Crecimiento de Cristales

Cristina Mantilla S.

Escuela Politecnica Nacional, Quitocriss.ms7@gmail.com

31 de marzo de 2014

Resumen

El crecimiento de cristales es una de las areas de estudio que mayor interes ha despertado en la cristalografıa. La cristalizacion esun proceso de autoensamblaje que depende de componentes en la nanoescala (atomos y moleculas) para tener la informacion que esnecesaria para ensamblar una estructura, en este caso un cristal. En el presente trabajo se describe el procedimiento a seguirse para elcrecimiento de cristales de Sulfato de Cobre y de Borax. Se presentan los resultados obtenidos y se analizan las condiciones en las que serealizo este experimento.Palabras Claves: Cristales, Sulfato de Cobre, Borax, Cristalizacion

Indice

I. Objetivos 1

II. Introduccion 1

III.Crecimiento de cristales 2III.1. Nucleacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2III.2. Crecimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2III.3. Sulfato de Cobre . . . . . . . . . . . . . . . . 3III.4. Borato de Sodio . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

IV. Procedimiento Experimental 3IV.1. Materiales y Equipamiento . . . . . . . . . . 3IV.2. Procedimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

V. Analisis y Resultados 4

VI.Conclusiones y Recomendaciones 5

I. Objetivos

Realizar el procedimiento para el crecimiento de cris-tales de Sulfato de Cobre y de Borax.

Relacionar las condiciones del crecimiento y observarel impacto en las propiedades del cristal resutante.

Entender el proceso de autoensamblaje en la cristali-zacion.

II. Introduccion

Los cristales constituyen uno de los pilares no recono-cidos en el desarrollo de la tecnologıa moderna. Aunquedesde la antiguedad su belleza ha fascinado a la humanidad,la mayor parte de sus aplicaciones han sido desarrolladasen el ultimo siglo.

En un cristal, la estructura de la materia se encuentra enuna manera ordenada debido al arreglo periodico existen-te de los atomos, moleculas e iones. Cada cristal tiene unpatron repetitivo unico basado en su composicion quımicay el alineamiento de sus moleculas que provocan una formadistinta.

La necesidad de cristales ahora excede la cantidad quepuede proveer la naturaleza. El suministro natural es insufi-ciente, como es el caso del cuarzo, o los cristales necesariosno se producen naturalmente en la naturaleza. Muchoscristales crecen ’artificialmente’. Es por ello que existe unestudio sobre la preparacion de materiales cristalinos y surelacion con la composicion, estructura y propiedades delos cristales.

Existen varios mecanismos de crecimiento de cristales.Uno de los mas comunes en el laboratorio es aquel en elque la sustancia a ser cristalizada es disuelta en un solventea temperatura elevada. Los cristales se forman cuando lasolucion filtrada es enfriada lentamente. Mientras mas pu-ra es la sustancia, los cristales creceran mas lentamente yadquiriran un mayor tamano.

Este experimento muestra el crecimiento de cristales deSulfato de Cobre y de Borax (Borato de Sodio), partiendo deuna solucion acuosa. El sultato de cobre cristaliza facilmenteen una estructura triclınica, mientras que el Borax presentauna estructura cristalina monoclınica.

Fısica del Estado Solido • Enero-Julio 2014 • EPN 2

III. Crecimiento de cristales

El crecimiento de cristales es un proceso quımico que in-volucra solidos, lıquidos o gases para formar una sustanciasolida homogenea en un arreglo periodico tridimensional.

En la cristalizacion, se han empleado varios mecanismosdistintos dependiendo del proceso quımico involucrado:

Crecimiento solido-solido o recristalizacion

El solido inicial y final tienen la misma estructuracristalina y la misma composicion quımica. Solo seproduce un incremento de tamano de grano a travesde movimientos de borde de grano. Se produce unadistribucion equidimensional de los granos. En la na-turaleza se presentan ejemplos poco comunes como elmarmol creciendo a partir de la caliza, o la cuarcita apartir de las areniscas.

