red de actividades de modelación-graficación
2 ESCOM-IPN
Enseñanza 175 ¿Qué es la cristalización?
La cristalización es un proceso físico en el cual se forman cristales a partir de una solución líquida o gaseosa. Este proceso se lleva a cabo en dos etapas: la nucleación y el crecimiento del cristal. Para que estas etapas sucedan, las condiciones dentro de la solución deben ser energéticamente favorables ya que el sistema pasa de un estado de desequilibrio a uno de equilibrio que involucra un descenso de energía para compensar el incremento de orden. La cristalización es ampliamente utilizada a nivel industrial para purificar productos.
¿Cómo se forman los cristales?
La formación de una fase cristalina puede considerarse que ocurre en tres etapas. En la primera se debe alcanzar un cierto grado de sobresaturación o sobrenfriamiento. Durante la segunda etapa se empiezan a formar los cristales, proceso conocido como nucleación. La tercera etapa es el crecimiento de los cristales formados (Carvajal C. & Correa H., 1986).
Saturación y sobresaturación
La sobresaturación es la fuerza impulsora que permite que la cristalización se lleve a cabo (Mettler Toledo, s.f). De este parámetro dependen la nucleación y el crecimiento (tamaño final) de los cristales. La sobresaturación se define como la concentración de soluto en exceso en una solución saturada a ciertas condiciones de presión y temperatura (Mettler Toledo, s.f). La saturación es el resultado del equilibrio entre la fase sólida y la fase líquida Ochoa, S., s.f), por lo tanto, la sobresaturación es un estado de desequilibrio. De forma gráfica se puede representar la solubilidad de un soluto a diferentes temperaturas en curvas de solubilidad.
176 Enseñanza Al enfriar una solución saturada, el sistema pasa a la región metaestable donde la solución se transforma en sobresaturada. Conforme se siga enfriando alcanzará una temperatura en la que suceda la nucleación del cristal: el límite metaestable.
Nucleación de Cristales.
La formación de cristales ocurre cuando un sistema está suficientemente desviado del equilibrio (sobresaturación), tendiendo a él cuando se forma la otra fase. Consiste en la generación de nuevos núcleos cristalinos en el seno de la fase fluida homogénea sobresaturada. La nucleación o formación de cristales puede producirse espontáneamente (nucleación homogénea) o inducida, por siembra de cristales de la misma sustancia o por partículas extrañas (nucleación heterogénea) (Khamskii E., 1969).
Crecimiento de cristales
El crecimiento cristalino consiste en el aumento de tamaño (o, para ser más precisos, de la "longitud característica") de los cristales a medida que se deposita un soluto desde la solución. 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 (Seguí L., 2018).
Desarrollo
Material Cantidad Material Cantidad
Pinzas para ropa Necesarias Recipiente para
calentar 1 Balanza o taza medidora 1 Recipientes (Ej. vasos) 2 Azúcar 350 g
(2 tazas) Palitos de madera 2
Agua 125 ml
(1/2 taza)
Papel encerado 1 pliego
Cucharas Necesarias Colorante comestible
(opcional) Al gusto
Estufa o parrilla
para calentar 1
Saborizante
Enseñanza 177 Fig. 2. Material necesario
Desarrollo experimental:
1. Medir las cantidades necesarias de azúcar y agua.
2. Mojar los palitos hasta el nivel donde se quiera que cristalice el azúcar.
3. Rebozar los palitos mojados con azúcar. En este paso ocurre la siembra de
cristales, ya que agregando una “semilla” de la forma cristalina se favorece la nucleación.
4. Dejar secar los palitos rebozados.
5. Calentar el agua.
6. Agregar el azúcar poco a poco (a cucharadas) sin dejar de calentar. En cada
adición revolver la solución hasta que se disuelva el azúcar completamente. De acuerdo con las curvas de solubilidad, cuanto mayor sea la temperatura del agua es posible disolver más azúcar, generando una solución saturada.
7. Cuando se haya disuelto toda la azúcar, dejar hervir 1 o 2 minutos.
8. Separar la solución en los recipientes, y llenarlos hasta que cubran toda la
azúcar del palito rebosado.
9. Añadir el colorante y el saborizante al gusto.
10.Dejar enfriar 3 minutos. Aquí ocurre la sobresaturación, pues al enfriar una solución saturada, esta se transforma en sobresaturada.
