Cristalização: em que consiste, método de separação, tipos e exemplos

Cristalização é um processo no qual um sólido é formado com átomos ou moléculas em estruturas organizadas, que são chamadas de redes cristalinas. Cristais e redes cristalinas podem ser formados através da precipitação de uma solução, por fusão e, em alguns casos, pela deposição direta de um gás.

A estrutura e natureza dessa rede cristalina dependerá das condições sob as quais o processo ocorre, incluindo o tempo decorrido para alcançar esse novo estado. A cristalização como um processo de separação é extremamente útil, pois permite assegurar que as estruturas sejam obtidas apenas a partir do composto desejado.

Além disso, este processo garante que a passagem de outras espécies não será permitida dada a natureza ordenada do cristal, tornando este método uma excelente alternativa para a purificação de soluções. Muitas vezes em química e engenharia química é necessário utilizar um processo de separação de misturas.

Esta necessidade é gerada para aumentar a pureza da mistura ou para obter um componente específico da mesma e, por essa razão, existem vários métodos que podem ser utilizados dependendo das fases em que esta combinação de substâncias é encontrada.

O que é cristalização?

A cristalização requer duas etapas que devem ocorrer antes que possa haver formação de rede cristalina: primeiro, deve haver acúmulo suficiente de átomos ou moléculas no nível microscópico para que a chamada nucleação comece a ocorrer.

Este estágio de cristalização só pode ocorrer em fluidos super-resfriados (ou seja, resfriados abaixo do ponto de congelamento sem torná-los sólidos) ou em soluções supersaturadas.

Após o início da nucleação no sistema, os núcleos podem ser formados suficientemente estáveis e grandes o suficiente para iniciar o segundo estágio de cristalização: crescimento cristalino.

Nucleação

Nesta primeira etapa os arranjos das partículas que irão formar os cristais são determinados e os efeitos dos fatores ambientais nos cristais formados são observados; por exemplo, o tempo que leva para o primeiro cristal aparecer, chamado tempo de nucleação.

Existem dois estágios de nucleação: nucleação primária e secundária. No primeiro, novos núcleos são formados quando não há outros cristais no meio, ou quando os outros cristais existentes não têm efeito sobre a formação destes.

A nucleação primária pode ser homogênea, na qual não há influência sobre a parte dos sólidos presentes no meio; ou pode ser heterogêneo, onde as partículas sólidas de substâncias externas causam um aumento na taxa de nucleação que normalmente não ocorreria.

Na nucleação secundária, novos cristais são formados pela influência de outros cristais existentes; Isso pode ocorrer devido a forças de corte que fazem com que segmentos de cristais existentes se transformem em novos cristais que também crescem em sua própria taxa.

Este tipo de nucleação beneficia-se em sistemas de alta energia ou fluxo, onde o fluido envolvido gera colisões entre cristais.

Crescimento de cristal

É o processo no qual o cristal aumenta seu tamanho pela agregação de mais moléculas ou íons às posições intersticiais de sua rede cristalina.

Ao contrário dos fluidos, os cristais só crescem uniformemente quando moléculas ou íons entram nessas posições, embora sua forma dependa da natureza do composto em questão. Qualquer arranjo irregular para essa estrutura é chamado de defeito de cristal.

O crescimento de um cristal depende de uma série de fatores, dentre os quais estão a tensão superficial da solução, pressão, temperatura, velocidade relativa dos cristais na solução e número de Reynolds, entre outros.

A maneira mais simples de garantir que um cristal cresça em tamanhos maiores e que seja de alta pureza é através de um resfriamento controlado e lento, que impede a formação dos cristais em um curto espaço de tempo e que as substâncias estranhas fiquem presas no interior. eles.

Além disso, é importante notar que os pequenos cristais são muito mais difíceis de manipular, armazenar e mover, e custa mais filtrá-los de uma solução do que os maiores. Na grande maioria dos casos, os maiores cristais serão os mais desejados, por essas e mais razões.

