Crecimiento de Cristales

Crecimiento de Cristales Cristina M antilla S. Escuela Politécnica ecnica Nacional, Quito [email protected]

31 de marzo de 2014 Resumen El crecimiento de cristales es una de las areas ´ de estudio que mayor inter´ es ha despertado en la cristalograf´ıa. ıa. La cristalizaci´ c ristalizaci´ on es un proceso de autoensamblaje que depende de componentes en la nanoescala (´ atomos y mol´ eculas) para tener la informaci´ on que es necesaria para ensamblar una estructura, en este caso un cristal. En el presente trabajo se describe el procedimiento a seguirse para el crecimiento de cristales de Sulfato de Cobre y de Borax. Se presentan los resultados obtenidos y se analizan las condiciones en las que se realiz´ o este experimento. Palabras Claves: Cristales, Sulfato de Cobre, Borax, Cristalizaci´ on

Índice

´ II. Introducci on

I. Objetivos

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II. Introducci Introduccion o´ n

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III. Crecimiento de cristales

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III.1. Nucleaci Nucleacio´ n . . . . III.2. Crecimiento . . . III.3. Sulfato de Cobre III.4. Borato de Sodio .

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IV. Procedimiento Experimental

IV.1 IV.1.. Mate Materi riaales les y Equ Equipam amiiento ento . . . . . . . . . . IV.2. Procedimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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V. Análisis y Resultados

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VI. Co Conclusiones y Recomendaciones

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I. Objetivos Realizar el procedimiento para el crecimiento de cristales de Sulfato de Cobre y de Borax. Relacionar las condiciones del crecimiento y observar el impacto en las propiedades del cristal resutante. Entender el proceso de autoensamblaje en la cristalizaci´ zacion. ´

Los cristales constituyen uno de los pilares no reconocidos en el desarrollo de la tecnolog´ tecnolog ´ıa ıa moderna. Aunque desde la antiguedad su belleza ha fascinado a la humanidad, ¨ la mayor parte de sus aplicaciones han sido desarrolladas en el ultimo ´ siglo. En un cristal, la estructura de la materia se encuentra en una manera ordenada debido al arreglo peri odico ´ existente de los atomos, a´ tomos, mol´ moleculas e´ culas e iones. Cada cristal tiene un patron repetitivo unico basado en su composici on ımica ´ repetitivo ´ ´ qu´ımica y el alineamiento de sus moleculas e´ culas que provocan una forma distinta. La necesidad de cristales ahora excede la cantidad que puede proveer la naturaleza. El suministro natural es insuficiente, como es el caso del cuarzo, o los cristales necesarios no se producen naturalmente en la naturaleza. Muchos cristales crecen ’artificialmente’. Es por ello que existe un estudio sobre la preparaci on o´ n de materiales cristalinos y su ´ con la composicion, relaci´ relacion o´ n, estructura y propiedades de los cristales. Existen varios mecanismos de crecimiento de cristales. Uno de los mas a´ s comunes en el laboratorio es aquel en el que la sustancia a ser cristalizada es disuelta en un solvente a temperatura temperatura elevada. elevada. Los cristales cristales se forman cuando la ´ filtrada es enfriada lentamente. Mientras m as soluci´ solucion a´ s pura es la sustancia, los cristales crecer an a´ n mas a´ s lentamente y ˜ adquirir´ adquiriran a´ n un mayor tamano. Este experimento muestra el crecimiento de cristales de Sulfato de Cobre y de Borax (Borato de Sodio), partiendo de una solucion o´ n acuosa. El sultato de cobre cristaliza f acilmente a´ cilmente en una estructura tricl´ tricl´ınica, ınica, mientras que el Borax presenta una estructura estr uctura cristalina cr istalina monocl´ m onocl´ınica. ınica.

F´ısica ısica del Estado S´ Solido o´ lido Enero-Julio 2014 •

III. Crecimiento de cristales El crecimiento de cristales es un proceso qu´ımico ımico que involucra solidos, l´ıquidos ıquidos o gases para formar una sustancia sustancia ´ solida ´ homogénea enea en un arreglo periódico odico tridimensional. En la cristalizacion, ´ se han empleado varios mecanismos distintos dependiendo del proceso qu´ımico ımico involucrado: involucrado: Crecimien Crecimiento to solido-s´ o´ lido-sólido o recristalización on

El solido ´ inicial y final tienen la misma estructura cristalina y la misma composici on ´ qu´ qu´ımica. ımica. Solo se produce un incremento de tamano ˜ de grano a trav es e´ s de movimientos de borde de grano. Se produce una distribuci´ distribucion ´ equidimensional de los granos. En la naturaleza se presentan ejemplos poco comunes como el marmol a´ rmol creciendo a partir de la caliza, o la cuarcita a partir de las areniscas. Cristalización on l´ıquido-s´ ıquido-sólido

