Definição
A cristalização é o processo de formação de cristais sólidos a partir de solução, fusão ou por deposição diretamente de uma fase gasosa.
A cristalização é definida como um processo pelo qual um produto químico é convertido de uma solução líquida para um estado sólido cristalino.
O amplo uso da cristalização na indústria se deve em parte ao fato de que a cristalização atua como uma etapa de separação e purificação; quase todos os processos químicos utilizam pelo menos uma etapa de cristalização (como mecanismo de separação chave ou engenharia do produto final).
O que é cristalização?
Cristalização é a formação de cristais que resulta quando um sólido precipita de uma solução líquida ou, raramente, diretamente de um gás.
O termo é usado para descrever esse processo na natureza, bem como quando ocorre em um laboratório ou ambiente industrial. Compostos minerais e orgânicos e até água podem ser cristalizados.
A maioria dos cristais é algum tipo de composto, mas cristais de elementos puros são possíveis. Flocos de neve, sal e algumas pedras preciosas são formadas por esse processo.
Os cristais se formam quando a concentração de um soluto atinge o máximo, uma condição chamada supersaturação. O resfriamento ou a evaporação da solução acionará o processo de cristalização.
Uma redução na temperatura pode desencadear a formação de cristais porque a capacidade de uma solução de reter um soluto depende parcialmente da temperatura. À medida que a temperatura diminui, o mesmo ocorre com a solubilidade. A evaporação aumenta a concentração do soluto na solução, provocando a cristalização.
O primeiro estágio na formação de qualquer cristal é chamado nucleação.
Nucleação é a combinação de duas ou mais moléculas do soluto. Essas moléculas atraem mais moléculas, que se ligam aos cristais originais em um padrão regular. Essa estrutura desse padrão, ou matriz, depende das propriedades moleculares da substância que está sendo cristalizada, mas continuará a se propagar regularmente à medida que mais moléculas forem adicionadas.
Esse processo pode continuar mesmo após a concentração do soluto dissolvido cair abaixo do ponto de supersaturação, pois o cristal continuará adicionando mais moléculas à sua matriz.
O processo de cristalização mais conhecido é a formação de cristais de água na atmosfera. Isso ocorre em todo o mundo, de forma contínua, à medida que o ar que contém o vapor de água é resfriado. a água cristaliza em gelo e, à medida que os cristais crescem, formam flocos de neve.
A cristalização também pode ocorrer muito lentamente. A formação de estalactites em cavernas é uma forma de formação de cristais que ocorre ao longo de muitos séculos ou mesmo milhões de anos.
À medida que a água que contém minerais dissolvidos flui sobre a superfície da estalactite, as moléculas desses minerais se ligam a outras moléculas, aumentando gradualmente a estalactite.
Os povos antigos em todo o mundo obtiveram sal pela formação de cristais de sal a partir da evaporação da água do mar. Essa prática ainda hoje é empregada como uma maneira barata e eficaz de obter sal.
Em algumas áreas do mundo, os cristais de sal são extraídos de imensos depósitos, às vezes a milhares de metros de espessura, que permanecem da evaporação dos mares pré-históricos.
Outros cristais são muito procurados e extraídos por seu valor como pedras preciosas. Embora nem todas as gemas sejam cristais, muitas são formadas nas profundezas da terra durante um período de milhares ou milhões de anos.
Muitos tipos de cristais são criados artificialmente pelo homem, mas todos esses processos se baseiam nos mesmos princípios químicos pelos quais os cristais naturais são formados.
Muitos alimentos, minerais e materiais industriais são produzidos por cristalização.
Como ocorre o processo de cristalização?
O processo de cristalização consiste em dois eventos principais:
Nucleação – As moléculas se reúnem em grupos de maneira definida. Os clusters precisam ser estáveis nas condições experimentais atuais para atingir o “tamanho crítico do cluster” ou eles serão redissolvidos. É este ponto no processo de cristalização que define a estrutura do cristal.
Crescimento de cristais – Os núcleos que alcançaram com sucesso o “tamanho crítico do cluster” começam a aumentar de tamanho. O crescimento de cristais é um processo dinâmico, com átomos precipitando da solução e sendo redissolvidos. A supersaturação e o super-resfriamento são duas das forças motrizes mais comuns por trás da formação de cristais.
