Crecimiento de Cristales en Soluciones Acuosas

CRECIMIENTO DE CRISTALES EN SOLUCIONES ACUOSAS
INTRODUCCIÓN
Hay dos métodos generales para crecer cristales grandes a partir de soluciones
acuosas. En un método, el crecimiento cristalino ocurre conforme una solución
saturada se enfría gradualmente a la temperatura a la cual la solución está
apreciablemente supersaturada. En el otro caso, el crecimiento del cristal ocurre
conforme una solución saturada se deja evaporar gradualmente a una temperatura
constante. En ambos métodos, es necesario primero preparar una solución
saturada a la temperatura a la cual va a ocurrir la formación del cristal (usualmente
cerca de la temperatura ambiental) y preparar algunos “cristales semilla”, uno de
los cuales será suspendido por medio de un hilo en la solución saturada.
Una solución saturada se puede preparar convenientemente por el
siguiente procedimiento. En cerca de 500 mL de agua a 50oC, disuelva algo más
de la sal cuyos cristales se quiere hacer crecer de los que se disolverán a la
temperatura de crecimiento esperada. Mientras
agita vigorosamente, enfríe la
solución a la temperatura de crecimiento esperada (no enfríe debajo de esta
temperatura). Si no ocurre la cristalización, añada un pequeño cristal para
inducirla. Agite la suspensión de cristales por cerca de 15 min. y luego deje la
solución en contacto con los cristales en un vaso de precipitados cubierto o matraz
tapado en el lugar donde va dejar crecer los cristales por un día o más. Finalmente
decante la solución donde se encuentran los cristales precipitados. Estos cristales
se pueden esparcir en un papel filtro para secarlos, y entre ellos se puede
encontrar un cristal semilla adecuado. Un cristal semilla debe ser monocristalino, y
debe ser fácilmente suspendido de un hilo, por lo que debe ser al menos de 3 mm
de longitud. Los cristales más pequeños no solo son más difíciles de atar a un hilo
sino que además pueden flotar en la superficie de la solución con todo e hilo.
Guarde todos los monocristales semilla, ya que su primer intento por crecer un
monocristal podría no ser exitoso.
Crecimiento de Cristales por Enfriamiento
Una solución, saturada justo a la temperatura a la que se va a hacer crecer el
cristal, se calienta alrededor de 15o por arriba de esta temperatura; se disuelve
una pequeña cantidad adicional de la sal [de 2 al 20% de la cantidad requerida
para saturar la solución a la temperatura ambiental, dependiendo de la facilidad de
supersaturación], y luego se filtra la solución. La solución (la cual estará ahora
supersaturada a la temperatura de crecimiento) se vacía cuidadosamente en un
vaso de precipitados limpio de 600 mL. Cuando la temperatura está cerca de 3o
por arriba de la temperatura de crecimiento, el cristal semilla se suspende en
medio de la solución con una pequeña pieza de hilo de coser (lo mejor es un hilo
filamento, tal como el nylon) uno de cuyos extremos se pega a una pieza de
madera que cubra completamente al vaso de precipitados (vea la Fig. 16.1 en el
libro de Jolly). El hilo se une al cristal semilla por medio de un nudo. El extremo
libre del hilo se debe cortar tan cerca del nudo como sea posible. El vaso de debe
dejar en un cuarto en el que la temperatura fluctúe menos de 2o en todo el día.
Para evitar fluctuaciones de la temperatura rápidas, el vaso de precipitados se
puede cubrir con varias cajas de cartón o un cántaro grande.
Después de una o dos horas, examine el vaso de precipitados para ver si el
cristal semilla se ha disuelto, o no. Si se ha disuelto, será necesario comenzar otra
vez, usando una solución que contenga un poco más de la sal. De hecho, una
pequeña disolución del cristal semilla al principio es deseable. Un cristal semilla
generalmente tiene varios otros cristalitos adheridos. Así, si el cristal semilla se
pone en una solución sub-saturada, estos cristalitos se disolverán, dejando sólo un
cristal. Por supuesto, uno espera que la solución se enfríe lo suficientemente
rápido de manera que la solución se vuelva supersaturada antes de que el cristal
semilla se disuelva completamente.
El cristal debería crecer a un buen tamaño entre 3 y 6 días. Remueva el
cristal crecido de la solución, y cuidadosamente séquelo con papel filtro o papel
absorbente.
Crecimiento de un Cristal por Evaporación
Una solución, saturada a la temperatura de crecimiento, se calienta a cerca de 10o
arriba de esta temperatura y se filtra cuidadosamente en un vaso limpio de 600
mL. Cuando la solución esté 1 o 2o por arriba de la temperatura de crecimiento,
introduzca el cristal semilla suspendido por un soporte de alambre en forma de
horca o cobra. Una suspensión de este tipo se muestra en la Fig. 16.2 del libro de
Jolly. El cristal semilla se cuelga con un hilo filamento del soporte, la parte superior
del cual siempre debe estar debajo de la superficie de la solución.
