Кристаллизация это естественный процесс, который происходит, когда материалы затвердевают из жидкости или выпадают в осадок из жидкости или газа.
Этот процесс может быть осуществлен путем физического изменения, такого как изменение температуры, или химического изменения, такого как кислотность.
Процесс кристаллизации осуществляется на основе размера и формы участвующих молекул, а также их химических свойств.
Кристаллы могут быть сделаны из 1 вида атомов, различных видов ионов или даже огромных молекул, таких как белки.
Некоторым большим молекулам трудно пройти процесс кристаллизации, поскольку их внутренняя химия не симметрична или взаимодействует сама с собой, чтобы избежать кристаллизации.
Что такое кристаллизация
Элементарная ячейка известна как наименьшая единица кристалла. Это базовая форма атомов или молекул, к которой может быть присоединено больше единиц.
Это можно приставить как детские строительные блоки, к которому можно присоединять другие блоки.
Кристаллизация происходит так, как будто блоки прикрепляются во всех направлениях.
Некоторые материалы образуют кристаллы различной формы, что приводит к большим различиям в форме, размере и цвете различных кристаллов.
Например рост кристалла льда.
Виды кристаллизации
Существует три типа кристаллизации, и эти типы основаны на методах образования кристаллов. К этим типам относятся следующие:
1. Испарительная кристаллизация: При этом типе кристаллизации кристаллы образуются путем нагревания раствора, который содержит растворитель и растворимый компонент.
Это один из наиболее часто используемых методов, который используется для образования кристаллов из неорганических солей, сахарозы и т.д.
2. Охлаждающая кристаллизация: При этом типе кристаллизации жидкость, которая должна быть кристаллизована, охлаждается до такой температуры, которая ниже равновесной растворимости.
Обычно при повышении температуры растворимость жидкости также увеличивается.
Таким образом, когда его охлаждают до температуры, которая ниже равновесной растворимости, он образует кристаллы.
3. Реактивная кристаллизация или осаждение: при этом типе кристаллизации кристаллы образуются из растворенного вещества, которое образуется при взаимодействии его реагентов.
Этот процесс кристаллизации происходит быстрее, чем любой другой тип кристаллизации, поскольку процесс реакции протекает быстро.
Испарительная кристаллизация
В процессе испарительной кристаллизации кристаллизация извлекается из испарения растворителя. В результате этого процесса образуется пар и суспензия основной жидкости.
Основная жидкость по-прежнему будет содержать равновесную концентрацию продукта. Остаточное количество продукта может быть собрано путем рециркуляции основной жидкости.
Рециркуляция основной жидкости может быть затруднена примесями. В какой-то момент времени концентрация примесей станет настолько высокой, что они могут повлиять на кристаллизацию или чистоту продукта.
В этом случае основной поток жидкости больше не может быть рециркулирован, а оставшаяся жидкость должна быть удалена с помощью стравливающего или продувочного потока.
Охлаждающая кристаллизация
Кристаллизация хороша, когда растворимость продукта значительно возрастает с повышением температуры.
В таких случаях охлаждающая кристаллизация, как правило, более энергоэффективна, чем испарительная кристаллизация
В процессе охлаждающей кристаллизации продукт охлаждается в теплообменнике, который может быть расположен внутри кристаллизатора или во внешнем контуре.
Стенка кристаллизатора может использоваться в качестве внутреннего теплообменника, но теплообменник также может быть встроен в кристаллизатор в виде охлаждающих трубок или пластин.
Кристаллизация может быть продолжена, когда жидкость охлаждается до температуры ниже равновесной растворимости.
Самая низкая температура в системе находится в нижней части теплообменника, что приведет к образованию корки.
В основном меры по предотвращению этого нежелательного явления заключаются в снижении разницы температур между хладагентом и кристаллизующимся раствором.
Для увеличении скорости жидкости вдоль дна теплообменника для выравнивания разницы температур по длине теплообменника или в использовании скребка для удержания дна теплообменника. не содержит твердых частиц.
Другим способом охлаждения, не требующим теплообменника, являются методы мгновенного охлаждения, которые включают испарение растворителя или прямое охлаждение путем введения холодного газа или хладагента.
Кристаллизацию расплава охлаждением
Кристаллизацию расплава можно назвать особой формой процесса охлаждения кристаллизации.
Важным отличием охлаждающей кристаллизации от кристаллизации в растворе является отсутствие растворителей, что показывает, что большинство процессов кристаллизации в расплаве протекают близко к температуре плавления исходного продукта.
