КРИСТАЛИЗАЦИЯ: ПРОЦЕС, ВИДОВЕ, ПРИМЕРИ, РАЗДЕЛЯНЕ - ХИМИЯ

На кристализацията е физически процес, при който се образува естествено или изкуствено кристално твърдо вещество, т.е. подредена структура от течна или газообразна среда. Тя се различава от валежите по това, че последната се развива без строг контрол на параметрите на процеса, а също и по това, че може да произвежда аморфни и желатинови твърди вещества.

Целта на кристализацията, както просто и ясно показва името й, е да генерира кристали. Те не се характеризират само с това, че са подредени, но също така са и чисти твърди вещества. Затова при синтеза на твърди съединения се търси получаване на продукти с висока чистота, кристали, които са възможно най-чисти.

Кристализация на хипотетичен пурпурно оцветен разтвор във воден разтвор. Източник: Габриел Боливар.

Изображението по-горе показва обобщена и хипотетична кристализация на лилаво разтворено вещество във воден разтвор.

Обърнете внимание, че червената лента действа като термометър. Когато температурата е висока, разтворът съдържа разтворения разтворител, който остава разтворим при тези условия. Тъй като температурата постепенно спада, започват да се появяват първите лилави кристали.

Тъй като температурата продължава да намалява, кристалите ще нарастват в размер, за да образуват здрави лилави шестоъгълници. Промяната в цвета на разтвора е показателна, че разтвореното вещество премина от разтварянето му до включването му в нарастващите кристали. Колкото по-бавна е кристализацията, толкова по-чисто е полученото кристално твърдо вещество.

Има и други променливи, които трябва да се вземат предвид по време на този процес: колко разтворено вещество се разтваря в определения разтворител, при каква температура разтворът трябва да се нагрява, колко дълго трябва да продължи охлаждането, колко е необходимо да се прибягва или да не се извършва звуково разбъркване, между другото. аспекти.

Процесът на кристализация, повече от сложно явление, включващо молекулярна и термодинамична динамика, е изкуство, което изисква постоянно обучение, опити и грешки, докато не бъде усъвършенствано в лабораторията или в индустрията.

Процес на кристализация

Кристализацията по същество се състои от два процеса: ядряване и растеж на кристали.

И двата етапа винаги се провеждат по време на кристализацията, но когато първият настъпи бързо, вторият едва ли ще има време да се развие. Междувременно, ако ядреното образуване е бавно, кристалите ще имат повече време да растат и следователно те ще са склонни да бъдат по-големи. Последното е ситуацията, възприета в образа с лилавите шестоъгълници.

Образуването

Първоначално се казва, че кристалите са твърди частици с подредени структури. От разтвора, в който разтвореното вещество се диспергира в безпорядък, неговите частици трябва да се доближат достатъчно, така че взаимодействията им, било те йонни или тип Van der Walls, позволяват заселването на първата група разтворени частици: клъстер.

Този клъстер може да се разтвори и да се формира толкова пъти, колкото е необходимо, докато стане стабилен и кристален. След това се казва, че първото ядро се е появило. Ако ядрото се появи от нищото, тоест от самата хомогенност на средата по време на охлаждането му, това ще бъде хомогенно ядро.

От друга страна, ако споменатото ядро се осъществява благодарение на повърхността, осигурена от друга неразтворима твърда частица, или на несъвършенствата на контейнера, тогава ще имаме хетерогенно ядро. Последният е най-широко използваният и известен, особено когато към разтвора се добавя малък кристал, получен преди това, от вида, който искаме да кристализираме.

Кристалите никога не могат да се образуват от тънък въздух, без първоначално зародяване.

Растеж на кристали

Все още има много разтворен разтвор в разтвор, но концентрацията на разтворено вещество в тези ядра е по-висока, отколкото в тяхната среда. Ядрата действат като опори за по-голямо количество разтворени частици, за да се настанят и „да се поберат“ между техните растящи структури. По този начин техните геометрии се поддържат и постепенно нарастват.

Например, първите ядра в изображението са лилави шестоъгълници; това е вашата геометрия. С включването на разтворени частици ядрата прерастват в здрави шестоъгълни кристали, които ще продължат да растат допълнително, ако разтворът бъде потопен в ледена баня.

Видове кристализация

Това, което беше обяснено досега, се състои в кристализацията чрез охлаждане на разтворителя.

Кристализация за отстраняване на разтворители

Други видове кристализация се основават на отстраняването на разтворителя чрез изпаряване, за което не е необходимо да се използва толкова голям обем от него; тоест, достатъчно е просто да го наситите с разтворено вещество и да го нагреете, за да го пренаситите и след това още малко, след което да го оставите в покой, така че разтвореното вещество най-накрая да кристализира.