Cristalizacion lıquido-solido

Se da una transicion de fase, de una fase desordenadao con orden a corta distancia, propia de un lıquido, pa-samos a otra ordenada, a un cristal. En la fase lıquidalos atomos que van a formar el cristal estan dispersosen el liquido, por lo tanto es fundamental el transportede masa para que nuclee y crezca el Cristal. [2]

En la cristalizacion natural el proceso mas extendido eimportante es el crecimiento cristalino en solucion.

III.1. Nucleacion

Los cristales empiezan a crecer mediante un proceso lla-mado nucleacion. Este proceso se define como el comienzode un cambio de estado en una region pequena pero estable.La nucleacion puede empezar con las moleculas mismas(lo cual se conoce como nucleacion no asistida), o con laayuda de materia solda que se encuentra ya en la solucion(nucleacion asistida).

Nucleacion no asistida

Cuando las moleculas del soluto estan en una solucion,se encuentran rodeadas por moleculas de solvente yocasionalmente se encontraran con otras moleculasde soluto. La mayorıa de las veces estas moleculas semantendran unidas por un intervalo pequeno de tiem-po, hasta que otras fuerzas les aparten entre sı. Sinembargo, a veces dos moleculas se mantedran juntasel tiempo suficiente para encontrarse con una terceramolecula de soluto, luego una cuarta y ası sucesiva-mente.

Transcurrido un tiempo se tendra un cierto numero demoleculas de soluto enlazadas entre sı, de manera quelas fuerzas de atraccion son mayores y la agregacionalcanza un “tamano crıtico”. A esta especie de pre-cristal se le llama un centro de nucleacion. Mientraseste pre-cristal flota en la solucion se encontrara conotras moleculas de soluto que se agregaran. Ası em-pieza a crecer el cristal.

Este cristal crecera hasta que eventualmente se alcan-ce un equilibrio entre las moleculas del soluto en elcristal y las aun disueltas en el disolvente.

Nucleacion asistida

El proceso es muy similar al descrito anteriormen-te, excepto que una superficie solida actua como unlugar donde se encuentran las superficies de soluto.Las moleculas de soluto tenderan a agregarse en estasuperficie, aquı se formara el pre-cristal siguiendo elmismo proceso que la nucleacion no asistida.

Figura 1: La nucleacion permite iniciar el proceso de crecimientode cristales.

Por los procesos descritos se puede ver claramente quelos cristales crecen mas rapidamente en una solucion cu-ya concetracion sea cercana a la saturacion. Mientras masmoleculas de soluto haya en un determinado volumen, exis-ten mas posibilidades de que se encuentren y se agreguen.[4]

III.2. Crecimiento

Una vez que se forma el primer cristal pequeno, elnucleo, este actua como un punto de convergencia paralas moleculas de soluto adyacentes al cristal, de manera queincrementa su dimension en capas sucesivas. La masa delsoluto supersaturado que puede capturar el nucleo en unaunidad de tiempo es llamada la tasa de crecimento. Estadepende de varios factores como la tension superficial en lasolucion, la presion y temperatura. [4]

2 2

Fısica del Estado Solido • Enero-Julio 2014 • EPN 3

III.3. Sulfato de Cobre

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

III.4. Borato de Sodio

El borax Na2B4O7·10H2O, borato de sodio o tetraboratode sodio es un compuesto del boro, blanco que se disuelvefacilmente en agua. Se utiliza ampliamente en detergentes,suavizantes, jabones, desinfectantes y pesticidas. En el cua-dro 2 se muestran sus principales propiedades cristalinas.

