Crecimiento de Cristales y Cristalización Industrial

CRECIMIENTO CRISTALINO Y CRISTALIZACIÓN INDUSTRIAL
Profesorado: José Daniel Martín Ramos
Exámenes: Se conservan las partes aprobadas
Programas de teoría y prácticas: Los vigentes durante el curso 2011-2012
Sistema de evaluación: examen
TEMA 1: Introducción.-El estado cristalino. Cristales. Líquidos anisótropos. Fuerzas de
cristalización y tipos de cristales. Enantiomorfos y racematos. Moléculas de bajo peso molecular:
Importancia en la investigación básica y relaciones con la Química y la Farmacía. Macromoléculas:
Importancia en la investigación básica y relaciones con la Bioquímica y la Farmacía. Cristalización
industrial: Relaciones con la Ingeniería Química, Metalurgia, Cerámicas y la Industria del cemento.
Separación industrial por cristalización.
TEMA 2: Cristalografía morfológica.-Redes cristalinas. Sistemas . Simetría puntual: Operaciones
propias e impropias. Clases de simetría. Nomenclatura de Hermann-Mauguin
TEMA 3:_Redes de Bravais.-Equivalencias y transformaciones. Formas cristalinas: Simples y
compuestas, derechas, izquierdas y simétricas. Zonas cristalinas: Leyes de zona. Cuasicristales. Redes
no traslacionales.
TEMA 4.-Cristalografía espacial.-Elementos de simetría espacial. Grupos espaciales. Estructura
cristalina. Definición. Unidad asimétrica y molécula. Dx y Z. Coordenadas unitarias. Multiplicidad.
Criterios para seleccionar el origen de la red. Cambio del origen y sistema de referencia. Aspectos
geométricos del desorden estructural: dinámico y composicional. Orden a largo rango. Simetría
molecular: moléculas derechas, izquierdas y simétricas. Polimorfismo espacial: Centros quirales
únicos y múltiples. Importancia de la conformación espacial en diversas aplicaciones industriales y
farmacéuticas.
TEMA 5.-Relaciones matemáticas en cristales.-Matriz métrica. Cálculo cristalográfico. Red
recíproca. Definición vectorial y relación con la red real. Función densidad electrónica. Expresión de
la densidad electrónica con series de Fourier.
TEMA 6. Métodos de análisis cristalográfico.-Difracción de rayos X. Ley de Brag. Esfera de
Ewald. Técnicas de difracción: Polvo cristalino. Cristal único. Factor de estructura. Expresión del
factor de estructura con series de Fourier. Ley de Friedel. Transformadas de Fourier en
Cristalografía. El problema de la fase. Factores que afectan a la difracción: Lorentz-Polarización.
Absorción. Temperatura. Extinciones sistemáticas. Extinciones primarias y secundarias. Reflexiones
Reninger. Difusión anómala. Desordenes estructurales. Soluciones al problema de la fase. Métodos de
Patterson-Harker. Métodos directos. Fourier de diferencias. Afinamientos de la estructura. Estrategias
en cristales de bajo y alto peso molecular. Otras difracciones: Difracción sincrotrón. Difracción de
electrones. Difracción de neutrones.
TEMA 7. Métodos auxiliares de análisis cristalino: Análisis térmicos. Microscopio óptico.
Medios isótropos y anisótropos. Principales propiedades ópticas ligadas al estado cristalino.
Microscopio electrónico: SEM, TEM, HRTEM, Fuerza iónica.
TEMA 8.-Imperfecciones en cristales.-Cristales real e ideal: Definiciones. Cristal mosaico. Métodos
de estudio. Defectos estequiométricos y composicionales. Energía y movilidad de defectos puntuales.
