Nucleacion

Nucleación

La velocidad de nucleación es el número de nuevas partículas formadas por unidad de tiempo y unidad de volumen de magma o de aguas madres exentas de sólidos. Esta magnitud es el primer parámetro cinético que controla la distribución de tamaño de los cristales (DTC).

Orígenes de los cristales en cristalizadores. Si todas las fuentes de partículas están incluidas en el término nucleación, pueden ocurrir diferentes tipos denucleación. Muchos de ellos solamente son importantes con el fin de evitarlos.

Pueden clasificarse en tres grupos: nucleación pura, nucleación primaria y nucleación secundaria.

Uno de los orígenes de los cristales es la fricción macroscópica, que es más

a fín a la trituración que a la nucleación real. Los cristalizadores con magma circulante están provistos de agitadores interiores o bombas externas rotatorias de circulación. En el impacto con estas partes móviles, los cristales blandos o débiles pueden romperse en fragmentos, formar esquinas y bordes redondeados y dar lugar así a nuevos cristales grandes o pequeños. Estos efectos también degradan la calidad del producto. La trituración es la única fuente de nuevos cristales que es independiente de la sobresaturación.

Ocasionalmente, sobre todo en trabajos experimentales, se añaden a los

sistemas de cristalización cristales de siembra obtenidos en cristalizaciones previas.

Los cristales de siembra generalmente llevan sobre sus superticies muchos

cristales pequeños que se han formado durante el secado y almacenamiento de los mismos. Con frecuencia los cristales pequeños se desprenden y posteriormente crecen en la disolución sobresaturada. Este fenómeno recibe el nombre de crianza primaria. Puede evitarse sometiendo los cristales a un tratamiento antes de utilizarlos, bien por contacto con disolvente o disolución no saturada, o bien mediante un crecimiento preliminar en una disolución sobresaturada estancada.

El crecimiento relacionado con la nucleación espúrea ocurre para grandes

Sobre saturaciones o cuando la circulación del magma es deficiente. Se caracteriza por crecimientos anormales en forma de agujas o escobillas desde los extremos de los cristales que, en estas condiciones, pueden crecer mucho más rápidamente que las caras. Las espigas son cristales imperfectos que están unidas al cristal principal por fuerzas débiles y que se separan para dar cristales de mala calidad. Este fenómeno recibe el nombre de crianza acicular.

Otra imperfección del crecimiento, no relacionada con la nucleación, es el

llamado crecimiento veludo, que ocurre para moderadas sobresaturaciones. Es el resultado de la oclusión de aguas madres en el interior de las caras cristalinas dando lugar a una superficie lechosa y a un producto impuro. La causa del crecimiento velado es un crecimiento demasiado rápido del cristal, que atrapa en sus caras aguas madres.

Nucleación primaria. En la terminología científica la nucleación se refiere al nacimiento de cuerpos muy pequeños en el interior de una fase homogénea sobresaturada. Básicamente, el fenómeno de nucleación es el mismo que la cristalización a partir de una disolución, cristalización a partir de una fase fundida, condensación de gotas de niebla en un vapor subenfriado y generación de burbujas en un líquido sobrecalentado. En todos los casos la nucleación es una consecuencia de rápidas fluctuaciones locales a escala molecular en una fase homogéneas que se encuentra en estado de equilibrio metastable.

El fenómeno básico recibe el nombre de nucleación homogénea, que está restringida a la formación de nuevas partículas dentro de una fase no influenciada en absoluto por ningún tipo de sólidos, incluyendo las paredes del recipiente y también las puntiagudas partículas submicroscópicas de sustancias extrañas.

Una variante de la nucleación homogénea tiene lugar cuando partículas

sólidas de sustancias extrañas influyen sobre el proceso de cristalización catalizando un aumento de la velocidad de nucleación para una sobresaturación dada, o dando una velocidad finita para una sobresaturación en la que la nucleación homogénea solamente ocurriría después de un tiempo dilatado. Recibe el nombre de nucleación heterogénea.

Nucleación homogénea. En la cristalización a partir de disoluciones casi nunca tiene lugar nucleación homogénea, excepto quizás en algunas reacciones de precipitación. Sin embargo, los fundamentos del fenómeno son importantes para comprender los fundamentos de los tipos más útiles de nucleación. Los núcleos cristalinos se pueden formar a partir de diferentes tipos de partículas: moléculas, átomos o iones. En disoluciones acuosas pueden estar hidratados. Debido a su movimiento al azar, en un pequeño volumen pueden asociarse varias de estas partículas para formar lo que se llama un

racimo: una agregación lábil que en general desaparece rápidamente. Sin embargo, de forma ocasional se asocian un número suficiente de partículas para formar un embrión, en el que existen los comienzos de una disposición reticular así como la formación de una fase nueva y separada. La mayor parte de los embriones tienen una vida muy corta y retroceden a racimos o partículas individuales, pero si la sobresaturación es suficientemente grande, un embrión puede crecer hasta un tamaño tal que esté termodinámicamente en equilibrio con la disolución. Entonces recibe el nombre de núcleo, que es la menor agrupación de partículas que no se redisuelve y que, por tanto, crece para formar un cristal. El número de partículas que se requieren para formar un núcleo estable varía entre unas pocas y varios centenares. Para el agua líquida es del orden de 80.

Los núcleos están en un estado de equilibrio inestable: si un núcleo pierde

unidades se disuelve, mientra que si gana unidades crece y se transforma en un cristal. Por tanto, la secuencia de etapas en la evolución de un cristal es:

Racimo + embrión + núcleo + cristal

Equilibrio.

Termodinámicamente, la diferencia entre una partícula pequeña y una grande a la misma temperatura reside en que la partícula pequeña posee una cantidad significativa de energía superficial por unidad de masa mientras que la grande no. Una consecuencia de esta diferencia es que la solubilidad de un cristal pequeño, en el intervalo

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