Nombre quımico Sulfato de cobre pentahidratado.Compuesto quımico Ionico (Sal)Formula quımica CuSO4 . 5H2OClase de simetrıa TriclınicaNumero de unidades formula 2

Cuadro 1: Sulfato de cobre pentahidratado. [3]

Nombre quımico Heptaoxotetraborato de sodio.Compuesto quımico Sal de acido boricoFormula quımica Na2B4O7·10H2OClase de simetrıa MonoclınicaNumero de unidades formula 4

Cuadro 2: Borax. [3]

IV. Procedimiento Experimental

IV.1. Materiales y Equipamiento

(a)

(b)

(c)

(d)

Figura 2: Materiales usados en el experimento.

Sulfato de Cobre / Borato de Sodio (Borax)

Agua destilada

Recipientes de vidrio

Limpiapipas o Hilo

Papel filtro y papel absorbente de cocina

IV.2. Procedimiento

Hacer una solucion sobre saturada.

Se hicieron soluciones sobresaturadas de sulfato decobre y de borax. Se calienta aproximadamente unataza y media de agua destilada para hervirla. Se colo-ca el soluto en el vaso y se revuelve hasta que no sepueda disolver mas soluto dentro del agua. Podemosvariar la cantidad de soluto que se disuelve en el agua.En la figura 3 se observa el procedimiento realizadopara las dos sustancias.

(a) (b)

(c) (d)

Figura 3: Preparacion de las soluciones sobresaturadas de Sulfatode Cobre (a y b) y Borax (c y d).

Hacer un cristal semilla

A partir de este punto tenemos algunas opciones. Po-demos simplemente poner la solucion en una jarra yesperar unos dıas para que crezcan los cristales. Porotro lado, podemos colocar una estructura alrededorde la cual puedan crecer los cristales sin necesidad deun cristal semilla.

3 3

Fısica del Estado Solido • Enero-Julio 2014 • EPN 4

Figura 4: Suspension de un cristal semilla en el medio de lasolucion.

Pero si logramos crecer un cristal semilla, podemos ob-tener cristales mas largos y de una mejor forma. Paraello debemos filtrar, con papel fitro o papel absorben-te, un poco de la solucion saturada obtenida en unvaso. Se debe permitir que repose en un sitio sin serperturbado por varias horas en la noche. Seleccionarel mejor cristal como la ”semilla”, para hacer un grancristal. Raspar el cristal fuera del contenedor y atarloa un hilo. En la figura 4 se observa la suspension deun cristal semilla. [1]

(a) (b)

(c)

Figura 5: Suspension de un hilo en la solucion sobresaturada. Parael sulfato de cobre se colgo el cristal semilla de un hilo (a). Ademasen otro vaso se colgo inicialmente un hilo con un boton de base(b). En el caso del Borax este fue suspendido de una estructurahecha por filamentos de limpiapipas. (c)

Haciendo un gran cristal.

Suspender al cristal semilla en un vaso limpio que ha

sido llenado con la solucion hecha previamente. Nodejar que el cristal semilla toque los lados o el fondodel vaso. Figura ??

Poner el vaso en un lugar en el cual no sea disturbado.Podemos tomar un filtro de cafe o toallas de papelsobre la parte de arriba del contenedor, pero permi-tir la circulacion del aire para que el lıquido puedaevaporarse.

Cuando ya consideremos necesario, se puede removerde la solucion y permitir que se seque.

V. Analisis y Resultados

(a) (b)

(c) (d)

Figura 6: Cristales resultantes de los experimentos realizados. Enla figura (a) se observan los cristales semilla de Sulfato de Cobre.En (b), (c)y (d) se observan los cristales de CuSO4 . 5H2O quecrecieron alrededor del boton colgado del hilo.

Los cristales semilla de Sulfato de Cobre (Figura 6a) al-canzaron un diametro de hasta 2 cm. Sin embargo al colocarel cristal semilla en una solucion para que este crezca, sedisolvio. Esto se debio a que la solucion no estaba lo sufi-cientemente saturada. De manera que al colocar el cristalsemilla no habıa moleculas de soluto que pudieran agregar-se sino mas bien disolverse en la solucion.