Кристализация на добавка на разтворители

По същия начин имаме кристализацията, причинена от добавянето на разтворител към сместа, в която разтвореното вещество е неразтворимо (антиразтворител). Следователно, нуклеирането ще бъде благоприятно, тъй като има подвижни и течни участъци, където разтворените частици ще бъдат по-концентрирани, отколкото в тези, където е много разтворимо.

Кристализация чрез сонификация

От друга страна, има кристализация чрез сонификация, при която ултразвукът генерира и разрушава малки мехурчета, които отново насърчават нуклеацията, в същото време, че спомага за по-равномерното разпределение на размерите на кристалите.

И накрая, има кристализация от отлагане на пари върху студени повърхности; тоест обратното явление към сублимацията на твърдите вещества.

Метод за разделяне на кристализацията

Кристализацията е незаменима техника при получаване на твърди частици и тяхното пречистване. Той е много повтарящ се в синтеза на органични съединения и представлява един от последните етапи за гарантиране на чистотата и качеството на продукта.

Пример за багрило

Да предположим например, че са получени кристали от багрило и че те вече са филтрирани. Тъй като това багрило първоначално е получено чрез утаяване в синтез, неговото твърдо вещество показва появата на аморфност, тъй като има много примеси, абсорбирани и хванати между молекулните си кристали.

Затова е решено да се нагрява разтворител, където багрилото е слабо разтворимо, така че когато се добави, той се разтваря сравнително лесно. След като се разтвори след добавяне на малко повече разтворител, разтворът се отделя от източника на топлина и се оставя да почине. С понижаването на температурата се извършва ядреност.

Така кристалите на багрилото ще се образуват и изглеждат по-дефинирани (не непременно кристални за окото). В този точен момент контейнерът (обикновено колба от Ерленмайер или чаша) се потапя в ледена баня. Студът на тази баня завършва благоприятно за растежа на кристалите над нуклеацията.

След това кристалите на багрилото се филтруват във вакуум, промиват се с разтворител, в който е неразтворим, и се оставят да изсъхнат в часовникова чаша.

Температура на кристализация

Температурата, при която настъпва кристализацията, зависи от това колко неразтворим е разтворът в разтворител. По същия начин зависи от температурата на кипене на разтворителя, защото ако разтворът все още не се е разтворил при температурата на кипене, това е така, защото трябва да се използва друг по-подходящ разтворител.

Например, твърдите вещества, които могат да кристализират във водна среда, ще направят това, докато водата намали температурата си (тоест от 100 до 50 ° С) или докато се изпари. Ако кристализацията се случи чрез изпаряване, тогава се казва, че се извършва при стайна температура.

От друга страна, кристализацията на метали или на някои йонни твърди частици се извършва при много високи температури, тъй като точките им на топене са много високи, а разтопената течност е с нажежаема жичка, дори когато е достатъчно охладена, за да нуклеира частиците си и отглеждайте кристалите си.

Скорост на кристализация

По принцип има два директни начина за контрол на скоростта на кристализация на твърдо вещество: чрез степента на пренасищане (или пренасищане) или чрез резки промени в температурата.

Степен на пренасищане

Степента на пренасищане означава колко излишък от разтворител е принуден да се разтвори чрез прилагане на топлина. Следователно, колкото повече наситен е разтворът, толкова по-бърз е процесът на ядрене, тъй като има по-голяма вероятност да се образуват ядра.

Въпреки че кристализацията се ускорява по този начин, получените кристали ще бъдат по-малки в сравнение с получените с по-ниска степен на пренасищане; т. е. когато растежът им е благоприятен, а не ядрен.

Температурни промени

Ако температурата се понижи рязко, ядрата едва ли ще имат време да растат и не само това, но и ще запазят по-високи нива на примеси. Резултатът е, че въпреки че кристализацията става по-бързо от бавното охлаждане, качеството, размерът и чистотата на кристалите в крайна сметка са по-ниски.

Бърза кристализация поради внезапен спад на температурата. Източник: Габриел Боливар.

Изображението по-горе служи за контраст на първото. Жълтите точки представляват примесите, които поради рязкото израстване на ядрата се задържат вътре в тях.

Тези примеси затрудняват включването на повече лилави шестоъгълници, което води до много малки, нечисти кристали в крайна сметка, а не големи, чисти.

Приложения

Кристализацията на сладолед е един от най-важните аспекти по време на неговото промишлено или занаятчийско производство. Източник: Pixabay

Кристализацията, както и прекристализацията, са жизненоважни за получаването на висококачествени, чисти твърди вещества. За фармацевтичната индустрия това е особено вярно, тъй като техните продукти трябва да са максимално чисти, също като консервантите, използвани в хранителната промишленост.

