КРИСТАЛІЗАЦІЯ: ПРОЦЕС, ТИПИ, ПРИКЛАДИ, РОЗДІЛЕННЯ - ХІМІЯ

Кристалізації є фізичний процес , в якому природний шляху або штучно кристалічна тверда речовина, тобто впорядкована структура утворена з рідкого або газоподібного середовища. Він відрізняється від опадів тим, що останні розвиваються без жорсткого контролю параметрів процесу, і крім того, що він може утворювати аморфні та желеподібні тверді речовини.

Мета кристалізації, як її просто і просто вказує назва, - генерувати кристали. Вони характеризуються не лише впорядкованістю, але й чистотою твердих тіл. Тому при синтезі твердих сполук прагнуть отримати продукти високої чистоти, кристали, які є максимально чистими.

Кристалізація гіпотетичного розчину фіолетового кольору у водному розчині. Джерело: Габріель Болівар.

На зображенні вище показана узагальнена та гіпотетична кристалізація фіолетового розчиненого речовини у водному розчині.

Зауважте, що червона смужка виступає термометром. При високій температурі розчин містить розчинений розчинний розчин, який залишається розчинним в цих умовах. Однак, як температура поступово падає, починають з’являтися перші фіолетові кристали.

У міру того, як температура продовжує знижуватися, кристали будуть збільшуватися в розмірах, утворюючи міцні фіолетові шестикутники. Зміна кольору розчину свідчить про те, що розчинний розчин перейшов від розчинення до включення у зростаючі кристали. Чим повільніше кристалізація, тим чистіше отримане кристалічне тверде речовина.

Існують і інші змінні, які слід враховувати під час цього процесу: скільки розчинено розчиненого речовини у визначеному розчиннику, при якій температурі розчин повинен бути нагрітий, як довго повинно тривати охолодження, наскільки необхідно вдаватися чи не до звукової агітації, серед інших. аспекти.

Процес кристалізації, більш ніж складне явище, що включає молекулярну динаміку та термодинаміку, - це мистецтво, яке вимагає постійного навчання, випробувань та помилок, доки не буде вдосконалено в лабораторії чи в галузі.

Процес кристалізації

Кристалізація по суті складається з двох процесів: зародження та ріст кристалів.

Обидві стадії завжди проходять під час кристалізації, але коли перша відбувається швидко, друга навряд чи встигне розвиватися. Тим часом, якщо зародження буде повільним, кристали будуть мати більше часу для зростання, а отже, вони, як правило, будуть більшими. Останнє - це ситуація, яка передбачається на зображенні з фіолетовими шестикутниками.

Нуклеація

Спочатку про кристали говорили, що це тверді речовини із упорядкованими структурами. Із розчину, де розчинний розчин диспергується безладно, його частинки повинні наблизитися досить близько, щоб їх взаємодії, чи йонного, чи типу Ван дер Уоллса, дозволяли заселити першу групу розчинених частинок: кластер.

Цей кластер може розчинятися і утворюватися повторно стільки разів, скільки потрібно, поки він не стане стабільним і кристалічним. Потім, як кажуть, з'явилося перше ядро. Якщо ядро з’явиться з нізвідки, тобто від самої однорідності середовища під час його охолодження, воно буде однорідним ядром.

З іншого боку, якщо зазначене ядро відбудеться завдяки поверхні, що надається іншою нерозчинною твердою частинкою, або до недосконалостей контейнера, то у нас буде гетерогенне зародження. Останній є найбільш широко використовуваним та відомим, особливо коли до розчину додається крихітний кристал із видів, які ми хочемо кристалізувати.

Кристали ніколи не можуть утворюватися з повітря без першого зародження.

Зростання кристалів

У розчині ще багато розчиненого розчиненого речовини, але концентрація розчиненого речовини в цих ядрах вище, ніж у їх оточенні. Ядра виступають в якості опори для більшої кількості розчинених частинок, щоб вони вміщувалися і «поміщалися» між своїми зростаючими структурами. Таким чином їх геометрія підтримується і поступово зростає.

Наприклад, перші ядра на зображенні - фіолетові шестикутники; це ваша геометрія. По мірі включення розчинних частинок ядра переростають у міцні гексагональні кристали, які продовжуватимуть зростати, якщо розчин буде занурений у крижану баню.

Види кристалізації

Що було пояснено до цього часу, полягає у кристалізації шляхом охолодження розчинника.

Кристалізація видалення розчинника

Інші типи кристалізації засновані на видаленні розчинника випаровуванням, для чого не потрібно використовувати його стільки об'єму; тобто достатньо лише наситити його розчиненим розчином і нагріти його до перенасичення, а потім ще трохи, а потім залишити його в спокої, щоб розчинник нарешті кристалізувався.

