES?

(En la versión .ppt del archivo hay una animación disponible). En algunas circunstancias, casuales e impredecibles, dos o más moléculas se unen y se produce la formación de un núcleo. Estos núcleos la mayor parte de las veces son inestables y se vuelven a descomponer. El proceso es dinámico y aleatorio, todo el tiempo se forman nuevos núcleos, muchos estáticos, muchos en movimiento, mucho se disgregan y otros acumulan más partículas, creciendo para formar finalmente cristales diminutos que llamamos semillas.

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¿CÓMO SE FORMAN Y CRECEN LOS CRISTALES?

(En la versión .ppt del archivo hay una animación disponible). El núcleo de cristalización, que es mayor que las partículas individuales, puede captar más moléculas y crecer, a expensas de las partículas que están en la solución o puede volver a disgregarse, esto sucede todo el tiempo en una solución se forma y descomponen núcleos permanentemente. Diapositiva 28

¿CÓMO SE FORMAN Y CRECEN LOS CRISTALES?

(En la versión .ppt del archivo hay una animación disponible). Un núcleo puede disgregarse o crecer a partir de nuevas partículas de soluto que se agregan al núcleo inicial, siempre manteniendo el patrón ordenado del núcleo. Crece el núcleo hasta convertirse en una semilla. La semilla ya es un cristal, puede ser macroscópica y es estable si se mantienen las condiciones que propiciaron su formación.

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¿CÓMO SE FORMAN Y CRECEN LOS CRISTALES?

(En la versión .ppt del archivo hay una animación disponible). La semilla puede crecer a expensas del soluto que sobresatura la solución. Sin sobresaturación no se forman cristales. A medida que crece la semilla la solución pierde soluto y se va reduciendo la sobresaturación de la misma. La semilla, ya cristal, deja de crecer cuando la solución alcanza la concentración de equilibrio de soluto (la concentración que representa la solubilidad del soluto en el solvente.

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¿CÓMO SE FORMAN Y CRECEN LOS CRISTALES?

Cuando la cantidad de partículas de soluto en el solvente es poca, ya no crece más la semilla, se llega a un equilibrio. La solución siempre conserva algo del soluto, la solución en equilibrio está saturada. El cristal alcanza su máxima masa y no crece más al no haber soluto disponible para separarse de la solución que se encuentra en equilibrio.

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¿CÓMO SE FORMAN Y CRECEN LOS CRISTALES? Semillas y cristal de sulfato de cobre(ii) pentahidrado

Cristales de sulfato de cobre pentahidratado Diapositiva 32

¿CÓMO SE FORMAN Y CRECEN LOS CRISTALES? Los cristales crecen gracias a la adición de moléculas o partículas del cristal en puntos especiales de las caras del cristal. Dependiendo de la sustancia y la solución las caras crecen por los bordes, escalones o por el centro de las terrazas. El proceso puede precisar dislocaciones (defectos) en particular son frecuentes las dislocaciones en espiral que generan crecimiento de cristales.

Los cristales crecen por acumulación de partículas en las caras exteriores del cristal. En una superficie del cristal nuevas unidades pueden unirse en solo tres lugares: en los bordes del cristal, en terrazas de crecimiento o en puntos aislados. Dependiendo de cuál proceso domine será la forma y velocidad de crecimiento de los cristales. El crecimiento en sitios aislados tiene menos chance de prosperar que el crecimiento en bordes de terrazas ya que la partícula aislada está expuesta a remoción por interacción con el solvente, las partículas en bordes de terrazas están protegidas. La forma de crecimiento puede ser rectangular en terrazas o puede tener otras formas como pirámides o espirales, dependen de la sustancia y las condiciones del medio que afectan sobre todo a la velocidad de crecimiento.

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¿CÓMO SE FORMAN Y CRECEN LOS CRISTALES?

Los distintos crecimientos dependen también de la estabilidad de las caras. Las caras del cristal que crecen más rápido por acreción de material en sus bordes terminan siendo las que determinan la forma del cristal ya que cuando crecen se encuentran entre ellas y lo terminan limitando. Diapositiva 34

¿CÓMO SE FORMAN Y CRECEN LOS CRISTALES?

Crecimiento de un cristal a partir de una dislocación helicoidal combinado con el crecimiento en terrazas, cada “vuelta” de la espiral es una terraza que crece a la misma velocidad que la anterior por lo tanto la distancia entre escalones se mantiene con el tiempo.

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¿CÓMO SE FORMAN Y CRECEN LOS CRISTALES?

