“Diamantes” de alumbre

Introducción

La mayoría de las gemas naturales son minerales, aunque también las hay de origen animal (perlas, corales) o vegetal (ámbar). Pero existen técnicas para crear gemas artificiales que en muchos casos son muy difíciles de distinguir de las naturales.

Como muchas gemas son cristalinas, quizá lo primero que se nos ocurra hacer para obtener una gema artificial será una cristalización. El problema es que la mayoría de los materiales que constituyen las gemas son muy insolubles. Por eso, no es fácil cristalizar una gema a partir de una disolución. No obstante, se pueden aplicar procesos especiales como la cristalización hidrotermal. Consiste en disolver parcialmente nutrientes como el dióxido de silicio o la alúmina a muy altas temperaturas y presiones (300 – 400 ^oC, miles de atmósferas) en un autoclave. Aunque estos nutrientes son muy poco solubles, parte de ellos se solubilizan y cristalizan al enfriarse. El proceso puede ser muy largo (días, semanas, meses), dependiendo del tamaño deseado de la gema y la calidad. Por este procedimiento se pueden obtener excelentes esmeraldas artificiales, cuyo color verde característico se consigue añadiéndole óxido de cromo. La esmeralda es un tipo de berilo. Se pueden sintetizar berilos de gran variedad de colores añadiendo los iones adecuados.

En general, los iones de metales de transición aportan a las gemas naturales y artificiales sus colores característicos. Esto se explica porque cuando los iones se incorporan a la red cristalina huésped, la energía de sus orbitales d se altera, desdoblándose en dos (o más) niveles. Esta separación energética permite que el ion pueda absorber fotones que tengan una energía correspondiente a la diferencia de energía creada, lo que hará que sus electrones “salten” entre los niveles d. Las energías de estos saltos corresponden normalmente a la región visible del espectro electromagnético, por lo que los compuestos que contienen a estos iones los vemos de algún color. Es la explicación que da al fenómeno la teoría del campo cristalino.

Por citar ejemplos, el rubí (Al₂O₃) es rojo por poseer pequeñas cantidades de Cr³⁺. La esmeralda (Be₃Al₂(SiO₃)₆) también contiene a este ion, aunque a ella le da color verde porque la coordinación es diferente y eso produce diferente separación energética de los niveles d. En una gema artificial, el color deseado se consigue añadiéndole el óxido adecuado. Así, se puede usar TiO₂ si se quieren obtener colores marrones y amarillos; el CeO₂ si se desean amarillos o verdes pálidos; el V₂O₅ para marrones, amarillos y verdes; el U₃O₈ para amarillos brillantes; el MnO₂ para marrones y morados; el CoO para un azul muy especial llamado «azul cobalto» [1].

Una cristalización hidrotermal está lejos de ser un experimento sencillo. Sin embargo, sí es posible simular de algún modo la creación industrial de gemas artificiales. Por ejemplo, si se cristaliza adecuadamente alumbre potásico (KAl(SO₄)₂·12H₂O) se pueden obtener los bonitos cristales octaédricos que se muestran en la cabecera de este texto. No obstante, no debe olvidarse que este material no tiene calidad de gema: si estos cristales caen en un vaso de agua, se disolverán.

El alumbre alumínico-potásico es un material que ha usado la humanidad con diversos fines desde hace mucho tiempo. Se ha recurrido a él como mordiente en tintorería (para fijar mejor los colorantes textiles); como remedio contra los hongos, úlceras, sabañones, etc.; en la industria del cuero y el papel… Actualmente se ha revalorizado este material como “desodorante natural”.

Químicamente, los alumbres son sulfatos dobles compuestos por el sulfato de un metal trivalente, normalmente aluminio, y el sulfato de un metal monovalente, como potasio. La estequiometría es 1:1, es decir, equimolecular: una entidad KSO₄^– por cada entidad AlSO₄⁺. En la naturaleza se presentan en forma del mineral calinita (en la imagen).

Los alumbres cristalizan en el sistema cúbico y tienen la peculiaridad de poder formar cristales de gran tamaño. Macroscópicamente, estos cristales pueden ser octaédricos, cúbicos, hexaédricos, pentadodecaédricos…., dependiendo de las condiciones de cristalización[2].

