KRISTALIZĀCIJA: PROCESS, VEIDI, PIEMĒRI, ATDALĪŠANA - ĶĪMIJA - 2025

Kristalizācija ir fizisks process, kurā dabiski vai mākslīgi kristāliska viela, ti lika struktūra ir veidota no šķidras vai gāzveida vielu. No nokrišņiem tas atšķiras ar to, ka pēdējais attīstās bez stingras procesa parametru kontroles, kā arī ar to, ka tas var radīt amorfas un želatīniskas cietas vielas.

Kristalizācijas mērķis, kā to skaidri un skaidri norāda nosaukums, ir radīt kristālus. Tos raksturo ne tikai sakārtotība, bet arī tīras cietvielas. Tāpēc cieto savienojumu sintēzē tiek mēģināts iegūt augstas tīrības pakāpes produktus, kristālus, kas ir pēc iespējas tīrāki.

Hipotētiskas purpursarkanas vielas kristalizācija ūdens šķīdumā. Avots: Gabriel Bolívar.

Attēlā parādīta vispārināta un hipotētiska purpursarkanas vielas kristalizācija ūdens šķīdumā.

Ņemiet vērā, ka sarkanā josla darbojas kā termometrs. Kad temperatūra ir augsta, šķīdums satur izšķīdušu šķīdumu, kas šajos apstākļos paliek šķīstošs. Tomēr, temperatūrai pakāpeniski pazeminoties, sāk parādīties pirmie purpursarkanie kristāli.

Temperatūrai turpinoties pazemināties, kristālu lielums pieaugs, veidojot robustus purpursarkanus sešstūrus. Šķīduma krāsas izmaiņas norāda, ka izšķīdinātā viela pāriet no izšķīšanas līdz iekļaušanai augošajos kristālos. Jo lēnāka kristalizācija, jo tīrāka ir kristāliskā cietā viela.

Ir arī citi mainīgie lielumi, kas jāņem vērā šajā procesā: cik daudz izšķīdušā viela ir izšķīdināts noteiktajā šķīdinātājā, kādā temperatūrā šķīdums jāuzsilda, cik ilgi dzesēšanai jāilgst, cik cita starpā ir nepieciešams ķerties pie skaņas uzbudināšanas vai ne. aspektiem.

Kristalizācijas process, kas nav sarežģīts fenomens, kas ietver molekulāro dinamiku un termodinamiku, ir māksla, kurai nepieciešama pastāvīga mācīšanās, izmēģinājumi un kļūdas, līdz tā tiek pilnveidota laboratorijā vai rūpniecībā.

Kristalizācijas process

Kristalizācija būtībā sastāv no diviem procesiem: kodolizēšanas un kristālu augšanas.

Abi posmi vienmēr notiek kristalizācijas laikā, bet, kad pirmais notiek ātri, otrajam diez vai būs laika attīstīties. Tikmēr, ja kodolveidošanās ir lēna, kristāliem būs vairāk laika augt, un tāpēc tie parasti būs lielāki. Pēdējā ir tāda situācija, kāda tiek pieņemta attēlā ar purpursarkaniem sešstūriem.

Kodols

Sākotnēji tika teikts, ka kristāli ir cietas vielas ar sakārtotu struktūru. No šķīduma, kurā izšķīdinātā viela ir izkliedēta traucējumos, tā daļiņām jābūt pietiekami tuvu, lai to mijiedarbība, neatkarīgi no tā, vai tās būtu jonu vai Van der Walls tipa, ļautu nokārtot pirmās šķīdušo daļiņu grupas: kopu.

Šis klasteris var izšķīst un atkārtoti veidoties tik reižu, cik nepieciešams, līdz tas ir stabils un kristālisks. Pēc tam tiek teikts, ka pirmais kodols ir parādījies. Ja kodols parādās no nekurienes, tas ir, no barotnes pašas viendabības tās atdzišanas laikā, tā būs viendabīga kodols.

No otras puses, ja minētais kodols notiek, pateicoties virsmai, ko nodrošina cita nešķīstoša cieta daļiņa, vai tvertnes nepilnībām, tad mums būs neviendabīga kodolieroču veidošanās. Pēdējais ir visplašāk izmantotais un pazīstamais, it īpaši, ja šķīdumam pievieno mazu, iepriekš iegūtu sugu kristālu, kuru mēs vēlamies izkristalizēt.

Kristāli nekad nevar veidoties no plāna gaisa, ja vispirms nav izveidojies kodols.

Kristāla augšana

Šķīdumā joprojām ir daudz izšķīduša viela, bet šajos kodolos izšķīdušās vielas koncentrācija ir augstāka nekā to apkārtnē. Kodoli darbojas kā atbalsts vairāk šķīstām daļiņām, lai tās varētu izdalīties un “iederēties” starp to augošajām struktūrām. Tādā veidā to ģeometrija tiek uzturēta un pakāpeniski aug.

Piemēram, attēla pirmie kodoli ir purpursarkani sešstūri; šī ir jūsu ģeometrija. Kad šķīstošās daļiņas ir iekļautas, kodoli izaug par izturīgiem sešstūra kristāliem, kas turpinās augt, ja šķīdums tiks iegremdēts ledus vannā.

Kristalizācijas veidi

Līdz šim izskaidrotais sastāv no kristalizācijas, atdzesējot šķīdinātāju.

Kristalizācija ar šķīdinātāju atdalīšanu

Citu kristalizācijas veidu pamatā ir šķīdinātāja atdalīšana iztvaicējot, kuriem nav nepieciešams izmantot tik daudz tilpuma; tas ir, pietiek tikai to piesātināt ar izšķīdušo vielu un sildīt, lai to piesātinātu, un pēc tam, vēl nedaudz, tad atstājiet to miera stāvoklī, lai izšķīdinātā viela beidzot izkristalizētos.

Kristāliska šķīdinātāja pievienošana

Tāpat mums ir kristalizācija, ko izraisa šķīdinātāja pievienošana maisījumam, kurā izšķīdinātā viela ir nešķīstoša (pretšķīdinoša). Tāpēc tiks atbalstīta kodolizēšana, jo ir mobilie un šķidrie reģioni, kur izšķīdušās daļiņas būs koncentrētākas nekā tajos, kur tas ir ļoti labi šķīstošs.

Kristalizācija ar ultraskaņu

No otras puses, notiek kristalizācija, izmantojot ultraskaņu, kur ultraskaņa rada un sadala mazus burbuļus, kas atkal veicina kodolveidošanos, vienlaikus palīdzot kristālu izmērus sadalīt vienmērīgāk.

Visbeidzot, notiek kristalizācija no tvaiku nogulsnēšanās uz aukstām virsmām; tas ir, apgriezta parādība cietu vielu sublimācijai.

Kristalizācijas atdalīšanas metode

Kristalizācija ir neaizstājams paņēmiens, lai iegūtu cietas vielas un tās attīrītu. Tas ir ļoti atkārtots organisko savienojumu sintēzē un ir viens no pēdējiem posmiem, kas garantē produkta tīrību un kvalitāti.

Krāsas piemērs

Pieņemsim, piemēram, ka tiek iegūti krāsvielas kristāli un tie jau ir filtrēti. Tā kā sākotnēji šo krāsvielu ieguva, nogulsnējot sintēzē, tā cietā viela izskatās amorfiska, jo tai ir daudz piemaisījumu, kas absorbēti un ieslodzīti starp molekulārajiem kristāliem.

Tāpēc tiek nolemts sildīt šķīdinātāju tur, kur krāsviela ir nedaudz šķīstoša, lai pēc pievienošanas tas salīdzinoši viegli izšķīst. Pēc nedaudz vairāk šķīdinātāja pievienošanas šķīdumu atdala no siltuma avota un atstāj atpūsties. Temperatūrai pazeminoties, notiek kodolveidošanās.

Tādējādi krāsas kristāli veidosies un parādīsies skaidrāk definēti (acij tie noteikti nav kristāliski). Tieši šajā brīdī trauku (parasti Erlenmeijera kolbu vai vārglāzi) iegremdē ledus vannā. Šīs vannas aukstums noved pie tā, ka kristāli aug virs kodola.

Pēc tam krāsvielas kristālus filtrē vakuumā, mazgā ar šķīdinātāju, kurā tā nešķīst, un atstāj nožūt pulksteņa stiklā.

Kristalizācijas temperatūra

Kristalizācijas temperatūra ir atkarīga no tā, cik izšķīdināta viela ir šķīdinātāja vidē. Tāpat tas ir atkarīgs no šķīdinātāja viršanas punkta, jo, ja izšķīdinātā viela vēl nav izšķīdusi viršanas temperatūrā, tas ir tāpēc, ka jāizmanto cits piemērotāks šķīdinātājs.

Piemēram, cietās vielas, kas var kristalizēties ūdens vidē, to izdarīs, ūdenim pazeminoties temperatūrai (tas ir, no 100 līdz 50 ºC), vai kamēr tas iztvaiko. Ja kristalizācija notiek iztvaicējot, tad tiek uzskatīts, ka tā notiek istabas temperatūrā.

No otras puses, metālu vai dažu jonu cietvielu kristalizācija notiek ļoti augstā temperatūrā, jo to kušanas punkti ir ļoti augsti un kausētais šķidrums ir kvēlspuldējošs pat tad, ja tas ir pietiekami atdzesēts, lai veidotu tā daļiņas un audzē savus kristālus.

Kristalizācijas ātrums

Principā ir divi tiešie veidi, kā kontrolēt cietās vielas kristalizācijas ātrumu: ar pārsātināšanas (vai pārsātināšanas) pakāpi vai pēkšņām temperatūras izmaiņām.

Piesātinātības pakāpe

Piesātinātības pakāpe nozīmē, cik daudz izšķīdušā viela ir spiesta izšķīst, pieliekot karstumu. Tāpēc, jo vairāk piesātināts šķīdums, jo ātrāks ir kodolieroču veidošanās process, jo ir lielāka varbūtība, ka kodoli veidosies.

Lai arī kristalizācija tiek paātrināta šādā veidā, iegūtie kristāli būs mazāki, salīdzinot ar tiem, kas iegūti ar zemāku pārsātināšanas pakāpi; tas ir, kad priekšroka tiek dota viņu augšanai, nevis kodolizācijai.

Temperatūras izmaiņas

Ja temperatūra tiek strauji pazemināta, kodoliem diez vai būs laiks augt, un tas ne tikai, bet arī saglabās augstāku piemaisījumu līmeni. Rezultāts ir tāds, ka, kaut arī kristalizācija notiek ātrāk nekā lēna dzesēšana, kristālu kvalitāte, izmērs un tīrība galu galā ir zemāka.

Strauja kristalizācija pēkšņas temperatūras pazemināšanās dēļ. Avots: Gabriel Bolívar.

Augšējais attēls kalpo kā pirmā kontrasts. Dzeltenie punkti attēlo piemaisījumus, kas pēkšņa kodola augšanas dēļ ir ieslodzīti tajos.

Šie piemaisījumi apgrūtina vairāk purpursarkanu sešstūru pievienošanu, kā rezultātā galu galā ir daudz mazu, netīru kristālu, nevis lieli, tīri.

Lietojumprogrammas

Saldējuma kristalizācija ir viens no vissvarīgākajiem aspektiem tā rūpnieciskās vai amatnieku ražošanas laikā. Avots: Pixabay.

Kristalizācija, kā arī pārkristalizācija ir būtiska, lai iegūtu augstas kvalitātes tīras cietās vielas. Farmaceitiskajā rūpniecībā tas jo īpaši attiecas uz to, ka to produktiem jābūt pēc iespējas tīriem, tāpat kā pārtikas rūpniecībā izmantotajiem konservantiem.

Turklāt nanotehnoloģijas ir ļoti atkarīgas no šī procesa, lai tās varētu sintezēt nanodaļiņas vai nanokristālus, nevis izturīgas kristāliskas cietās vielas.

Viens no ikdienas piemēriem, kurā liela nozīme ir kristalizācijai, ir saldējuma ražošana. Ja neesat piesardzīgs ar ūdeni, tas atsevišķā fāzē (ledus) izkristalizējas no tā lipīdu satura, tādējādi ietekmējot tā tekstūru un garšu; Citiem vārdiem sakot, tas vairāk atgādinās skūtu saldējumu vai saldējumu.

Tāpēc ledus kristāliem jābūt pēc iespējas mazākiem, lai saldējums būtu gluds pēc garšas un pieskāriena. Kad šie ledus kristāli ir mazliet lieli, tos var noteikt gaismā, jo tie saldējumam piešķir matētu virsmu.

Kristalizācijas piemēri

Visbeidzot, tiks minēti daži vispārīgi kristalizācijas piemēri - gan dabiski, gan mākslīgi:

Sniegpārslas

Sniegpārslas veidojas dabiskā kristalizācijas procesā. Ir zināms, ka katrs sniega kristāls ir unikāls. Tas ir saistīts ar apstākļiem, kas rodas otrajā kristalizācijas (augšanas) fāzē.

Sniega kristālu dažādās ģeometriskās formas ir saistītas ar apstākļiem, kādiem tiem jāsaskaras kristālu augšanas laikā.

Sāls

Sāls ir visizplatītākais kristalizācijas piemērs. To var veidot gan dabiski (piemēram, jūras sāls), gan mākslīgi (kā tas ir galda sāls gadījumā).

Cukurs

Pēc sāls cukurs ir viens no visbiežāk sastopamajiem kristāliem. To veido virkne sarežģītu rūpniecisku procesu, kuros tiek ņemta cukurniedru sula un pakļauta mākslīgai kristalizācijas procesam.

Dimants

Dimants ir dārgakmens, kas veidojas no tīra oglekļa kristalizācijas. Šis ir vissmagākais uz planētas zināmais materiāls. Tā veidošanās var būt dabiska, tāpat kā dimanti, kas atrodami ieguves atradnēs, vai sintētiski.

Rubīns

Rubīns ir sarkanīgs kristāls, kas veidojas no alumīnija oksīda (koridona) kristalizācijas.

Stalagmīti

Stalagmīti ir struktūras, kuras var atrast alās, it īpaši augsnēs (aug uz augšu). Tie sastāv no kalcija savienojumiem un veidojas, kristalizējoties kalcija sāļiem, kas atrodami ūdenī, kas nokrīt no alu griestiem.

Stalaktīti

Stalaktīti, tāpat kā stalagmīti, ir izgatavoti no kalcija un atrodas alās. Viņi atšķiras no pēdējiem, jo ​​tie karājas no griestiem. Tos veido kristalizējot kalcija sāļus, kas atrodas ūdenī, kas iefiltrējas alās.

Kvarcs

Kvarcs ir dārgakmens, kas veidojas no silīcija anhidrīda kristalizācijas. Tas ir viens no visbagātākajiem minerāliem klintīs, un tā krāsa ir mainīga.

Peridots

Šis dārgakmens, ko sauc arī par olivīnu, veidojas, pateicoties dzelzs un magnija kristalizācijai. Tā ir zaļganā krāsā un parasti ir rombveida.

Silikāti

Silikāti ir materiāli, kas izveidoti, kristalizējot silīcija dioksīdu un citus elementus (dzelzi, alumīniju, kalciju, magniju). Viņi ir sastopami visās klintīs.

Konfektes

Konfektes tiek izgatavotas ar cukura kristāliem, tāpēc var teikt, ka ir iesaistīti divi kristalizācijas procesi: pirmais - cukura veidošanai un otrais - melases veidošanai.

Krēmveida saldējums

Krēmveida saldējums satur virkni kristālu, kas tam piešķir galīgo gludo tekstūru. Starp kristāliem, ko satur krēmveida saldējums, izceļas lipīdu kristāli (veidojas no taukiem) un ledus kristāli. Jāatzīmē, ka daži saldējumi satur arī laktozes kristālus.

Šajā ziņā saldējumu iegūst dažādos mākslīgās kristalizācijas procesos (viens lipīdiem, otrs ledus un otrs laktozei).

Citi

-Cukura kristālu sagatavošana ap diegu vai virvi un pārsātināts saldais šķīdums

-Cukura kristālu veidošanās no mediem, kas nogulsnēti to burku apakšā

-Nieru akmeņu augšana, kas sastāv no kalcija oksalāta kristālu būtības

- Minerālu, ieskaitot dārgakmeņus un dimantus, kristalizācija gadu gaitā, kuru formas un malas atspoguļo to sakārtoto iekšējo struktūru

-Karstu metāla tvaiku izkliedēšana uz aukstiem stieņiem kā balstu to kristālu augšanai.

Atsauces

1. Day, R., & Underwood, A. (1989). Kvantitatīvā analītiskā ķīmija. (piektais izd.). PEARSON Prentice zāle.
2. Wikipedia. (2019. gads). Kristalizācija. Atgūts no: en.wikipedia.org
3. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (2019. gada 23. maijs). Kristalizācijas definīcija. Atgūts no: domaco.com
4. Kolorādo universitāte. (sf). Kristalizācija. Organiskā ķīmija. Atgūts no: orgchemboulder.com
5. Sīriss. (2019. gads). Kas ir kristalizācija? Atgūts no: syrris.com