Izquierda: Crecimiento de islas bidimensionales en la superficie de un cristal de lisozima en función del tiempo. Las islas aparecen y desaparecen (puntos), algunas crecen, otras no lo consiguen. Derecha: Crecimiento de K2SO4 en forma de espirales en dislocaciones. Arriba microscopio óptico, abajo microscopio de fuerza atómica. Los escalones de la espiral tienen una celda de alto. Diapositiva 36

CRECIMIENTO DE CRISTALES A PARTIR DE UNA SOLUCIÓN En función de la concentración de una solución es posible definir distintas zonas donde el comportamiento o evolución de esa solución es distinto. Podemos definir una zona estable donde la solución esta insaturada (la zona es estable porque la solución mantiene su integridad a temperatura y presión constantes) Podemos definir una zona metaestable donde una solución sobresaturada no forma sólido (no alcanza el equilibrio) a no ser que se la perturbe. Podemos definir una zona inestable o lábil donde la solución forma cristales, o sólido en forma espontánea.

Curva de solubilidad, zonas estables e inestables. Ayudan a preparar la solución para trabajar. Una solución en la zona inestable forma semillas simultáneamente en todas direcciones Cuanto más ancha sea la zona metaestable más sencillo será preparar una solución sobresaturada capaz de crecer lentamente un monocristal de gran tamaño y buen calidad. En general los sólidos con curvas de solubilidad muy empinadas tienen zonas metaestables angostas y difíciles de estabilizar.

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CRECIMIENTO DE CRISTALES A PARTIR DE UNA SOLUCIÓN

Este diagrama es crucial para entender el trabajo a realizar. Para obtener las semillas que se usarán para crecer los cristales hay que estar en la zona inestable donde se forman muchos cristales pequeños simultáneamente. Para crecer un cristal a partir de una semilla hay que estar en la zona metaestable donde la semilla es el único lugar donde se deposita el soluto que sobresatura la solución. Si la solución está insaturada la semilla se va a disolver. Si la solución está en la zona inestable además de crecer la semilla crecen otros cristales. Una solución sobresaturada bien preparada no puede tener cristales en el fondo, porque si tiene cristales ya llegó al equilibrio. Diapositiva 38

CRECIMIENTO DE CRISTALES A PARTIR DE UNA SOLUCIÓN Si colocamos un cristal en una solución en la zona estable el cristal se disuelve (aumenta la concentración de la solución) y se establece una nueva solución en la zona estable o en el límite de saturación (disolución parcial del cristal y establecimiento del equilibrio). Si colocamos un cristal en una solución en la zona metaestable la solución se vuelve inestable y procura alcanzar el equilibro creciendo sólido sobre el cristal. En una solución inestable crecen espontáneamente cristales en el seno del líquido, la superficie o las paredes del recipiente que la contiene. El crecimiento de cristales macroscópicos perfectos debe llevarse a cabo en la zona metaestable.

Es muy importante recordar la curva de solubilidad y las distintas regiones para saber cómo manipular un cristal que se desea crecer. Si un cristal se coloca en una solución diluida como la solución puede aún disolver soluto, el cristal se disolverá a una velocidad que depende de la distancia entre la concentración de la solución y la solubilidad. Para crecer un cristal hay que tener una solución sobresaturada que puede ser metaestable o estar en proceso de reducción de temperatura. Para crecer cristales de buena calidad la solución debe ser metaestable y el cristal debe crecer a temperatura constante. Enfriando lentamente una solución podemos también crecer buenos cristales pero hay que lograr que el proceso sea realmente lento.

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CRECIMIENTO DE CRISTALES DE SULFATO DE COBRE (II) Se realiza experimento de obtención de una semilla y crecimiento de la misma en condiciones de zona inestable.

El proceso se usa para mostrar la metodología de trabajo en un tiempo razonable, no debe ser utilizado para crecer cristales perfectos de gran tamaño. Para crecer cristales perfectos hay que trabajar siempre en la zona metaestable.

