Crescimento de cristais por nucleação heterogénea: “On the Rocks” revisited

Clementina Teixeira, Vânia André, Nuno Lourenço e Maria José Rodrigues

 

Universidade Técnica de Lisboa, Instituto Superior Técnico

 Centro de Química Estrutural e Departamento de Engenharia Química e Biológica Av. Rovisco Pais, 1049-001 Lisboa, Portugal. clementina@ist.utl.pt

 

ABSTRACT: Crystals are of an increasing importance in our Society. In the beginning of the XXI century, Crystal Engineering started to develop, emerging from the main area of Crystallography. In spite of the dominating Bio- and Bio-logical trends in modern Technology, we cannot ignore our life on Earth (and other planets?) surrounded by natural crystals, in the composition of rocks, minerals, metals, and as the basic units of solids, a lot of them being inorganic. Therefore we must understand them, improving our knowledge on them. We can’t afford to neglect the classical Sciences like Inorganic and Analytical Chemistry related to their studies: they seem as if they became out of fashion (at least in our country!), but we cannot deny their importance for understanding Mineralogy, Geology, Materials Sciences, Environmental studies, Bioinorganic Sciences (the role of metals in our bodies as active centres of enzymes…) etc.. If we neglect and dismember Chemistry, the future generations will very fast loose the skills to understand our surroundings and furthermore, their own bodies!

 

On the Rocks is a research project for inorganic chemical education, consisting on crystal growth on rough surfaces, (rocks, minerals, shells, metallic wires, etc.)[1-10].These substrates, acting as “hosts”, are introduced in supersaturated solutions of chemicals, promoting a faster nucleation and strongly stimulating crystal growth. Only substances that can afford large single crystals easily are chosen. Mainly ionic salts fairly soluble in water have been studied, a few of them here described. The technique requires inexpensive glassware and is feasible in schools poorly equipped, under close surveillance and strict safety rules. The large single crystals embedded on the host rocks look like “minerals” (synthetic!), and their beauty is a powerful tool to attract students for Chemistry and other Sciences sharing a common interest on crystals. Many concepts can be introduced during and after the preparation of the samples, especially those regarding group chemistry, and no background on crystal growth is required. The diversity of compounds and hosts one might choose, plus the reactions and interactions that might occur between them turns the method very interesting and creative. This research project started in 1993 and two years later a large network started as a co-operative project between our University Research Centre, Industry, and many Portuguese schools with very interesting results.

 

Keywords: Crystal growth on rocks, synthetic “minerals”, heterogeneous nucleation, group chemistry, scientific photography.

 

RESUMO: O crescimento de cristais “On the Rocks” utiliza suportes rugosos para estimular a nucleação, a protecção dos núcleos cristalinos e o seu acesso aos nutrientes, levando à formação de grandes cristais [1-10]. Rochas, minerais e conchas são mergulhados em soluções sobressaturadas de substâncias solúveis em água, seleccionadas entre aquelas que cristalizam com relativa facilidade. A beleza dos cristais produzidos, quer na forma de grandes monocristais, maclas, agregados ou whiskers, incentiva os alunos a aprofundar os seus estudos, não só em relação aos factores intervenientes no crescimento, mas também nas áreas científicas que partilham o interesse por este tema, seja ele por aspectos ligados à purificação, produção, caracterização, ou ao estudo de propriedades apetecíveis para aplicações tecnológicas. Nesta publicação resume-se o método experimental nas suas principais componentes: o que usar como suporte; quais as substâncias que cristalizam com facilidade e qual o interesse do seu estudo; qual a técnica apropriada em cada caso; que reacções ou outros efeitos se estabelecem entre as substâncias e os suportes. Finalmente, ao fazer um levantamento do que tem sido feito, interessa-nos salientar as suas potencialidades no campo do empreendorismo.

Como complemento do trabalho experimental sugere-se a exploração de conceitos da química descritiva dos elementos, especialmente a dos metais, o que a torna muito menos árida e susceptível de memorização, pois os alunos ao começarem as suas colecções de substâncias cristalinas, têm tendência a catalogar as suas propriedades físicas e químicas, as suas fórmulas e estruturas. Curiosamente, o método foi testado pela primeira vez em 1993, numa aula de Laboratório de Química Geral de Engenharia de Materiais. Por razões históricas e não só, achamos curial a sua publicação na área de Materiais.

 

Palavras-chave: Crescimento de cristais, rochas ornamentais e minerais “sintéticos”, nucleação heterogénea, química descritiva dos elementos, fotografia científica.

 

 

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REFERÊNCIAS E NOTAS

Ao longo do texto são usadas várias abreviaturas: A abreviatura CT corresponde às iniciais de Clementina Teixeira; KAL corresponde ao alúmen de potássio; ADP ao di-hidrogenofosfato de amónio; KDP ao di-hidrogenofosfato de potássio; RO-NH a Rochas Ornamentais - Nucleação Heterogénea.