Dopado. Importancia industrial. Dislocaciones: Clases. Circuito y vector de Burger. Dislocaciones
mixtas y en anillo. Energía y movilidad de dislocaciones. Bordes de grano. Defectos bidimensionales:
Clases. Politipismo. Maclas. Defectos tridimensionales: Clases. Inclusiones. Agregados cristalinos:
Irregulares. Uniáxicos. Maclas. Triáxicos: Dendritas y formas esqueléticas. Polifásicos.
TEMA 9. Cristales para investigación .-Estudios de cristal único. Cristales para estudios por DRX
(X-Ray quality crystals).. Preparación y montaje de cristales para difracción. Estudios por métodos de
polvo. Factor de orientación. Preparación de muestras de polvo cristalino para difracción.
TEMA 10. Teoría de la nucleación cristalina.-Procesos de formación. Nucleación. Radio
crítico. Nucleación primaria: Nucleación homogénea. Técnicas experimentales. Descomposición
espinodal. Nucleación heterogénea.Nucleación secundaria. Reglas de Ostwald. Zona metaestable.
Efectos de impurezas. Rugosidad de caras. Periodos de latencia e inducción . Tensión interfacial
TEMA 11. Teoría del crecimiento cristalino.-Teorías: Tensión superficial Adsorción sobre caras
cristalinas. Teorías cinemáticas. Teorías de reacción/difusión. Cristalización a partir de solución y de
fundido. Velocidades de cristalización: Velocidad de nucleación. Velocidades de crecimiento de caras,
capas, vértices y aristas. Efectos de temperatura, presión e impurezas .
TEMA 12. Forma y tamaño de los cristales. -Morfología de los núcleos. Evolución y forma de
equilibrio. Facies y hábito cristalino. Teoría de Bravais: Influencia de la red en la forma de equilibrio.
Influencia del grupo espacial.Teoría de Hartmann-Perdock: Definición de cadena PBC. Relación de
las cadenas PBC con los elipsoides térmicos. Caras F, S y K. Formación de cristales moleculares.
Importancia industrial del la forma de equilibrio. El ejemplo de la aspirina.
TEMA 13.-Difusión.-Ley de Fick. Flujo atómico. Efecto Kirkendall. Flujos acoplados. Difusión
térmica y efecto Soret. Difusión electrolítica.
TEMA 14. Superficie cristalinas.-Actividad de la superficie cristalina. Interfase sólido –gas.
Interfase sólido-liquido. Deslustre. Descomposición. Reacciones sólido-sólido. Difusión superficial.
Epitaxias. Métodos de estudio. Aplicaciones industriales.
TEMA 15.-Técnicas de recristalización de monocristales.-Introducción: Recristalización simple.
Fracionada. Separación de racematos. Fluidos supercríticos. Técnicas: Cristalización a baja
temperatura. Cristalización a alta temperatura.. Crecimiento en geles. Acupuntura en geles.
Cristalización de fundidos. Cristalización de fase vapor.
TEMA 16.-Cristalización de macromoléculas: Tipos de macromoléculas. Interés económico de
cristalización de macromoléculas. Plegamientos y estructuras de proteínas. Técnicas de cristalización
en laboratorio y microgravedad. Metodología general en el estudio estructural de las macromoléculas.
TEMA 17.-Crecimiento de películas cristalinas delgadas.-Deposición física en fase vapor (PVD).
Evaporación térmica en vacio. Sputtering. Deposición por haces de iones (IBAD). Idem por plasma
(PACVD) de microondas (MWCVD) y radiofrecuencia (PACVD). Idem térmicos. Reactores de pared
fría y caliente. Efectos de la presión. Técnicas ECR-CVD. Técnicas de estudio de capas cristalinas
delgadas.
TEMA 18. Cristalización Industrial.-Precipitación.: Aglomeración. Ageing. Coprecipitación.
Técnicas industriales de precipitación. Cristalización de fundidos. Eutécticos. Diagramas de
composición. Técnicas industriales.Sublimación. Diagrama de fases. Vaporización y condensación.
Técnicas industriales. Cristalización de soluciones. Técnicas industriales.
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