Segurament has sentit alguna vegada sobre els vidres, és probable que en aquest punt la teva ment hagi visualitzat un diamant enorme, una ametista o un topazi. I certament, dins aquest grup també s'hi inclouen moltes de les conegudes pedres precioses , però un vidre no és una denominació que abasti netament l'àmbit de la joieria.
Un cristall és el producte final d'un interessant procés conegut com a cristal·lització , el qual es caracteritza per resultar en un sòlid homogeni format per “cares”, que són porcions ubicades en diversos plans que es repeteixen de manera regular a l'espai. Aquesta organització interna i externa és la que diferencia un vidre d'un amor sòlid com el vidre.
Què és exactament un vidre?
Des del punt de vista de la física i la química, un vidre és un sòlid on les partícules (àtoms, ions o molècules) es troben ordenades de forma regular i periòdica en les tres dimensions de l'espai. Aquesta disposició repetitiva rep el nom de xarxa cristal·lina , i és la responsable de moltes de les propietats macroscòpiques observables, com la brillantor, la duresa o la forma geomètrica externa del vidre.
En un sòlid cristal·lí, cada punt de lespai ocupat pel material té una repetició periòdica segons certes direccions. En cristal·lografia, aquest fenomen de repetició a l'espai s'anomena translació . A diferència dels sòlids amorfs (com alguns plàstics o el vidre), on l'ordre només es manté a distància molt curta, els vidres mostren un ordre de llarg abast que s'estén a tot el sòlid.
Característiques de l'sòlid procedent de la cristal·lització
La mida d'un vidre és una característica variable, en un rang ampli de dimensions. Poden trobar-se cristalls molt grans que poden ser mesurats a través de la unitat lineal “metro”, així com també podem trobar cristalls que han de ser expressats en termes de micres , ja que la seva mida petita els fa comparables amb microorganismes com els bacteris, els quals només són observables a través del microscopi.
Com hem esmentat, els processos cristal·lins deriven en productes d'alta puresa, per això s'estableix, en la definició, que els cristalls són homogenis : és a dir, la composició del producte es manté en un valor constant a qualsevol punt del volum del sòlid. Això implica que les característiques físiques i químiques romanen inalterables a tota la peça; en cas d'observar variació per causa d'una pertorbació, el canvi tendeix a produir-se de manera coherent a tota l'espècie cristal·lina.
Aquesta qualitat fa dels vidres productes valuosos en diversos àmbits, que van des de l'apreciació de la qualitat del material (per exemple, en joieria i gemmologia), fins a l' ús del procés de cristal·lització com a tècnica per separar substàncies a laboratoris i indústries. L'elevat grau d'ordre a la xarxa cristal·lina fa que les impureses siguin expulsades o quedin en menor proporció que a la fase líquida, cosa que permet obtenir sòlids molt més purs.
Els productes cristal·lins també es poden aïllar a nivell de laboratori, mitjançant reaccions controlades en muntatges que emulen els processos espontanis que ocorren a la natura. Un dels principals avantatges dels vidres obtinguts en processos controlats és que presenten formes més regulars , que s'ajusten millor a les figures poligonals de més exactitud. Això és especialment important quan es busquen vidres amb finalitats danàlisi, aplicacions òptiques o assaigs farmacèutics.
En un vidre, cal distingir les cares que formen part de l'hàbit cristal·lí real (característiques morfològiques), i en base al nombre d'aquestes, podem considerar les formes fonamentals del sòlid. En general, un vidre es troba definit per la combinació de diverses formes fonamentals, i les principals són les següents:
- pedió: Cristall constituït per una sola cara plana, sense cares equivalents relacionades per simetria.
- Pinacoide: Es constitueix de dues cares equivalents entre elles respecte a un eix de simetria, que solen ser paral·leles i oposades.
- esfenoide: Les dues cares equivalents que conformen aquest sòlid es troben al voltant d'un eix binari, produint una forma en falca.
- prisma: Està format per cares homòlogues que constitueixen una zona. La zona d'un vidre es defineix com un conjunt de cares paral·leles a una mateixa direcció, corresponent a una aresta del mateix.
L'estructura dels vidres, des d'un punt de vista intern, es pot considerar com un sistema més o menys homogeni, periòdic i anisòtrop , d'un material (freqüentment dissolt en una fase que després solidifica en ordre cristal·lí) que desenvolupa una estructura en diversos punts de l'espai. Es diu que un vidre és anisòtrop perquè les seves propietats físiques (com la conductivitat tèrmica, la velocitat de propagació de la llum o la duresa) poden variar segons la direcció en què es mesurin dins del sòlid, precisament per aquesta ordenació interna.
