1
Cristalización de la sacarosa en la industria azucarera.
Obtención de aspirina.
2
Separación de ceras en la refinación de aceites (winterización).
Purificación de productos en el refino del petróleo.
3
Sal grano industrial .
Elaboración de helados.
CRISTALIZACION
CRISTALES: Un cristal es un sólido homogéneo que presenta un orden interno periódico de sus partículas, sean átomos, moléculas o iones.
Diamante (carbono puro) Pirita (sulfuro de hierro)
CARACTERISTICAS DE UN BUEN CRISTAL:
Tamaño adecuado depende de átomos (0.1-0.4 mm)
Todas las celdas unidad idénticas y orientadas en la misma dirección
Alto grado de orden interno (buen patrón de difracción de rayos X)
Cristal sencillo, no aglomerados
Caras bien definidas y transparentes y bordes regulares. Forma de prisma
Sin grietas, defectos o maclas aparentes
ESTRUCTURA CRISTALINA:
La estructura cristalina está caracterizada microscópicamente por la agrupación de iones, átomos o moléculas según un modelo de repetición periódica, y el concepto de periodicidad es sencillo de entender si pensamos en los motivos de una alfombra oriental, dibujos de un mosaico, o una formación de tipo militar
Repetición de motivos en una alfombra
Repetición de motivos en un mosaico
Repetición de motivos en una formación militar
Si nos fijamos con detenimiento, en estos dibujos hay siempre una fracción de los mismos que se repite. Pues bien, en los cristales, los átomos, los iones o las moléculas se empaquetan dando lugar a motivos que se repiten desde cada 5 Angstrom hasta las centenas de Angstrom (1 Angstrom = 10-8 cm), y a esa repetitividad, en tres dimensiones, la denominamos red cristalina. El conjunto que se repite, por traslación ordenada, genera toda la red (todo el cristal) y lo denominamos celdilla elemental ó celdilla unidad. Para generalizar, su contenido (átomos, moléculas, iones), o sea el motivo que se repite, puede describirse por un punto (el punto reticular) que representa a todos y cada uno de los constituyentes del motivo. Por ejemplo, cada soldado sería un punto reticular. En la materia condensada, un mono cristal es un dominio, generalmente poliédrico, de un medio cristalino.
Pero hay ocasiones en las que la repetitividad se rompe, no es exacta, y precisamente esa característica es lo que diferencia a los cristales de los vidrios o en general de los llamados materiales amorfos (desordenados o poco ordenados)...
Modelo atómico plano en un material ordenado (cristal)
Modelo atómico plano de un vidrio
DEFECTOS DE CRISTALIZACION
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. Los defectos cristalinos se denominan:
VACANCIAS.- Se producen por la ausencia en la red de un elemento. Las vacancias, al igual que otros defectos, pueden desplazarse libremente a lo largo de la red.
Son puntos de red vacíos en la estructura del material. Estos lugares deberían idealmente estar ocupados por átomos, sin embargo se encuentran vacíos.
ÁTOMOS INTERSTICIALES.- Son átomos que ocupan lugares que no están definidos en la estructura cristalina. Con frecuencia este defecto se presenta unido a una vacancia, pues la formación de una vacante favorece la aparición de un átomo intersticial.
En otras palabras, son átomos cuyas posición no está definida por un punto de red. Normalmente estos átomos se colocan en los intersticios que se forman entre los átomos originales, por lo tanto que se les llama átomos intersticiales.
ATOMOS SUSTITUCIONALES.- En teoría un material puro está formado exclusivamente por el mismo tipo de átomos. Los materiales reales no son 100% puros sino que poseen impurezas, las cuales se definen como átomos diferentes a los átomos del material original. Cuando uno de esos átomos diferentes sustituye a un átomo original ocupando su punto de red, recibe el nombre de átomo sustitucional.
Pueden dar lugar a la aparición de series isomorfas (cuando pueden darse todas las sustituciones posibles, sin alterar la estructura de la red).
