CRISTALIZACIÓN
¿Dónde podemos encontrar cristales? Los cristales están en todas partes:
- Los huesos y los dientes están formados por cristales de apatito (Ca3(PO4)2).
- En el oído interno hay cristales de aragonito (CaCO3) que nos indican la dirección de la gravedad.
- La sal común, el axúcar, la arena de la playa son cristales - El hielo es agua cristalizada.
- Las partes duras de los animales marinos, como las conchas, están formados por cristales. - La cáscara del huevo está formada por calcita (CaCO3).
- Los corales y las perlas están compuestos de cristales de CaCO3.
- Para medir el tiempo en los relojes se usan cristales de cuarzo.
- En la utilización de la energía solar fotovoltaica los cristales de silicio o arseniuro de galio convierten la luz en electricidad.
- Para generar rayos láser se usan cristales de óxidos.
¿Es lo mismo vidrio y cristal?
Llamar cristal al vidrio es un uso coloquial aceptado, pero no es correcto desde el punto de vista de la química.
El vidrio es un material inorgánico, duro, frágil, transparente y amorfo que se origina en la naturaleza y puede ser creado artificialmente por el hombre. El vidrio artificial se usa para hacer ventanas, lentes, botellas y una gran variedad de productos. El vidrio se crea por fusión a unos 1500ºC de arena de sílice (SiO2), carbonato de sodio (Na2CO3) y caliza (CaCO3) seguido de un
enfriamiento muy rápido. No tiene sus átomos ordenados y su estructura tridimensional no forma una red con simetría.
Un cristal es un sólido homogéneo que tiene sus partículas (átomos, iones o moléculas) dispuestas en una red tridimensional (en las tres direcciones del espacio), guardando un orden y unas ciertas simetrías (ocupan posiciones periódicamente distribuidas). Esta disposición se repite infinitamente dando lugar a la estructura cristalina. A la estructura que se repite se le denomina celda o célula unidad.
¿Qué es el ADP?
Su nombre es dihidrógeno fosfato de amonio (NH4H2PO4, ammonium
dihydrogen phospate en inglés).
Se obtiene por una reacción de neutralización entre el ácido fosfórico (H3PO4)
y el amoniaco (NH3): H3PO4 + NH3 NH4H2PO4
Cristaliza en prismas tetragonales. Se utiliza a menudo en la mezcla de fertilizantes agrícolas, ya que suministra al suelo nitrógeno y fósforo en una forma utilizable por las plantas. También es un componente del polvo químico seco usado en algunos extintores de incendios.
Es piezoeléctrico, lo que implica que cuando se deforma (si se somete a tensión mecánica), aparece una diferencia de potencial. Por ello, se puede utilizar en el sónar (las ondas sonoras producidas por los submarinos pueden ser detectadas por el cristal, ya que lo golpean y provocan una corriente eléctrica, de forma que se conoce la distancia a la que se encuentra el submarino u obstáculo). También ocurre el fenómeno inverso, si se somete el cristal a tensión eléctrica, se comprime y se relaja.
¿Qué es la cristalografía?
La cristalografía es la ciencia que se dedica al estudio del crecimiento, la forma y la geometría de las estructuras cristalinas. Nació buscando una explicación para la regularidad y simetría que presentaban los cristales externamente.
Los cristales se clasifican según sean las propiedades de simetría de la célula cristalina. En función de distintos parámetros de red (valor de las aristas independientes a, b y c y los ángulos α, β y γ se obtienen 7 sistemas cristalinos: cúbico, tetragonal, ortorrómbico, hexagonal, trigonal, monoclínico y triclínico.
La forma final con la que aparece un cristal (siempre que no tenga limitación de espacio) se denomina hábito y es fiel reflejo de su estructura interna. Existen diferentes tipos de hábitos. Su nombre es el de la figura geométrica que forman (figura cristalográfica).
