Cristalização: processo, tipos, exemplos, separação - Ciência - 2023

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o cristalização É um processo físico no qual, de forma natural ou artificial, um sólido cristalino, ou seja, com uma estrutura ordenada, é formado a partir de um meio líquido ou gasoso. Difere da precipitação pelo fato de que esta se desenvolve sem um controle rigoroso dos parâmetros do processo e também por poder produzir sólidos amorfos e gelatinosos.

O objetivo da cristalização, como seu nome simplesmente indica, é gerar cristais. Estes não são apenas caracterizados por serem ordenados, mas também por serem sólidos puros. Portanto, na síntese de compostos sólidos, busca-se obter produtos de alta pureza, cristais tão puros quanto possível.

A imagem superior mostra uma cristalização generalizada e hipotética de um soluto roxo em solução aquosa.

Observe que a barra vermelha atua como um termômetro. Quando a temperatura está alta, a solução contém o soluto dissolvido, que permanece solúvel nessas condições. No entanto, à medida que a temperatura diminui gradualmente, os primeiros cristais roxos começam a aparecer.

À medida que a temperatura continua a diminuir, os cristais aumentam de tamanho para formar hexágonos roxos robustos. A mudança na cor da solução é indicativa de que o soluto deixou de ser dissolvido e passou a ser incorporado aos cristais em crescimento. Quanto mais lenta for a cristalização, mais puro será o sólido cristalino obtido.

Existem outras variáveis a serem levadas em consideração durante este processo: quanto soluto se dissolve no solvente determinado, a que temperatura a solução deve ser aquecida, quanto tempo deve durar o resfriamento, quanto é necessário ou não recorrer à agitação sônica, entre outras. aspectos.

O processo de cristalização, mais do que um fenômeno complexo que envolve dinâmica molecular e termodinâmica, é uma arte que exige um aprendizado constante, tentativas e erros, até que seja aperfeiçoado em laboratório ou na indústria.

Processo de cristalização

A cristalização consiste essencialmente em dois processos: nucleação e crescimento do cristal.

Ambos os estágios sempre ocorrem durante a cristalização, mas quando o primeiro ocorre rapidamente, o segundo dificilmente terá tempo para se desenvolver. Enquanto isso, se a nucleação for lenta, os cristais terão mais tempo para crescer e, portanto, tenderão a ser maiores. Esta última é a situação assumida na imagem com os hexágonos roxos.

Nucleação

Os cristais foram originalmente considerados sólidos com estruturas ordenadas. A partir da solução onde o soluto se dispersa em desordem, suas partículas devem se aproximar o suficiente para que suas interações, sejam elas iônicas ou do tipo Van der Walls, permitam o assentamento do primeiro grupo de partículas de soluto: um aglomerado.

Este aglomerado pode se dissolver e se formar quantas vezes forem necessárias até que se torne estável e cristalino. Diz-se então que o primeiro núcleo apareceu. Se o núcleo surgir do nada, ou seja, da própria homogeneidade do meio durante seu resfriamento, será uma nucleação homogênea.

Por outro lado, se o referido núcleo ocorrer graças à superfície proporcionada por outra partícula sólida insolúvel, ou às imperfeições do recipiente, então teremos uma nucleação heterogênea. Este último é o mais utilizado e conhecido, principalmente quando um minúsculo cristal, previamente obtido, da espécie que queremos cristalizar é adicionado à solução.

Os cristais nunca podem se formar do nada sem primeiro nucleação.

Crescimento de cristal

Ainda há muito soluto dissolvido na solução, mas a concentração de soluto nesses núcleos é maior do que em seus arredores. Os núcleos atuam como suportes para que mais partículas de soluto se alojem e "se encaixem" entre suas estruturas em crescimento. Desta forma, suas geometrias são mantidas e crescem gradualmente.

Por exemplo, os primeiros núcleos da imagem são hexágonos roxos; esta é a sua geometria. À medida que as partículas de soluto são incorporadas, os núcleos crescem em cristais hexagonais robustos, que continuarão a crescer ainda mais se a solução for imersa em um banho de gelo.

Tipos de cristalização

O que foi explicado até agora consiste na cristalização por resfriamento do solvente.

Cristalização por remoção de solvente

Outros tipos de cristalização baseiam-se na remoção do solvente por evaporação, para o qual não é necessário utilizar tanto volume; isto é, basta saturá-lo com o soluto e aquecê-lo para supersaturá-lo e depois um pouco mais, depois deixá-lo em repouso, para que o soluto finalmente se cristalize.

