КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ: ПРОЦЕСС, ВИДЫ, ПРИМЕРЫ, РАЗДЕЛЕНИЕ - ХИМИЯ - 2025

Кристаллизации представляют собой физический процесс , в котором естественный пути или искусственно кристаллическое твердое вещество, т.е. упорядоченная структура образована из жидкой или газообразной среды. Он отличается от осаждения тем, что последний развивается без строгого контроля параметров процесса, а также тем, что он может давать аморфные и гелеобразные твердые вещества.

Целью кристаллизации, как ясно и ясно указывает ее название, является получение кристаллов. Они не только упорядочены, но и являются чистыми твердыми телами. Поэтому при синтезе твердых соединений стремятся получить продукты высокой чистоты, кристаллы, которые являются как можно более чистыми.

Кристаллизация гипотетического растворенного вещества фиолетового цвета в водном растворе. Источник: Габриэль Боливар.

На изображении выше показана обобщенная и гипотетическая кристаллизация пурпурного растворенного вещества в водном растворе.

Обратите внимание, что красная полоса действует как термометр. При высокой температуре раствор содержит растворенное вещество, которое остается растворимым в этих условиях. Однако по мере того, как температура постепенно понижается, начинают появляться первые фиолетовые кристаллы.

По мере того, как температура продолжает снижаться, кристаллы будут увеличиваться в размерах, образуя крепкие фиолетовые шестиугольники. Изменение цвета раствора указывает на то, что растворенное вещество перешло от растворения к включению в растущие кристаллы. Чем медленнее кристаллизация, тем чище получается кристаллическое твердое вещество.

Во время этого процесса необходимо учитывать и другие переменные: сколько растворенного вещества растворено в определенном растворителе, при какой температуре раствор должен быть нагрет, как долго должно длиться охлаждение, насколько необходимо прибегать или не прибегать к звуковому перемешиванию, среди прочего. аспекты.

Процесс кристаллизации - это не просто сложное явление, включающее молекулярную и термодинамическую динамику, это искусство, требующее постоянного обучения, проб и ошибок, пока оно не будет доведено до совершенства в лаборатории или в промышленности.

Процесс кристаллизации

Кристаллизация по существу состоит из двух процессов: зародышеобразования и роста кристаллов.

Обе стадии всегда происходят при кристаллизации, но когда первая происходит быстро, вторая вряд ли успеет развиться. Между тем, если зародышеобразование происходит медленно, у кристаллов будет больше времени для роста, и, следовательно, они будут иметь тенденцию к увеличению. Последняя ситуация предполагается на изображении с фиолетовыми шестиугольниками.

Зарождение

Первоначально кристаллы считались твердыми телами с упорядоченной структурой. Из раствора, в котором растворенное вещество диспергировано в беспорядке, его частицы должны подойти достаточно близко, чтобы их взаимодействия, будь то ионные или типа Ван-дер-Уоллса, позволили осесть первой группе частиц растворенного вещества: кластеру.

Этот кластер может растворяться и преобразовываться столько раз, сколько необходимо, пока он не станет стабильным и кристаллическим. Затем говорят, что появилось первое ядро. Если зародыш появляется из ниоткуда, то есть из-за самой однородности среды при ее охлаждении, это будет гомогенное зарождение.

С другой стороны, если упомянутое ядро ​​происходит благодаря поверхности, обеспечиваемой другой нерастворимой твердой частицей, или из-за несовершенства контейнера, то мы будем иметь гетерогенное зародышеобразование. Последний является наиболее широко используемым и известным, особенно когда к раствору добавляют крошечный кристалл, ранее полученный, того вида, который мы хотим кристаллизовать.

Кристаллы никогда не могут образоваться из воздуха без предварительного зарождения.

Рост кристаллов

В растворе еще много растворенного вещества, но концентрация растворенного вещества в этих ядрах выше, чем в их окружении. Ядра действуют как опоры для большего количества частиц растворенного вещества, которые помещаются и «помещаются» между своими растущими структурами. Таким образом, их геометрия сохраняется и постепенно увеличивается.

Например, первые ядра на изображении - фиолетовые шестиугольники; это ваша геометрия. По мере включения частиц растворенного вещества ядра превращаются в прочные гексагональные кристаллы, которые будут продолжать расти дальше, если раствор погрузить в ледяную баню.

Типы кристаллизации

То, что было объяснено до сих пор, состоит из кристаллизации путем охлаждения растворителя.

Кристаллизация для удаления растворителя

Другие виды кристаллизации основаны на удалении растворителя испарением, для чего нет необходимости использовать его такой большой объем; то есть, достаточно просто насытить его растворенным веществом и нагреть до перенасыщения, а затем еще немного, а затем оставить его в покое, чтобы растворенное вещество окончательно кристаллизовалось.

Кристаллизация с добавлением растворителя

Точно так же у нас есть кристаллизация, вызванная добавлением растворителя к смеси, в которой растворенное вещество нерастворимо (антирастворитель). Следовательно, зародышеобразование будет благоприятным, поскольку есть подвижные и жидкие области, где частицы растворенного вещества будут более концентрированными, чем в тех, где они хорошо растворимы.

Кристаллизация ультразвуком

С другой стороны, есть кристаллизация с помощью обработки ультразвуком, когда ультразвук генерирует и разбивает маленькие пузырьки, которые снова способствуют зародышеобразованию, в то же время помогая более равномерно распределять размеры кристаллов.

И, наконец, кристаллизация из-за осаждения паров на холодных поверхностях; то есть явление, обратное сублимации твердых тел.

Метод разделения кристаллизации

Кристаллизация - незаменимый метод получения твердых веществ и их очистки. Он очень часто встречается в синтезе органических соединений и представляет собой одну из последних стадий, гарантирующих чистоту и качество продукта.

Пример красителя

Предположим, например, что кристаллы красителя получены и они уже отфильтрованы. Поскольку этот краситель был первоначально получен осаждением в процессе синтеза, его твердое вещество выглядит аморфным, поскольку в нем много примесей, поглощенных и захваченных между его молекулярными кристаллами.

Поэтому решено нагревать растворитель, в котором краситель слабо растворим, чтобы при добавлении он растворялся относительно легко. После растворения после добавления еще немного растворителя раствор отделяют от источника тепла и оставляют для отдыха. При понижении температуры происходит зародышеобразование.

Таким образом, кристаллы красителя будут формироваться и выглядеть более четко очерченными (не обязательно кристаллическими для глаза). Именно в этот момент контейнер (обычно колба Эрленмейера или химический стакан) погружается в ледяную баню. Холод этой ванны способствует росту кристаллов над зародышем.

Затем кристаллы красителя фильтруют под вакуумом, промывают растворителем, в котором он не растворим, и оставляют сушиться в часовом стекле.

Температура кристаллизации

Температура, при которой происходит кристаллизация, зависит от того, насколько растворенное вещество нерастворимо в среде растворителя. Точно так же это зависит от точки кипения растворителя, потому что, если растворенное вещество еще не растворилось при температуре кипения, это связано с тем, что необходимо использовать другой более подходящий растворитель.

Например, твердые вещества, которые могут кристаллизоваться в водной среде, будут кристаллизоваться при понижении температуры воды (то есть со 100 до 50 ºC) или при испарении. Если кристаллизация происходит путем испарения, то говорят, что она происходит при комнатной температуре.

С другой стороны, кристаллизация металлов или некоторых ионных твердых веществ происходит при очень высоких температурах, так как их точки плавления очень высоки, а расплавленная жидкость раскалена, даже когда она охлаждается достаточно, чтобы зародить ее частицы и выращивать кристаллы.

Скорость кристаллизации

В принципе, есть два прямых способа управления скоростью кристаллизации твердого вещества: степенью перенасыщения (или перенасыщения) или резкими изменениями температуры.

Степень пересыщения

Степень перенасыщения означает, сколько избыточного растворенного вещества принудительно растворяется под действием тепла. Следовательно, чем более перенасыщен раствор, тем быстрее происходит процесс зародышеобразования, поскольку существует большая вероятность образования зародышей.

Хотя кристаллизация ускоряется таким образом, полученные кристаллы будут меньше по сравнению с кристаллами, полученными при более низкой степени перенасыщения; то есть когда благоприятствует их росту, а не зарождению.

Изменения температуры

Если резко снизить температуру, зародыши вряд ли успеют вырасти, и не только это, но они также будут сохранять более высокие уровни примесей. В результате, хотя кристаллизация происходит быстрее, чем при медленном охлаждении, качество, размер и чистота кристаллов оказываются ниже.

Быстрая кристаллизация из-за резкого падения температуры. Источник: Габриэль Боливар.

Изображение выше служит для контраста с первым. Желтые точки представляют собой примеси, которые из-за резкого роста ядер удерживаются внутри них.

Эти примеси затрудняют включение большего количества пурпурных шестиугольников, что в конечном итоге приводит к образованию множества мелких нечистых кристаллов, а не больших чистых.

Приложения

Кристаллизация мороженого - один из наиболее важных аспектов его промышленного или кустарного производства. Источник: Pixabay.

Кристаллизация, как и перекристаллизация, жизненно важны для получения высококачественных чистых твердых веществ. Для фармацевтической промышленности это особенно актуально, потому что их продукты должны быть максимально чистыми, как и консерванты, используемые в пищевой промышленности.

Кроме того, нанотехнологии сильно зависят от этого процесса, поэтому они могут синтезировать наночастицы или нанокристаллы, а не твердые твердые кристаллы.

Один из повседневных примеров, в котором кристаллизация играет важную роль, - это производство мороженого. Если вы не будете осторожны с водой, она кристаллизуется в отдельной фазе (лед) от содержания липидов, что влияет на ее текстуру и вкус; Другими словами, это будет больше похоже на бритое мороженое или мороженое.

Поэтому кристаллы льда должны быть как можно меньше, чтобы мороженое было гладким на вкус и на ощупь. Когда эти кристаллы льда немного больше, их можно обнаружить на свету, потому что они придают мороженому матовую поверхность.

Примеры кристаллизации

Наконец, будут упомянуты некоторые распространенные примеры кристаллизации, как естественной, так и искусственной:

Снежинки

Снежинки образуются в результате естественного процесса кристаллизации. Известно, что каждый снежный кристалл уникален. Это связано с условиями, которые возникают во время второй фазы кристаллизации (роста).

Различные геометрические формы кристаллов снега обусловлены условиями, с которыми они должны сталкиваться во время роста кристаллов.

Поваренная соль

Соль - самый распространенный пример кристаллизации. Он может быть образован как естественным образом (например, морская соль), так и искусственно (как в случае с поваренной солью).

сахар

После соли сахар - один из самых распространенных кристаллов. Он образуется в результате ряда сложных промышленных процессов, в которых сок сахарного тростника берут и подвергают искусственной кристаллизации.

ромб

Алмаз - это драгоценный камень, который образуется в результате кристаллизации чистого углерода. Это самый твердый материал на планете. Его образование может быть естественным, как в случае с алмазами, найденными в горных месторождениях, или синтетическим.

Рубин

Рубин - красноватый кристалл, который образуется в результате кристаллизации оксида алюминия (коридона).

Сталагмиты

Сталагмиты - это структуры, которые можно найти в пещерах, особенно в почвах (растущие заостренными вверх). Они состоят из соединений кальция и образуются в результате кристаллизации солей кальция, содержащихся в воде, которая падает с потолков пещер.

Сталактиты

Сталактиты, как и сталагмиты, состоят из кальция и находятся в пещерах. Они отличаются от последних тем, что свисают с потолка. Они образуются при кристаллизации солей кальция, присутствующих в воде, которая проникает в пещеры.

кварцевый

Кварц - это драгоценный камень, который образуется в результате кристаллизации кремниевого ангидрида. Это один из самых распространенных минералов в горных породах, и его цвет варьируется.

Перидот

Этот драгоценный камень, также называемый оливином, образуется благодаря кристаллизации железа и магния. Он зеленоватого цвета и обычно имеет ромбовидную форму.

Силикаты

Силикаты - это материалы, созданные в результате кристаллизации кремнезема и других элементов (железа, алюминия, кальция, магния). Они присутствуют во всех породах.

Леденцы

Конфеты сделаны из кристаллов сахара, поэтому можно сказать, что вмешиваются два процесса кристаллизации: первый - для образования сахара, а второй - для образования патоки.

Сливочное мороженое

Сливочное мороженое содержит серию кристаллов, которые придают ему окончательную гладкую текстуру. Среди кристаллов, содержащихся в сливочном мороженом, выделяются кристаллы липидов (образованные из жира) и кристаллы льда. Следует отметить, что некоторые виды мороженого также содержат кристаллы лактозы.

В этом смысле мороженое получают с помощью различных процессов искусственной кристаллизации (один для липидов, один для льда и один для лактозы).

другие

-Приготовление кристаллов сахара вокруг нитки или веревки и перенасыщенного сладкого раствора

-Формирование кристаллов сахара из меда на дне их банок

- Рост камней в почках, состоящих из кристаллов оксалата кальция.

-Кристаллизация минералов, в том числе драгоценных камней и алмазов, на протяжении многих лет, формы и края которых являются отражением их упорядоченной внутренней структуры

-Осаждение паров горячего металла на холодных стержнях в качестве опоры для роста их кристаллов.

Ссылки

1. Дэй Р. и Андервуд А. (1989). Количественная аналитическая химия. (пятое изд.). ПИРСОН Прентис Холл.
2. Wikipedia. (2019). Кристаллизация. Получено с: en.wikipedia.org
3. Хельменстин, Энн Мари, доктор философии. (23 мая 2019 г.). Определение кристаллизации. Получено с: thinkco.com
4. Университет Колорадо. (SF). Кристаллизация. Органическая химия. Получено с: orgchemboulder.com
5. Syrris. (2019). Что такое кристаллизация? Получено с: syrris.com