El ADP cristaliza en el sistema tetragonal dando lugar a cristales en forma de prismas con extremos piramidales. La celda unidad de la red cristalina podríamos formarla a partir de un cubo que estirásemos en una de sus direcciones, de forma que quedaría un prisma de base cuadrada, con una celda unidad con los tres ángulos rectos, siendo dos de las aristas de la celda iguales y la tercera distinta a ellas.
¿Cómo conocer la estructura y orden de los cristales? La técnica utilizada es la difracción de rayos X. Los cristalógrafos irradian con rayos X los cristales y pueden determinar cómo se enlazan los átomos y la fortaleza de los distintos enlaces.
Proceso de cristalización
Según su concentración (cantidad de soluto en la disolución), las disoluciones pueden ser: a) Diluida: la cantidad de soluto de la disolución es muy pequeña.
b) Concentrada: la cantidad de soluto de la disolución es muy elevada aunque todavía puede disolverse más soluto.
c) Saturada: en la disolución se ha llegado al máximo de soluto que se puede admitir. Si echamos más soluto no se disolverá.
La solubilidad es la concentración de la disolución saturada. La solubilidad de casi todas las sustancias sólidas en líquidos aumenta con la temperatura. La influencia de la temperatura en la solubilidad se refleja en las curvas de solubilidad. La curva de solubilidad es la representación gráfica que indica la solubilidad (máxima cantidad de soluto que puede ser disuelto en una cantidad de disolvente a una presión y temperatura determinadas, en el eje y) frente a la temperatura (eje x). En la curva de solubilidad se pueden distinguir tres zonas:
- Zona lábil = Zona de precipitación: la formación de cristales nuevos o núcleos ocurre de forma espontánea a partir de una solución que no contiene cristales o SEMILLAS.
- Zona de nucleación: el soluto en exceso a la concentración de equilibrio se deposita en cristales existentes y forma nuevos núcleos.
- Zona metaestable: el soluto en exceso a la concentración de equilibrio se deposita en cristales ya existentes (sembrados o formados por nucleación), pero no forma cristales nuevos o núcleos.
El proceso de cristalización a partir de una disolución consiste en conseguir una sobresaturación, ya sea por evaporación del disolvente, por un enfriamiento muy lento, por una reacción química con otras sustancias o por otros métodos. La técnica de cristalización que nosotros usamos fue la de enfriamiento.
La nucleación requiere vencer barrera energética. Se pueden distinguir dos tipos de nucleación: - Nucleación homogénea: se produce en el seno de la solución y se genera por la interacción entre las moléculas, átomos o iones que formarán el cristal sin la influencia de partículas extrañas. Se forma un núcleo totalmente rodeado de líquido.
1. Primera fase: nucleación. ¿Cómo formar un cristal de ADP?
En un recipiente (vaso de precipitados, olla…) se añaden 500 ml de agua y se calienta. Se disuelve en esta agua caliente 300 g de ADP agitando con cuidado para que la sal se disuelva más rápidamente. De esta forma la concentración es de 60 g por cada 100 ml. Se sigue calentando hasta llevar la disolución a ebullición. A continuación se deja enfriar la disolución hasta los 80ºC con el propósito de evitar que el vaso se deforme por el calor excesivo. Alcanzados esos 80ºC se vierte todo el material en el vaso de plástico en el contenedor de poliestireno. Se cierra y se deja en un lugar térmica y mecánicamente estable.
Si te fijas, una vez que se ha vertido toda la disolución en el vaso de plástico, se forma una fina lámina en las paredes del vaso de precipitados que se ha utilizado para calentar. A medida que se va secando aparecen unos cristales laminares que se ven crecer rápidamente a simple vista. Esta morfología se debe a le enorme velocidad a la que se evapora la lámina caliente de disolución. En las zonas donde la lámina es especialmente fina y se evapora más rápidamente, se formarán dendritas cristalinas fractales (con forma de árboles o de helechos).
