CRISTALLIZZAZIONE: PROCESSO, TIPI, ESEMPI, SEPARAZIONE - CHIMICA - 2026

La cristallizzazione è un processo fisico in cui naturalmente o artificialmente un solido cristallino, cioè una struttura ordinata è formato da un mezzo liquido o gassoso. Si differenzia dalla precipitazione per il fatto che quest'ultima si sviluppa senza un rigoroso controllo dei parametri di processo, e inoltre che può produrre solidi amorfi e gelatinosi.

L'obiettivo della cristallizzazione, come indica semplicemente e chiaramente il suo nome, è generare cristalli. Questi non sono solo caratterizzati dall'essere ordinati, ma anche dall'essere solidi puri. Pertanto, nella sintesi di composti solidi, si cerca di ottenere prodotti di elevata purezza, cristalli il più puri possibile.

Cristallizzazione di un ipotetico soluto di colore viola in soluzione acquosa. Fonte: Gabriel Bolívar.

L'immagine sopra mostra una cristallizzazione generalizzata e ipotetica di un soluto viola in soluzione acquosa.

Nota che la barra rossa funge da termometro. Quando la temperatura è alta, la soluzione contiene il soluto disciolto, che rimane solubile in queste condizioni. Tuttavia, quando la temperatura scende gradualmente, iniziano ad apparire i primi cristalli viola.

Man mano che la temperatura continua a diminuire, i cristalli aumenteranno di dimensioni per formare robusti esagoni viola. Il cambiamento di colore della soluzione è indicativo che il soluto è passato dalla dissoluzione all'incorporazione nei cristalli in crescita. Più lenta è la cristallizzazione, più puro è il solido cristallino ottenuto.

Ci sono altre variabili da tenere in considerazione durante questo processo: quanto soluto è disciolto nel solvente determinato, a quale temperatura la soluzione deve essere riscaldata, quanto tempo deve durare il raffreddamento, quanto è necessario ricorrere o meno all'agitazione sonora, tra le altre. aspetti.

Il processo di cristallizzazione, più che un fenomeno complesso che coinvolge dinamiche molecolari e termodinamiche, è un'arte che richiede apprendimento, prove ed errori costanti, fino a quando non viene perfezionato in laboratorio o nell'industria.

Processo di cristallizzazione

La cristallizzazione consiste essenzialmente in due processi: nucleazione e crescita dei cristalli.

Entrambe le fasi avvengono sempre durante la cristallizzazione, ma quando la prima si verifica rapidamente, la seconda difficilmente avrà il tempo di svilupparsi. Nel frattempo, se la nucleazione è lenta, i cristalli avranno più tempo per crescere e quindi tenderanno ad essere più grandi. Quest'ultima è la situazione ipotizzata nell'immagine con gli esagoni viola.

Nucleazione

Originariamente si diceva che i cristalli fossero solidi con strutture ordinate. Dalla soluzione in cui il soluto è disperso in disordine, le sue particelle devono avvicinarsi abbastanza affinché le loro interazioni, sia ioniche che di tipo Van der Walls, consentano l'insediamento del primo gruppo di particelle di soluto: un ammasso.

Questo ammasso può dissolversi e riformarsi tante volte quanto necessario finché non è stabile e cristallino. Si dice quindi che sia apparso il primo nucleo. Se il nucleo appare dal nulla, cioè dalla stessa omogeneità del mezzo durante il suo raffreddamento, sarà una nucleazione omogenea.

D'altra parte, se detto nucleo avviene grazie alla superficie fornita da un'altra particella solida insolubile, o alle imperfezioni del contenitore, allora avremo una nucleazione eterogenea. Quest'ultimo è il più utilizzato e conosciuto, soprattutto quando si aggiunge alla soluzione un minuscolo cristallo, precedentemente ottenuto, della specie che si vuole cristallizzare.

I cristalli non possono mai formarsi dal nulla senza prima nucleazione.