Dins les característiques dels vidres, sempre ha despertat l'interès el fet que cada punt tingui una repetició periòdica a l'espai ocupat pel material. En cristal·lografia, el fenomen que influeix aquesta acció s'anomena translació i defineix com una cel·la unitària (el bloc mínim que es repeteix) es desplaça a l'espai per construir tot el vidre.
Procés de cristal·lització i quan succeeix
Perquè passi una cristal·lització, hem de partir d'una substància que es pugui catalogar com a cristal·lina . Això ve definit perquè les partícules que la conformen, ja siguin de naturalesa atòmica, molecular o iònica, presenten propietats d' homogeneïtat, periodicitat i simetria quan s'organitzen en estat sòlid.
En el context de la separació de barreges, s'anomena cristal·lització la formació d'un compost cristal·lí sòlid a partir d'una fase líquida (solució, fusió o vapor). Aquest procés és especialment útil quan es vol purificar compostos sòlids , ja que el sòlid cristal·litzat sol ser molt més pur que la barreja inicial. De fet, es considera una de les tècniques més simples i eficaces per purificar substàncies al laboratori.
La cristal·lització succeeix quan les condicions físiques i químiques d'una solució, fosa o vapor canvien de manera que l'estat sòlid esdevé més estable que l'estat original. Això passa, per exemple, quan:
- Una dissolució es refreda lentament i passa d'una concentració normal a una concentració sobresaturada.
- Se evapora part del dissolvent i la solució es torna massa concentrada respecte al solut.
- Se afegeix un nou solvent que canvia la solubilitat de la substància i n'afavoreix la precipitació cristal·lina.
- Un vapor amb alta pressió de vapor del solut passa a sòlid directament (sublimació inversa).
Tot el procés s'activa quan, en algun punt de la substància cristal·lina o de la solució, les partícules es comencen a reorganitzar. Aquesta etapa es coneix com a nucleació . La nucleació pot ser espontània (homogènia) o heterogènia , induïda per la presència de petites partícules, superfícies o fins i tot impureses que actuen com a “llavors” de vidre.
Tot aquest procés involucra, a més de l'evident variació en l'ordre de les partícules, un canvi en les condicions termodinàmiques , que estan orientades a la compensació de les pertorbacions generades pel canvi en l'energia lliure de Gibbs. Aquest canvi està marcat principalment per tres esdeveniments:
- El canvi a la energia química del sistema, associat al pas de les molècules des de la fase dissolta al sòlid ordenat.
- La creació d'una interfase entre la zona de la nucleació i la resta de la fase homogènia (líquida, gasosa o fosa).
- La variació del volum i la forma que involucra aquest procés, cosa que desencadena tensions i reajustaments estructurals.
La fase següent s'origina quan l'estructura base de la nucleació s'estabilitza. El pas següent és lògic i predictible: un cop tenim l'estructura bàsica, entrarem en un procés de creixement , en el qual s'observa un canvi en les dimensions del nucli. De mica en mica, aquest augment es tradueix en la formació de cares ben definides, fins que el vidre adquireix un hàbit cristal·lí clarament observable.
Mecanisme de el creixement d'un cristall
La teoria desenvolupada per Volmer explica com es duu a terme el creixement d'un vidre, establint que, entorn de l'estructura bàsica procedent de la nucleació de la substància cristal·lina, es desenvolupa una mena de capa d'absorció , la qual actua com a interfície i, addicional a això, promou una migració al voltant de partícules que es mouen en forma per a la superfície. El resultat daquest procés es defineix com una estructura definida en un pla de dues dimensions.
Per la seva banda, Kossel i Stranski van determinar que es requereix un treball mecànic per aconseguir la fixació d'un ió o molècula a la superfície d'aquesta capa, i que depèn de la seva posició. Els llocs de vora o cantonada, per exemple, solen ser energèticament més favorables per a la incorporació de noves partícules, per la qual cosa el creixement no és uniforme a tota la superfície.
El desenvolupament d'un model que defineixi el creixement requereix la previsió de zones de saturació on s'observa una taxa de canvi més gran (zones locals de sobresaturació). Això evidencia que el creixement del vidre ocorre per capes successives , que es van apilant sobre la xarxa ja formada. A mesura que aquestes capes creixen i s'ordenen, les impureses tendeixen a quedar excloses de l'estructura cristal·lina ben ordenada.
