Introducción al crecimiento cristalino I (Nucleación y Solubilidad)

Introducción al crecimiento cristalino I
(Nucleación y Solubilidad)
Nuria Sánchez-Pastor
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1. Definición de cristal
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
cristalina, aunque externamente no veamos formas geométricas
Por ejemplo: Aunque no los veamos a simple vista, muchos
minerales forman pequeños cristales, como el cinabrio que
aparece en esta foto
Cristalización en la escuela
1. Definición de cristal
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
No Periódica
Estructura
Periódica
¿Cómo explicamos que los cristales tienen una estructura periódica?
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2. Proceso de cristalización
El proceso de formación de los cristales se llama cristalización
?
Cristalización
Pero… ¿a partir de qué se forma un cristal?
Y… ¿cómo se forma?
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2. Proceso de cristalización
 A partir de un material fundido que se enfría
MAGMA
Fundido
(estado líquido)
Frio
Caliente
Solidificación
Estado
sólido
CRISTALES de
MINERALES
 Por precipitación de sustancias disueltas
Disolución
H2O + soluto
Precipitación
Estado
sólido
CRISTALES de
MINERALES
 Por sublimación de gases
Sustancia en estado
gaseoso
Sublimación
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Estado
sólido
CRISTALES de
MINERALES
2. Proceso de cristalización
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
H2O
H2O
H2O
H2O
H2O
 Por precipitación de sustancias disueltas
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.
3. Formación de cristales
La cristalización es un fenómeno que consiste en
dos procesos diferentesnucleación y crecimiento
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4. Equilibrio: Solubilidad y
Sobresaturacion
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
Las relaciones de equilibrio para los sistemas de cristalización se presentan en
forma de curvas de solubilidad
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
una disolución
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.
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4. Equilibrio: Solubilidad y
Sobresaturacion
a. Zona metaestable:
el soluto en exceso Ve
deposita en cristales ya
existentes pero no forma
cristales nuevos o núcleos.
b. Zona de Nucleación:
elsoluto en excesose
deposita en cristales
existentes y forma nuevos
núcleos.
c. Zona lábil de
precipitación: ORVFULVWDOHV
nuevos HVSRQWiQHDPHQWH
VHformaQ a partir de una
solución 6,1SEMILLAS
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5. Nucleación
¿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)
Cristalización en la escuela
5͘Nucleación
Cristalización en la escuela
5͘Nucleación
En la naturaleza, el sustrato puede ser: paredes de fisuras,
cavidades, sobre minerales de una generación anterior, etc.
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ϲ. Crecimiento
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).
cristal
Iones, átomos…
Conjunto
de celdas
unidad
Unidades de
crecimiento
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Celda unidad
ϲ. Crecimiento
 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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ϲ. Crecimiento
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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ϲ. Crecimiento
Defectos cristalinos
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.
Dislocaciones: Aparición de
nuevas filas de elementos
cuando en el plano anterior
no existían.
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.
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ϲ. Crecimiento
Forma de los cristales
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.
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ϲ. Crecimiento
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.
Cristalización en la escuela
FIN
09/01/2014