Кристалізація додавання розчинника

Так само ми маємо кристалізацію, спричинену приєднанням розчинника до суміші, в якій розчинний розчин нерозчинний (антирозчинник). Тому нуклеація буде сприятливою, оскільки є рухливі та рідкі ділянки, де частинки розчиненої речовини будуть більш концентровані, ніж у тих, де вона дуже розчинна.

Кристалізація соніфікацією

З іншого боку, відбувається кристалізація за допомогою соніфікації, де ультразвук генерує та розриває дрібні бульбашки, які знову сприяють зародженню, в той же час, що допомагає більш рівномірно розподіляти розміри кристалів.

І нарешті, відбувається кристалізація від осадження пари на холодних поверхнях; тобто зворотне явище сублімації твердих тіл.

Метод поділу кристалізації

Кристалізація - це незамінна методика отримання твердих речовин та їх очищення. Він дуже рецидивує в синтезі органічних сполук і являє собою одну з останніх стадій для гарантування чистоти та якості продукту.

Приклад барвника

Припустимо, наприклад, що кристали барвника отримані і вони вже відфільтровані. Оскільки цей барвник спочатку був отриманий осадженням в результаті синтезу, його тверда речовина демонструє вигляд аморфності, оскільки має багато домішок, поглинених та захоплених між його молекулярними кристалами.

Тому прийнято нагрівати розчинник там, де барвник слабо розчинний, так що при його додаванні він розчиняється відносно легко. Після розчинення після додавання трохи більше розчинника розчин відокремлюють від джерела тепла і залишають відпочивати. У міру зниження температури відбувається зародження.

Таким чином, кристали барвника будуть утворюватися і здаватись більш визначеними (не обов’язково кристалічними для ока). Саме в цей точний момент контейнер (зазвичай колба Ерленмайєра або склянка) занурюється в крижану ванну. Холод цієї ванни закінчується сприятливим зростанням кристалів над зародком.

Потім кристали барвника відфільтровують у вакуумі, промивають розчинником, у якому він є нерозчинним, і залишають висихати в годинниковому склі.

Температура кристалізації

Температура, при якій відбувається кристалізація, залежить від того, наскільки нерозчинний розчин є в середовищі розчинника. Так само це залежить від температури кипіння розчинника, оскільки якщо розчинний розчин ще не розчинився при температурі кипіння, це тому, що потрібно використовувати інший більш відповідний розчинник.

Наприклад, тверді речовини, які можуть кристалізуватися у водних середовищах, роблять це так, як вода знижує свою температуру (тобто від 100 до 50 ° C) або поки випаровується. Якщо кристалізація відбувається випаровуванням, то, як кажуть, відбувається при кімнатній температурі.

З іншого боку, кристалізація металів або деяких іонних твердих тіл відбувається при дуже високих температурах, оскільки їх температури плавлення дуже високі, а розплавлена рідина є розжареною, навіть коли вона охолола достатньо для нуклеїрування її частинок і вирощувати свої кристали.

Швидкість кристалізації

В принципі існує два прямих способи контролю швидкості кристалізації твердого тіла: за ступенем перенасичення (або перенасичення) або різкими змінами температури.

Ступінь перенасичення

Ступінь перенасичення означає, скільки надлишкового розчиненого речовини змушене розчинятись шляхом нагрівання. Тому чим більше перенасичений розчин, тим швидше відбувається процес зародження, оскільки існує більша ймовірність формування ядер.

Хоча кристалізація прискорюється таким чином, одержані кристали будуть меншими порівняно з отриманими з меншим ступенем перенасичення; тобто коли сприяє їх ріст, а не зародження.

Зміни температури

Якщо різко знизити температуру, ядра навряд чи встигнуть рости, і не тільки це, але вони також зберігатимуть більш високі рівні домішок. Результат полягає в тому, що хоча кристалізація відбувається швидше, ніж повільне охолодження, якість, розмір і чистота кристалів в кінцевому підсумку нижчі.

Швидка кристалізація через раптового падіння температури. Джерело: Габріель Болівар.

Зображення вище служить протиставленням першому. Жовті точки являють собою домішки, які через різкий ріст ядер потрапляють всередину них.

Ці домішки ускладнюють включення більше фіолетових шестикутників, в результаті чого в кінцевому підсумку багато маленьких, нечистих кристалів, а не великих, чистих.

Програми

Кристалізація морозива є одним з найважливіших аспектів під час його промислового чи ремісничого виробництва. Джерело: Pixabay.

Кристалізація, як і перекристалізація, є життєво важливим для отримання високоякісних чистих речовин. Для фармацевтичної галузі це особливо актуально, оскільки їх продукція повинна бути максимально чистою, як і консерванти, що застосовуються в харчовій промисловості.

Крім того, нанотехнологія сильно залежить від цього процесу, щоб вони могли синтезувати наночастинки або нанокристали, а не міцні кристалічні тверді речовини.