Cristalização por adição de solvente

Da mesma forma, temos a cristalização causada pela adição de um solvente à mistura em que o soluto é insolúvel (anti-solvente). Portanto, a nucleação será favorecida, pois existem regiões móveis e líquidas onde as partículas de soluto estarão mais concentradas do que naquelas onde é muito solúvel.

Cristalização por sonificação

Por outro lado, ocorre a cristalização por sonificação, onde o ultrassom gera e quebra pequenas bolhas que novamente promovem a nucleação, ao mesmo tempo que ajuda a distribuir os tamanhos dos cristais de maneira mais uniforme.

E, finalmente, ocorre a cristalização por deposição de vapor em superfícies frias; isto é, o fenômeno inverso da sublimação de sólidos.

Método de separação por cristalização

A cristalização é uma técnica indispensável para a obtenção e purificação de sólidos. É muito recorrente na síntese de compostos orgânicos, e representa uma das últimas etapas para garantir a pureza e qualidade do produto.

Exemplo de corante

Suponha, por exemplo, que cristais de um corante sejam obtidos e que já tenham sido filtrados. Como esse corante foi obtido inicialmente por precipitação em uma síntese, seu sólido apresenta a aparência de ser amorfo, visto que possui muitas impurezas absorvidas e ocluídas entre seus cristais moleculares.

Portanto, é decidido aquecer um solvente onde o corante é ligeiramente solúvel, de modo que, quando adicionado, se dissolva com relativa facilidade. Uma vez dissolvida, após adicionar um pouco mais de solvente, a solução é separada da fonte de calor e deixada em repouso. Conforme a temperatura cai, ocorre a nucleação.

Assim, os cristais de tinta se formarão e parecerão mais definidos (não necessariamente cristalinos aos olhos). É nesse exato momento que o recipiente (geralmente um Erlenmeyer ou um béquer) é imerso em um banho de gelo. O frio desse banho acaba favorecendo o crescimento dos cristais acima da nucleação.

Os cristais do corante são então filtrados a vácuo, lavados com um solvente no qual é insolúvel e deixados para secar em um vidro de relógio.

Temperatura de cristalização

A temperatura na qual ocorre a cristalização depende de quão insolúvel o soluto é no meio solvente. Depende também do ponto de ebulição do solvente, porque se o soluto ainda não se dissolveu na temperatura de ebulição, é porque outro solvente mais apropriado deve ser usado.

Por exemplo, sólidos que podem cristalizar em meio aquoso farão isso à medida que a água diminui sua temperatura (ou seja, de 100 para 50 ºC) ou enquanto evapora. Se a cristalização ocorre por evaporação, diz-se que ocorre à temperatura ambiente.

Por outro lado, a cristalização de metais ou de alguns sólidos iônicos ocorre em temperaturas muito elevadas, pois seus pontos de fusão são muito elevados, e o líquido fundido é incandescente, mesmo quando é resfriado o suficiente para nuclear suas partículas e cresça seus cristais.

Taxa de cristalização

Em princípio, existem duas maneiras diretas de controlar a taxa de cristalização de um sólido: pelo grau de supersaturação (ou supersaturação) ou por mudanças bruscas de temperatura.

Grau de supersaturação

O grau de supersaturação significa quanto excesso de soluto é forçado a se dissolver pela aplicação de calor. Portanto, quanto mais supersaturada a solução, mais rápido é o processo de nucleação, pois é maior a probabilidade de formação de núcleos.

Embora a cristalização seja acelerada dessa forma, os cristais obtidos serão menores se comparados aos obtidos com menor grau de supersaturação; ou seja, quando seu crescimento é favorecido e não a nucleação.

Mudanças de temperatura

Se a temperatura diminuir drasticamente, os núcleos dificilmente terão tempo de crescer e, não só isso, também reterão níveis mais elevados de impurezas. O resultado é que embora a cristalização ocorra mais rapidamente do que o resfriamento lento, a qualidade, o tamanho e a pureza dos cristais acabam sendo menores.

A imagem acima serve para contrastar a primeira. Os pontos amarelos representam as impurezas, que devido ao crescimento abrupto dos núcleos ficam presos dentro deles.

Essas impurezas tornam difícil incorporar mais hexágonos roxos, então você acaba com muitos cristais pequenos e impuros, em vez de grandes e puros.

Formulários

A cristalização, assim como a recristalização, é vital para a obtenção de sólidos puros de alta qualidade. Para a indústria farmacêutica, isso é especialmente verdadeiro porque seus produtos devem ser o mais puros possível, assim como os conservantes usados na indústria alimentícia.

