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Cómo hacer cristales de bismuto

Cristales de bismuto

El bismuto (elemento nº 83 de la tabla periódica) forma cristales en forma de tolva de hermosos colores y geométricamente intrincados, que se muestran en la imagen de la izquierda, al enfriarse lentamente y solidificarse desde su estado fundido.

La distintiva forma de «tolva» de un cristal de bismuto es el resultado de una mayor tasa de crecimiento alrededor de sus bordes exteriores que en su cara interior. La mayor tasa de crecimiento en los bordes forma un cristal que parece estar parcialmente ahuecado en un diseño de escalera rectangular-espiral.

La llamativa gama de colores del cristal es el resultado de la formación de una fina capa de óxido en su superficie. Los colores de los cristales de bismuto surgen de forma similar a los de una burbuja de jabón o una fina película de aceite sobre el agua, en la que la luz que se refleja en la parte superior e inferior de la película produce máximos de interferencia de un color concreto dependiendo del grosor de la película. Una fina capa de óxido de bismuto sobre el cristal de bismuto, que por lo demás es puro, hace que la luz de determinadas longitudes de onda interfiera de forma constructiva al reflejarse dando lugar al color que se ve en la superficie. Debido a las variaciones en el grosor de la capa de óxido, el cristal no es de un solo color sólido, sino que es un arco iris de colores correspondientes a las longitudes de onda (y los colores) de la luz que interfieren constructivamente en cada lugar.
Para una explicación más completa de este fenómeno, investigue el tema de la interferencia de la película delgada.

Crecimiento de cristales de bismuto

Para crecer cristales de alta calidad, se debe utilizar bismuto metálico muy puro. Se prefiere una pureza del 99,99% de bismuto, o mejor, para cultivar cristales de alta calidad.

Otro factor importante que afecta a la calidad y al tamaño de los cristales de bismuto es el tiempo de enfriamiento. Se pueden producir cristales más grandes dejando que el Bismuto se enfríe y solidifique lentamente desde su estado fundido.

El punto de fusión del Bismuto es relativamente bajo en comparación con otros metales, con sólo 271 °C (520 °F), lo cual es lo suficientemente bajo como para fundirlo fácilmente utilizando un pequeño soplete de propano o incluso una placa caliente de laboratorio. No olvide, sin embargo, que todavía está tratando con metal fundido muy caliente, que puede fluir y salpicar como cualquier líquido y puede causar quemaduras dolorosas.

Dependiendo del volumen de Bismuto utilizado, una variedad de contenedores son adecuados para mantener el Bismuto mientras se funde. Se ha demostrado que un vaso medidor de acero de tamaño pequeño a mediano funciona bien para preparar los cristales de bismuto.

Paso 1: Fundir el Bismuto

Colocar trozos de Bismuto en una taza medidora de acero y fundirlos en una placa caliente a fuego alto.

A medida que el Bismuto se funde, la superficie expuesta del líquido se oxidará fácilmente debido a la alta temperatura y a la presencia de Oxígeno en el aire ambiente, dando lugar a la formación de una «piel» gris en la superficie superior; esto es normal.

Paso 2: Verter el Bismuto fundido

Después de que el Bismuto se haya fundido, vierta lenta y cuidadosamente el Bismuto líquido en otro vaso medidor de acero limpio y precalentado.

Al transferir el Bismuto a un nuevo recipiente se puede eliminar la gruesa piel de óxido que se ha formado en la superficie del Bismuto y que puede afectar negativamente al crecimiento de los cristales. Se puede verter lentamente el Bismuto líquido, limpio y plateado, por debajo de la capa de óxido gris que queda en el recipiente original.

Paso 3: Dejar que el Bismuto se enfríe

Colocar el Bismuto, en su nuevo recipiente, sobre una superficie bien aislada y resistente al calor para que se enfríe y comience a solidificarse. Colocar el Bismuto de nuevo en la placa caliente (con la alimentación apagada) permitirá que el Bismuto se enfríe muy lentamente mientras vuelve a la temperatura ambiente.

