Cristales

Un cristal es una disposición simétrica de átomos, iones o moléculas dispuestos en un modelo tridimensional repetitivo. Sí los centros de las unidades materiales se reemplazan por puntos, el sistema de puntos resultantes se llama una reticulado o res espacial o red cristalina. Utilizando una red de líneas que unen los puntos de retículo, una red cristalina puede dividirse en parte idénticas llamadas celdas unitarias. Teóricamente una red cristalina puede reproducirse apilando en tres dimensiones sus celdas unitarias. Los tipos mas sencillos de celdas unitarias son las celdas unitarias cúbicas. Es posible tener puntos en posiciones diferentes de las esquinas de las celdas unitarias. En la celda unitaria cúbica centrada en el cuerpo, un punto se halla en el centro de la celda. En la celda unitaria cúbica centrada en las caras un punto se halla en el centro de cada cara de la celda (Mortimer,1983).

La celda unitaria cúbica simple contiene el equivalente de un solo átomo. La celda unitaria cúbica centrada en el cuerpo contiene dos átomos. La celda unitaria centrada en las caras contiene el equivalente de cuatro átomos (Mortimer,1983).

Los cristales están formados por átomos, iones y moléculas. Podemos clasificar a los cristales en cuatro tipos de acuerdo a la clase de partículas que forman el cristal y a las fuerzas que las mantienen juntas (Mortimer,1983).

Los cristales iónicos. Los iones positivos y negativos están sostenidos en la red cristalina por atracciones electrostáticas. Debido a que las fuerzas son fuertes, las sustancias iónicas tienen puntos de fusión elevados. Los cristales iónicos son duros y frágiles. Debido al movimiento de un plano de iones sobre otro, los iones con la misma carga se repelen mutuamente. El cristal se rompe en pedazos, estos son buenos conductores de electricidad cuando están fundidos o en solución (Mortimer,1983).

Los cristales moléculas, las moléculas ocupan posiciones de red o reticulado en los cristales de los compuestos covalentes. Las fuerzas intermoleculares que mantiene las moléculas en la estructura cristalina no son tan fuertes como las fuerzas electrostáticas que mantienen juntos los cristales iónicos. Unos pocos compuestos moleculares se disocian muy ligeramente y producen bajas concentraciones de iones. (Mortimer,1983).

Las redes cristalinas, los átomos ocupan posiciones del retículo y están unidos por una red de enlaces covalentes. Todo el cristal puede considerarse como una molécula gigante. El diamante es un ejemplo de este tipo de cristal. Los materiales de este tipo tienen puntos de fusión elevados y son extremamente duros debido al gran número de enlaces covalentes que tendrían que romper para destruirse la estructura cristalina (Mortimer,1983).

Los cristales metálicos, sus electrones externos de los átomos metálicos están débilmente retenidos y se mueven libremente a través del cristal metálico. El resto de los átomos metálicos, los iones positivos, ocupan posiciones fijas en el cristal (Mortimer,1983).

La nube negativa de los electrones que se mueven libremente, algunas veces llamadas gas electrónico o mar de electrones, mantiene junto al cristal. Esta fuerza de enlace es llamada enlace metálico (Mortimer,1983).

Empaquetamiento de Esferas

Los requerimientos generales para la formación de un cristal se puede entender al considerar las distintas formas en que se puede empaquetar varias esferas idénticas para formar una estructura tridimensional ordenada. La manera en que las esferas se acomodan en capas determina el tipo de celda unitaria. En el caso más simple, una capa de esfera se puede distribuir, la estructura tridimensional se puede generar al colocar una capa encima directamente de las esferas de la capa interior. Este procedimiento se puede extender para generar muchas capas, como el caso de un cristal. Cada esfera acomodada así, se dice que tiene un número de coordinación de 6 porque tiene seis vecinos próximos. El numero de coordinación se define como el número de átomos o iones que rodean a una átomo o ion en una red cristalina. Su valor ofrece una medida de que tan compactas están empaquetadas las esferas; cuanto mayor es el número de coordinación, más juntas están las esferas. La unida básica que se repite en la distribución de las esferas recién descritas se denomina celda cúbica simple. Otros tipos de celdas cúbicas son la celda cúbica centrada en el cuerpo y la celda cúbica centrada en las caras. Una distribución cúbica centrada en el cuerpo se distingue de un cubo simple en que la segunda capa de esferas se acomoda en los huecos de la primera capa, mientras que la tercera lo hace en los huecos de la segunda capa. El número de coordinación de cada esfera en esta estructura de 8. En la celda cúbica centrada en las caras hay esferas en el centro de cada una de las seis caras del cubo, además de las ocho esferas de los vértices. Una celda cúbica centrada en el cuerpo contiene el equivalente a dos esferas completas, una en el centro y ocho esferas compartidas en las esquinas (Chang,1999).