Cuando se puso directamente la estructura del hilo col-gando con un boton al final, en la solucion sobresaturada, seobtuvieron cristales de mayor tamano. Los cristales forma-dos en ambos casos fueron disitinguibles en un intervalo de

4 4

Fısica del Estado Solido • Enero-Julio 2014 • EPN 5

24 horas depues de haber realizado los procedimientos an-tes indicados. Al cabo de una semana se dio un proceso deagregacion y su tamano aumento considerablemente, comose puede ver en las figuras 6b, c y d. Ademas se observo laformacion de una gran cantidad de cristales pequenos enlas paredes del recipiente de vidrio.

(a) (b)

(c) (d)

Figura 7: Cristales resultantes de los experimentos realizados. Seobservan los cristales de Borax que crecieron alrededor de unaestructura en forma de copo de nieve, hecha con limpiapipas. Sepuede observar que en el fondo de los recipientes de vidrio seformo una capa de cristales de borax pegados a las paredes.

Los cristales de Borax se formaron alrededor de unaestructura hecha con limpiapipas y suspendida con un hiloo una cuerda y un lapiz como se indicaba en la Figura 4.Para esto no hizo falta formar cristales semilla sino que seutilizo directamente la solucion sobresatura hecha en unprincipio.

VI. Conclusiones y

Recomendaciones

En este experimento se logro la obtencion de cristalesde Sulfato de Cobre y de Borax. Se utilizo un hilo ouna estructura hecha de filamentos de limpiapipascomo centro de nucleacion. Los cristales obtenidosobedecen a la estructura cristalina triclınica del Sulfa-to de Cobre y monoclınica del Borax.

Existen factores en los procesos de nucleacion y cre-cimiento que controlan el tamano y la pureza de loscristales. Un factor que fue notorio en el experimento

fue la variacion de la temperatura a la que se encuen-tra el agua con la que se realiza la solucion. Inclusoun pequeno aumento incrementara en gran propor-cion la cantidad de Sulfato de Cobre (CuS04 . 5H20)que se disolvera. Sin embargo despues es necesariomantener una temperatura ambiente estable para queel agua continue evaporandose y enfriandose, y laconstruccion del cristal sea mayor.

Se realizaron varios intentos para formar los cristalesde Sulfato de Cobre. Varias veces no se formaron loscristales y al dejar pasar los dıas se separaba en dosfases la solucion de Sulfato de Cobre. Esto probable-mente se debio a que la solucion estaba demasiadodiluida y no sobresaturada.

En ambos casos se observaron cristales que comenza-ron a formarse en la base o en la parte de arriba delcontenedor. Es recomendable remover el cristal sus-pendido que se estaba formando y suspenderlo en unvaso limpio. Despues poner la solucion en este vaso.Esto es debido a que es preferible no tener cristalesextra creciendo porque competiran contra el cristal ydemoraran su crecimiento.

El sulfato de cobre es nocivo si se ingiere y puedeirritar la piel. Es necesario usar guantes de proteccionpara su manejo y por precaucion tambien es recomen-dable usarlos en el caso del Borax.

Para almacenar los cristales de sulfato de cobre pen-tahidratado se lo debe hacer en un recipiente sellado.De lo contrario el agua se evapora de los cristales, loque les deja con un color ligeramente amarillo o gris.Este polvo es la forma anhidra del sulfato de cobre.

Referencias

[1] Anne Marie Helmenstine, Ph.D. Copper sulfa-te crystals. [http://chemistry.about.com/od/crystalrecipes/a/coppersulfate.htm

[2] Growing alum Crystals. David A. Katz. [Web en lınea]http://www.raci.org.au/document/item/249

[3] Base de datos de cristalografıa. Institute of Experimen-tal Mineralogy Chernogolovka, Moscow region [Weben lınea] http://database.iem.ac.ru/mincryst/s_

carta.phpBORAX566

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

5 5