Продуктом процесса кристаллизации расплава является нечистый расплав.
Охлаждение этого расплава ниже равновесной температуры в основном приведет к образованию твердой фазы, которая является более чистой, чем продукт, в то время как примеси предпочли бы находиться в загрязненной жидкости.
Образование кристаллов
Начальным этапом процесса кристаллизации является образование зародышей. 1-й атом в массе, образующий кристаллическую структуру, становится центром, и все больше атомов собирается вокруг ядра.
По мере того, как происходит этот процесс, вокруг ядра собирается все больше элементарных клеток, и образуется небольшой затравочный кристалл.
При кристаллизации процесс образования зародышей очень важен, так как ядро кристалла будет определять структуру всего кристалла.
Несовершенства в ядре и затравочном кристалле могут привести к экстремальным перестройкам по мере того, как кристалл продолжает формироваться.
Зародышеобразование происходит в переохлажденной жидкости или пересыщенном растворителе.
Переохлажденная жидкость
Переохлажденная жидкость это жидкость, которая находится на грани превращения в твердое вещество.
Для превращения жидкости в твердое вещество необходимо создать начальное ядро. Вокруг этого ядра процесс кристаллизации будет продолжаться.
В охлаждающей жидкости ядро образуется, когда у атомов или молекул больше нет кинетической энергии, чтобы отскакивать друг от друга.
Вместо этого они начинают взаимодействовать друг с другом и образуют стабильные кристаллические структуры.
Чистые элементы в основном образуют кристаллическую структуру, в то время как более крупные молекулы может быть трудно кристаллизовать при нормальной температуре и давлении.
В пересыщенном растворе растворитель, который несет желаемый кристалл, находится на максимальном уровне хранения.
По мере снижения температуры или изменения кислотности изменяется растворимость атомов или молекул в растворах, и растворитель может переносить их меньше.
Таким образом, они выпадают из раствора, сталкиваясь друг с другом. Это также вызывает образование зародышей и последующую кристаллизацию.
Процесс кристаллизации
Возможно, вы видели вокруг себя множество форм кристаллов, но задумывались ли вы когда-нибудь, что это за кристаллы и как они образуются?
Кристаллизация это процесс образования твердого вещества, в котором атомы и молекулы структурированы таким образом, что они высокоорганизованны.
Структура, в которой они структурированы, называется кристаллом.
Существует много способов, с помощью которых могут быть сформированы кристаллы, например, эти кристаллы могут быть получены путем осаждения из раствора, замораживания, а иногда и его осаждения непосредственно из газа.
Этот процесс кристаллизации зависит от многих факторов, включая температуру, давление, время испарения жидкости и т.д.
Процесс кристаллизации может происходить в два этапа:
На первом этапе кристаллизации из переохлажденной жидкости или пересыщенного растворителя образуется кристаллическая фаза, и эта стадия называется зародышеобразованием.
На втором этапе кристаллизации мы видим рост кристалла, то есть размер частиц кристалла увеличивается, и этот этап называется кристаллическим состоянием.
Кристаллизация может помочь в разделении химической твердой жидкости.
Рост кристаллов
Когда молекулы и атомы окружают ядро, они выпадают из уже установленной симметрии, добавляя к затравочному кристаллу.
Этот процесс может происходить очень быстро или в очень медленном темпе, в зависимости от условий, может кристаллизоваться в лед за пару минут, в то время как для образования “типичных” геологических кристаллов, таких как кварц и алмазы, требуется много времени.
Простое образование, созданное вокруг ядра, определяет завершение кристаллической структуры.
Эта информация о различиях отвечает за различия в кристаллах, от уникальности снежинки до чистоты бриллианта.
Существует очень мало геометрических форм, которые могут принимать кристаллы. Они определяются связями и взаимодействиями используемых молекул.
Различные формы получаются из-за различных углов связи атомов, основанных на исходном ядре. Примесь в растворе или материале приведет к отклонению от типичного рисунка.
Например снежинка, даже небольшая примесь в ядре может привести к совершенно новому и уникальному дизайну.
Использование кристаллизации
Кристаллизация обычно используется в лабораториях. Она может быть использована для очистки веществ и может быть объединен с передовыми методами визуализации, чтобы понять природу кристаллизованных веществ.
При лабораторной кристаллизации вещество может быть смешано с соответствующим растворителем.
Нагревание и изменение кислотности могут способствовать полному растворению материала.
Когда эти условия изменяются, материалы в растворе выпадают в осадок с разной скоростью. При правильном использовании условий можно получить чистые кристаллы желаемых веществ.
Кристаллография
Кристаллография это передовой метод визуализации. (у этого названия есть другое определение).
В этом методе высокоэнергетические пучки или рентгеновские лучи и частицы могут проходить через кристаллическую структуру чистого вещества.
Хотя при этом не образуется видимого изображения, лучи и частицы дифрагируют определенным образом.
Эти узоры можно увидеть с помощью специальной проявляющей бумаги или электронных детекторов.
Паттерны могут быть проанализированы с помощью математики и компьютеров, и может быть сформирована структура кристалла.
Дифракционные картины получаются, когда частицы или пучки перенаправляются плотными электронными облаками в кристаллической структуре.
Эти плотные области представляют собой атомы и связи в кристалле, образовавшиеся в процессе кристаллизации.
Используя именно этот метод, ученые могут распознать практически любое вещество на основе его кристаллической формы.
Примеры кристаллизации
Человеческая временная шкала
Образование кристаллов занимает много времени, или они могут образовываться быстро.
Ученые смогли изучить кристаллизацию, потому что в природе существует множество явлений, при которых кристаллизация происходит быстро.
Как мы обсуждали ранее, лед и снежинки являются прекрасным примером кристаллизации воды.
Другой пример — кристаллизация меда.
Когда пчелы выбрасывают мед в соты, он находится в жидкой форме. С течением времени молекулы сахара в меде начинают образовывать кристаллы в процессе кристаллизации, описанном ранее.
Когда вы заглянете внутрь старой бутылки с медом, вы заметите, что в жидкости образовались маленькие кристаллики сахара.
Геологическая временная шкала
Несмотря на то, что процесс похож, времени, необходимого для формирования таких материалов, как кварц, рубин и гранит, очень много.
Эти кристаллы образуются при чрезвычайно высоких давлениях в земной коре и магме Земли.
Хотя процесс кристаллизации один и тот же, требуется очень много времени, чтобы условия объединились правильным образом для кристаллизации
В лаборатории можно выращивать семена кристаллов, которые могут быть использованы для производства большего количества кристаллов одновременно.
Часто задаваемые вопросы по кристаллизации?
Каковы различные виды применения кристаллизации?
Существует три основных типа кристаллизации, и все эти типы основаны на различных процессах получения кристалла.
Первый тип — испарительная кристаллизация, и это наиболее распространенный тип кристаллизации.
Второй тип кристаллизации — охлаждающая кристаллизация.
Третий — осаждение или реактивная кристаллизация.
Среди всех трех типов кристаллизации реактивная кристаллизация является самым быстрым процессом.
Каковы некоторые виды применения и примеры кристаллизации?
Существует множество применений кристаллизации, таких как очистка морской воды, очистка кристаллов квасцов.
Разделение и очистка сокристаллов, чистые АФИ (активная фармацевтическая промышленность), разделение хиральных изомеров.
Примеры кристаллизации включают образование кубиков льда и снега из воды, кристаллизацию меда при помещении в банку и воздействии подходящих условий.
Образование сталагмитов и сталактитов (особенно в пещерах), отложение кристаллов драгоценных камней.
Как образуются кристаллы?
Кристаллы образуются, когда жидкость охлаждается, и ее составляющие начинают организовываться таким образом, что они стабилизируются.
Затем эта жидкость начинает затвердевать и в конце концов превращается в кристалл.
Например, когда вода охлаждается до температуры ниже равновесной растворимости, молекулы, присутствующие в воде, начинают стабилизироваться, когда вода затвердевает и образует либо лед, либо снег.
Есть много и других примеров кристаллов.
Как отделить частицы с помощью кристаллизации?
Чтобы понять процесс разделения частиц с помощью кристаллизации, следует выбрать подходящий растворитель и растворенное вещество, которое можно в нем растворить.
Вы должны нагреть жидкость (растворитель) и продолжать добавлять растворенное вещество до тех пор, пока вы больше не сможете добавлять в него растворенное вещество.
Затем вы должны отфильтровать растворенное вещество от растворителя с помощью фильтровальной бумаги.
Соберите фильтрат в миску и охладите его, чтобы получить кристаллы этого растворенного вещества.
Статья на тему кристаллизация