Cristalización

En una preparación del laboratorio de un sólido cristalino para la separación de una mezcla que normalmente esta contiene pequeñas cantidades de impurezas. Generalmente se logra realizar una purificación por medio de la cristalización con un solvente apropiado. El procedimiento consiste esencialmente de los siguientes pasos: Disolver la sustancia en el solvente al punto de ebullición; Filtrar la solución caliente para quitar impurezas insolubles; Dejar que la solución caliente refrescar; Separación del cristal de la solución que es llamada el licor madre; lavado el cristal se debe quitar el adhiere que es el licor de la madre; Secar los cristales para quitar los últimos rastros de solvente (Krubsack,1973).

La cristalización es el proceso en el cual un soluto disuelto se separa de al disolución y forma cristales. Tanto la precipitación como la cristalización describe la separación de un exceso de la sustancia sólido a partir de una disolución sobresaturada. Sin embargo, los sólidos que se forman durante estos dos procesos tiene apariencias diferentes. En general se piensa que los precipitados están formados por partículas pequeñas, en tanto que los cristales pueden ser grandes y bien formados (Chang,1999).

Teoría de Cristalización

En el proceso de cristalización de las moléculas (o iones) de un compuesto debe ser orientado y agregado de tal manera que se pueda apilar de arriba hacia direcciones en las que las moléculas se mueven eventualmente y dar un número fijo de superficies del plano y ángulos definidos, y los cuales son característicos de los sólidos. En el caso de los compuestos orgánicos en el proceso de la cristalización es particularmente selectivo, porque estos cristales crecen sólo por suma de moléculas del mismo tipo (Krubsack,1973).

Las moléculas deben ser hábiles de ocupar un espacio bastante grande definió por las hendiduras y forma del cristal que se agregará. Esto hace posible generalmente que se puedan obtener cristales de un compuesto orgánico puro en la presencia de cantidades pequeñas de otro que son llamadas impurezas. Los primeros paso en el proceso de cristalización concite en quitan la mayor parte de las impurezas del compuesto, cuando las cantidades de impurezas son más grandes retardará el proceso de cristalización y en algunos casos lo inhibe. Cuando no las cantidades son mayores se puede utilizar el método de extracto o por la combinación de destilación, sublimación, o técnicas de la cromatografía. Las impurezas se quitan también con la incorporación de carbón activó de leña durante el proceso de la cristalización (Krubsack,1973).

Una vez que la cantidad de las impurezas es alejada del compuesto, se hace el segundo paso que es la formación del núcleo, en el que se le proporciona a la partícula un lugar en donde se juntara toda la muestra. Este proceso de formación de núcleo esta influenciado por una solución homogénea espontánea y agregación de un número suficiente de moléculas en una solución saturada para formar una partícula heterogénea, las moléculas orientadas a ellos y agregadas a la superficie de algunas partículas insolubles se adhieren a las paredes del recipiente. Esto depende de la simetría, espacio, la forma de unión atómica o molecular del núcleo y de la estructura de los cristales en general (Krubsack,1973).