Experimento

No es difícil adquirir alumbre comercial. Para obtener grandes cristales se puede seguir el siguiente procedimiento[3].

Se necesita

• Unos 100 mL de agua caliente
• Alumbre de aluminio (suficiente para conseguir una disolución saturada)
• Hilo de nailon
• Varillas de agitación (u otro utensilio para agitar)
• Varios recipientes (frascos o vasos de precipitados)
• Filtro de café o servilleta de papel

Para cultivar los cristales se empieza preparando una disolución sobresaturada de alumbre en agua caliente, removiendo, hasta que deje de disolverse, permitiendo que quede cierta cantidad en el fondo del recipiente (es decir, hasta conseguir la saturación). Se cubre el frasco con un filtro de café o una servilleta de modo que se permita la evaporación pero se impida que caiga polvo. Se deja el frasco en reposo durante la noche.

Al día siguiente se habrán formado cristales. Se toma uno que sea grueso y esté lo mejor formado posible. Este servirá de semilla de cristalización. La disolución se vierte en otro recipiente (si se quiere, se pueden redisolver en ella los cristales restantes, pero sin dejar cristales sin disolver). Al cristal elegido se le ata un hilo de nailon para colgar la semilla como se muestra en la imagen. La semilla debe colocarse aproximadamente en el centro del líquido. El frasco se cubre con una servilleta (o con un trozo de cartón o incluso una hoja de papel de aluminio siempre que se permita la evaporación) y se espera a que el cristal vaya creciendo. Si se observa que empiezan a formarse cristales en los lados o en la parte inferior del frasco, conviene retirar el cristal y colgarlo dentro de otra disolución de alumbre limpia. De este modo se evita que los otros cristales compitan por el alumbre de la disolución e impidan que el cristal principal crezca.

La razón de usar hilo de nailon en vez del clásico hilo de costura es que en este último tenderán a formarse cristales a lo largo de toda la longitud sumergida; en el nailon no ocurrirá (puede usarse hilo de pescar u otros hilos de fibras sintéticas que sean lo más finos posible).

Hay que tener en cuenta que estos cristales no van a durar mucho. El calor puede que los deshidrate y eso hará que pierdan su belleza. Por eso, deben conservarse en recipientes lo más herméticos que sea posible, o bien se pueden barnizar con un barniz fino, incoloro y transparente.

Alternativas

Los cristales de alumbre de aluminio son incoloros, pero se pueden obtener de color violeta si se emplea alumbre de cromo (unos 60 g en 100 mL)[4].

Otra posibilidad es mezclar alumbre de cromo y de aluminio. Una más es crear un pequeño cristal de alumbre de cromo y sobre él cultivar alumbre de aluminio. De esta manera se obtendrá un cristal transparente con núcleo violeta.

Seguridad

Deberían usarse guantes para manipular las disoluciones concentradas de alumbre.  

Utilidad didáctica

Este experimento sirve para ilustrar conceptos de física, tecnología y química como:

• Cristalización
• Semilla de cristalización
• Disoluciones saturadas
• Solubilidad
• Cristalización hidrotermal
• Alumbre de aluminio, alumbre de cromo
• Usos del alumbre
• Gemas naturales y artificiales
• Colores de los iones
• El color de los objetos
• Teoría del campo cristalino
• Orbitales d
• Iones de elementos de transición
• Redes cristalinas
• Autoclave

[1] A.J. Moulson. Color, en R. J. Brook (ed.): Concise Encyclopedia of Advanced Ceramic Materials, Elsevier (1991). doi.org/10.1016/C2009-1-28294-3.

[2] Magia de los cristales (cientificosaficionados.com)

[3] How to Grow a Big Alum Crystal (thoughtco.com)

[4] Grow Purple Chrome Alum Crystals – Simulated Amethyst (thoughtco.com)

Este experimento pertenece al libro:

José M.ª Gavira Vallejo: Experimentos de Ciencia de Materiales. Triplenlace.com, 2025. https://triplenlace.com/aula-libros/ecm/ .