No mucho después de verter el Bismuto en su nuevo recipiente se hará visible una nueva capa de óxido. La nueva capa de óxido no será tan gruesa como la anterior. A medida que la nueva capa de óxido se hace más gruesa, cambiará gradualmente de color a medida que las diferentes longitudes de onda de la luz interfieran constructivamente después de reflejarse en su superficie (por la misma razón por la que los propios cristales de Bismuto son de color).

Paso 4: Verter el Bismuto extra

Antes de que el Bismuto se solidifique completamente, vierta el exceso de Bismuto líquido en otro recipiente. No deje que el bismuto se solidifique completamente; si no se vierte el exceso de líquido a tiempo, los cristales quedarán atrapados dentro del bulto de metal resultante.

Los cristales se formarán y crecerán progresivamente a medida que el bismuto se congele. Los tiempos de crecimiento más largos suelen dar lugar a cristales más grandes. Pero si se espera demasiado, el exceso de Bismuto que aún no ha entrado en la formación del cristal se solidificará y atrapará los cristales que se han formado.

No hay una cantidad de tiempo establecida que se deba esperar antes de verter el exceso de Bismuto, ya que variará dependiendo de las condiciones del experimento. Se puede comprobar el estado del bismuto dando golpecitos de luz en el recipiente. Si se ven ondas que recorren la superficie, entonces la mayor parte del bismuto sigue siendo líquido. A medida que se congela más Bismuto, las ondas tendrán menos espacio para viajar y las áreas donde se están formando los cristales se hacen visibles. Tenga cuidado de no perturbar demasiado el Bismuto que se está enfriando, ya que puede desencadenar la formación de nuevos cristales; en lugar de producir sólo uno (o unos pocos) cristales grandes, pueden formarse muchos cristales mucho más pequeños.

Puede ser necesario hacer varios intentos para saber cuándo verter el exceso de Bismuto líquido. Si se espera demasiado tiempo y los cristales quedan atrapados, sólo hay que volver a fundir el bismuto e intentarlo de nuevo. Uno puede incluso intentar utilizar el exceso de Bismuto que se vierte para formar cristales adicionales en recipientes secundarios.

Paso 5: Retirar los cristales

Después de verter el exceso de Bismuto líquido se deberían poder ver los cristales de Bismuto que han crecido dentro del recipiente. El color de los cristales debería desarrollarse en cuestión de segundos al exponerlos al aire mientras se forma una fina capa de oxidación en su superficie. Es probable que los cristales estén pegados al fondo y a los lados del recipiente; también es probable que estén parcialmente fusionados con Bismuto no cristalino. Después de que se enfríen, se pueden separar suavemente los cristales del Bismuto no cristalino dentro del recipiente.

Permitir que los cristales se formen en las superficies interiores del recipiente provoca imperfecciones inherentes en la forma de los cristales, ya que siempre habrá un punto en el cristal en el que estaba previamente unido a esa superficie. Se puede evitar esta imperfección utilizando un pequeño cristal de bismuto semilla suspendido en el bismuto fundido para que actúe como punto de nucleación durante el crecimiento del cristal. Después, uno puede simplemente levantar el cristal del Bismuto líquido en lugar de tener que verter el exceso de Bismuto en un recipiente separado (como en el paso 4). Hay que tener cuidado de no dejar el cristal semilla suspendido demasiado tiempo, ya que el Bismuto puede solidificarse a su alrededor y hacer imposible su extracción. Además, el cristal puede crecer tanto que puede fusionarse con otros cristales que lo rodean, con lo que también quedaría atrapado en su interior.

Al igual que el agua/hielo, el Bismuto tiene la interesante propiedad de expandirse a medida que se solidifica, lo que hace que los cristales de Bismuto sólidos y no adheridos floten en su entorno más denso y líquido.

Imágenes de grandes cristales de Bismuto

Abajo hay una serie de imágenes de tres grandes cristales de Bismuto que varían en tamaño desde aproximadamente 1 pulgada a 3 pulgadas de ancho. Es ciertamente posible crecer cristales mucho más grandes que estos.