[1]     C. Teixeira, Os Cristais no Ensino e Divulgação da Química, Colóquio Ciências, Fundação Calouste Gulbenkian, 25, (2000) 20-36.         [ Links ] Disponível para consulta na Web. Referências aí citadas.

[2]     Ibid, Rochas Ornamentais e “Minerais Sintéticos”, Brincando com a Cor, Química, Boletim da Sociedade Portuguesa de Química,74, (1999) 55-58.

[3]     Ibid, O Livro das Pedras (1996) Instituto Superior Técnico, edição da autora. Referências aí citadas.

[4]     Ibid, “Experiências Interactivas Ligadas ao Tema das Rochas Ornamentais” (1997). Manual de cursos FOCO, Instituto Superior Técnico.

[5]     Ibid,“As Rochas Ornamentais e Os Minerais Sintéticos”, vídeo nº1, Departamento de Engenharia Química e Centro de Química Estrutural, Instituto Superior Técnico (2000) ISBN 972-98598-0-9 (Colaboradores: N. Lourenço, S. Matos, M. J. Rodrigues, P. Ferreira da Silva, N. Sousa, Escolas Secundárias Manuel Cargaleiro e Palmela).

[6]     Ibid, “On The Rocks” Crystallization on Rough Surfaces, vídeo nº2, Departamento de Engenharia Química e Centro de Química Estrutural, Instituto Superior Técnico, (2000) ISBN 972-98598-0-9 (Colaboradores: N. Lourenço, S. Matos, M. J. Rodrigues, P. Ferreira da Silva, N. Sousa).

[7]     Ibid, “As Rochas Ornamentais e Os Minerais Sintéticos”-vídeo nº3. Documentário -Escolas, Ciência Viva (1997) MCT (colaboradores: M. J. Rodrigues, S. Matos, N. Lourenço, I. Silva, M.C. Silvério, M. F. Coelho, A. A. Gomes, A. M. Morais, M. F. Soares, G. L. Libânio) Núcleo de Audiovisuais, Instituto Superior Técnico.

[8]     Ibid, Atlas de Cristais e Crescimento de Cristais em Laboratório, Centro de Química Estrutural, Instituto Superior Técnico, Dezembro de 2004 (dois CDs).

[9]     Ibid, Módulos de Experiências de Química, Colectânea de Imagens, Centro de Química Estrutural, Instituto Superior Técnico, Dezembro de 2004 (dois CDs).

[10]   Ibid, “Pedras que Brilham”, Fundação Eugénio de Almeida, Évora, de 5 de Outubro a 20 de Novembro de 2002. Por convite do Professor Jorge Calado, integrado no Ciclo de Conferências e Exposições “A Pedra”. Com a colaboração de Vânia André na observação à lupa e registo de imagem.

[11]   a)Na Escola Secundária António Arroio, de orientação artística, foram construídas muitas esculturas com corais, rochas e cristais; também o fizeram em combinação com troncos de arbustos e suportes metálicos. Estes trabalhos foram inseridos nas aulas de Técnicas Laboratoriais de Química, na sequência dos cursos do FOCO do IST, e integrados noutras disciplinas de Educação Visual. Foram feitas pinturas e desenhos de cristais com estudo de sombras. Estes desenhos são considerados, em termos de grau de dificuldade, ao nível da representação da mão humana.

b) Semana Aberta da Esc. Sec. António Arroio, 21-25 de Fevereiro de 2000 (Colaboração de CT).

c) Diversos trabalhos foram apresentados por escolas nos Fóruns do Programa Ciência Viva (pág.Web).

[12]   Colecção de pinturas e desenhos originais de Cristina Fontoura Carvalhão, expostos em permanência na Torre Sul do IST, no átrio Central do DEQB. Obras executadas durante a frequência de cursos FOCO. Nalgumas delas tenta-se captar a transparência dos cristais, tema muito difícil de executar no campo da pintura.

[13]   Amaral Fortes, para além de reputado Professor e Cientista do IST, era bem conhecido pelo seu incisivo sentido de humor. Sorrateiramente vinha ter comigo pregando-me grandes sustos e deleitando-se com o acompanhamento verbal dos ditos. Numa das suas brincadeiras favoritas, abordava-me de mão estendida e pedia… “uma esmolinha para o pobrezinho…” Nota de CT.

[14]   J. Hulliger, Angew. Chem. Int. Ed. Engl., 33 (1994) 143-162.

[15]   Manuais do ensino secundário em Portugal. Para analisar o impacto do projecto recomenda-se a visita do portal do Programa Ciência Viva, na sua página principal da Web. Aí se encontram listados os projectos que incluíram o método RO-NH.

