Crecimiento de cristales de sal o de azúcar

Hola!, en este post comparto con ustedes un experimento que nos conecta con el sorprendente mundo de las estructuras cristalinas :). 

El experimento consiste en crecer monocristales de sal o de azúcar común a partir de la evaporación lenta de soluciones muy concentradas de estos compuestos químicos que en forma cotidiana usamos para cocinar y alimentarnos. 

Como podrán ver en la lista de materiales necesarios, el experimento comienza con sal (o azúcar) en estado sólido y da como resultado: sal (o azúcar...) en estado sólido! :)
El resultado final es sin embargo diferente en esencia porque el experimento establece condiciones de crecimiento lento que promueven la formación de monocristales en detrimento de los policristales. Para entender mejor el marco conceptual y la jerga específica los invito a leer las secciones introductorias. 

Monocristales pequeños de sal (izq.) y de azúcar (der.) crecidos en casa

A modo de introducción:

Hagamos un ejercicio mental e imaginemos que todos estamos formados por átomos. Los átomos son tan pequeños que no podemos distinguir uno de otro a simple vista ni tampoco al tacto. De modo natural y espontáneo los átomos se pueden agrupar en estructuras más o menos rígidas y con un ordenamiento más o menos "prolijo" en términos de simetría, periodicidad y forma. 

Los átomos que conforman los seres vivos participan de las funciones básicas de la vida y consecuentemente van cambiando de posición y de agrupamiento.
Los átomos de los elementos del universo que no están vivos (por ejemplo el agua, el viento, la tierra y los objetos cotidianos) también cambian constantemente de posición y de agrupamiento de acuerdo con las leyes de la física: pueden vibrar, desplazarse, asociarse o separarse entre sí.   

Las estructuras de agrupamiento atómico estable se clasifican a grandes rasgos en gases, líquidos y sólidos.

Desde que somos bebés vamos desarrollando la noción de que es posible "pasar a través" de gases y líquidos pero que, en cambio, las estructuras sólidas nos ofrecen una resistencia muy grande si intentamos "atravesarlas". A nivel microscópico, esa resistencia que oponen las estructuras sólidas se corresponde con un elevado grado de cohesión y con una distancia relativamente pequeña entre los átomos y las moléculas que las componen (ver imagen [1]).

El tamaño de algunos objetos sólidos es tan chico que solo logramos verlos por medio de lupas o microscopios. Un ejemplo fundamental para la vida es el suelo que nos sustenta y que está formado por partículas muy pequeñas de arena (de entre 2 y 0,5 mm), limo (entre 0,02 y 0,005 mm) y arcilla (menor a 0,002 mm) (ver imagen [2]).

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Los sólidos de todos los días:

Diariamente interactuamos con materiales sólidos en forma de piedras, metales, plásticos, vidrios y maderas. 

❀ En piedras, rocas, sales, cerámicos y metales los átomos se ordenan de forma cristalina. El proceso de crecimiento de estos materiales adopta naturalmente una estructura muy prolija de ordenamiento atómico que respeta un patrón geométrico, periódico y con distintos tipos de simetría (ver imagen [3]). 

❀ Los plásticos o polímeros, en cambio, se componen de moléculas grandes con decenas o centenas de átomos que se ubican una al lado de la otra en forma poco ordenada (ver imagen [4]). 

❀ El vidrio es un material muy especial que se denomina amorfo por su falta de ordenamiento y "prolijidad". El proceso de fabricación del vidrio requiere un enfriamiento final muy rápido que permite lograr una estructura sólida relativamente desorderada y así vencer la tendencia natural de formación de patrones geométricos propia de los sólidos cristalinos. 

❀ La madera, por último, se produce cortando y dejando secar parte del tronco de un árbol. Al tratarse de tejido vegetal, posee una estructura de fibras y canales de moléculas de celulosa. 

La estructura y la "prolijidad" con la que naturalmente se van ordenando las moléculas y los átomos en los materiales sólidos influyen en gran medida en sus características macroscópicas. 

El mundo "macroscópico" es la escala humana de interacción, en la cual nos interesamos por propiedades como la dureza, la rigidez, la capacidad de deformarse ante tensiones o cambios de temperatura, la textura, el color y la transparencia de un material. La relación entre estas propiedades y el tipo de ordenamiento de los átomos y las moléculas se estudia desde la Ciencia y la Ingeniería de los Materiales. 

Entre las características macroscópicas también podemos incluir el olor y el sabor de los materiales que dependen en mucha mayor medida de las propiedades químicas de las sustancias que de su ordenamiento microscópico. 

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La sal de mesa  (NaCl) y el azúcar común (sacarosa) son dos elementos químicos muy distintos que en estado sólido forman estructuras cristalinas. 