DISLOCACIONES.- Están formadas por los átomos originales del material (no por impurezas). Debido a que el plano de átomos esta insertado en la estructura en lugares no definidos por la misma, las dislocaciones causan la deformación del material cercano a ellas. Los átomos en la estructura perfecta se encuentran a una distancia fija de equilibrio entre sí. La presencia de las dislocaciones altera esta distancia de equilibrio tal como se ilustra a continuación:
FACTORES QUE AFECTAN LA CRISTALIZACION
DISOLVENTE
Influye en el mecanismo de crecimiento de cristales
Puede incorporarse a la red cristalina
Solubilidad sólo moderada (evitar supe saturación)
Emplear la menor cantidad de disolvente
Semejante disuelve a semejante
Chequear varios disolventes y mezclas (diclorometano, éter dietílico,
hexano, tolueno y THF)
Presencia de disolventes aromáticos puede ayudar a la cristalización
Evita disolventes con largas cadenas alquílicas (hexano, heptano)
Mejor disolventes con geometría rígida (tolueno)
NUCLEACION
Cuantos menos sitios mejor (menos cristales y más grandes)
Recipientes limpios: minimizar partículas de polvo y suciedad
Filtrar para eliminar partículas insolubles
Recipientes usados suelen estar rayados y presentar defectos superficiales: proporcionan múltiples sitios de nucleación
Recipientes nuevos pueden presentar paredes demasiado lisas para que se produzca la nucleación
TIEMPO
Cristalizaciones lentas proporcionan mejores cristales
Purificar el compuesto (cristalización convencional y/u otros métodos)
Tener en cuenta las propiedades físicas del compuesto
(Sensibilidad, estabilidad térmica, etc.)
Elaborar un perfil de solubilidad del compuesto
Emplear material de vidrio limpio para crecer cristales
Poner varias cristalizaciones en paralelo con diferentes condiciones
No se puede predecir cuál es la mejor técnica, depende de
características del compuesto
AGITACION
La agitación no es deseable: conduce a cristales de pequeño tamaño y maclados
Mantener cristales alejados de fuentes de agitación mecánica y vibraciones (bombas de vacío, rota vapores, vitrinas, puertas, zonas de paso, etc.)
No chequear cristales con demasiada frecuencia (una vez al día)
Temperatura: cuanto mayor es la temperatura más rápida va a ser la cristalización ya que al estar la disolución a gran temperatura el agua también lo está y se evapora más rápido. Pero al ser una cristalización más rápida los cristales van a ser peores (no van a estar tan bien definidos) porque no han tenido tanto tiempo para ordenarse como el que habrían tenido si la cristalización se hubiera formado a menos temperatura que habrían tenido más tiempo para ordenarse y los cristales habrían sido mejores
Grado de saturación: Cuanto más saturada esté la disolución, menos cantidad de agua va a tener la disolución más materia prima estará disponible por lo que menos va a tardar en evaporarse y los cristales van a ser más grandes y más definidos.
Espacio: Cuanta más superficie tenga la mezcla para realizar la cristalización mejor serán los cristales porque en primer lugar va a haber más superficie en contacto con el aire y en segundo lugar más espacio van a tener los cristales para desarrollarse y no interferirse ni incrustarse entre sí.
Tipos de cristalización
Fusión por zonas
Es una variación de la técnica de la cristalización fraccionada, que ha hecho posible el desarrollo de la ciencia y tecnología de los transistores. Se calienta una barra de material solido ya bastante puro, normalmente metal, silicio o germanio, en una zona muy estrecha; la fuente de calor se traslada a lo largo de la barra lo bastante despacio para que la barra entera funda y recristalice. Como el metal puro recristaliza antes que las impurezas, estas permanecen en la zona liquida móvil que deja atrás un metal de extraordinaria pureza. La fusión por zonas e actualmente una técnica normal para purificar cualquier material que puede pasar fácilmente del estado solido al liquido y viceversa.
Por Sublimación
Algunas sustancias sólidas tienen la propiedad de alcanzar directamente, por calentamiento, el estado gaseoso sin paso previo por el estado líquido. Al enfriar los vapores se condensan en forma de cristales muy puros, ya que las impurezas, al no sublimar, quedan perfectamente separadas de la sustancia pura.
Por Disolución
En sustancias cuya solubilidad varía con la temperatura. Se prepara una disolución saturada del sólido a cristalizar, dejando que se evapore lentamente el disolvente, de tal manera que de la disolución se sobresatura y de ella irán separando lentamente los cristales del sólido disuelto.
Métodos de cristalización
Enfriar una disolución concentrada (Solubilidad). La mayoría de los sólidos es más soluble a temperaturas altas que a temperaturas bajas. Preparando una disolución concentrada a altas temperaturas y enfriándola posteriormente se puede conseguir que cristalice esencialmente el compuesto principal enriqueciéndose las aguas madre de las impurezas presentes en la mezcla inicial al no alcanzar su límite de solubilidad (Sobresaturación).