Освен това, нанотехнологиите са силно зависими от този процес, така че да могат да синтезират наночастици или нанокристали, а не здрави кристални твърди частици.

Един от ежедневните примери, в който кристализацията има голямо участие е в производството на сладолед. Ако не внимавате с водата, тя кристализира в отделна фаза (лед) от съдържанието на липиди, като по този начин се отразява на нейната текстура и аромат; С други думи, тя ще бъде по-скоро като бръснат сладолед или сладолед.

Следователно ледените кристали трябва да са възможно най-малки, така че сладоледът да е гладък на вкус и на допир. Когато тези ледени кристали са малко големи, те могат да бъдат открити на светлина, защото придават на сладолед замръзнала повърхност.

Примери за кристализация

Накрая ще спомена някои общи примери за кристализация, както естествена, така и изкуствена:

снежинки

Снежинките се образуват чрез естествен процес на кристализация. Известно е, че всеки снежен кристал е уникален. Това се дължи на условията, които възникват по време на втората фаза на кристализация (растеж).

Различните геометрични форми, които присъстват снежните кристали, се дължат на условията, с които трябва да се сблъскат по време на растежа на кристалите.

Сол

Солта е най-често срещаният пример за кристализация. Това може да се образува както естествено (като морска сол), така и изкуствено (какъвто е случаят с трапезната сол).

захар

След солта захарта е един от най-разпространените кристали. Образува се чрез поредица от сложни промишлени процеси, при които се приема сок от захарна тръстика и се подлага на процес на изкуствена кристализация.

диамант

Диамантът е скъпоценен камък, който се образува от кристализацията на чист въглерод. Това е най-трудният материал, известен на планетата. Образуването му може да бъде естествено, както е при диамантите, намиращи се в находищата на рудни, или синтетични.

рубин

Руби е червеникав кристал, който се образува при кристализацията на алуминиев оксид (коридон).

сталагмити

Сталагмитите са структури, които могат да бъдат намерени в пещерите, по-специално в почвите (растящи насочени нагоре). Те са съставени от калциеви съединения и се образуват от кристализацията на калциеви соли, намиращи се във водата, която пада от таваните на пещерите.

Сталактити

Сталактитите, подобно на сталагмитите, са изградени от калций и се намират в пещерите. Те се различават от последните, защото висят от таваните. Те се образуват при кристализацията на калциевите соли, присъстващи във водата, която прониква в пещерите.

кварц

Кварцът е скъпоценен камък, който се образува от кристализацията на силициев анхидрид. Той е един от най-разпространените минерали в скалите и цветът му е променлив.

оливин

Наричан още оливин, този скъпоценен камък се образува благодарение на кристализацията на желязо и магнезий. Той е зеленикав на цвят и обикновено е с диамантена форма.

силикатите

Силикатите са материали, създадени чрез кристализация на силициев диоксид и други елементи (желязо, алуминий, калций, магнезий). Те присъстват във всички скали.

Candies

Бонбоните се правят със захарни кристали, така че може да се каже, че се намесват два процеса на кристализация: първият за образуването на захар и вторият за образуването на меласа.

Кремообразен сладолед

Кремообразният сладолед съдържа серия от кристали, които му придават окончателната гладка текстура. Сред кристалите, които съдържа кремообразният сладолед, се открояват липидните кристали (образувани от мазнини) и ледени кристали. Трябва да се отбележи, че някои сладоледи съдържат и кристали лактоза.

В този смисъл сладоледът се получава чрез различни процеси на изкуствена кристализация (един за липиди, един за лед и един за лактоза).

Други

-Подготовка на захарни кристали около конец или въже и свръхнаситен сладък разтвор

- Образуване на захарни кристали от мед, отложени на дъното на техните буркани

-Растежът на камъни в бъбреците, които се състоят от есенцията на кристалите на калциев оксалат

-Кристализацията на минерали, включително скъпоценни камъни и диаманти, през годините, чиито форми и ръбове са отражение на подредените им вътрешни структури

-Слагане на горещи метални пари върху студени пръти като опори за растежа на техните кристали.

Препратки

Day, R., & Underwood, A. (1989). Количествена аналитична химия. (пето изд.). PEARSON Prentice Hall.
Wikipedia. (2019). Кристализация. Възстановено от: en.wikipedia.org
Хелменстин, Ан Мари, доктор на науките (23 май 2019 г.). Определение за кристализация. Възстановено от: thinkco.com
Университета на Колорадо. (SF). Кристализация. Органична химия. Възстановена от: orgchemboulder.com
Syrris. (2019). Какво е кристализацията? Възстановено от: syrris.com

КРИСТАЛИЗАЦИЯ: ПРОЦЕС, ВИДОВЕ, ПРИМЕРИ, РАЗДЕЛЯНЕ - ХИМИЯ - 2024