Se da una transicion ´ de fase, de una fase desordenada o con orden a corta distancia, propia de un l ´ıquido, ıquido, pasamos a otra ordenada, a un cristal. En la fase l´ıquida ıquida los atomos a´ tomos que van a formar el cristal estan a´ n dispersos en el liquido, por lo tanto es fundamental el transporte de masa para que nuclee y crezca el Cristal. [2]

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Transcurrido un tiempo se tendra´ un cierto numero de ´ moleculas e´ culas de soluto enlazadas entre s´ı, ı, de manera que ´ son mayores y la agregaci on ´ las fuerzas de atracci on alcanza un “tama no ˜ cr´ cr´ıtico”. ıtico”. A esta especie de precristal se le llama un centro de nucleaci on. ´ Mientras este pre-cristal flota en la soluci on ´ se encontrara´ con otras mol´ moleculas e´ culas de soluto que se agregar an. a´ n. As´ As´ı empieza a crecer el cristal. Este cristal crecer a´ hasta que eventualmente se alcance un equilibrio entre las moleculas e´ culas del soluto en el ´ disueltas en el disolvente. cristal y las a un Nucleación asistida

El proceso es muy similar al descrito anteriormente, excepto que una superficie solida o´ lida actua ´ como un lugar donde se encuentran encuentran las superficies superficies de soluto. soluto. Las mol´ moleculas e´ culas de soluto tender´ tenderan a´ n a agregarse en esta superficie, aqu´ aqu´ı se formara´ el pre-cristal siguiendo el mismo proceso proceso que la nucleaci nucleacion ´ no asistida.

En la cristalizaci on ´ natural el proceso m as a´ s extendido e importante es el crecimiento cristalino en solución. on.

III.1 III.1..

Nucle Nucleac aciion ´

Figura 1: La nucleaci´ on permite iniciar el proceso de crecimiento de cristales.

Los cristales empiezan a crecer mediante un proceso llamado nucleacion. ´ Este proceso se define como el comienzo Por los procesos descritos se puede ver claramente que de un cambio de estado en una region ´ pequena ˜ pero estable. los cristales crecen m as a´ s rapidamente a´ pidamente en una solucion ´ cuLa nucleacion ´ puede empezar con las mol´ moleculas e´ culas mismas ya concetracion ´ sea cercana a la saturaci on. ´ Mientras m as a´ s (lo cual se conoce como nucleaci on ´ no asistida), o con la moleeculas ´ culas de soluto haya en un determinado volumen, exisayuda de materia s olda que se encuentra ya en la soluci on ´ ´ ten mas a´ s posibilidades de que se encuentren y se agreguen. (nucleación on asistida). [4] Nucleación no asistida Cuando las moleculas e´ culas del soluto estan a´ n en una solucion, ´ se encuentran rodeadas por mol eculas e´ culas de solvente y ocasionalmente se encontrar an a´ n con otras mol eculas e´ culas de soluto. La mayor ´ıa ıa de las veces estas mol eculas e´ culas se mantendran a´ n unidas por un intervalo pequeno ˜ de tiempo, hasta que otras fuerzas les aparten entre s ´ı. ı. Sin embargo, a veces dos mol eculas e´ culas se mantedr an a´ n juntas el tiempo suficiente para encontrarse con una tercera mol´ molecula e´ cula de soluto, luego una cuarta y as ´ı sucesivamente.

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III.2. III.2. Crecim Crecimien iento to ˜ el Una vez que se forma el primer cristal peque no, nucleo, ´ este actua ´ como un punto de convergencia para las moleculas e´ culas de soluto adyacentes al cristal, de manera que incrementa su dimensi on ´ en capas sucesivas. La masa del soluto supersaturado que puede capturar capturar el nucleo ´ en una unidad de tiempo es llamada la tasa de crecimento. Esta depende de varios factores como la tension ´ superficial en la solución, la presión on y temperatura. [4] 2


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III.3. III.3. Sulfato Sulfato de Cobre Cobre

Recipientes de vidrio

El sulfato de cobre CuSO4 , es una sal que puede tener diferentes grados de hidrataci on. ´ Su forma mineral, comunmente usada, es la calcantita. En el cuadro 1 se mues´ tran sus principales propiedades cristalinas.

Limpiapipas o Hilo

III.4 III.4..