Una vez que el proceso de formación de núcleo ha empezado, se dirige atención al tercer paso del proceso de la cristalización: el estímulo de crecimiento del cristal es provocado ya que las moléculas en los cristales se mantienen junta una con otras, por las fuerzas de van der Waals ya las fuerzas de atracción forman puentes de hidrógeno, y fuerzas las fuerzas electrostáticas (cuando la molécula tiene un momento del dipolo).El Crecimiento ocurre ya que las fuerzas de atracción actúan con las moléculas de manera que se depositan en las varias caras del cristal de una forma regular. Además, se ha mostrado que la forma, o estructura, de un cristal puede ser afectado por su ambiente, la proximidad del cristal con el recipiente tapado, la carencia de refrescante de la solución, la presencia de impurezas y sobre todo la naturaleza del solvente. Generalmente, solventes no-polares favorecen al polímetro que tiene un punto de fusión alto ya que los solventes polares vigilan la estabilidad del otro(Krubsack,1973).

Cristalización Fraccionada

La dependencia de la solubilidad de un sólido respecto de la temperatura varia de manera considerable. Esta gran variación proporciona una forma para obtener sustancias puras a partir de mezclas. La cristalización fraccionada es la separación de una mezcla de sustancias en sus componentes puros con base en sus diferentes solubilidades (Chang,1999).

Recristalización

Uno de los problemas más frecuentes del químico orgánico es la purificación de los compuestos. Cuando existe una impureza en una separación de materiales da como resultado frecuentemente un bajo rendimiento de producto, poca reacción o a veces ninguna reacción. Como otro ejemplo, si un químico en una compañía farmacéutica, se encarga sobre todo de las purezas de sus productos, por impurezas puede transformar el poder de un narcótico o provocar una reacción en la que un paciente que consuma este producto podría estar peligrando su salud. Finalmente, si un químico físico hace un estudio de las propiedades físicas de un compuesto, seria necesario que los compuestos estén en un estado puro, sin impurezas para que sus conclusiones fueran validas. Por estas razones y otras más, se ha hecho mucho esfuerzo para desarrollar nuevos métodos, más poderosos para purificadora compuestos orgánicos.

Estos métodos incluyen la recristalización y varias formas de destilación, cromatografía, extractos, y sublimación. Las impurezas en productos de derivan de varias fuentes. A menudo son cantidades pequeñas de materiales derivados del compuesto o el producto de una reacción química. También hay otro los cuales contienen impurezas naturales y ocurren en substancias que se obtienen de la naturaleza (Krubsack,1973).

Frecuentemente se deben quitar estas impurezas si el producto se utilizara en un laboratorio. También, se debe recordar también que las impurezas a veces no interfirieren durante una reacción química. Por ejemplo, si el producto es un intermedio en una sucesión sintética y se pueden llevar las impurezas a lo largo de todo el proceso sin afectar el proceso. La necesidad para purificación de un compuesto depende con el propósito que se utilice o para la sustancia que se formara, la que las impurezas no afecten a la reacción o al compuesto en general (Krubsack,1973).

Si un producto sólido necesita ser purificado, uno de los métodos más poderosos, pero no obstante uno del más simple es la recristalización. Este método depende de los compuestos que se utilizara y que tan orgánicos sean, generalmente estos son menos soluble en solventes fríos que en solventes calientes. Si se va a purificar se disuelve el material en un solvente satisfactorio expuestos al calor, tal que se forme una solución saturada. Cuando esta solución saturada este lista, el producto cristalino entonces se disuelve en la solución. Y como las impurezas no están presente dentro de una sustancia en cantidades grandes, por consiguiente, dentro de una solución saturada no se puede formar una impureza, estas impurezas quedan al momento de filtración de la solución, y en ese momento ya se a efectuado la purificación. Las impurezas son insolubles en el solvente del recristalización, cuando estas se quitan fácilmente por medio de la filtración de la solución caliente (Krubsack,1973).

Soluciones

El componente de una solución que se encuentra en la mayor cantidad, generalmente se llama el solvente y otros se llaman soluto. Esta terminología es vaga y arbitrarias. A veces es conveniente designar un componente como el solvente aunque esté presente en pequeñas cantidades. Otras veces la asignación de los términos soluto y solvente tiene poca importancia (Mortimer,1983).