Cambio de solvente (Polaridad) Preparando una disolución concentrada de una sustancia en un buen disolvente y añadiendo un disolvente peor que es miscible con el primero el componente principal del sólido disuelto empieza a precipitar, enriqueciéndose relativamente las aguas madres en las impurezas. Por ejemplo, puede separarse ácido benzoico de una disolución de éste en acetona por agregado de agua.
Fusión Se funde la sustancia a cristalizar, para posteriormente dejarla enfriar, apareciendo los cristales sobre las paredes del recipiente.
Sublimación Los vapores formados condensan en zonas más frías ofrecidas, pasando habitualmente directamente del estado gaseoso al sólido, (resublimación), dejando atrás las posibles impurezas. De esta manera se pueden obtener por ejemplo sólidos puros de cafeína, azufre elemental, ácido salicílico, iodo, etc.
Evaporación del disolvente De manera análoga, evaporando el disolvente de una disolución se puede conseguir que empiecen a cristalizar los solidos que están disueltos cuando se alcanzan los limites de sus solubilidades.
Cristalizadores
Los cristalizadores pueden operar de forma continua o de cargas, pero es preferible la operación continua. factores
El solvente debe ser capaz de disolver el soluto para permitir la obtención de cristales.
No debe introducirse impurezas para que no afecten la apariencia y propiedades del cristal.
La reacción química debe ser estable.
Para el manejo y procesamiento se requiere que se poco viscoso y con una temperatura de fusión debajo de los 5ºC, además de baja toxicidad e inflamación.
Tipos de cristalizadores
Cristalizador de suspensión mezclada y retiro de productos combinados, Llamado también cristalizador de magna circulante, este equipo funciona a la capacidad mas elevada es del tipo que se produce por lo común la evaporación de disolventes casi siempre agua
Cristalizador de evaporación de circulación forzada Consta de una tubería de circulación y de un intercambiador de calor de coraza. Este calentamiento se produce sin evaporación además los materiales de solubilidad no deben producir sedimentación en los tubos.
Cristalizador de enfriamiento superficial El diseño se basa en las velocidades admisibles de intercambio de calor y retención que se requiere para el crecimiento de los cristales de producto.
Etapas a seguir en una cristalización
1.- Elección del disolvente apropiado
Para la elección de un disolvente de cristalización la regla ¨ Lo semejante disuelve a lo semejante ¨ suele ser muy útil.
Es mejor utilizar un disolvente con un punto de ebullición que sobrepase los 60 º C, pero que a su vez sea por lo menos 10 º C más bajo que el punto de fusión del solido que se desea cristalizar.
El solvente ideal debe tener las siguientes propiedades:
Se disolverá el compuesto cuando la solución este caliente pero no cuando este fría .
No reaccionara con el compuesto.
No es flamable.
No es toxico.
Es barato.
Es muy volátil, así que puede separarse fácilmente de los cristales.
Los solventes utilizados comúnmente son:
Agua (H2O)
Acetona (CH3COCH3)
Diclorometano (CH2Cl2)
Acetato de Etilo (CH3COOC2H5)
Tolueno (C6H5CH3)
Hexano (C6H14)
Ciclohexano (C6H12)
2.- Disuelve el compuesto impuro
Colocar el compuesto en un tubo de ensayo.
Triturar los cristales grandes con una varilla de vidrio para ayudar a que se disuelvan.
Agregar el solvente gota a gota. Para eliminar las impurezas sólidas, no solubles, usar un exceso de solvente para diluir la solución y filtrar las impurezas a temperatura ambiente , luego evaporar el solvente.
Antes de calentar, se debe colocar un aplicador de madera en el tubo para evitar que se sobrecaliente.
Después de que se ha eliminado las impurezas sólidas y el solvente se ha evaporado, agregar el solvente gota a gota mientras se revuelve los cristales con una varilla de cristal y calentar el tubo con un baño de arena o vapor hasta que el compuesto quede completamente disuelto con una cantidad mínima del solvente
3.- Decolora la solución
Si la solución no tiene color o si solo tiene un tono amarillo pálido, es mejor saltarse este paso. Si la solución tiene color, lo cual resulta de la creación de productos de alto peso molecular a través de las reacciones químicas, agregar el exceso del solvente y el carbón activado y poner a hervir la solución durante unos minutos.