Bora Borato to de Sodi Sodio o

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Papel filtro y papel absorbente de cocina

IV.2. IV.2. Procedimiento Procedimiento

El borax Na2 B4 O7 10H2 O, borato de sodio o tetraborato ´ de sodio es un compuesto del boro, blanco que se disuelve f acilmente a´ cilmente en agua. Se utiliza ampliamente en detergentes, suavizantes, jabones, desinfectantes y pesticidas. En el cuadro 2 se muestran sus principales propiedades cristalinas. ·

Nombre qu´ımico ımico Sulfato de cobre pentahidratado. Compuesto qu´ımico ımico Ionico ´ (Sal) Formula ´ qu´ımica ımica CuSO4 . 5H2 O Clase de simetr´ıa ıa Tricl´ Tricl´ınica ınica Numero ´ de unidades fórmula ormula 2

Hacer una solución on sobre saturada. Se hicieron hicieron soluciones soluciones sobresaturad sobresaturadas as de sulfato sulfato de cobre y de borax. Se calienta aproximadamente una taza y media de agua destilada para hervirla. Se coloca el soluto en el vaso y se revuelve hasta que no se pueda disolver m´ mas a´ s soluto dentro del agua. Podemos variar la cantidad de soluto que se disuelve en el agua. En la figura 3 se observa el procedimiento realizado para las dos sustancias.

Cuadro 1: Sulfato de cobre pentahidratado. [3]

Nombre qu´ımico ımico Heptaoxotetraborato de sodio. Compuesto qu´ımico ımico Sal de acido ´ a´ cido borico Formula ´ qu´ımica ımica Na2 B4 O7 10H2 O Clase de simetr´ıa ıa Monocl´ Monocl´ınica ınica Numero ´ de unidades fórmula ormula 4 ·

(a)

(b)

(c)

(d)

Cuadro 2: Borax. [3]

IV.

Procedimiento E xperimental

IV.1. IV.1. Materiales Materiales y Equipamiento Equipamiento

Figura 3: Preparaci´ on de las soluciones sobresaturadas de Sulfato de Cobre (a y b) y Borax (c y d).

(b) (d) (a)

(c)

Figura 2: Materiales usados en el experimento. Sulfato Sulfato de Cobre Cobre / Borato de Sodio (Borax) Agua destilada 3

Hacer un cristal semilla A partir de este punto tenemos algunas opciones. Podemos simplemente poner la soluci on ´ en una jarra y esperar unos d´ d´ıas ıas para que crezcan los cristales. Por otro lado, podemos colocar una estructura alrededor de la cual puedan crecer los cristales sin necesidad de un cristal semilla. 3


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sido llenado con la soluci on ´ hecha previamente. No dejar que el cristal semilla toque los lados o el fondo del vaso. Figura ??

Figura 4: Suspensi´ on de un cristal semilla en el medio de la soluci´ on.

Pero si logramos crecer un cristal semilla, podemos obtener cristales m´ mas a´ s largos y de una mejor forma. Para ello debemos filtrar, con papel fitro o papel absorbente, un poco de la soluci on ´ saturada obtenida en un vaso. Se debe permitir que repose en un sitio sin ser perturbado por varias horas en la noche. Seleccionar el mejor cristal como la ”semilla”, para hacer un gran cristal. Raspar el cristal fuera del contenedor y atarlo a un hilo. En la figura 4 se observa la suspensi on ´ de un cristal semilla. [1]

(a)

(b)

Poner el vaso en un lugar en el cual no sea disturbado. Podemos tomar un filtro de caf ´ caf e´ o toallas de papel sobre la parte de arriba del contenedor, pero permitir la circulaci on ´ del aire para que el l´ l´ıquido ıquido pueda evaporarse. Cuando ya consideremos necesario, se puede remover de la solución on y permitir que se seque.

´ y R esultados V. Analisis

(a)

(b)

(c)

(d)

Figura 6: Cristales resultantes de los experimentos realizados. En la figura (a) se observan los cristales semilla de Sulfato de Cobre. En (b), (c)y (d) se observan los cristales de CuSO4 . 5H 2 O que crecieron alrededor del bot´ on colgado del hilo. (c)

Figura 5: Suspensi´ on de un hilo en la soluci´ on sobresaturada. Para el sulfato de cobre se colg´ o el cristal semilla de un hilo (a). Adem´ as en otro vaso se colg´ o inicialmente un hilo con un bot´ on de base (b). En el caso del Borax este fue suspendido de una estructura hecha por filamentos de limpiapipas. (c)

Haciendo un gran cristal. Suspender al cristal semilla en un vaso limpio que ha 4