La estructura cristalina de la sal (NaCl): 

La sal de mesa NaCl cristaliza naturalmente formando una estructura cúbica (ver imagen [5]). Los átomos de sodio (Na) y de cloro (Cl) se ubican de forma intercalada en los vértices de cubos cuyos lados miden exactamente 5,64 Å. Aunque no los podamos ver a simple vista, toda la sal de mesa que consumimos en nuestra vida está formada por cubos microscópicos que miden 5,64 Å.

La estructura cristalina del azúcar (sacarosa):

La sacarosa es una molécula mucho más compleja que la sal de mesa. Posee 45 átomos y su fórmula es C₁₂H₂₂O₁₁ (ver imagen [6]). Pese a la complejidad de la molécula, el conjunto sólido de moléculas de azúcar sigue estructura una cristalina sencilla y geométrica. Las moléculas de azúcar se ubican en los vértices de una celda tetragonal (ver imagen [7]) (que mide 7.9 Å x 8.7 Å x 10.9 Å (ancho x largo x altura).

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¿Qué son los defectos cristalinos? Policristales vs. monocristales: 

Hasta ahora destacamos el orden "perfecto" y geométrico que adoptan los átomos dentro de un sólido cristalino. 

Bien puede ocurrir que en los cristales cúbicos de sal (NaCl) se intercalen impurezas de otros átomos que no sean ni sodio ni cloro. Esas impurezas pueden comprimir o expandir levemente la estructura cristalina y también pueden alterar la coloración y la transparencia del cristal de sal. 

La famosa sal del Himalaya, tan apreciada para uso gastronómico, posee trazas de hierro que se intercalaron en la estructura de la sal y que dan lugar a su color rosado.

En el ala de geología de los museos podemos encontrar otra obra conmovedora de la naturaleza: los cristales de halita. Estos cristales se forman por la evaporación lenta de agua salada con alto contenido de sodio y de cloro disueltos. La halita tiene un altísimo grado de transparencia y posee una forma sumamente "cúbica" que en cierto modo busca replicar de forma macroscópica el patrón cúbico que ocurre a nivel atómico.

¿Y qué pasa con los cristales de sal que tenemos en la cocina? En el mercado es posible conseguir "sal fina de mesa", "sal gruesa" y a veces también "sal entrefina". En todos estos casos los átomos de sodio y de cloro se ordenan en sus respectivos lugares de acuerdo con el patrón cúbico pero, eventualmente, algunas regiones del cristal poseen "defectos". 

Es muy frecuente que el patrón cúbico no se repita en forma continua y perfecta sino que el cristal sea una unión de granos o dominios cristalinos en los que la orientación de crecimiento del patrón cúbico fue distinta. 

La presencia de defectos altera muchas propiedades macroscópicas de los sólidos cristalinos, por ejemplo, puede modificar la forma en la que la luz pasa por el cristal. Esto ocurre con la sal de cocina que debido a sus defectos posee color blanco en lugar de la transparencia de la halita. 

La cantidad de defectos aumenta cuanto más rápida es la formación del sólido. Es como si la naturaleza prefiriese construir sólidos con ordenamiento atómico prolijo y geométrico pero que, a falta de tiempo, comenzase a apilar los átomos "como caen" desviándose del patrón geométrico preferido. 

Un cristal formado por muchos dominios cristalinos distintos se denomina policristal, en cambio, un cristal de formación lenta que copia indefinidamente el patrón geométrico y respeta una misma orientación se denomina monocristal. 

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El experimento (materiales + pasos): 

En este apartado les indico los pasos para crecer cristales de NaCl o de sacarosa partiendo de una solución saturada en agua a temperatura ambiente. A medida que el agua se evapora, el soluto va precipitando y formando una estructura sólida cristalina. 

Podemos imaginarnos que con la evaporación de cada átomo de agua se incorpora un nuevo átomo de cloro o sodio en la estructura cristalina de la sal. El proceso resulta análogo en la cristalización de la sacarosa. 

Se imaginan que cada vez tendremos una menor cantidad de solución. Es importante mantener esa solución muy concentrada (agua madre) y no agregar agua nueva porque de lo contrario el cristal vuelve a disolverse. 

El proceso de evaporación y formación de los cristales tarda entre 7 y 30 días aproximadamente.

Recuerden que al establecer condiciones de crecimiento lento promovemos la formación de monocristales en detrimento de los policristales. 