Lo que ocurre cuando se enfría la disolución a una cierta temperatura es que ya no puede tener tanto ADP disuelto y expulsa en forma de sólido todo lo que le sobra. Al principio sólo un poco, pero después, a medida que baja la temperatura, más y más. Las moléculas de ADP empiezan a colocarse ordenadamente formando un cristal. Y es que un cristal no es otra cosa que una estructura sólida muy
ordenada, que va creciendo a medida que las moléculas se van añadiendo a él de forma ordenada, como en el juego del Tetris. Las moléculas que están en la disolución se acercan a la superficie del cristal y se colocan sobre ella. Se pasean por la cara hasta llegar a un peldaño de la cara, donde se enlazan con más fuerza. Entonces se mueven por el peldaño hasta llegar hasta una posición de rincón, en la que se colocan ya de forma irreversible.
Por eso, cuanto más lento es el enfriamiento más lentamente se colocan las moléculas y un cristal puede crecer más y mejor. Si hubiéramos enfriado muy rápido la disolución, por ejemplo, poniendo el vaso de plástico fuera del de poliestireno, ¿qué hubiera pasado? Todo el exceso de ADP que le sobraba a la disolución se expulsaría rápidamente, por lo que las moléculas de ADP no hubieran tenido tiempo para ordenarse bien en un solo cristal y se habrían formado miles de cristales pequeñitos. Como lo hacemos lentamente se forman pocos, pero grandes.
La nucleación cristalina es un proceso probabilístico. Aunque se controlen absolutamente todos los parámetros y se realicen dos experimentos absolutamente idénticos los cristales resultantes no serán iguales.
2. Segunda fase: crecimiento. ¿Cómo hacer crecer un cristal de ADP?
Un núcleo se define como un conjunto de partículas (átomos, iones, moléculas…) ordenadamente dispuestas, de modo que puedan servir de germen o semilla a un futuro cristal.
El método que usan los cristalógrafos para crecer cristales aún más grandes es introducir en la disolución una semilla, es decir, un cristal. Hay que sacar un cristal previo ya crecido de su disolución y eliminar algunos cristales para dar la forma deseada al agregado que servirá de semilla para un posterior experimento. En conclusión, se seleccionan los mejores cristales que se utilizan como siembra para futuras cristalizaciones.
núcleos cristalinos. La mejor concentración de ADP con la que se consiguen mejores resultados está entre los 50 y 57 g de ADP por cada 100 ml de agua. Con menos cantidad se disuelve la semilla y con más crece de forma demasiado desordenada.
Cuanto más grande se quiere que crezca la semilla cristalina, más disolución hay que preparar, pero es importante hacerlo en más de un paso (varias recristalizaciones), ya que cada vez que se hace un crecimiento se puede modificar la semilla quitándole alguna parte que no interese. Si se hace en un solo paso puede que salga una forma no deseada o un cristal de poca calidad y se desperdicia tiempo y material.
El cristal obtenido la primera vez y en sucesivas ocasiones se rompe y se separa la parte que más nos gusta o se van quitando directamente los pequeños y finos cristales para dejar solo los grandes que se quieren recrecer. Hay que hacerlo con guantes y herramientas para no cortarse con los cristales de ADP. Estos cristales sobrantes se pueden usar como soluto al hacer la disolución.
Nunca hay que verte la disolución directamente sobre la semilla, a que se podría disolver rápidamente. Es mejor verter la disolución caliente sobre uno de los lados del recipiente donde se va a recrecer el cristal y siempre que no supere la temperatura de 50º C.
Si en nuestra composición cristalina final obtenemos:
a) Muchos cristales pequeños. Se debe a un enfriamiento relativamente rápido.
b) Menos cristales, pero de mayor tamaño. Estoes debido a un enfriamiento más lento conseguido al aumentar el aislamiento del recipiente que contenía la disolución.
Material empleado en el proceso de cristalización - Kit de Triana.