Ver los videos explicativos del proceso práctico para obtener semillas y crecer cristales de sulfato de cobre pentahidratado. Diapositiva 40

COMPUESTOS DE TRABAJO El Concurso Nacional de Crecimiento de Cristales se desarrollará, en la Categoría 2, creciendo un monocristal de alguno de los compuestos que se recomiendan en la guía de trabajo y el material de lectura recomendado. En Categoría 1 ha que crecer un jardín de cristales de sulfato de cobre, azúcar u otro compuesto pero el jardín debe tener una mayoría de cristales. Ver bases del concurso por más detalles: http://www.cncc.fq.edu.uy

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SEGURIDAD Seguridad: El alumbre de potasio es un compuesto inocuo aunque sus soluciones concentradas pueden ser irritantes de la piel y los ojos. En caso de contacto con la piel lavar inmediatamente con abundante agua fria, lavar la ropa y zapatos antes de volver a usar. Encaso de contacto con los ojos remover lentes de contacto si existen y lavar con abundante agua fría por al menos 15 minutos. La ingestión puede causar malestar de estómago. No inducir el vómito a no ser que sea indicado por médico. Consultar la hoja de seguridad MSDS por más información.

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SEGURIDAD

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SEGURIDAD Seguridad: El sulfato de cobre es un compuesto tóxico si se ingiere en cantidades del orden de 1 g, produciendo intoxicación con cobre. Sus soluciones causan irritación y ardor en heridas y mucosas. En caso de contacto con la piel lavar inmediatamente con abundante agua fria, lavar la ropa y zapatos antes de volver a usar. Encaso de contacto con los ojos remover lentes de contacto si existen y lavar con abundante agua fría por al menos 15 minutos. La ingestión puede causar malestar de estómago y probablemente cause vómitos a quien lo ingiera (el compuesto se usaba antiguamente como vomitivo). Consultar la hoja de seguridad MSDS por más información.

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SEGURIDAD

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UNA POSIBLE TÉCNICA Preparación y selección de semillas: Preparar 50 ml de una solución saturada de KAl(SO4)2 .12H2O en caliente (>50 °C).

Verter y dejar enfriar en plato, vaso de boca ancha o placa de Petri apoyada sobre un sólido no conductor como madera o espuma plast (para hacer lento el proceso) por una noche para obtener semillas. Seleccionar una semilla con lupa procurando una que tenga el menor número de imperfecciones posibles. De estar disponible lupa binocular o microscopio polarizante utilizarlo para inspeccionar mejor la calidad de la semilla. Separe varias semillas adecuadas para tener disponibles en caso de que algo funcione mal con la seleccionada. Adherir la semilla seleccionada a una tanza fina utilizando cemento de contacto en gel (La Gotita Gel es ideal).

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UNA POSIBLE TÉCNICA Preparación y selección de semillas:

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UNA POSIBLE TÉCNICA Preparación de solución sobresaturada: Preparar 500 ml de una solución sobresaturada. Para hacerlo saturar a temperatura ambiente 500 ml de agua destilada o filtrada (a mayor pureza mejor resultado). Una vez saturada agregar una pequeña proporción de sólido adicional que el que se usó para para saturar. Calentar la solución hasta disolución total del sólido, dejar enfriar lentamente dentro de un recipiente de espuma plast o sobre una superficie mal conductora del calor. Si la solución al enfriar forma cristales en el fondo del vaso no es metaestable sino que está en la zona lábil. Quiere decir que tiene demasiado soluto. Deje precipitar por un día entero la solución que queda saturada a temperatura ambiente, filtre el sólido y sobre la misma solución agregue una porción menor de sólido calentando hasta disolución total y vuelva a dejar enfriar.

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UNA POSIBLE TÉCNICA Preparación de solución sobresaturada y colocación de semilla en alambre de cobre:

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UNA POSIBLE TÉCNICA Ejemplo de crecimiento de KH2PO4. A partir de una semilla muy pequeña se pueden crecer cristales grandes de :

Semill a

Día 1

0.866g

Día 6

Día 4

5.287g

4.433g

0.008g 21mm

5mm

14mm

31mm

Una semilla del compuesto fosfato diácido de potasio se separa de su solución madre, se pega con “la gotita” a un alambre de cobre y se introduce en una solución sobresaturada del compuesto. La semilla crece por agregado de iones fosfato y potasio hasta formar un cristal grande.

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INFORMACIÓN SOBRE EL CONCURSO http://www.cncc.fq.edu.uy/

Están las bases de concurso, una guía para tutores con sugerencias y detalles experimentales y preguntas frecuentes y links a sitios internacionales con información. Además hay una página para registrarse como interesados en ser tutores del concurso. Los tutores que no se registren no podrán participar. Los tutores que no participen en un taller no podrán participar. Cada tutor puede tener solo un grupo de estudiantes en cada institución.

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CONSULTAS Por consultas envíe un correo electrónico a

[email protected] Esta presentación está disponible libremente para descargar en: http://www.cncc.fq.edu.uy/presentación-2016.ppt