Materiales necesarios: [*]

• Recipientes y cucharas para mezclar y armar las soluciones 
• Frascos o vasos de vidrio para dejar crecer los cristales (sirven bien los frascos de yogur de vidrio) 
• Sal de mesa (fina, entre fina o gruesa) 
• Azúcar común 
• Agua 

Pasos para el crecimiento de monocristales de sal (NaCl):

1. La solución concentrada (agua madre) se arma mezclando 3 cucharadas de sal en 100 ml de agua (medio frasco de yogur).
   El agua puede agregarse tibia para facilitar que la sal se disuelva bien.
   Como en cualquier receta de cocina podemos aumentar la cantidad de solución respetando las proporciones de sal y de agua.  
2. La solución está lista cuando se ve bien transparente. Si quedan sólidos sin disolver, esperar a que decanten y transvasar la solución a frasco nuevo. 
3. Dejar el frasco con la solución madre sin tapa y en un lugar tranquilo donde no le caiga polvo.
   
4. Ir controlando el crecimiento cada uno o dos días. Si hay muchos cristales apelmazados se puede transvasar la solución a un frasco nuevo y agregar un número pequeño de cristales. De esta forma ayudamos a que los monocristales sigan aumentando de tamaño. 

Les muestro la foto de mi solución en el día 2 (perdí las fotos del primer día...) y del resultado final al día 10. Las estructuras sólidas resultaron transparentes y con forma de prisma rectangular de unos 2-3 mm de lado. 

Estado de los cristales de sal al día 2 (arriba) y al día 10 (abajo) contando desde el inicio del experimento.

Pasos para el crecimiento de monocristales de azúcar (sacarosa):

1. Las proporciones del agua madre para crecer cristales de azúcar es 2 tazas de azúcar en una taza de agua.
2. La solubilidad de la sacarosa aumenta con la temperatura por lo que conviene poner a calentar la mezcla hasta que se disuelva bien el azúcar. Lleva un ratito hasta que el azúcar queda bien disuelta.
   Evitemos dejar la mezcla demasiado tiempo sobre la hornalla porque de lo contrario puede comenzar el -delicioso- proceso de caramelización que involucra profundos cambios químicos sobre la molécula de sacarosa y la síntesis de moléculas aromáticas.   
3. El resultado final es un almíbar de consistencia viscosa que podemos colocar en un frasco de vidrio sin tapa. Dejar el frasco en un lugar tranquilo y esperar al lento proceso de formación de los monocristales de azúcar. 
   
4. Ir controlando el frasco cada dos o tres días. 

En mi caso, el proceso de cristalización del azúcar fue bastante más lento que el de la sal. En el interín crecieron incluso hongos dentro del frasco! Los retiré con una cucharita y seguí esperando hasta el día 31 en que me acordé de pasar revista.  
Les muestro la foto de mi solución en el día 1 y algunas del resultado final al día 31. Las estructuras sólidas obtenidas resultaron transparentes y con forma de prisma hexagonal, o bien, de paralelepípedo.

Estado de los frascos con azúcar al día 0 (izq.) y los resultados obtenidos al día 31 con forma de prisma hexagonal (centro) y de paralelepípedo (der.).

Quien llegó hasta aquí con la lectura es un verdadero apasionado por los cristales: te deseo mucha diversión y espero tus aportes en los comentarios ;) 

Nota: no quiero dejar de mencionar que la Asociación Argentina de Cristalografía organiza anualmente un Concurso Nacional de Crecimiento de Cristales para Colegios Secundarios. En sus páginas de Facebook e Instagram podemos encontrar fotos de algunos cristales de ediciones anteriores. 
También hay una Competición de Crecimiento de Cristales de alcance internacional (en idioma inglés) que organiza la Unión Internacional de Cristalografía.  

Fuentes de las imágenes:

[1] https://saylordotorg.github.io/text_the-basics-of-general-organic-and-biological-chemistry/s11-02-solids-and-liquids.html

[2] https://www.juntadeandalucia.es/agriculturaypesca/ifapa/teleformacion/descarga/uds/agriculturaecologica_ud4/contenidos2.html

[3] https://chem.libretexts.org/Bookshelves/General_Chemistry/Book%3A_Chemistry_(Averill_and_Eldredge)/12%3A_Solids/12.2%3A_The_Arrangement_of_Atoms_in_Crystalline_Solids

[4] https://www.doctordanielmunoz.com/nomenclatura-y-clasificacion-de-los-polimeros/

[5] http://physicsopenlab.org/2018/01/22/sodium-chloride-nacl-crystal/

[6] https://es.wikipedia.org/wiki/Sacarosa

[7] https://crystallography365.wordpress.com/2014/01/12/sweet-crystallography-the-crystal-structure-of-sucrose/

[*] Materiales y proporciones extraídas de Guía de TPs de Química General e Inorgánica (FCEN UBA). 1er cuatrimestre 2020