Los cristales semilla de Sulfato de Cobre (Figura 6a) alcanzaron un diametro a´ metro de hasta 2 cm. Sin embargo al colocar el cristal semilla en una soluci on o´ n para que este crezca, se disolvi´ disolvio. o´ . Esto se debi o´ a que la solucion ´ no estaba lo suficientemente saturada. De manera que al colocar el cristal semilla no hab´ıa ıa moleculas e´ culas de soluto que pudieran agregarse sino m´ mas a´ s bien disolverse en la soluci on. o´ n. Cuando se puso directamente la estructura del hilo colgando con un boton ´ al final, en la solucion ´ sobresaturada, se obtuvieron cristales de mayor tama no. ˜ Los cristales formados en ambos casos fueron disitinguibles en un intervalo de 4


24 horas depues e´ s de haber realizado los procedimientos antes indicados. Al cabo de una semana se dio´ un proceso de agregacion ´ y su tamano ˜ aumento´ considerablemente, como se puede ver en las figuras 6b, c y d. Adem as a´ s se observ´ observo´ la formacion ´ de una gran cantidad de cristales peque nos ˜ en las paredes del recipiente de vidrio.

(a)

(c)

(b)

(d )

Figura 7: Cristales resultantes de los experimentos realizados. Se observan los cristales de Borax que crecieron alrededor de una estructura en forma de copo de nieve, hecha con limpiapipas. Se puede observar que en el fondo de los recipientes de vidrio se form´ o una capa de cristales de borax pegados a las paredes.

Los cristales de Borax se formaron alrededor de una estructura hecha con limpiapipas y suspendida con un hilo o una cuerda y un lapiz como se indicaba en la Figura 4. Para esto no hizo falta formar cristales semilla sino que se utiliz´ utilizo´ directamente la soluci on ´ sobresatura hecha en un principio.

VI. Conclusiones y Recomendaciones En este experimento se logro´ la obtencion cristales ´ de cristales de Sulfato de Cobre y de Borax. Se utiliz o´ un hilo o una estructura hecha de filamentos de limpiapipas como centro de nucleacion. ´ Los cristales obtenidos obedecen a la estructura cristalina tricl´ tricl´ınica ınica del Sulfato de Cobre y monocl´ monocl´ınica ınica del Borax.

´ y creExisten factores en los procesos de nucleaci on cimiento que controlan el tamano ˜ y la pureza de los cristales. Un factor que fue notorio en el experimento 5

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´ de la temperatura a la que se encuenfue la variacion tra el agua con la que se realiza la soluci on. ´ Incluso un pequeno ˜ aumento incrementara´ en gran proporcion ´ la cantidad de Sulfato de Cobre (CuS0 4 . 5H2 0) que se disolver´ disolvera. a´ . Sin embargo despu es e´ s es necesario mantener una temperatura ambiente estable para que el agua continue evapor andose a´ ndose y enfriandose, a´ ndose, y la construcci´ construccion ´ del cristal sea mayor. Se realizaron varios intentos para formar los cristales de Sulfato de Cobre. Varias veces no se formaron los cristales y al dejar pasar los d´ d ´ıas ıas se separaba en dos fases la solucion ´ de Sulfato de Cobre. Esto probablemente se debio´ a que la solucion ´ estaba demasiado diluida y no sobresaturada. En ambos casos se observaron cristales que comenzaron a formarse en la base o en la parte de arriba del contenedor. Es recomendable remover el cristal suspendido que se estaba formando y suspenderlo en un vaso limpio. Despues ´ poner la soluci´ solucion ´ en este vaso. Esto es debido a que es preferible no tener cristales extra creciendo porque competir an a´ n contra el cristal y demoraran su crecimiento. El sulfato de cobre es nocivo si se ingiere y puede irritar la piel. Es necesario usar guantes de proteccion ´ para su manejo y por precauci on tambi en e n es recomen´ ´ dable usarlos en el caso del Borax. Para almacenar los cristales de sulfato de cobre pentahidratado se lo debe hacer en un recipiente sellado. De lo contrario el agua se evapora de los cristales, lo que les deja con un color ligeramente amarillo o gris. Este polvo es la forma anhidra del sulfato de cobre.

Referencias [1] Anne Anne Mari Mariee Helm Helmen enst stin ine, e, Ph.D Ph.D.. Copp Copper er sulf sulfaate crystals. [http://chemistry.about.com/od/ crystalrecipes/a/coppersulfate.htm

ınea] [2] Growing alum Crystals. David A. Katz. [Web en l ´ınea] http://www.raci.org.au/do http://www.raci.org.au/document/item/2 cument/item/249 49

ıa. Institute of Experimen[3] Base de datos de cristalograf ´ıa. tal Mineralogy Chernogolovka, Moscow region [Web http://database.iem.ac.ru/mincryst/s_ /mincryst/s_ en l´ınea] ınea] http://database.iem.ac.ru carta.phpBORAX566

DHANARAJ Govindhan. Springer Handboook Handboook of Crys[4] DHANARAJ tal Growth. Springer 2010.

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