Cristalización

Cristalización
La cristalización es una técnica que los químicos usan para purificar los
compuestos sólidos. Es uno de los procedimientos fundamentales que cada
químico competente debe dominar.
La cristalización esta basada en los principios de solubilidad: los compuestos
(el soluto) tienden a ser más soluble en los líquidos calientes (los solventes)
que en líquidos fríos. Si una solución caliente saturada se enfría, el soluto en
exceso forma cristales más puros. Las impurezas se separan por filtración.
La Cristalización se refiere a la formación de cristales sólidos de una solución
homogénea; es esencialmente una técnica de separación de sólido-líquido.
El ejemplo de Cristalización:
1. Congelación de agua congelación
2. Remoción de la sacarosa de soluciones de remolacha
3. Remoción de KCl de una solución acuosa.
Los cristales crecen en muchas formas que son dependientes de las
características de la operación. Las formas de cristal pueden incluir cúbico, el
tetragonal, ortorrómbico, hexagonal, el monoclínico, triclínico, y trigonal. Para
que la cristalización tenga lugar una solución debe estar" sobresaturada".
Sobresaturación se refiere a un estado en que el líquido (el solvente) contiene
los sólidos más disueltos (el soluto) que ordinariamente puede estar arreglados
a esa temperatura.
Como con cualquier método de separación, el equilibrio juega un rol
importante. Abajo se muestra una curva de solubilidad general para un sólido
hidratado (compuesto que tiene uno o más moléculas de agua estructuradas)
por enfriamiento.
En Figura 1, X puede ser cualquier sólido que puede formar hidratos como
Na2S2O3. El número de moléculas del hidrato mostrado en Figura 1 es
estrictamente arbitrario y variará para cada sustancia.
Cómo crecen los cristales? Consideremos un ejemplo bastante fácil. Tome un
depósito para hervir agua y agregue cloruro de sodio mientras agita para
producir una solución agua-sal. Continuar añadiendo sal hasta que la adición
no se disolverá en la solución (ésta es una solución saturada). Ahora agregue
una última cucharita de sal. La sal que no disolverá ayudará para que se inicie
la cristalización. Este primer paso se llama "nucleación" o primera nucleación.
La sal que reposa en el fondo del depósito da un ambiente adecuado para que
ocurra la nucleación.
A escala industrial, una sobresaturación considerable da la fuerza necesaria
para iniciar la nucleación. El inicio de la nucleación primaria no es totalmente
entendida por lo que es difícil modelarlo teóricamente (los experimentos son la
mejor guía). Normalmente, la formación instantánea de muchos núcleos puede
sucederse como un rompimiento de la solución. Puede observarse que la
sobresaturación puede crearse por una combinación de alta concentración y un
rápido enfriamiento. La siembra de núcleos permite el crecimiento de los
cristales tomando formas particulares. La Figura 2 describe la progresión de
cristalización.
Figure 2: Progresión de Cristalización
El segundo mecanismo principal en la cristalización se llama nucleación
secundaria. En esta fase de cristalización, se inicia el crecimiento del cristal por
contacto. El contacto puede ser entre la solución, y otros cristales, con una
hoja del mezclador, una cañería, una pared del vaso, etc. Esta fase de
cristalización ocurre a más baja sobresaturación (que la nucleación primaria)
donde el crecimiento de cristal es óptimo.
De igual manera, ninguna teoría completa está disponible para modelar la
nucleación secundaria y su comportamiento puede ser previsto sólo por
experimentación. Las relaciones matemáticas existen para correlacionar datos
experimentales. Sin embargo, poniendo en correlación los datos
experimentales para modelar la cristalización se consume tiempo y a menudo
considera extremos para los funcionamientos del lote, pero puede justificarse
fácilmente para procesos continuos. Para funcionamiento de lotes, sólo
medidas de datos preliminares son verdaderamente necesarias.
