Introducción al crecimiento cristalino I (Nucleación y Solubilidad) Nuria Sánchez-Pastor

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Introducción al crecimiento cristalino I

(Nucleación y Solubilidad)

Nuria Sánchez-Pastor

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1. Definición de cristal

Cristalización en la escuela

Por ejemplo: Aunque no los veamos a simple vista, muchos minerales forman pequeños cristales, como el cinabrio que aparece en esta foto

Cristal: cualquier sólido homogéneo limitado por caras planas y con forma geométrica externa En la actualidad se da el nombre de CRISTAL a cualquier sustancia sólida con estructura

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1. Definición de cristal

Cristalización en la escuela

Cristal: Sólido en el que las unidades de materia (iones, átomos o

moléculas) que lo constituyen se distribuyen de forma ordenada y

periódica

en las tres direcciones del espacio.

Estructura

Periódica No Periódica Estructura

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2. Proceso de cristalización

Cristalización en la escuela

El proceso de formación de los cristales se llama cristalización

Pero… ¿a partir de qué se forma un cristal?

Y… ¿cómo se forma?

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2. Proceso de cristalización

Cristalización en la escuela

A partir de un material fundido que se enfría

Por precipitación de sustancias disueltas

Por sublimación de gases

Fundido (estado líquido) MAGMA Caliente Solidificación Frio Estado sólido CRISTALES de MINERALES Disolución

H2O + soluto Precipitación Estado

sólido CRISTALES de MINERALES Sustancia en estado gaseoso Sublimación Estado sólido CRISTALES de MINERALES

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Cristalización en la escuela

Se produce la formación de cristales a partir de la incorporación de las sustancias que componen un fluido, por saturación de alguno de los componentes

Precipitación: Cuando el fluido es un líquido. La causas son variadas: pérdida por evaporación del fluido, aumentos en la concentración (aporte de iones) y variaciones de temperatura o presión. Se verifica en todos los

ambientes.

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Por precipitación de sustancias disueltas

El agua del mar se evapora, pero no se evaporan las sales

H

2

O

H

2

O

H

2

O

H

2

O

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En cuevas, a partir de soluciones supersaturadas: estalactitas y estalagmitas

En zonas calcáreas, las aguas subterráneas pueden llevar una importante cantidad de Ca en solución, como bicarbonato cálcico. Al llegar a superficie, el aumento de temperatura

 liberación de CO2  precipitación de calcita.

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3. Formación de cristales

Cristalización en la escuela

La cristalización es un fenómeno que consiste en dos procesos diferentesnucleación y crecimiento

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4. Equilibrio: Solubilidad y

Sobresaturacion

Cristalización en la escuela

Un cristal se genera a partir de una solución que está sobresaturada. Significa que la solución contiene en su seno una concentración de soluto C

mayor que las concentración CoOa concentración de equilibrio DHVD temperatura.

 A presión atmosférica, podemos calentar agua muy limpia,KDVWDFDVLž&

RVHSuede enfriar a -38º C sin que se produzca un cambio de fase.

De manera similar, las disoluciones acuosas de casi todas las sales son estables a C que superan significativamente las C0 de equilibrio.

La sobresaturación es una condición necesaria pero no suficiente

para que se forme una fase nueva = Nucleación

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4. Equilibrio: Solubilidad y

Sobresaturacion

Cristalización en la escuela

Las relaciones de equilibrio para los sistemas de cristalización se presentan en forma de curvas de solubilidad

Las disoluciones subsaturadas son termodinámicamente estables C < Ce

Las disoluciones saturadas están en equilibrio C = Ce

Las disoluciones sobresaturadas son termodinámicamente inestables C > Ce

Una solución sobresaturada debería crear una fase sólidaSHURsólo es cierto cuando VH alcanza un valor crítico.

Cuando un sólido se pone en contacto con un líquido en el cual es soluble, las moléculas o los iones del sólido comienzan a pasar al disolvente, dando lugar a

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4. Equilibrio: Solubilidad y

Sobresaturacion

Cristalización en la escuela b. Zona de Nucleación: elsoluto en excesose deposita en cristales existentes y forma nuevos núcleos.

c. Zona lábilde

precipitación: ORVFULVWDOHV

nuevos HVSRQWiQHDPHQWH VHformaQ a partir de una solución 6,1SEMILLAS

a. Zona metaestable: el soluto en exceso Ve deposita en cristales ya existentes pero no forma cristales nuevos o núcleos.

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5. Nucleación

Cristalización en la escuela

¿Qué es un Núcleo?

- Conjunto de átomos que han sobrepasado un nivel de energía que les permite mantener su ordenamiento dentro del líquido.

- No podrá mantenerse unido a menos que alcance un cierto tamaño. - ¿De qué depende entonces el tamaño necesario para formar el núcleo?

De las energías involucradas en nucleación (2 tipos de cambio de E)

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5

͘

Nucleación

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Cristalización en la escuela

En la naturaleza, el sustrato puede ser: paredes de fisuras,

cavidades, sobre minerales de una generación anterior, etc.

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ϲ

. Crecimiento

Cristalización en la escuela

Después de la nucleación, ocurre el crecimiento de los cristales, creciendo los cristales más grandes a costa de los pequeños, que se disuelven (recordar que toda disolución es un sistema dinámico).

Iones, átomos… Unidades de crecimiento Celda unidad Conjunto de celdas unidad cristal

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Cristalización en la escuela

 Si la nucleación es más rápida

que el crecimiento  nº grande

de pequeños agregados, lo que conduce a la formación de sistemas coloidales en solución y, al coagular, a precipitados coloidales.

 Si el crecimiento de los

cristales es más rápido que la nucleación  pocos agregados,

grandes y cristalinos.

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Cristalización en la escuela

A partir de los núcleos se inicia el crecimiento de los cristales siempre que las condiciones del medio lo permitan (tiempo, estabilidad, etc).

El crecimiento real de los cristales se separa de este modelo ideal, produciéndose lo que se denominan defectos cristalinos.

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Cristalización en la escuela

La cristalización nunca es perfecta. Como en cualquier proceso natural se producen imperfecciones en el crecimiento. Son las responsables de variaciones en el color o la forma de los cristales

Vacancias: Se producen por la ausencia en la red de un elemento.

Átomos intersticiales: Inclusión en la red de un átomo fuera de las posiciones reticulares. Sustituciones: Entrada en la red de un átomo diferente, pero de similar radio iónico que el que la compone.

Dislocaciones: Aparición de nuevas filas de elementos cuando en el plano anterior no existían.

Defectos cristalinos

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Cristalización en la escuela

Como la tendencia durante el crecimiento es a completar caras, la forma final con la que aparece un cristal (siempre que no tenga limitación de espacio) se denomina hábito cristalino y es fiel reflejo de su estructura interna. Existen diferentes tipos de hábitos: acicular, laminar, poliédrico, prismático.

Forma de los cristales

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Cristalización en la escuela

La formación de un único núcleo y un único cristal aislado es muy complicada. Por el contrario es frecuente que en el proceso de crecimiento se creen agregados cristalinos, unión de cristales formados a partir de diferentes núcleos. Según se dispongan los cristales, los agregados reciben el nombre de irregulares, paralelos, radiales, etc.

Un tipo especial de agregados son las maclas, consecuencia de la formación de varios núcleos a partir de los cuales se ha producido el crecimiento. Ninguno de ellos consigue englobar a los demás, continuando todos su propio crecimiento.

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