Cubra el vaso con una tela, y sujétela con un anillo o liga. El vaso debe
estar en un cuarto en el cual la temperatura fluctúe menos de 5o en todo el día. La
rapidez de crecimiento del cristal depende de la rapidez a la cual el agua se
evapora de la solución. Cuando el cristal ha alcanzado un tamaño satisfactorio, o
cuando la parte superior de la suspensión está a punto de sobresalir de la
superficie de la solución, remueva el cristal y séquelo con papel filtro o papel
absorbente.
La Preparación de Cristales Grandes de KAl(SO4)2.12H2O, NaClO3 y NaNO3
REACTIVOS
85 g de KAl(SO4)2.12H2O (alumbre potásico)
30 g de KCr(SO4)2.12H2O
600 g de NaClO3
35 g de Na2B4O7.10H2O
550 g de NaNO3
APARATOS ESPECIALES REQUERIDOS
2 hojas Polaroid (para examinar NaClO3 y NaNO3)
Cubierta de madera para vaso usado en crecer cristales por enfriamiento (vea la
Fig. 16.1)
Soportes en forma de horca o cobra y tela usados en crecer cristales por
evaporación (vea la Fig. 16.2)
Hilo filamento para coser de nylon fino.
PROCEDIMIENTO
Siguiendo el procedimiento general descrito en la INTRODUCCIÓN, prepare cerca
de 500 mL de una solución saturada de sulfato de aluminio y potasio
dodecahidratado, clorato de sodio o nitrato de sodio. En la Tabla 1.1 se dan las
solubilidades de estas sales a 20, 25 y 30o. A partir de estos datos, usted puede
estimar la cantidad de sal requerida para hacer una solución saturada a una
temperatura particular de crecimiento. Cuando haga la solución saturada, es mejor
Tabla 1.1. Solubilidades de sales en gramos por 100 g de agua
T (oC)
KAl(SO4)2.12H2O NaClO3
NaNO3
20
25
30
11.40
14.14
16.58
101
106
113
88
92
96
usar alrededor de 20% más de la sal que la que se puede disolver a la
temperatura de crecimiento. Usando un cristal formado en la preparación de la
solución saturada como semilla, usted puede crecer un cristal grande ya sea por
evaporación de la solución o por el método de crecimiento por enfriamiento. En el
último caso, las cantidades de sal añadidas a las soluciones saturadas son como
sigue:
KAl(SO4)2.12H2O: 4 g por 100 g de agua
NaClO3:
4 g por 100 g de agua
NaNO3:
3 g por 100 g de agua
Estas cantidades se han encontrado satisfactorias para una temperatura de
crecimiento de cerca de 24o. Si la temperatura promedio de crecimiento difiere
apreciablemente de este valor, puede ser necesario usar una cantidad diferente de
la sal añadida.
CARACTERIZACIÓN
El alumbre potásico forma cristales en el sistema cúbico con forma de octaedros.
Añadiendo una solución saturada del alumbre crómico, KCr(SO4)2.12H2O, a una
solución del alumbre de aluminio, usted puede crecer cristales púrpura,
homogéneos, “mezclados”de estas sales. Si la solución sólida del alumbre crómico
en el huésped KAl(SO4)2.12H2O es suficientemente diluida, se puede obtener un
espectro de epr agudo a partir del cristal.
El clorato de sodio forma cristales del sistema cúbico ordinariamente en
forma de cubos; sin embargo, si se añaden 6 g de borx por cada 100 g de clorato
de sodio a la solución, los cristales serán tetraédricos. Los cristales de clorato de
sodio son ópticamente activos. Si se coloca un cristal entre hojas Polaroid
cruzadas en frente de una fuente de luz, será necesario rotar las hojas Polaroid
para extinguir el cristal. Algunos cristales rotan la luz a la izquierda, y otros a la
derecha. Con discos Polaroid calibrados, usted puede verificar que el grado de
rotación es proporcional al espesor del cristal.
El nitrato de sodio forma cristales del sistema hexagonal que tiene forma de
romboedros. Se puede partir un cristal con una hoja de rasurar a lo largo de los
planos paralelos a las caras del romboedro. Presionando con un cuchillo contra el
filo de un cristal de nitrato de sodio donde las caras se unen en un ángulo obtuso,
se puede observar un reflejo. Un cristal de nitrato de sodio presenta doble
refracción. Por lo tanto, si usted mira a través de un cristal de nitrato de sodio en
un punto en un pedazo de papel, usted verá dos imágenes del punto. Usando
hojas Polaroid, usted puede mostrar que el nitrato de sodio resuelve la luz en dos
rayos polarizados perpendiculares.