Cómo se alcanza la sobresaturación? . La solubilidad de sal disminuye con la
disminución de la temperatura, su saturación aumenta hasta que alcance la
sobresaturación y la cristalización empieza (Figura 3). El enfriamiento es uno
de los cuatro métodos comunes para lograr sobresaturación. Debe notarse
que el enfriado ayudará sólo a la sobresaturación en sistemas dónde la
solubilidad y temperatura están directamente relacionadas. Aunque
generalmente éste es el caso, hay excepciones. En Figura 3, usted notará
realmente que ese Ce2(SO4)3 se pone menos soluble en el agua a
temperaturas mayores.
Figure 3: Solubilidades de Varios Sólidos
Los cuatro métodos comunes para alcanzar la sobresaturación en los procesos
industriales son:
1. Enfriamiento (con algunas excepciones) 2. Evaporación 3. Añadido de un
no solvente 4. Reacción química.
Industrialmente, la mezcla del soluto-solvente es normalmente llamado “licor
madre”.
El añadido de un no solvente a la solución disminuye la solubilidad del sólido.
Una reacción química puede usarse para alterar el sólido disuelto y disminuir
su solubilidad en el solvente, y alcanzar la sobresaturación. Cada método de
lograr la sobresaturación tiene su propio beneficio. En la cristalización por
enfriamiento y evaporación, puede generarse sobresaturación cerca de la
superficie de transferencia de calor y normalmente a velocidades
moderadas. Cristalización por añadido de un nosolvente o la cristalización
reactiva permite, cristalización localizada rápida, dónde el mecanismo de
mezclado puede ejercer influencia significante en las características del
producto.
Equipos usados en la Cristalización
1. Los Cristalizadores de tanque.- Este es el método, probablemente, más
antiguo y simple de cristalización. De hecho, el depósito de agua de sal es un
buen ejemplo de tanque de cristalización. Soluciones saturadas calientes son
enfriadas en tanques abiertos. Después de la cristalización, el licor madre se
agota y los cristales son colectados. El control de, la nucleación y tamaño de
cristales son difíciles. La cristalización se desarrolla en forma sencilla. Se
pueden incorporar dispositivos para trasladar calor y para agitar. Los costos de
mano de obra son altos, así este tipo de cristalización se usa típicamente sólo
como operaciones químicas finas o en las industrias farmacéuticas dónde el
valor del producto y la preservación puede justificar los costos de operación
altos.
2. Cristalizadores de Superficie raspada.- Un ejemplo puede ser el
cristalizador del Swenson-Walker, que consiste en una cubeta sobre 2 soportes
anchos con un fondo semi-redondo. Presenta una camiseta de enfriamiento y
un agitador que pasa suavemente cerca de la pared de la cubeta y quita
cristales que crecen sobre ésta.
3. Evaporador-cristalizador forzado de líquido circulante.- Así como el
nombre implica, estos cristalizadores combinan la cristalización y evaporación,
así las fuerzas de tendencia hacia la sobresaturación del líquido circulante es
forzada a través de un tubo lateral de un baño de vapor. El líquido calentado
fluye en el baño de vapor de la cámara de cristalización. Aquí, ocurre una
evaporación rápida, mientras se reduce la cantidad de solvente en la solución
(concentración creciente de soluto), manejando el licor madre hacia la
sobresaturación. El licor sobresaturado fluye hacia abajo a través de un tubo,
en donde se forman cristales vía nucleación secundaria, retirándose los más
grandes, mientras el licor se recicla, se mezcla con soluto, y se calienta.
4. Cristalizador al vacío de magma circulante.- En este tipo de cristalizador,
la mezcla de solución/cristales (la magma) circula fuera del cuerpo del vaso.
La magma está suavemente calentada y mezclada en la parte posterior del
depósito. Se crea un vacío en la cámara de evaporación para producir la
ebullición del líquido. La evaporación causa la cristalización y los cristales son
arrastrados al fondo del cuerpo del depósito.