- Varilla agitadora de vidrio - Placa calefactora
- Termómetro
- Vasos de precipitados
- Guantes de kevlar de protección térmica - Balanza electrónica
- Espátula - Papel de filtro
- Recipientes diversos (bol de vidrio, táperes con distintas formas) y cajas de poliesterno con relleno de papel
- Sustancias químicas: NH4H2PO4 (ADP), agua, colorantes alimentarios (azul indigotina E-132, rojo
fresa E-122, amarillo tartracina E-102 y violeta E-122)
Consejos para cristalizar
- Los cristales eliminados pueden reciclarse. Así, los restos de cristal que sobren de modificar la semilla se pueden usar como soluto.
- La disolución debe cubrir sobradamente la semilla para que esta pueda crecer bien hacia arriba. En caso contrario, el cristal queda truncado en su superficie, ya que no puede crecer por el bajo nivel de la disolución en el recipiente.
- Si no se dispone de un recipiente lo suficientemente grande para calentar la disolución puede calentarse en dos (o más) recipientes y verter el contenido de ambos a la vez.
¿Quién es Juan Manuel García-Ruiz?
Es profesor de investigación del CSIC del Laboratorio de Estudios Cristalográficos de Granada. Ha contribuido enormemente con sus aportaciones al campo de la cristalografía.
Es un experto internacional en cristalización de fármacos y proteínas, incluyendo la cristalización en el espacio. Le interesa especialmente la frontera entre el mundo mineral y el biológico. Uno de sus trabajos consistió en analizar los estromatolitos, rocas que datan de hace más de 3800 millones de años que se encuentran en Australia. Algunos expertos
afirman que estas rocas tienen origen biológico y suponen el origen de la vida. Sin embargo, Juan Manuel García Ruiz cree que esas estructuras se pueden explicar sin necesidad de meter a la vida por medio, cuestionando el origen biológico de los que son considerados como los fósiles más antiguos de nuestro planeta.
Creó la compañía Triana Science & Technology, que fabrica y comercializa productos de cristalización y cristalografía.
Tiene gran interés por la divulgación científica, por lo que participa en conferencias y congresos, en programas de radio o televisión, en guiones de documentales y en artículos de prensa y revistas científicas (es autor de más de 150 publicaciones científicas). Ha realizado, junto a Javier Trueba, el documental “El Misterio de los Cristales Gigantes”.
¿Qué es una geoda?
Las geodas son cavidades rocosas en las que han cristalizado minerales que llegan hasta estas rocas disueltos en aguas subterráneas. El proceso de cristalización se produce en capas en las paredes de la cavidad, por lo que pueden encontrarse geodas huecas o pueden estar completamente rellenas. Los cristales están formados en la mayor parte de los casos por calcita, yeso o alguna variedad de cuarzo. Los lugares donde se encuentran con mayor frecuencia son las zonas desérticas, ya que es aquí donde se favorece una mayor precipitación mineral en los huecos generados en las rocas. Pero no son las únicas áreas en las que se pueden encontrar.
Las geodas más grandes conocidas se han descubierto en la última década: la geoda de Pulpí, en Almería (España) y la impresionante cueva de Naica, en pleno desierto de Chihuahua (México).
La cueva de los cristales gigantes de Naica
El más espectacular ejemplo de armonía cristalina estaba oculto en una montaña minera en el desierto mexicano de Chihuahua:
Referencias:
- Carteles concurso cristalización 2014: http://goo.gl/kCJVgN
- El arte y la ciencia de los cristales: http://goo.gl/iYJl5m
- Concurso de cristalización en la escuela: http://www.lec.csic.es/concurso/
- Triana Tech. El mundo de los cristales: http://trianatech.com/thehouse/
- Web de Juan Manuel García Ruiz: http://garciaruiz.net/juanma/Inicio.html
- Cristales. Fundación Descubre: https://cristales.fundaciondescubre.es/?lang=es
- La cueva de los cristales gigantes de Naica, artículo de El País:
http://elpais.com/diario/2008/10/05/eps/1223188014_850215.html
- Documental de la cueva de los cristales gigantes de Naica:
