Certamente você já ouviu falar sobre cristais, é provável que neste ponto sua mente tenha visualizado um enorme diamante, uma ametista ou um topázio. E, certamente, este grupo também inclui muitos dos mais conhecidos "pedras preciosas", mas um cristal não é uma denominação que abrange claramente o campo da joalheria.
Um cristal é o produto final de um interessante processo conhecido como cristalização, que se caracteriza por resultar em um sólido homogêneo formado por "faces", que são porções localizadas em planos diferentes.
Características do sólido de cristalização
O tamanho de um cristal é uma característica variável, em uma ampla gama de dimensões. Cristais "enormes" podem ser encontrados, os quais podem ser medidos através da unidade linear "metro", assim como nós podemos encontrar cristais isso deve ser expresso em termos de "mícrons", uma vez que seu tamanho pequeno os torna comparáveis a microorganismos como bactérias, que só são observáveis ao microscópio.
Conforme mencionado, os processos cristalinos resultam em produtos de alta pureza, por isso estabelecemos, anteriormente na definição, que os cristais são homogêneos: ou seja, a composição do produto permanece em um valor constante em qualquer ponto do volume do sólido, o que também implica que as características físicas e químicas permanecem inalteradas ao longo da peça, e em caso de observação de variação devido a uma perturbação, a mudança ocorrerá em toda a espécie. Essa qualidade torna os cristais produtos valiosos em diversos campos, que vão desde a valorização da qualidade do material, até o uso do processo de cristalização como técnica de separação de substâncias.
Produtos cristalinos também podem ser isolados em nível de laboratório, por meio de reações controladas em montagens que emulam os processos espontâneos que ocorrem na natureza. Uma das principais vantagens dos cristais obtidos em processos controlados é que apresentam formas mais regulares, que combinam perfeitamente com as figuras poligonais de maior precisão.
Em um cristal, devemos distinguir as faces que fazem parte do hábito cristalino real (características morfológicas), e com base no número delas, podemos considerar as formas fundamentais do sólido. Normalmente em um cristal é definido pela combinação de várias formas fundamentais, sendo os principais os seguintes:
- Pedion: Vidro constituído por uma única face plana, sem equivalentes.
- Pinacóide: É constituído por duas faces equivalentes em relação a um eixo de simetria.
- Esfenóide: As duas faces equivalentes que compõem este sólido estão em torno de um eixo binário.
- Prisma: É constituído por faces homólogas que constituem uma zona. Sendo a “área de um cristal” definida como um conjunto de faces paralelas à mesma direção, correspondendo a uma aresta do mesmo.
A estrutura dos cristais de um ponto de vista interno pode ser considerada constituída por um sistema mais ou menos homogêneo, periódico e anisotrópico de um material dissolvido que desenvolve uma estrutura em vários pontos do espaço. Entre as características dos cristais, o fato de cada ponto ter uma repetição regular no espaço ocupado pelo material. Na cristalografia, o fenômeno que influencia essa ação é denominado tradução.
Processo de cristalização
Para que ocorra uma cristalização, devemos partir de uma substância que pode ser classificada como "Cristalino", e isso é definido porque as partículas que o compõem, sejam de natureza atômica, molecular ou iônica, possuem propriedades de homogeneidade, periodicidade e simetria.
Todo o processo é ativado quando, em algum ponto da substância cristalina, as partículas começam a se reorganizar, em um estágio conhecido como nucleação. Todo esse processo envolve, além da variação evidente na ordem das partículas, um processo de mudança nas condições termodinâmicas, que são orientadas para a compensação das perturbações geradas pela mudança na energia livre de Gibbs, que é marcada por três eventos:
- A mudança na energia química.
- A criação de uma interface entre a zona de nucleação e o resto da fase homogênea.
- A variação de volume e forma que esse processo envolve desencadeia tensões.
A próxima fase se origina quando a estrutura de base de nucleação se estabiliza. O próximo passo é algo lógico e previsível, uma vez que tenhamos a estrutura básica entraremos em um processo de crescimento, em que se observa uma mudança nas dimensões do núcleo. Aos poucos, esse aumento resultará na formação de faces, até que o cristal adquira um hábito bem definido.
Mecanismo de crescimento de cristal
A teoria desenvolvida por Volmer explica como ocorre o crescimento de um cristal, estabelecendo que, em torno da estrutura básica da nucleação da substância cristalina, uma espécie de camada de absorção, que atua como uma interface e, além disso, promove uma migração de partículas ao seu redor, que se movem paralelamente à superfície. O resultado desse processo é definido como uma estrutura definida em um plano bidimensional.
Por sua vez, Kossel e Straski, determinaram que trabalho mecânico é necessário para conseguir a fixação de um íon à superfície desta camada, e isso depende de sua posição.
O desenvolvimento de um modelo que defina o crescimento requer a previsão de zonas de saturação onde se observa uma maior taxa de mudança (zonas locais de supersaturação). Isso mostra que o crescimento do cristal ocorre em camadas.
Cristalização como mecanismo de separação
Como um cristal é formado por uma substância homogênea, seu uso se difundiu como método de separação seletiva de substâncias, dentre vários métodos, a seguir, explicaremos em que consistem aqueles cujo uso é mais difundido:
- Adicionando um novo solvente: Se conhecermos a natureza dos produtos com que estamos a manipular, podemos aplicar este método, que consiste basicamente em adicionar um novo solvente que interage com o solvente no qual está imerso o soluto que queremos cristalizar. Quando o novo solvente começa a interagir seletivamente com seu homólogo, o soluto precipita, iniciando o processo de cristalização.
- Resfriamento para altas concentrações de soluto: Quando temos uma solução de alta concentração, que foi feita a altas temperaturas, e a submetemos a um processo de resfriamento, obtemos uma condição de supersaturação, em que se dissolve uma quantidade maior de soluto do que o solvente pode aceitar, naqueles novos condições de temperatura. Se o processo de redução da temperatura for feito de forma controlada, podemos influenciar no tamanho do cristal que iremos obter.
- Sublimação: Essa técnica só pode ser aplicada em compostos cristalinos que apresentem alta pressão de vapor, de forma que as transformações da fase gasosa para a sólida não exijam a passagem pelo ponto de fusão.