Las impurezas de color serán absorbidas en la superficie del carbón activado debido a su alto grado de microporosidad
CARBÓN ACTIVADO
Carbón activado es un término genérico que describe una familia de absorbentes carbonáceos altamente cristalinos y una porosidad interna altamente desarrollada.
El carbón activado se utiliza en la extracción de metales la purificación de agua potable, en medicina vegetariana y medicina humana para casos de intoxicación en el tratamiento de aguas residuales, clarificación de jarabe de azúcar, purificación de glicerina, en filtros de purificación y entre otros muchos usos.
4.- Retira los sólidos por filtración
La filtración puede realizarse por gravedad, por decantación, o al sacar el solvente utilizando una pipeta.
POR GRAVEDAD:
Este es el método de elección para eliminar el carbón fino, el polvo, pelusa, etc.
POR DECANTACION:
Este se utiliza para separar las impurezas solidas grandes. Simplemente vierte (decanta) el solvente caliente dejando solo los solidos insolubles en el frasco.
POR EXTRACCION DE UN SOLVENTE UTILIZANDO UNA PIPETA:
Se utiliza para una cantidad pequeña de solución y si las impurezas del solido son lo suficientemente grandes. Inserta una pipeta de punta cuadrada en el fondo de un tubo de ensayo y extrae el liquido mediante succión, dejando las impurezas solidas en el frasco.
CRISTALIZACIÓN DEL COMPUESTO DE INTERÉS
Este paso asume que las impurezas de color y las impurezas insolubles hayan sido eliminadas en alguno de los pasos anteriores.
Eliminar cualquier exceso de solvente.
Comienza con una solución saturada con el soluto (punto de ebullición)
Dejar enfriar a temperatura ambiente
Realizar el proceso para una adecuada cristalización.
RECOLECCION Y LAVADO DE CRISTALES
Separar los cristales del solvente frio por filtración:
Embudo de Hirsch
Embudo de Buchner
Pipeta
FILTRACION UTILIZANDO UN EMBUDO DE HIRSCH
Colocar el embudo de Hirsch con el papel filtro no plegado en un matraz
Colocar el matraz al vacío en hielo
Mojar el papel filtro en el solvente de cristalización
Conectar el matraz al aspirador
Verter y raspar los cristales hacia el embudo y romper el vacío
Usar gotas de solvente frio para enjuagar el matraz
Lavar los cristales con solvente frio para separar restos de impurezas residuales
Dejar el aspirador para secar los cristales
FILTRACION USANDO UN EMBUDO DE BUCHNER
Colocar papel filtro sin plegar en el fondo del embudo de Buchner
Sellar el embudo dentro de un matraz al vacío
Verter y arrastras los cristales al embudo y romper el vacío
Enjuagar el matraz de cristalización con solvente frio – cristales lavados – aplicar vacío – romper el vacío
Lavar los cristales las veces que sean necesarias
Dejar el aspirador encendido para secar lo cristales.
LAVADO USANDO UNA PIPETA
Se utilizar para lavar pequeñas cantidades de cristales:
Insertar en el fondo del tubo de ensayo
Sacar el líquido dejando los sólidos ya lavados.
SECADO DEL PRODUCTO DE LAVADO
Se realiza al presionar los cristales entre las hojas de papel filtro
Darles tiempo para que se sequen en un vidrio de reloj.
IMPORTANCIA DE LA CRISTALIZACION EN LA INDUSTRIA
Aplicaciones
VENTAJAS DE LA CRISTALIZACION
El factor de separación es elevado. En ocasiones se puede recuperar un producto con una pureza mayor del 99%
Controlando las condiciones del proceso se obtiene un producto sólido constituido por partículas discretas de tamaño y forma adecuados para ser directamente empaquetado y vendido.
Precisa menos energía y puede realizarse a temperaturas relativamente bajas.
DESVENTAJAS DE LA CRISTALIZACION
En general, ni se puede purificar más de un componente ni recuperar todo el soluto en una única etapa. Es necesario equipo adicional para retirar el soluto restante de las aguas madres.
La operación implica el manejo de sólidos, con los inconvenientes tecnológicos que esto conlleva. En la práctica supone una secuencia de procesado de sólidos, que incluye equipos de cristalización junto con otros de separación sólido-líquido y de secado.
1
Cristalización de la sacarosa en la industria azucarera.
Obtención de aspirina.
2
Separación de ceras en la refinación de aceites (winterización).
Purificación de productos en el refino del petróleo.
3
Sal grano industrial .
Elaboración de helados.