Crescita dei cristalli

C'è ancora molto soluto disciolto in soluzione, ma la concentrazione di soluto in questi nuclei è maggiore che nei loro dintorni. I nuclei fungono da supporti per più particelle di soluto che si depositano e si "adattano" tra le loro strutture in crescita. In questo modo le loro geometrie vengono mantenute e crescono gradualmente.

Ad esempio, i primi nuclei dell'immagine sono esagoni viola; questa è la tua geometria. Quando le particelle di soluto vengono incorporate, i nuclei crescono in robusti cristalli esagonali, che continueranno a crescere ulteriormente se la soluzione viene immersa in un bagno di ghiaccio.

Tipi di cristallizzazione

Ciò che è stato spiegato finora consiste nella cristallizzazione mediante raffreddamento del solvente.

Cristallizzazione di rimozione del solvente

Altri tipi di cristallizzazione si basano sulla rimozione del solvente per evaporazione, per cui non è necessario utilizzarne così tanto volume; cioè, è sufficiente saturarlo con soluto e riscaldarlo per sovrasaturarlo e poi un po 'di più, quindi lasciarlo a riposo, in modo che il soluto finalmente cristallizzi.

Cristallizzazione per aggiunta di solventi

Allo stesso modo, abbiamo la cristallizzazione causata dall'aggiunta di un solvente alla miscela in cui il soluto è insolubile (antisolvente). Pertanto, la nucleazione sarà favorita in quanto vi sono regioni mobili e liquide in cui le particelle di soluto saranno più concentrate rispetto a quelle in cui è molto solubile.

Cristallizzazione per sonificazione

D'altra parte, c'è la cristallizzazione per sonificazione, dove gli ultrasuoni generano e rompe piccole bolle che promuovono nuovamente la nucleazione, allo stesso tempo aiuta a distribuire le dimensioni dei cristalli in modo più uniforme.

E infine, c'è la cristallizzazione dalla deposizione di vapore su superfici fredde; vale a dire, il fenomeno inverso alla sublimazione dei solidi.

Metodo di separazione della cristallizzazione

La cristallizzazione è una tecnica indispensabile per ottenere solidi e purificarli. È molto ricorrente nella sintesi dei composti organici, e rappresenta una delle ultime fasi per garantire la purezza e la qualità del prodotto.

Esempio di colorante

Supponiamo, ad esempio, di ottenere cristalli di un colorante e che siano già stati filtrati. Poiché questo colorante è stato inizialmente ottenuto per precipitazione in una sintesi, il suo solido mostra l'aspetto di essere amorfo, poiché ha molte impurità assorbite e intrappolate tra i suoi cristalli molecolari.

Pertanto, si decide di riscaldare un solvente in cui il colorante è leggermente solubile, in modo che quando viene aggiunto si dissolva relativamente facilmente. Una volta sciolta dopo aver aggiunto ancora un po 'di solvente, la soluzione viene separata dalla fonte di calore e lasciata riposare. Quando la temperatura scende, avviene la nucleazione.

Pertanto, i cristalli di colorante si formeranno e appariranno più definiti (non necessariamente cristallini all'occhio). È in questo preciso momento che il contenitore (solitamente una beuta o un becher) viene immerso in un bagno di ghiaccio. Il freddo di questo bagno finisce per favorire la crescita dei cristalli sopra la nucleazione.

I cristalli del colorante vengono quindi filtrati sotto vuoto, lavati con un solvente in cui è insolubile e lasciati asciugare in un vetro da orologio.

Temperatura di cristallizzazione

La temperatura alla quale avviene la cristallizzazione dipende da quanto è insolubile il soluto nel mezzo solvente. Dipende anche dal punto di ebollizione del solvente, perché se il soluto non si è ancora sciolto alla temperatura di ebollizione, è perché deve essere utilizzato un altro solvente più appropriato.

