Introducción al crecimiento cristalino I (Nucleación y Solubilidad) Nuria Sánchez-Pastor

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José Francisco Parra Rojo
hace 6 años
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1 Introducción al crecimiento cristalino I (Nucleación y Solubilidad) Nuria Sánchez-Pastor

estructura cristalina, aunque externamente no veamos formas geométricas Por ejemplo: Aunque no los

2 1. Definición de cristal Cristal: cualquier sólido homogéneo limitado por caras planas y con forma geométrica externa En la actualidad se da el nombre de CRISTAL a cualquier sustancia sólida con estructura cristalina, aunque externamente no veamos formas geométricas Por ejemplo: Aunque no los veamos a simple vista, muchos minerales forman pequeños cristales, como el cinabrio que aparece en esta foto

ordenada y periódica en las tres direcciones del espacio.

3 1. Definición de cristal Cristal: Sólido en el que las unidades de materia (iones, átomos o moléculas) que lo constituyen se distribuyen de forma ordenada y periódica en las tres direcciones del espacio. Estructura Periódica Estructura No Periódica Cómo explicamos que los cristales tienen una estructura periódica?

4 2. Proceso de cristalización El proceso de formación de los cristales se llama cristalización? Cristalización Pero a partir de qué se forma un cristal? Y cómo se forma?

5 2. Proceso de cristalización A partir de un material fundido que se enfría MAGMA Fundido (estado líquido) Caliente Solidificación Frio Estado sólido CRISTALES de MINERALES Por precipitación de sustancias disueltas Disolución H 2 O + soluto Precipitación Estado sólido CRISTALES de MINERALES Por sublimación de gases Sustancia en estado gaseoso Sublimación Estado sólido CRISTALES de MINERALES

6 2. Proceso de cristalización Se produce la formación de cristales a partir de la incorporación de las sustancias que componen un fluido, por saturación de alguno de los componentes Precipitación: Cuando el fluido es un líquido. La causas son variadas: pérdida por evaporación del fluido, aumentos en la concentración (aporte de iones) y variaciones de temperatura o presión. Se verifica en todos los ambientes.

7 Por precipitación de sustancias disueltas El agua del mar se evapora, pero no se evaporan las sales H 2 O H 2 O H 2 O H 2 O H 2 O

subterráneas pueden llevar una importante cantidad de Ca en solución, como

8 Por precipitación de sustancias disueltas En cuevas, a partir de soluciones supersaturadas: estalactitas y estalagmitas En zonas calcáreas, las aguas subterráneas pueden llevar una importante cantidad de Ca en solución, como bicarbonato cálcico. Al llegar a superficie, el aumento de temperatura liberación de CO 2 precipitación de calcita.

9 3. Formación de cristales La cristalización es un fenómeno que consiste en dos procesos diferentes nucleación y crecimiento

10 4. Equilibrio: Solubilidad y Sobresaturacion Un cristal se genera a partir de una solución que está sobresaturada. Significa que la solución contiene en su seno una concentración de soluto C mayor que las concentración C o a concentración de equilibrio temperatura. A presión atmosférica, podemos calentar agua muy limpia, uede enfriar a -38º C sin que se produzca un cambio de fase. De manera similar, las disoluciones acuosas de casi todas las sales son estables a C que superan significativamente las C 0 de equilibrio. La sobresaturación es una condición necesaria pero no suficiente para que se forme una fase nueva = Nucleación

4. Equilibrio: Solubilidad y Sobresaturacion Las relaciones de equilibrio para los sistemas de cristalización se presentan en forma de curvas de solubilidad Cuando un sólido se pone en contacto con

11 4. Equilibrio: Solubilidad y Sobresaturacion Las relaciones de equilibrio para los sistemas de cristalización se presentan en forma de curvas de solubilidad Cuando un sólido se pone en contacto con un líquido en el cual es soluble, las moléculas o los iones del sólido comienzan a pasar al disolvente, dando lugar a una disolución Las disoluciones subsaturadas son termodinámicamente estables C < Ce Las disoluciones saturadas están en equilibrio C = Ce Las disoluciones sobresaturadas son termodinámicamente inestables C > Ce Una solución sobresaturada debería crear una fase sólida sólo es cierto cuando alcanza un valor crítico.

4. Equilibrio: Solubilidad y Sobresaturacion a. Zona metaestable: el soluto en exceso e deposita en cristales ya existentes pero no forma cristales nuevos o núcleos. b.

12 4. Equilibrio: Solubilidad y Sobresaturacion a. Zona metaestable: el soluto en exceso e deposita en cristales ya existentes pero no forma cristales nuevos o núcleos. b. Zona de Nucleación: el soluto en exceso se deposita en cristales existentes y forma nuevos núcleos. c. Zona lábil de precipitación: nuevos forma a partir de una solución SEMILLAS

13 Qué es un Núcleo? 5. Nucleación - Conjunto de átomos que han sobrepasado un nivel de energía que les permite mantener su ordenamiento dentro del líquido. - No podrá mantenerse unido a menos que alcance un cierto tamaño. - De qué depende entonces el tamaño necesario para formar el núcleo? De las energías involucradas en nucleación (2 tipos de cambio de E)

14 5 Nucleación

15 5 Nucleación En la naturaleza, el sustrato puede ser: paredes de fisuras, cavidades, sobre minerales de una generación anterior, etc.

. Crecimiento Después de la nucleación, ocurre el crecimiento de los cristales, creciendo los cristales más grandes a costa de los pequeños, que se

16 . Crecimiento Después de la nucleación, ocurre el crecimiento de los cristales, creciendo los cristales más grandes a costa de los pequeños, que se disuelven (recordar que toda disolución es un sistema dinámico). cristal Conjunto de celdas unidad Iones, átomos Unidades de crecimiento Celda unidad

17 . Crecimiento Si la nucleación es más rápida que el crecimiento nº grande de pequeños agregados, lo que conduce a la formación de sistemas coloidales en solución y, al coagular, a precipitados coloidales. Si el crecimiento de los cristales es más rápido que la nucleación pocos agregados, grandes y cristalinos.

18 . Crecimiento A partir de los núcleos se inicia el crecimiento de los cristales siempre que las condiciones del medio lo permitan (tiempo, estabilidad, etc). El crecimiento real de los cristales se separa de este modelo ideal, produciéndose lo que se denominan defectos cristalinos.

Son las responsables de variaciones en el color o la forma de los cristales Vacancias: Se producen por la ausencia en la red de un elemento.

19 . Crecimiento Defectos cristalinos La cristalización nunca es perfecta. Como en cualquier proceso natural se producen imperfecciones en el crecimiento. Son las responsables de variaciones en el color o la forma de los cristales Vacancias: Se producen por la ausencia en la red de un elemento. Átomos intersticiales: Inclusión en la red de un átomo fuera de las posiciones reticulares. Dislocaciones: Aparición de nuevas filas de elementos cuando en el plano anterior no existían. Sustituciones: Entrada en la red de un átomo diferente, pero de similar radio iónico que el que la compone.

20 . Crecimiento Forma de los cristales Como la tendencia durante el crecimiento es a completar caras, la forma final con la que aparece un cristal (siempre que no tenga limitación de espacio) se denomina hábito cristalino y es fiel reflejo de su estructura interna. Existen diferentes tipos de hábitos: acicular, laminar, poliédrico, prismático.

. Crecimiento La formación de un único núcleo y un único cristal aislado

Por el contrario es frecuente que en el proceso de crecimiento se creen

21 . Crecimiento La formación de un único núcleo y un único cristal aislado es muy complicada. Por el contrario es frecuente que en el proceso de crecimiento se creen agregados cristalinos, unión de cristales formados a partir de diferentes núcleos. Según se dispongan los cristales, los agregados reciben el nombre de irregulares, paralelos, radiales, etc. Un tipo especial de agregados son las maclas, consecuencia de la formación de varios núcleos a partir de los cuales se ha producido el crecimiento. Ninguno de ellos consigue englobar a los demás, continuando todos su propio crecimiento.

22 FIN 09/01/2014

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