Один із повсякденних прикладів, у якому кристалізація має велику участь - у виробництві морозива. Якщо ви не обережні з водою, вона кристалізується в окремій фазі (лід) з її вмісту ліпідів, впливаючи, таким чином, на її текстуру та аромат; Іншими словами, це буде більше схоже на поголене морозиво або морозиво.

Тому кристалів льоду повинно бути якомога менше, щоб морозиво було гладким на смак та дотик. Коли ці кристали льоду трохи великі, їх можна виявити на світлі, оскільки вони надають морозиву матову поверхню.

Приклади кристалізації

Нарешті, згадуються кілька загальних прикладів кристалізації, як природних, так і штучних:

Сніжинки

Сніжинки утворюються шляхом природного процесу кристалізації. Відомо, що кожен сніговий кристал унікальний. Це пов’язано з умовами, що виникають під час другої фази кристалізації (зростання).

Різні геометричні фігури, які мають кристали снігу, зумовлені умовами, з якими їм доводиться стикатися під час росту кристалів.

Сіль

Сіль - найпоширеніший приклад кристалізації. Це може утворюватися як природним шляхом (наприклад, морською сіллю), так і штучно (як це стосується столової солі).

Цукор

Після солі цукор - один з найпоширеніших кристалів. Він утворюється за допомогою ряду складних промислових процесів, при яких сік цукрової тростини береться і піддається процесу штучної кристалізації.

Алмаз

Алмаз - це дорогоцінний камінь, який утворюється при кристалізації чистого вуглецю. Це найтвердіший матеріал, відомий на планеті. Його утворення може бути природним, як це буває з алмазами, що знаходяться в гірничих родовищах, або синтетичним.

Рубін

Рубі - червонуватий кристал, який утворюється при кристалізації оксиду алюмінію (коридону).

Сталагміти

Сталагміти - це структури, які можна знайти в печерах, зокрема в ґрунтах (зростаючи загостреними вгору). Вони складаються з сполук кальцію і утворюються в результаті кристалізації солей кальцію, що знаходяться у воді, що падає зі стелі печер.

Сталактити

Сталактити, як і сталагміти, виготовлені з кальцію і знаходяться в печерах. Вони відрізняються від останніх тим, що звисають під стелями. Вони утворюються при кристалізації солей кальцію, присутніх у воді, що проникає в печери.

Кварц

Кварц - це дорогоцінний камінь, який утворюється в результаті кристалізації кремнієвого ангідриду. Це один з найпоширеніших мінералів у гірських породах і його забарвлення мінлива.

Перидот

Також називається олівіном, цей дорогоцінний камінь утворюється завдяки кристалізації заліза та магнію. Він зеленуватого кольору і зазвичай має ромбоподібну форму.

Силікати

Силікати - це матеріали, створені кристалізацією кремнезему та інших елементів (залізо, алюміній, кальцій, магній). Вони присутні у всіх породах.

Цукерки

Цукерки виготовляють із кристалами цукру, тому можна сказати, що втручаються два процеси кристалізації: перший для утворення цукру та другий для утворення патоки.

Вершкове морозиво

Вершкове морозиво містить низку кристалів, які надають йому остаточну гладку текстуру. Серед кристалів, що містять вершкове морозиво, виділяються кристали ліпідів (утворені з жиру) та крижані кристали. Слід зазначити, що деякі морозиво також містять кристали лактози.

У цьому сенсі морозиво отримують шляхом різних процесів штучної кристалізації (один для ліпідів, один для льоду і один для лактози).

Інші

-Підготовка кристалів цукру навколо нитки або мотузки і перенасиченого солодкого розчину

-Утворення кристалів цукру з медоносів, що відкладаються на дні їхніх банок

-Поростання каменів у нирках, які складаються із сутності кристалів оксалату кальцію

-Крісталізація мінералів, включаючи дорогоцінні камені та алмази, роками, форми та краї яких є відображенням їх упорядкованих внутрішніх структур

-Осадження парів гарячого металу на холодних брусках як опори для росту їх кристалів.

Список літератури

Day, R., & Underwood, A. (1989). Кількісна аналітична хімія. (п. ред.). PEARSON Prentice Hall.
Вікіпедія. (2019). Кристалізація. Відновлено з: en.wikipedia.org
Гельменстін, Анна Марі, к.т.н. (23 травня 2019 р.). Визначення кристалізації. Відновлено з: thinkco.com
Університет Колорадо. (sf). Кристалізація. Органічна хімія. Відновлено з: orgchemboulder.com
Сірріс. (2019). Що таке кристалізація? Відновлено з: syrris.com

КРИСТАЛІЗАЦІЯ: ПРОЦЕС, ТИПИ, ПРИКЛАДИ, РОЗДІЛЕННЯ - ХІМІЯ - 2025