Ad esempio, i solidi che possono cristallizzare in mezzi acquosi lo faranno quando l'acqua diminuisce la sua temperatura (cioè da 100 a 50 ºC) o mentre evapora. Se la cristallizzazione avviene per evaporazione, si dice che avvenga a temperatura ambiente.

D'altra parte, la cristallizzazione dei metalli o di alcuni solidi ionici avviene a temperature molto elevate, poiché i loro punti di fusione sono molto alti, e il liquido fuso è incandescente, anche quando è sufficientemente raffreddato da nucleari le sue particelle e fai crescere i tuoi cristalli.

Velocità di cristallizzazione

In linea di principio ci sono due modi diretti per controllare la velocità di cristallizzazione di un solido: dal grado di supersaturazione (o sovrasaturazione), o da sbalzi di temperatura.

Grado di sovrasaturazione

Il grado di sovrasaturazione indica la quantità di soluto in eccesso costretta a dissolversi mediante applicazione di calore. Pertanto, più la soluzione è sovrasatura, più veloce è il processo di nucleazione, poiché c'è una maggiore probabilità che i nuclei si formino.

Sebbene la cristallizzazione sia accelerata in questo modo, i cristalli ottenuti saranno più piccoli rispetto a quelli ottenuti con un grado di sovrasaturazione inferiore; cioè quando la loro crescita è favorita e non la nucleazione.

Cambiamenti di temperatura

Se la temperatura viene abbassata bruscamente, i nuclei difficilmente avranno il tempo di crescere e, non solo, manterranno anche livelli più elevati di impurità. Il risultato è che, sebbene la cristallizzazione avvenga più rapidamente del raffreddamento lento, la qualità, le dimensioni e la purezza dei cristalli finiscono per essere inferiori.

Cristallizzazione rapida a causa di un improvviso calo di temperatura. Fonte: Gabriel Bolívar.

L'immagine sopra serve per contrastare la prima. I punti gialli rappresentano le impurità, che a causa della brusca crescita dei nuclei sono intrappolate al loro interno.

Queste impurità rendono difficile incorporare più esagoni viola, risultando in molti cristalli piccoli e impuri alla fine, piuttosto che grandi e puri.

applicazioni

La cristallizzazione del gelato è uno degli aspetti più importanti durante la sua produzione industriale o artigianale. Fonte: Pixabay.

La cristallizzazione, così come la ricristallizzazione, è fondamentale per ottenere solidi puri di alta qualità. Per l'industria farmaceutica questo è particolarmente vero perché i loro prodotti devono essere il più puri possibile, proprio come i conservanti utilizzati nell'industria alimentare.

Inoltre, la nanotecnologia dipende fortemente da questo processo in modo che possano sintetizzare nanoparticelle o nanocristalli, piuttosto che solidi cristallini robusti.

Uno degli esempi quotidiani in cui la cristallizzazione ha una grande partecipazione è nella produzione del gelato. Se non si fa attenzione con l'acqua, essa cristallizza in una fase separata (ghiaccio) dal suo contenuto lipidico, alterandone la consistenza e il sapore; In altre parole, sarà più simile a un gelato a scaglie o un gelato.

Pertanto, i cristalli di ghiaccio dovrebbero essere il più piccoli possibile, in modo che il gelato sia liscio al gusto e al tatto. Quando questi cristalli di ghiaccio sono un po 'grandi, possono essere rilevati alla luce perché danno al gelato una superficie glassata.

Esempi di cristallizzazione

Infine, verranno menzionati alcuni esempi comuni di cristallizzazione, sia naturale che artificiale:

Fiocchi di neve

I fiocchi di neve si formano attraverso un processo di cristallizzazione naturale. È noto che ogni cristallo di neve è unico. Ciò è dovuto alle condizioni che si verificano durante la seconda fase di cristallizzazione (crescita).

