KRYSTALIZACJA: PROCES, RODZAJE, PRZYKŁADY, SEPARACJA - CHEMIA - 2025

Krystalizacji jest proces fizyczny, w których naturalny lub sztuczny krystalicznego ciała stałego, tj uporządkowana struktura jest utworzona z medium ciekłego lub gazowego. Różni się od strącania tym, że ten ostatni rozwija się bez rygorystycznej kontroli parametrów procesu, a także tym, że może wytwarzać amorficzne i galaretowate ciała stałe.

Celem krystalizacji, jak sama nazwa wskazuje, jest wytwarzanie kryształów. Charakteryzują się one nie tylko uporządkowaniem, ale także czystością ciała stałego. Dlatego w syntezie związków stałych dąży się do uzyskania produktów o wysokiej czystości, kryształów możliwie najczystszych.

Krystalizacja hipotetycznej fioletowej substancji rozpuszczonej w roztworze wodnym. Źródło: Gabriel Bolívar.

Powyższy obraz przedstawia uogólnioną i hipotetyczną krystalizację fioletowej substancji rozpuszczonej w roztworze wodnym.

Zwróć uwagę, że czerwony pasek działa jak termometr. Gdy temperatura jest wysoka, roztwór zawiera rozpuszczoną substancję rozpuszczoną, która pozostaje rozpuszczalna w tych warunkach. Jednak wraz ze stopniowym spadkiem temperatury zaczynają pojawiać się pierwsze fioletowe kryształy.

W miarę jak temperatura nadal spada, kryształy będą rosły, tworząc solidne fioletowe sześciokąty. Zmiana koloru roztworu wskazuje, że substancja rozpuszczona przeszła od rozpuszczenia do włączenia do rosnących kryształów. Im wolniejsza krystalizacja, tym czystsza otrzymana krystaliczna substancja stała.

Podczas tego procesu należy wziąć pod uwagę inne zmienne: ile substancji rozpuszcza się w danym rozpuszczalniku, w jakiej temperaturze roztwór musi być podgrzewany, jak długo musi trwać chłodzenie, jak konieczne jest między innymi mieszanie dźwiękowe. aspekty.

Proces krystalizacji, więcej niż złożone zjawisko, które obejmuje dynamikę molekularną i termodynamiczną, jest sztuką, która wymaga ciągłego uczenia się, prób i błędów, dopóki nie zostanie udoskonalona w laboratorium lub w przemyśle.

Proces krystalizacji

Krystalizacja składa się zasadniczo z dwóch procesów: zarodkowania i wzrostu kryształów.

Obydwa etapy zachodzą zawsze podczas krystalizacji, ale gdy pierwszy zachodzi szybko, drugi nie będzie miał czasu na rozwój. W międzyczasie, jeśli zarodkowanie jest powolne, kryształy będą miały więcej czasu na wzrost, a zatem będą miały tendencję do powiększania się. Ta ostatnia jest sytuacją przedstawioną na obrazku z fioletowymi sześciokątami.

Zarodkowanie

Pierwotnie kryształy miały być ciałami stałymi o uporządkowanej strukturze. Z roztworu, w którym substancja rozpuszczona jest rozproszona w nieładzie, jej cząstki muszą zbliżyć się na tyle blisko, aby ich interakcje, czy to jonowe, czy typu Van der Wallsa, umożliwiały osadzenie pierwszej grupy cząstek substancji rozpuszczonej: klastra.

Ta gromada może rozpuszczać się i ponownie formować tyle razy, ile potrzeba, aż stanie się stabilna i krystaliczna. Mówi się, że pojawiło się pierwsze jądro. Jeśli jądro pojawi się znikąd, to znaczy z samej jednorodności ośrodka podczas jego stygnięcia, będzie to zarodkowanie jednorodne.

Z drugiej strony, jeśli to jądro zajdzie dzięki powierzchni, którą zapewnia inna nierozpuszczalna cząstka stała lub niedoskonałości pojemnika, to będziemy mieli niejednorodne zarodkowanie. Ten ostatni jest najpowszechniej stosowanym i znanym, zwłaszcza gdy do roztworu dodaje się maleńki kryształ z gatunku, który chcemy skrystalizować, otrzymany wcześniej.

Kryształy nie mogą nigdy powstać z powietrza bez zarodkowania.

Wzrost kryształów

W roztworze wciąż jest dużo rozpuszczonej substancji rozpuszczonej, ale stężenie substancji rozpuszczonej w tych jądrach jest wyższe niż w ich otoczeniu. Jądra działają jak podpory dla większej ilości rozpuszczonych cząstek, aby ulokować się i „dopasować” między ich rosnącymi strukturami. W ten sposób ich geometria zostaje zachowana i stopniowo rośnie.

Na przykład pierwsze jądra na obrazku to fioletowe sześciokąty; to jest twoja geometria. Gdy cząsteczki substancji rozpuszczonej są wbudowywane, jądra rosną w mocne sześciokątne kryształy, które będą dalej rosnąć, jeśli roztwór zostanie zanurzony w łaźni lodowej.

Rodzaje krystalizacji

To, co dotychczas wyjaśniono, polega na krystalizacji przez chłodzenie rozpuszczalnika.

Krystalizacja z usuwania rozpuszczalnika

Inne rodzaje krystalizacji polegają na usuwaniu rozpuszczalnika przez odparowanie, do którego nie jest konieczne użycie tak dużej objętości; to znaczy wystarczy go po prostu nasycić substancją rozpuszczoną i podgrzać, aby ją przesycić, a następnie trochę więcej, a następnie pozostawić w spoczynku, aby substancja rozpuszczona w końcu skrystalizowała.

Krystalizacja addycyjna z rozpuszczalnikiem

Podobnie mamy do czynienia z krystalizacją spowodowaną dodaniem rozpuszczalnika do mieszaniny, w której substancja rozpuszczona jest nierozpuszczalna (przeciwrozpuszczalnik). Dlatego korzystne będzie zarodkowanie, ponieważ istnieją ruchome i ciekłe obszary, w których cząstki substancji rozpuszczonej będą bardziej skoncentrowane niż w tych, w których jest ona bardzo rozpuszczalna.

Krystalizacja przez sonifikację

Z drugiej strony zachodzi krystalizacja przez sonifikację, w której ultradźwięki generują i rozbijają małe pęcherzyki, które ponownie sprzyjają zarodkowaniu, jednocześnie pomagając w bardziej równomiernym rozłożeniu rozmiarów kryształów.

I wreszcie następuje krystalizacja z osadzania się pary na zimnych powierzchniach; to znaczy zjawisko odwrotne do sublimacji ciał stałych.

Metoda separacji krystalizacyjnej

Krystalizacja jest niezbędną techniką podczas otrzymywania ciał stałych i ich oczyszczania. Jest bardzo powtarzalny w syntezie związków organicznych i stanowi jeden z ostatnich etapów gwarantujących czystość i jakość produktu.

Przykład barwnika

Załóżmy na przykład, że otrzymano kryształy barwnika i że zostały one już przefiltrowane. Ponieważ barwnik ten został początkowo otrzymany przez wytrącanie w syntezie, jego ciało stałe wygląda na amorficzne, ponieważ ma wiele zanieczyszczeń wchłoniętych i uwięzionych między kryształami molekularnymi.

Dlatego zdecydowano się podgrzać rozpuszczalnik, w którym barwnik jest słabo rozpuszczalny, aby po dodaniu rozpuszczał się stosunkowo łatwo. Po rozpuszczeniu, po dodaniu nieco więcej rozpuszczalnika, roztwór oddziela się od źródła ciepła i pozostawia do spoczynku. Gdy temperatura spada, zachodzi zarodkowanie.

W ten sposób kryształy barwnika będą się tworzyć i wydawać się bardziej zdefiniowane (niekoniecznie krystaliczne dla oka). W tym właśnie momencie pojemnik (zwykle kolba Erlenmeyera lub zlewka) zanurza się w łaźni lodowej. Chłód tej kąpieli sprzyja wzrostowi kryształów powyżej zarodkowania.

Kryształy barwnika są następnie filtrowane próżniowo, przemywane rozpuszczalnikiem, w którym jest nierozpuszczalny, i pozostawiane do wyschnięcia w szkiełku zegarkowym.

Temperatura krystalizacji

Temperatura, w której zachodzi krystalizacja, zależy od tego, jak nierozpuszczalna jest substancja rozpuszczona w rozpuszczalniku. Zależy to również od temperatury wrzenia rozpuszczalnika, ponieważ jeśli substancja rozpuszczona jeszcze nie rozpuściła się w temperaturze wrzenia, dzieje się tak, ponieważ należy użyć innego, bardziej odpowiedniego rozpuszczalnika.

Na przykład ciała stałe, które mogą krystalizować w środowisku wodnym, będą to robić, gdy woda obniży swoją temperaturę (to jest od 100 do 50 ° C) lub podczas parowania. Jeśli krystalizacja następuje przez odparowanie, to mówi się, że zachodzi w temperaturze pokojowej.

Z drugiej strony, krystalizacja metali lub niektórych jonowych ciał stałych zachodzi w bardzo wysokich temperaturach, ponieważ ich temperatury topnienia są bardzo wysokie, a stopiona ciecz żarzy się, nawet gdy jest wystarczająco schłodzona, aby zarodkować jej cząstki i wyhoduj swoje kryształy.

Szybkość krystalizacji

W zasadzie istnieją dwa bezpośrednie sposoby kontrolowania szybkości krystalizacji ciała stałego: poprzez stopień przesycenia (lub przesycenia) lub przez nagłe zmiany temperatury.

Stopień przesycenia

Stopień przesycenia oznacza, jak bardzo nadmiar substancji rozpuszczonej jest zmuszony do rozpuszczenia pod wpływem ciepła. Dlatego im bardziej przesycony roztwór, tym szybszy proces zarodkowania, ponieważ istnieje większe prawdopodobieństwo, że utworzą się jądra.

Chociaż krystalizacja jest w ten sposób przyspieszana, otrzymane kryształy będą mniejsze w porównaniu z kryształami otrzymanymi przy niższym stopniu przesycenia; to znaczy, kiedy faworyzuje się ich wzrost, a nie zarodkowanie.

Zmiany temperatury

Jeśli temperatura zostanie gwałtownie obniżona, jądra nie będą miały czasu na wzrost i nie tylko to, ale także zatrzymają wyższy poziom zanieczyszczeń. W rezultacie, chociaż krystalizacja zachodzi szybciej niż powolne chłodzenie, jakość, rozmiar i czystość kryształów są niższe.

Szybka krystalizacja w wyniku nagłego spadku temperatury. Źródło: Gabriel Bolívar.

Powyższy obraz służy kontrastowi do pierwszego. Żółte kropki przedstawiają zanieczyszczenia, które w wyniku gwałtownego wzrostu jąder są w nich uwięzione.

Zanieczyszczenia te utrudniają włączenie większej liczby fioletowych sześciokątów, co skutkuje powstaniem na końcu wielu małych, nieczystych kryształów, zamiast dużych, czystych.

Aplikacje

Krystalizacja lodów jest jednym z najważniejszych aspektów podczas ich produkcji przemysłowej lub rzemieślniczej. Źródło: Pixabay.

Krystalizacja, a także rekrystalizacja, są niezbędne do uzyskania wysokiej jakości czystych ciał stałych. W przypadku przemysłu farmaceutycznego jest to szczególnie ważne, ponieważ ich produkty muszą być jak najczystsze, podobnie jak konserwanty używane w przemyśle spożywczym.

Ponadto nanotechnologia jest w dużym stopniu zależna od tego procesu, dzięki czemu mogą syntetyzować raczej nanocząstki lub nanokryształy niż solidne krystaliczne ciała stałe.

Jednym z codziennych przykładów, w których krystalizacja ma duży udział, jest produkcja lodów. Jeśli nie jesteś ostrożny z wodą, krystalizuje ona w oddzielnej fazie (lodzie) z jej zawartości lipidów, wpływając w ten sposób na jej teksturę i smak; Innymi słowy, będzie bardziej przypominał ogolone lody lub lody.

Dlatego kryształki lodu powinny być jak najmniejsze, aby lody były gładkie w smaku i dotyku. Kiedy te kryształki lodu są trochę duże, można je wykryć w świetle, ponieważ nadają lodom matową powierzchnię.

Przykłady krystalizacji

Na koniec wspomnę o kilku typowych przykładach krystalizacji, zarówno naturalnej, jak i sztucznej:

Płatki śniegu

Płatki śniegu powstają w wyniku naturalnego procesu krystalizacji. Wiadomo, że każdy kryształ śniegu jest wyjątkowy. Wynika to z warunków, które występują podczas drugiej fazy krystalizacji (wzrostu).

Różne kształty geometryczne, które występują w kryształach śniegu, wynikają z warunków, z którymi muszą się zmierzyć podczas wzrostu kryształów.

Sól

Sól jest najczęstszym przykładem krystalizacji. Można to formować zarówno naturalnie (np. Sól morska), jak i sztucznie (jak w przypadku soli kuchennej).

Cukier

Po soli cukier jest jednym z najpowszechniejszych kryształów. Powstaje w wyniku szeregu złożonych procesów przemysłowych, w których sok z trzciny cukrowej jest pobierany i poddawany sztucznemu procesowi krystalizacji.

Diament

Diament to kamień szlachetny, który powstaje w wyniku krystalizacji czystego węgla. To najtwardszy materiał znany na naszej planecie. Jego powstanie może być naturalne, jak ma to miejsce w przypadku diamentów występujących w złożach górniczych lub syntetyczne.

Rubin

Rubin to czerwonawy kryształ, który powstaje w wyniku krystalizacji tlenku glinu (koridonu).

Stalagmity

Stalagmity to struktury, które można znaleźć w jaskiniach, szczególnie w glebach (rosnące skierowane ku górze). Składają się ze związków wapnia i powstają w wyniku krystalizacji soli wapnia znajdujących się w wodzie spadającej ze stropów jaskiń.

Stalaktyty

Stalaktyty, podobnie jak stalagmity, są zbudowane z wapnia i znajdują się w jaskiniach. Różnią się od tych drugich tym, że zwisają z sufitów. Powstają w wyniku krystalizacji soli wapnia obecnych w wodzie infiltrującej jaskinie.

Kwarc

Kwarc to klejnot, który powstaje w wyniku krystalizacji bezwodnika krzemowego. Jest to jeden z najliczniej występujących minerałów w skałach, a jego kolor jest zmienny.

Oliwin

Nazywany również oliwinem, ten kamień powstaje w wyniku krystalizacji żelaza i magnezu. Ma zielonkawy kolor i zwykle ma kształt rombu.

Krzemiany

Krzemiany to materiały powstałe w wyniku krystalizacji krzemionki i innych pierwiastków (żelazo, glin, wapń, magnez). Występują we wszystkich skałach.

Cukierki

Cukierki są wytwarzane z kryształków cukru, można więc powiedzieć, że zachodzą dwa procesy krystalizacji: pierwszy w celu utworzenia cukru, a drugi w celu utworzenia melasy.

Kremowe lody

Kremowe lody zawierają szereg kryształków, które nadają im ostateczną gładką konsystencję. Wśród kryształów, które zawierają kremowe lody, wyróżniają się kryształki lipidów (powstałe z tłuszczu) i kryształki lodu. Należy zauważyć, że niektóre lody zawierają również kryształki laktozy.

W tym sensie lody uzyskuje się poprzez różne sztuczne procesy krystalizacji (jeden dla lipidów, jeden dla lodu i jeden dla laktozy).

Inni

-Przygotowanie kryształków cukru wokół nici lub sznura i przesyconego słodkiego roztworu

- Tworzenie kryształków cukru z miodów osadzonych na dnie ich słoików

-Rozwój kamieni nerkowych, które składają się z esencji kryształów szczawianu wapnia

-Krystalizacja minerałów, w tym kamieni szlachetnych i diamentów, na przestrzeni lat, których kształty i krawędzie są odbiciem ich uporządkowanej struktury wewnętrznej

-Odkładanie oparów gorącego metalu na zimne pręty jako podpory dla wzrostu ich kryształów.

Bibliografia

1. Day, R., & Underwood, A. (1989). Ilościowa chemia analityczna. (wyd. piąte). Sala PEARSON Prentice.
2. Wikipedia. (2019). Krystalizacja. Odzyskane z: en.wikipedia.org
3. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (23 maja 2019). Definicja krystalizacji. Odzyskany z: thinkco.com
4. University of Colorado. (sf). Krystalizacja. Chemia organiczna. Odzyskany z: orgchemboulder.com
5. Syrris. (2019). Co to jest krystalizacja? Odzyskany z: syrris.com