O desenvolvimento de processos de cristalização representa uma questão complexa e desafiadora, exigindo controle simultâneo de várias propriedades do produto, incluindo pureza, tamanho e forma do cristal e estrutura sólida em nível molecular. O controle da fase de nucleação é difícil, mas é a chave para o controle do processo.
Os químicos de cristalização geralmente visam atingir objetivos de alta pureza e alto rendimento usando apenas técnicas de cristalização de resfriamento controlado.
Muitos compostos podem existir em múltiplas estruturas cristalinas – um fenômeno conhecido como “polimorfismo” – e podem ter diferentes propriedades físicas (ponto de fusão, forma, taxa de dissolução, etc.).
Dependendo das condições utilizadas, a nucleação ou o crescimento de cristais podem ser predominantes em relação aos demais, levando a cristais com diferentes formas e tamanhos. Portanto, o controle do polimorfismo é de interesse significativo na fabricação de produtos químicos.
Um exemplo comum da importância do tamanho do cristal pode ser encontrado no sorvete. Pequenos cristais de gelo, formados por meio de um resfriamento rápido, melhoram a textura e o sabor do sorvete em comparação com os cristais de gelo maiores.
Exemplos de cristalização
Um material pode cristalizar natural ou artificialmente e rapidamente ou ao longo de escalas de tempo geológicas.
Exemplos de cristalização natural incluem:
Formação de floco de neve
Cristalização de mel em uma jarra
Formação de estalactite e estalagmite
Deposição de cristal de pedras preciosas
Exemplos de cristalização artificial incluem:
Cristais de açúcar em uma jarra
Produção de pedras sintéticas
O que é uma estrutura de cristal?
Muitos sólidos e alguns líquidos cristalinos têm um arranjo tridimensional regular, repetitivo e de átomos, conhecido como estrutura cristalina ou treliça cristalina.
Por outro lado, um sólido amorfo é um tipo de material sólido, como o vidro, que carece de uma estrutura de repetição de longo alcance. Muitas das propriedades físicas, ópticas e elétricas de sólidos ou líquidos cristalinos estão intimamente relacionadas à estrutura do cristal.
As unidades repetidas de uma estrutura cristalina, que são compostas de caixas pequenas ou outras formas tridimensionais, são chamadas de “células”.
Muitas dessas células são agrupadas em uma estrutura repetida e ordenada para compor a estrutura geral.
A estrutura cristalina de um material cristalino pode afetar muitas das propriedades gerais desse material. É um dos principais fatores definidores que afetam as propriedades ópticas do material, por exemplo.
A estrutura cristalina também afeta significativamente a reatividade do material cristalino, pois determina a disposição dos átomos reativos nas bordas e faces externas do sólido ou líquido cristalino.
Outras características importantes do material, incluindo propriedades elétricas e magnéticas de alguns materiais, também são determinadas em grande parte pela estrutura do cristal.
Mineralogistas, cristalógrafos, químicos e físicos geralmente estudam materiais cristalinos em ambientes de laboratório.
Alguns aspectos simples das estruturas cristalinas podem ser determinados através de medições geométricas simples, mas vários métodos baseados na difração de raios-x, nêutrons, elétrons ou outras partículas permitem determinações de estrutura muito mais fáceis e precisas.
Alguns pesquisadores se preocupam apenas em determinar a estrutura de um determinado material cristalino, enquanto outros estão mais interessados em determinar como essa estrutura se conecta às outras propriedades do material.
Outros pesquisadores ainda estão interessados em encontrar aplicações úteis para vários materiais com base em suas estruturas, e alguns até tentam sintetizar novos sólidos e líquidos cristalinos com base nas propriedades esperadas de suas estruturas desejadas.
Deve-se notar que, embora os materiais cristalinos teóricos sejam compostos por uma série perfeita e consistente de unidades repetidas, os cristais reais tendem a apresentar falhas. Essas falhas são, na maioria dos casos, simplesmente irregularidades na estrutura normal dos cristais. Em alguns casos, isso ocorre quando um átomo ocupa um lugar diferente em uma determinada estrutura cristalina do que normalmente faria.
As diferentes propriedades desse átomo podem ter impactos substanciais na forma como as unidades estruturais do cristal se organizam em torno dele. Da mesma forma, os defeitos ou irregularidades dos cristais reais podem ter impactos substanciais nas propriedades gerais do material cristalino.
Cristalização
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