En condicions ideals de laboratori, el refredament lent d'una solució o la regulació acurada de l'evaporació permeten un creixement gradual i ordenat, de manera que la xarxa cristal·lina es construeix sense atrapar massa impureses. Si el refredament o el canvi de condicions és excessivament ràpid, la xarxa es forma amb més desordre i les impureses poden quedar atrapades a l'interior del vidre, disminuint-ne la puresa.
Aquest caràcter dinàmic de la cristal·lització implica que, fins i tot quan el vidre creix, es manté un equilibri entre molècules que s'incorporen a la xarxa cristal·lina i molècules que tornen a la dissolució. Per això, es considera que la cristal·lització és un procés altament dependent de la temperatura, la concentració, l'agitació i el temps.
La cristal·lització com a mecanisme de separació de barreges
Atès que un vidre es forma amb una substància homogènia, se n'ha estès l'ús com a mètode de separació selectiva de substàncies. En química i en la indústria s'aplica principalment per purificar sòlids que es troben barrejats amb impureses, aprofitant les diferències de solubilitat i estabilitat entre les diferents espècies presents.
En termes pràctics, la cristal·lització com a mètode de separació consisteix a obtenir un compost sòlid cristal·lí a partir d'una solució o mescla on són presents el solut principal i les seves impureses. Se selecciona el dissolvent o una barreja de dissolvents en funció de la solubilitat del sòlid i de les impureses . L'ideal és trobar un dissolvent en què el compost desitjat sigui molt soluble en calent i poc soluble en fred, mentre que les impureses siguin fàcilment separables per filtració o romanguin dissoltes.
Al laboratori, el procés típic de cristal·lització com a separació inclou diverses etapes encadenades:
- realitzar proves de solubilitat per trobar el dissolvent apropiat.
- Dissoldre el sòlid impur a la menor quantitat possible de dissolvent en calent, fins a obtenir una dissolució saturada.
- Eliminar partícules insolubles per filtració i, si cal, utilitzar carbó actiu per retirar impureses acolorides o terboleses.
- Permetre un refredament lent perquè es generi sobresaturació i s'iniciï la cristal·lització del solut desitjat.
- Separar els vidres formats per filtració al buit o per decantació, i assecar-los adequadament.
Un cop completat el procés, la puresa dels vidres obtinguts es pot comprovar mitjançant el punt de fusió (un sòlid pur sol fondre en un rang molt estret de temperatura) o mitjançant tècniques danàlisi com la cromatografia en capa fina. En cas que la puresa no sigui suficient, és possible repetir el procés de cristal·lització una o més vegades.
Entre diversos mètodes de cristal·lització, a continuació s'expliquen en què consisteixen aquells l'ús dels quals és més estès tant al laboratori com a nivell industrial:
- Addició d'un solvent nou: Si coneixem la naturalesa dels productes que estem manejant, podem aplicar aquest mètode, que consisteix bàsicament en l'addició d'un nou solvent que interactuï amb el solvent en què es troba immers el solut que desitgem que cristal·litzi. Quan el nou solvent modifica selectivament la solubilitat, el solut precipita, iniciant-se el procés de cristal·lització.
- Refredament a altes concentracions de solut: Quan tenim una solució d'alta concentració, elaborada a altes temperatures, i la sotmetem a un procés de refredament, obtenim una condició de sobresaturació, en què es té dissolta una major quantitat de solut que la que el solvent pot acceptar en les noves condicions de temperatura. Si el procés de reducció en la temperatura es fa de forma controlada, podem influir sobre el mida i la qualitat del vidre que obtindrem.
- sublimació: Aquesta tècnica només es pot aplicar en compostos cristal·lins que presentin una elevada pressió de vapor, de manera que les transformacions des d'una fase gasosa a una sòlida no requereixen el pas pel punt de fusió. És útil per purificar sòlids com el iode, la naftalina o algunes substàncies orgàniques aromàtiques.
La cristal·lització s'empra per separar components de barreges homogènies . Per exemple, l'aigua de mar es pot sotmetre a evaporació i refredament controlats per obtenir vidres de sal de taula relativament purs. També s'aplica a substàncies com l'alum, el sucre, l'àcid benzoic i nombrosos compostos orgànics utilitzats en síntesi química i farmacèutica.
En molts casos, aquest mètode ofereix avantatges clars davant de la simple evaporació: permet un major control de la mida de partícula, aconsegueix una puresa més alta i pot eliminar impureses solubles que romandrien al residu si només es deixés evaporar el dissolvent sense control.