Le diverse forme geometriche che presentano i cristalli di neve sono dovute alle condizioni che devono affrontare durante la crescita dei cristalli.

sale

Il sale è l'esempio più comune di cristallizzazione. Questo può essere formato sia naturalmente (come il sale marino) che artificialmente (come nel caso del sale da cucina).

zucchero

Dopo il sale, lo zucchero è uno dei cristalli più comuni. Si forma attraverso una serie di complessi processi industriali in cui il succo di canna da zucchero viene prelevato e sottoposto ad un processo di cristallizzazione artificiale.

Diamante

Il diamante è una pietra preziosa che si forma dalla cristallizzazione del carbonio puro. Questo è il materiale più duro conosciuto sul pianeta. La sua formazione può essere naturale, come nel caso dei diamanti trovati nei depositi minerari, o sintetica.

Rubino

Il rubino è un cristallo rossastro che si forma dalla cristallizzazione dell'ossido di alluminio (coridon).

stalagmiti

Le stalagmiti sono strutture che possono essere trovate nelle grotte, in particolare nei suoli (crescendo puntate verso l'alto). Sono composti da composti di calcio e si formano dalla cristallizzazione dei sali di calcio presenti nell'acqua che cade dai soffitti delle grotte.

stalattiti

Le stalattiti, come le stalagmiti, sono fatte di calcio e si trovano nelle grotte. Si differenziano da quest'ultimo perché pendono dai soffitti. Sono formati dalla cristallizzazione dei sali di calcio presenti nell'acqua che si infiltra nelle grotte.

Quarzo

Il quarzo è una gemma che si forma dalla cristallizzazione dell'anidride silicica. È uno dei minerali più abbondanti nelle rocce e il suo colore è variabile.

Peridot

Chiamata anche olivina, questa gemma si forma grazie alla cristallizzazione di ferro e magnesio. È di colore verdastro e di solito è a forma di diamante.

silicati

I silicati sono materiali creati dalla cristallizzazione della silice e di altri elementi (ferro, alluminio, calcio, magnesio). Sono presenti in tutte le rocce.

Caramelle

Le caramelle sono realizzate con cristalli di zucchero, quindi si può dire che intervengono due processi di cristallizzazione: il primo per la formazione dello zucchero e il secondo per la formazione della melassa.

Gelato cremoso

Il gelato cremoso contiene una serie di cristalli che gli conferiscono la consistenza morbida finale. Tra i cristalli contenuti nel gelato cremoso spiccano i cristalli lipidici (formati dal grasso) e cristalli di ghiaccio. Va notato che alcuni gelati contengono anche cristalli di lattosio.

In questo senso il gelato si ottiene attraverso vari processi di cristallizzazione artificiale (uno per i lipidi, uno per il ghiaccio e uno per il lattosio).

Altri

-Preparazione di cristalli di zucchero attorno a un filo o una corda e una soluzione dolce sovrasatura

-Formazione di cristalli di zucchero dai mieli depositati sul fondo dei loro vasi

-La crescita dei calcoli renali, che consistono nell'essenza dei cristalli di ossalato di calcio

-La cristallizzazione di minerali, comprese gemme e diamanti, nel corso degli anni, le cui forme e bordi sono un riflesso delle loro strutture interne ordinate

-Deposizione di vapori metallici caldi su barre fredde come supporti per la crescita dei loro cristalli.

Riferimenti

1. Day, R. e Underwood, A. (1989). Chimica analitica quantitativa. (quinto ed.). PEARSON Prentice Hall.
2. Wikipedia. (2019). Cristallizzazione. Estratto da: en.wikipedia.org
3. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (23 maggio 2019). Definizione di cristallizzazione. Estratto da: thoughtco.com
4. Università del Colorado. (Sf). Cristallizzazione. Chimica organica. Estratto da: orgchemboulder.com
5. Syrris. (2019). Cos'è la cristallizzazione? Estratto da: syrris.com