[16]   C.Teixeira, V.André, A.S.D. Ferreira, E. Lago, M.F.N.N.Carvalho “On the Rocks...Occlusion of Dyes in Transparent Inorganic Crystals”, Proceedings of the 6th European Conference on Research in Chemical Education and 2nd European Conference on Chemical Education (2001) A. F. Cachapuz ed., Universidade de Aveiro.

[17]   Quem sai aos seus, não degenera: os cristais sempre foram o meu bias…herdei-o do meu Avô João Baptista Cardoso, ourives, joalheiro e antiquário. Nota de CT.

[18]   a) C. Teixeira e Vânia André -Viagem ao Interior da Matéria, Laboratórios Abertos 2005, Departamento de Engenharia Química, IST, 14-25 de Fevereiro de 2005:16 escolas, 800 alunos, coordenação de Raquel Aires de Barros, Matilde Marques e outros professores (página Web do DEQB, visitantes).

          b) C. Teixeira e Vânia André - Viagem ao Interior da  Matéria, Laboratórios Abertos 2006, Departamento de Engenharia Química e Biológica, 6-17 de Fevereiro de 2006:1400 alunos, coordenação de Raquel Aires de Barros, Matilde Marques e outros professores (página Web do DEQB, visitantes).

        c) 4º Fórum Ciência Viva, 5 e 6 de Maio de 2000, Palco 3, “Estudo da Rede Cristalina do Alúmen de Potássio”. A apresentação incluiu também experiências em microescala realizadas em retroprojector e à lupa, manuseadas pelos autores e com a colaboração de Glória Leitão Libânio, Escola Secundária Alfredo dos Reis Silveira do Seixal. As filmagens são espectaculares e serviram de base às montagens da Fig.1.

[19]   C. Teixeira, V. André, N. Lourenço, Crescimento de cristais de Di-Hidrogenofosfato de Amónio (ADP) por nucleação heterogénea: os bons e os maus hábitos, submetido para publicação. Inclui protocolos de Laboratório da cadeira de Química Geral da licenciatura em Engenharia Física Tecnológica (LEFT 2003).

[20]   Metodologia seguida no Instituto Superior Técnico, na cadeira de Química da Licenciatura de Engenharia Física Tecnológica, LEFT 2003-2007 (regência de CT).

[21]   Laboratório de Química Inorgânica, licenciatura em Engenharia de Materiais (regência de CT).

[22]   Laboratórios Integrados de Engenharia Química, do IST, por sugestão do Prof. Jorge Calado.

[23]   Por convite do Prof. Epifânio da Franca do IST em Fevereiro de 1995.

[24]   Mostra de Ciência & Tecnologia "À Descoberta da Ciência" de 8 a 17 de Setembro de 1995, Museu da Electricidade, Lisboa, (Promovida pelo Programa Galileu e Secretaria de Estado da Juventude) -3º prémio de Divulgação.

 [25]  9ª Feira Internacional de Minerais, Gemas e Fósseis, Museu de História Natural da Universidade de Lisboa, de 7 a 12 de Dezembro de 1995, a convite do Dr. José Brandão.

[26] Rochas Ornamentais e Minerais Sintéticos – Rede Cristalina - Saint Domenic’s International School, São Domingos de Rana 2775 Parede. Actualmente em parceria com o projecto “A Química Descobre a Criança”, CV/ID/976.

[27]   a) A. McPherson, P.J. Shlichta, J. Crystal Growth,     85(1987) 206.

b) ibid., Science, 239 (1988) 385.

[28]   C. Teixeira, N. Lourenço, S. Matos, M. J. Rodrigues, M. C. Silvério, I. Silva, M. F. Coelho, A. M. Morais, M. F. Soares, A. A. Gomes em “Rochas Ornamentais e Minerais Sintéticos - Experiências Interactivas”, Metodologia do Ensino das Ciências- Investigação e Prática dos Professores (1999) V. M. Trindade (Coord.), Secção de Educação, Departamento de Pedagogia e Educação, Universidade de Évora, 247-261.

[29] C. Teixeira, F.Meneses, F. Burnay, B.Costa, resultados  não publicados.

[30] C. Teixeira, H. Diogo, N. Lourenço, V. André, “Água quase tudo...e cloreto de sódio. Purificação do Cloreto de sódio”(2003).Centro de Química Estrutural e DEQB, Instituto Superior Técnico.

[31] C. Teixeira, V. André, S. Chaves, H. Diogo, N. Lourenço, Growing Maltese giant crystals of sodium chloride:From the nursery to the University Chemistry Laboratory, XX Encontro da Sociedade Portuguesa de Química, 14-16 de Dezembro de 2006, FCT-UNL, Monte da Caparica.