Os Polimorfos do Carbonato de Cálcio

OS POLIFORMOS DO CARBONATO DE CÁLCIO: PROPRIEDADES E MÉTODOS DE ANÁLISE.

A estrutura de um composto químico pode ser reconhecida e analisada através de diferentes métodos científicos, os quais encarregam-se de facilitar o entendimento da estrutura e do seu comportamento.

Os materiais cristalinos por sua vez são caracterizados de acordo com a sua célula unitária.  Nesse caso podemos ter espécies químicas com mais de uma configuração possível da célula unitária, essa propriedade é denominada polimorfismo. A constituição de diferentes polimorfos está relacionada na intenção que a rede cristalina tem de alcançar uma determinada condição termodinâmica. Essas diferenças na estrutura cristalina mudam completamente o comportamento da molécula de forma química e biológica, além disso suas propriedades físico-químicas se alteram, como por exemplo a solubilidade, nucleação, cinética, etc.

A formação dos polimorfos segundo Choloti et al (2017) depende de três razões, é levado em consideração o ordenamento das partículas durante a precipitação; a morfologia do material precipitado e as condições termodinâmicas presentes no sistema.

Os polimorfos do carbonato de cálcio (CaCO3), sal inorgânico sendo um biomineral abundante na natureza, vem sendo estudado por possuir características eficientes para processos industriais e por estar presente em estruturas fisiológicas de seres vivos, como por exemplo em moluscos. Os três polimorfos são a calcita, o mineral mais comum, a aragonita e a vaterita, estando em menor quantidade. A principal diferença está na morfologia, organização estrutural, da rede cristalina de cada mineral, os cristais de calcita e de aragonita possuem faces e arestas bem definidas, já por outro lado a vaterita apresenta uma estrutura esférica.

Figura 1: Estruturas dos polimorfos do carbonato de cálcio através de um microscópio eletrônico de varredura (MEV).

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Fonte: Adaptado de Costa et al, 2017.

A discussão se concentra nos dois polimorfos do carbonato de cálcio mais estáveis e comuns, calcita e a aragonita. Como enunciado a estrutura da rede cristalina destes dois minerais semelham-se, entretanto, a calcita possui cristais de forma romboedros ou prismas, já a aragonita tem sua forma de prismas aciculares, podendo ser analisada na Figura 2. Essas divergências resultam no comportamento que a molécula tem em certos sistemas termodinâmicos. Avaliando a estabilidade, a calcita é o polimorfo mais estável termodinamicamente em condições normais de temperatura e pressão, 1atm a 25°C, a aragonita se torna estável apenas acima de 2900atm. Entretanto em soluções aquosas a formação de aragonita é predominante, isto porque a nucleação é favorecida cineticamente.

Figura 2: Micrografia da CaCO3 (A) estrutura cristalina da calcita; (B) estrutura cristalina da aragonita

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Fonte: MOLINA, Lucian (2015).

As relações de estabilidade se contrapõe nas possíveis usabilidades e no interesse industrial, uma vez que a forma dos cristais da aragonita tendem a formar um conjunto entrelaçado e isso resulta em uma maior dureza e resistência à quebra. Outras características físicas podem ser visualizadas na Tabela 1. 

Tabela 1: Características da Calcita e Aragonita

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Fonte: Bessler e Rodrigues, 2008.

Bessler e Rodrigues (2008) manifestam três métodos para a análise cristalina dos polimorfos do carbonato de cálcio. Os métodos propostos servem para identificação de outras moléculas, as quais possuem fases cristalinas.

A realização da síntese dos cristais é o início para a utilização de outros métodos de análise, como por exemplo a microfotografia, difratometria de raio X e espectros no infravermelho. Estas técnicas se diferenciam em dois grupos ao analisar os resultados obtidos, na microfotografia enxergamos uma imagem, já na difratometria de raio X e no espectro no infravermelho vemos gráficos.

Os resultados obtidos através de uma microfografia supre a necessidade de visualizar a estrutura da rede cristalina, e assim distinguir cada amostra, esse método se constitui na obtenção de imagens ampliadas através de lentes ópticas. Entretanto eventualmente pode-se ter cristais polimorfos com uma estrutura muito parecida, logo optasse a recorrer a outros métodos.

A análise de difratometria de raio X consiste na detecção do feixe de fótons de uma amostra quando incidida por uma radiação determinada. A técnica aplicada na análise de material cristalino consegue identificar o ordenamento dos átomos e seu arranjo periódico no espaço, a determinação dos parâmetros de rede e se destaca na capacidade de diferenciar as fases cristalinas uma das outras, estes dados são representados por um gráfico mostrado na Figura 3.