Como um método de separação

A necessidade de purificar soluções é comum em química e engenharia química, uma vez que pode ser necessário obter um produto que seja homogeneamente misturado com outra ou outras substâncias dissolvidas.

É por isso que equipamentos e métodos foram desenvolvidos para realizar a cristalização como um processo de separação industrial.

Existem diferentes níveis de cristalização, dependendo dos requisitos, e podem ser realizados em pequena ou grande escala. Portanto, pode ser dividido em duas classificações gerais:

Recristalização

Chama-se recristalização à técnica usada para purificar produtos químicos em menor escala, geralmente em laboratório.

Isto é feito com uma solução do composto desejado juntamente com as suas impurezas num solvente adequado, procurando assim precipitar algumas das duas espécies sob a forma de cristais e depois ser removido.

Existem várias maneiras de recristalizar as soluções, entre as quais a recristalização com solvente, com vários solventes ou com filtração a quente.

-Um solvente único

Quando é utilizado um único solvente, uma solução do composto "A", impureza "B" e a quantidade mínima requerida de solvente (a alta temperatura) são preparadas para formar uma solução saturada.

A solução é então arrefecida, fazendo com que a solubilidade de ambos os compostos caia e o composto "A" ou impureza "B" seja recristalizado. O que é idealmente desejado é que os cristais sejam do composto "A" puro. A adição de um núcleo pode ser necessária para iniciar este processo, que pode até ser um fragmento de vidro.

-Vários solventes

Na recristalização de vários solventes, dois ou mais solventes são usados e o mesmo processo é realizado como com um solvente. Este processo tem a vantagem de que o composto ou impureza irá precipitar enquanto o segundo solvente é adicionado, uma vez que eles não são solúveis nele. Neste método de recristalização, não é necessário aquecer a mistura.

-Filtrando quente

Finalmente, recristalização com filtração a quente é usada quando há matéria insolúvel "C", que é removida com um filtro de alta temperatura depois de fazer o mesmo procedimento de recristalização de um único solvente.

No campo industrial

No campo industrial, é desejável realizar um processo chamado cristalização fracionada, que é um método que refina as substâncias de acordo com suas diferenças de solubilidade.

Esses processos se assemelham aos da recristalização, mas usam tecnologias diferentes para lidar com quantidades maiores de produto.

Dois métodos são aplicados, que serão melhor explicados na seguinte declaração: cristalização por resfriamento e cristalização por evaporação.

Sendo uma grande escala, este processo gera resíduos, mas estes são geralmente recirculados pelo sistema para garantir a pureza absoluta do produto final.

Tipos de cristalização

Existem dois tipos de cristalização em larga escala, como dito acima: por resfriamento e evaporação. Sistemas híbridos também foram criados, onde ambos os fenômenos ocorrem simultaneamente.

Cristalização por resfriamento

Neste método, a solução é arrefecida para diminuir a solubilidade do composto desejado, fazendo com que este comece a precipitar à taxa desejada.

Na engenharia química (ou de processo), os cristalizadores são usados na forma de tanques com misturadores, que circulam fluidos refrigerantes em compartimentos ao redor da mistura, de modo que ambas as substâncias não entrem em contato enquanto ocorre a transferência de calor do refrigerante para a solução.

Para remover os cristais, são usados raspadores, que empurram os fragmentos sólidos para um buraco.

Cristalização por evaporação

Esta é a outra opção para alcançar a precipitação dos cristais de soluto, fazendo uso de um processo de evaporação de solvente (a temperatura constante, ao contrário do método anterior), para fazer a concentração de soluto exceder o nível de solubilidade.

Os modelos mais comuns são os chamados modelos de circulação forçada, que mantêm o licor de cristais em uma suspensão homogênea através do tanque, controlando seu fluxo e velocidade, e geralmente geram cristais médios maiores do que aqueles formados na cristalização. por resfriamento.