Ciertos pares de sustancias se disuelve una en otra en todas las proporciones. La miscibilidad completa es característica de los componentes de todas las soluciones gaseosas y algunos pared de componentes de soluciones líquidas y sólidas. Para la mayoría de los materiales, sin embargo, hay una cantidad máxima de sustancias que se disolverán en un solvente dado. La solubilidad de una sustancia en un determina solvente a una temperatura específica, es la cantidad máxima de soluto que se disolverá en una cantidad definida de solvente y que producirá un sistema estable (Mortimer,1983).

Para una solución dada, la cantidad de soluto disuelto en una cantidad de solvente, es la concentración de soluto. Las soluciones que contiene una concentración del soluto. Las soluciones que contienen una concentración relativamente alto de soluto, se llaman soluciones concentradas. Cuando la concentración del soluto baja, se llama soluciones diluidas. El soluto puede ser sólido, liquido o gaseoso. En un sistema de este tipo en equilibrio, la velocidad a la cual el soluto puro se disuelve igual a la velocidad a la cual el soluto disuelto sale de la solución. La concentración de soluto disuelto, por consiguiente es constante. Una solución de este tipo se llama solución saturada y su concentración es la solubilidad del soluto en cuestión (Mortimer,1983).

Se ha demostrado experimentalmente que existe equilibrio dinámico. Si se coloca pequeños cristales de un soluto sólido en contacto con una solución saturada de soluto, se observa que los cristales cambian de tamaño y forma. Sin embargo, durante el experimento la concentración de la solución saturada no cambia, y la cantidad del exceso de soluto no disminuye ni aumenta. Una solución no saturada tiene una concentración de soluto menor que una solución saturada (Mortimer,1983).

Por otra parte, a veces se puede prepara una solución supersaturada en la cual de soluto es mayor que la de la solución saturada. Sin embargo, una solución supersaturada es metaestable y si se le agrega una pequeña cantidad de soluto puro, se precipitará el soluto en exceso del requerido para saturar la solución (Mortimer,1983).

Seleccionar un solvente

En general, se usan solventes para realizar la recristalización que sean inerte (no debe reaccionar con el cristal formado del material) y volátil. El último requisito es necesario porque si no se quitan todos rastros de los solventes de los recristalización el solvente constituye una impureza en el nuevo cristal del material. Obviamente se puede quitar un solvente volátil más fácilmente que un solvente no-volátil (Krubsack,1973).

Un sólido con un grado de solubilidad alto en el solvente a temperaturas altas no debe disolverse prontamente en el solvente a bajas temperaturas, ni debe ser soluble en el solvente a temperaturas más altas. El propósito de la recristalización es formar una solución saturada del sólido para que soporte temperaturas más altas de las cuales se recupero el sólido (Krubsack,1973).

Cuando una solución esta completamente libre de impurezas o cuando algunas impurezas insolubles han disuelto, se debe de filtrarse la sustancia, quitar todas las partículas extranjeras de la solución. Sin embargo, si se tiñe la solución un poco por las impurezas solubles que contiene aun la sustancia, los compuestos son aclarados por tratamiento con carbón activado (Krubsack,1973).

El carbón activado (el carbón activado es un compuesto que tiene en gran cantidad a absorber polvo y que además este se une con facilidad por su polaridad, además es muy insaturado).Las sustancias que generalmente tienden a ser coloreadas caen en categorías o características especificas como que poseen un peso molecular alto y además la mayoría se consideran como compuesto aromático. Sin embargo, porque el sólido de interés caería también en uno de estas categorías, ya que se debe usar la cantidad más pequeña de carbón activado para poder quitará el color de la solución. Ordinariamente se utiliza con relación del peso de la sustancia. Cuando agrega el carbón activado a la solución, debe estar seguro que la solución no este demasiada caliente. El carbón activado es tan eficaz al comenzar la ebullición que si se agrega a una solución que este sobrecalentada dará por resultado un punto de ebullición casi explosivo y pérdida consecuente de producto. La mejor técnica es agregar el carbón activado despacio a la solución a una temperatura un poco abajo del punto de ebullición y entonces calentar la solución hasta el punto de ebullición. Ya que el proceso de la adsorción es rápido, se requiere sólo un tiempo del contacto corto de carbón activado con la solución coloreada. Revuelto el carbón activado con la solución caliente por medio minuto es suficiente para que quite el color a la solución. Tiempos del contacto más largos darían por resultado adsorción (y pérdida consecuente) del ser sólido purificado. La efectividad de la decoloración también es dependiente del solvente que se utilice: el solvente más polar y el más eficaz para la adsorción, darán un mejor resultado (Krubsack,1973).