Além disso, a nanotecnologia é altamente dependente desse processo para que possam sintetizar nanopartículas ou nanocristais, em vez de sólidos de cristal robustos.

Um dos exemplos do cotidiano em que a cristalização tem grande participação é na produção de sorvetes. Se você não tomar cuidado com a água, ela se cristaliza em uma fase separada (gelo) de seu conteúdo lipídico, afetando sua textura e sabor; isto é, será mais como um sorvete raspado ou sorvete.

Portanto, os cristais de gelo devem ser os menores possíveis, para que o sorvete seja macio ao sabor e ao toque. Quando esses cristais de gelo são um pouco grandes, eles podem ser detectados na luz porque dão ao sorvete uma superfície fosca.

Exemplos de cristalização

Por fim, serão mencionados alguns exemplos comuns de cristalização, tanto naturais como artificiais:

Copos de neve

Os flocos de neve são formados por um processo de cristalização natural. Cada cristal de neve é conhecido por ser único. Isso se deve às condições que ocorrem durante a segunda fase de cristalização (crescimento).

As diferentes formas geométricas que os cristais de neve apresentam se devem às condições que devem enfrentar durante o crescimento do cristal.

Sal

O sal é o exemplo mais comum de cristalização. Este pode ser formado naturalmente (como o sal marinho) e artificialmente (como é o caso do sal de cozinha).

Açúcar

Depois do sal, o açúcar é um dos cristais mais comuns. É formada por uma série de complexos processos industriais nos quais o caldo da cana é retirado e submetido a um processo de cristalização artificial.

Diamante

O diamante é uma pedra preciosa formada a partir da cristalização de carbono puro. Este é o material mais duro conhecido no planeta. Sua formação pode ser natural, como é o caso dos diamantes encontrados em depósitos de mineração, ou sintética.

Rubi

Ruby é um cristal avermelhado que se forma a partir da cristalização de óxido de alumínio (coridon).

Estalagmites

As estalagmites são estruturas que podem ser encontradas em cavernas, especificamente em solos (crescendo apontando para cima). São compostos por compostos de cálcio e são formados a partir da cristalização dos sais de cálcio encontrados na água que cai do teto das cavernas.

Estalactites

As estalactites, como as estalagmites, são feitas de cálcio e são encontradas em cavernas. Eles diferem deste último porque estão pendurados no teto. São formados pela cristalização dos sais de cálcio presentes na água que se infiltra nas cavernas.

Quartzo

O quartzo é uma gema que se forma a partir da cristalização do anidrido silícico. É um dos minerais mais abundantes nas rochas e sua cor é variável.

Peridoto

Também chamada de olivina, esta gema é formada graças à cristalização de ferro e magnésio. É de cor esverdeada e geralmente em forma de diamante.

Silicatos

Os silicatos são materiais criados pela cristalização de sílica e outros elementos (ferro, alumínio, cálcio, magnésio). Eles estão presentes em todas as rochas.

Doces

Os rebuçados são feitos com cristais de açúcar, podendo-se dizer que estão envolvidos dois processos de cristalização: o primeiro para a formação do açúcar e o segundo para a formação do melaço.

Sorvete cremoso

O gelado cremoso contém uma série de cristais que lhe conferem a textura macia final. Entre os cristais contidos no sorvete cremoso, destacam-se os cristais lipídicos (formados a partir da gordura) e os cristais de gelo. Deve-se notar que alguns sorvetes também contêm cristais de lactose.

Nesse sentido, o sorvete é obtido por meio de diversos processos de cristalização artificial (um para lipídios, um para gelo e outro para lactose).

Outras

-Preparação de cristais açucarados em torno de um fio ou corda e uma solução doce supersaturada

-Formação de cristais de açúcar de mel depositados no fundo de seus potes

-O crescimento de cálculos renais, que consistem na essência de cristais de oxalato de cálcio

-A cristalização de minerais, incluindo gemas e diamantes, ao longo dos anos, cujas formas e bordas são um reflexo de suas estruturas internas ordenadas

-Deposição de vapores de metal quente em barras frias como suporte para o crescimento de seus cristais.

Referências

Day, R., & Underwood, A. (1989). Química Analítica Quantitativa. (quinta edição). PEARSON Prentice Hall.
Wikipedia. (2019). Cristalização. Recuperado de: en.wikipedia.org
Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (23 de maio de 2019). Definição de cristalização. Recuperado de: Thoughtco.com
University of Colorado. (s.f.). Cristalização. Química orgânica. Recuperado de: orgchemboulder.com
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