La cristal·lització és un procés físic o químic?
La cristal·lització es concep com un procés físic d'enduriment i ordenament durant la formació i el creixement de compostos cristal·lins. Al llarg de tot el procés, la naturalesa química del solut no canvia; el que es transforma és el seu estat d'agregació i la manera com les partícules s'organitzen a l'espai.
A la cristal·lització no es generen noves substàncies, únicament es produeix un reordenament de les molècules existents, acompanyat de canvis en propietats físiques com la densitat, la duresa, el punt de fusió o l'aspecte extern. Per aquesta raó, es classifica com una transformació física , encara que estigui governada per lleis termodinàmiques i cinètiques pròpies de la química.
Aquest caràcter físic i dinàmic, juntament amb la simplicitat dels muntatges necessaris, converteix la cristal·lització en una de les tècniques més accessibles i eficaces per purificar compostos sòlids al laboratori, però també en una eina fonamental en processos industrials de gran escala.
Usos, avantatges i exemples de la cristal·lització
La cristal·lització s'utilitza principalment per obtenir cristalls purs de determinades substàncies a partir de barreges impures. Entre les aplicacions més rellevants destaquen:
- Purificació de sals i minerals: El cas clàssic és l'obtenció de sal de taula a partir d'aigua de mar o de salmorres. Mitjançant evaporació i cristal·lització, se separa el clorur de sodi d'altres impureses.
- Indústria alimentària: Sucres, sals i altres sòlids es cristal·litzen per millorar la seva estabilitat, maneig i conservació. Per exemple, la mel es pot cristal·litzar quan s'emmagatzema, cosa que li confereix una textura ferma sense perdre'n les propietats.
- Indústria farmacèutica: Es recorre a la cristal·lització com a mètode de separació i purificació quan es treballa a la síntesi i aïllament d'ingredients farmacèutics actius (API), cocristalls, formes polimòrfiques o separació d'isòmers quirals. La forma cristal·lina obtinguda pot influir en la solubilitat i biodisponibilitat de el medicament.
- Formació de minerals i roques: Moltes roques ígnies i metamòrfiques es formen a partir de la cristal·lització lenta de magmes o solucions hidrotermals, donant lloc a minerals i pedres precioses de gran valor estètic i científic.
- Fenòmens naturals: Els flocs de neu són vidres de gel amb estructura hexagonal. Tot i que tots comparteixen aquesta base geomètrica, les condicions de temperatura i humitat fan que cada vidre de neu creixi de forma única, donant lloc a estructures irrepetibles.
- Formació d'espeleotemes: Estalactites i estalagmites a coves es generen per cristal·lització de minerals (com la calcita) a partir de gotes d'aigua carregades de sals que es dipositen lentament.
Entre els principals avantatges de la cristal·lització com a mètode de separació, destaquen:
- Permet obtenir productes de alta puresa, a causa del rebuig d'impureses a la xarxa cristal·lina ordenada.
- Els vidres formats solen ser productes secs que es poden envasar i emmagatzemar directament per al consum o per a processos ulteriors.
- requereix un ús moderat d'energia i no sempre exigeix temperatures extremadament elevades, cosa que la fa eficient i sostenible.
- És un procediment versàtil, aplicable a una gran varietat de substàncies amb diferents rangs de solubilitat i punts de fusió.
Com a exemples quotidians del resultat de processos de cristal·lització es poden esmentar: la formació de glaçons de gel i neu a partir de l'aigua; la cristal·lització de la mel emmagatzemada; l'aparició de vidres de sucre a dolços o caramels; la formació de minerals i espeleotemes; i per descomptat, la creació de pedres precioses i gemmes a l'interior de l'escorça terrestre.
També és possible observar la cristal·lització en experiments senzills a casa oa l'aula, com ara el creixement de vidres de sal sobre netejapipes o cartrons submergits en solucions salines sobresaturades. En deixar reposar la solució sense moviments i permetre que l'aigua s'evapori lentament, els ions de la sal s'organitzen i formen estructures cristal·lines visibles, demostrant visualment com les condicions de temperatura, concentració i temps influeixen en el procés.
Comprendre com i quan es produeixen els processos de cristal·lització permet aprofitar-los tant en contextos tecnològics i industrials com en activitats educatives i de divulgació científica, i ajuda a interpretar millor nombrosos fenòmens naturals que ens envolten diàriament.