Justificación

Esta practica se realizara con el fin de realizar el proceso de purificación de una sustancia, y poder así quitar impurezas de este contenga, primer se determinara el punto de fusión de la muestra, para observar y ver la diferencia de los puntos de fusión cuando esta sustancia tiene impurezas y cuando esta más puro, lo tanto se realizaran dos determinaciones del punto de fusión ya al inicio la sustancia tienen impurezas y al final del proceso se obtendrá una sustancia pura. Y se pesara un gramo para poder así calcular el porcentaje de rendimiento al finalizar la practica, ya que se debe de obtener un poco menos al momento de obtener los cristales sólidos de la sustancia y conocer que cantidad de impureza contenía la misma.

En la practica se utilizara un erlenmeyer, se utiliza un erlenmeyer ya que en este proceso debe realizar una decantación por lo tanto si se tiene una sustancia dentro de este tipo de recipientes es más fácil de cantar y además por su capacidad. También se necesita de un embudo y un papel filtro, el embudo se utiliza para poder doblar el papel filtro sobre el, y así al momento de transferir el liquido las partículas cristalinas se quedaran en el papel filtro y toda el agua que acompañe a los cristales traspasa el papel filtro y por la forma del embudo el liquido cae por gravedad en otro recipiente y los cristales se quedan pegados al papel filtro. También se utiliza una estufa para poder calentar la solución dentro del erlenmeyer, y es indispensable en este proceso ya que al momento de calentar el agua con la muestra se comienzan a perder impurezas que la muestra contiene. Se utilizara un mechero y un tubo de thiel para poder así determinar el punto de fusión de la muestra, el tubo de thiel necesario para contener la glicerina y formar las corrientes de convección, además un capilar para poder meter la muestra y poder observar cuando cambia de estado sólido a liquido, además un termómetro para poder medir a la temperatura a la cual se funde dicho compuesto. Se utiliza un erlenmeyer o un quitasato para poder filtrar al vació, ya que si se tiene un papel filtro muy fino la transferencia del liquido será mucho más lenta, por lo tanto si se transfiere la muestra con el agua y el recipiente al cual se le va a transferir esta conectado al vacío el paso del agua será rápido y esto es por que el vació absorbe aire y si se tiene un liquido que va a entrar al recipiente el vacío succiona para el interior del recipiente el agua.

Además en la practica se utilizara una sustancia que esta compuesta por tres componentes, acentanilida, ácido oxálico y azul de metileno, y por lo cual la el mayor porcentaje de un compuesto que contenga esta sustancia es el que se va a purificar que es la acentanilida, y los demás son impurezas que hace que no sea un compuesto puro, pero por lo mismo se calentara el agua hasta el punto de ebullición para eliminar cierto grado de impurezas, las que se eliminan en este paso son las impurezas insolubles en agua. Además se utilizará el carbón activado como parte de este proceso de purificación, ya que carbón activado se utiliza para quitar el color a una solución y lo que nos indica que se quitan todas las impurezas dentro de esta muestra ya que este tiene una gran capacidad de adsorción por lo tanto con una mínima cantidad y un poco de calor y esta solución estará limpia de impurezas.

Bibliografía

• Mortimer Charles E, QUÍMICA, quinta edición, Grupo Editorial Iberoamérica, México 1983.

• Chang Raymond, QUÍMICA, sexta edición, McGraw-Hill, México 1998.

• A.J. Krubsack, Experimental Organic Chemistry, 1era edición, Allyn & Bacon Inc. Boston, 1973.