11.Con las pinzas para ropa colocar los palitos rebozados dentro de los recipientes sin que toque el fondo o las paredes. En este paso ocurre la nucleación, o sea los cristales comienzan a formarse.
178 Enseñanza 12.Dejar reposar unos días (hasta que la paleta tome el grosor deseado). Durante
este tiempo observamos el crecimiento del cristal. Los cristales aumentan de tamaño con el paso de los días. Se prefiere que este crecimiento sea lento para excluir las impurezas que pueda haber en la solución.
13.Para sacar las paletas romper el cristal de la superficie. 14.Extraer la paleta.
15.Colocar la paleta en papel encerado.
16.Con las pinzas, colocar las paletas dentro de un recipiente limpio para que escurra el excedente.
17.Envolver las paletas en bolsitas de plástico.
Fig. 3: Diagrama de bloques del desarrollo experimental
1
2-4
5
6
6
7
8-10
11-12
13
14-15
16
17
Enseñanza 179
Resultados obtenidos
Se creció un cristal alrededor de la semilla colocada en los palitos de madera después de dejar enfriar la solución de agua-azúcar durante 9 días. Los cristales tienen formas diferentes: el morado es largo y delgado mientras que el amarillo es más corto y ancho.
Fig. 4: Paletas de cristales de azúcar
Conclusiones
1. El enfriamiento lento favorece el tamaño y la pureza de los cristales.
2. Al colocar una “semilla” de azúcar, se favorece el crecimiento del cristal en estas zonas.
3. Los cristales formados pueden disolverse si se les echa agua.
Aprendizajes esperados
1. Conocer los fundamentos de la cristalización.
2. Reconocer las diferencias entre un sólido cristalino y uno amorfo. 3. Desarrollar las habilidades motrices necesarias para manejar
adecuadamente sustancias y material para generar cristales de azúcar. 4. Observar macroscópicamente la formación de cristales de azúcar.
Agradecimientos
Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACyT) por la beca recibida para formarnos como investigadoras.
180 Enseñanza Al Instituto Politécnico Nacional (IPN) y la Escuela Superior de Física y Matemáticas (ESFM) por brindarnos la oportunidad de continuar nuestros estudios en su prestigiosa institución.
A nuestros directores de Tesis, la Doctora Lourdes Albor y el Doctor Miguel González por todo su apoyo, amistad, instrucción y sugerencias a lo largo del desarrollo de este trabajo.
Referencias
Asociación Argentina de Cristalografía. (s.f). Crecimiento de cristales. Obtenido de Conceptos Generales: http://www.cristalografia.com.ar/images/pdf/Unidad3.pdf Carvajal C. y Correa H. (1986) Cristalización desde soluciones. Contribuciones Científicas y tecnológicas N°72. Área Ingeniería Química VII.
González W. & Mancini H. (2002) Ciencia de los Materiales. Sólidos Cristalinos. Universidad de Navarra. España. Pág. 23. versión electrónica
https://docplayer.es/52286780-Ciencia-de-los-materiales-wenceslao-gonzalez- vinas-hector-luis-mancini.html
Grupo de Innovación Docente en Operativa de Laboratorios Químicos. (s.f). Universitat de Barcelona. Obtenido de: Técnicas y operaciones avanzadas en el laboratorio químico (TALQ): http://www.ub.edu/talq/es/node/209
Khamskii E. (1969) Cristalización desde soluciones. Consultants Bureau. Nueva York. Recuperado de:
http://www.revistas.usach.cl/ojs/index.php/contribuciones/article/view/2355/2172 METTLER TOLEDO. (s.f). La fuerza impulsora de la nucleación y el crecimiento de los cristales. Obtenido de Desarrollo de la supersaturación y la cristalización: https://www.mt.com/mx/es/home/applications/L1_AutoChem_Applications/L2_Crys tallization/Supersaturation_Application.html
Ochoa, S. (s.f.). Cristalización. Obtenido de
http://sgpwe.izt.uam.mx/files/users/uami/sho/Cristalizacion.pdf
Seguí L. (2018) Nucleación y crecimiento del cristal. Blog: Ingeniería de Procesos Biotecnológicos. Recuperado de:
Enseñanza 181