Типы кристаллизации — определение, процесс и примеры

Кристаллизация — это естественный процесс, который происходит, когда материалы затвердевают из жидкости или осаждаются из жидкости или газа. Этот процесс можно осуществить, вызвав физическое изменение, например изменение температуры, или химическое изменение, например кислотность. Процесс кристаллизации осуществляется на основе размера и формы участвующих молекул, а также их химических свойств. Кристаллы могут состоять из одного вида атомов, разных видов ионов или даже огромных молекул, таких как белки. Некоторые большие молекулы с трудом проходят процесс кристаллизации, поскольку их внутренняя химия несимметрична или взаимодействует сама с собой, чтобы избежать кристаллизации.

Элементарная ячейка известна как наименьшая единица кристалла. Это основная форма атомов или молекул, к которой можно присоединить больше единиц. Думайте об этом как о детском строительном блоке, к которому можно присоединить другие блоки. Кристаллизация происходит так, как будто блоки прикрепляются во всех направлениях. Некоторые материалы образуют кристаллы разной формы, что приводит к большим различиям в форме, размере и цвете различных кристаллов.

Типы кристаллизации

Процесс кристаллизации можно отличить по способу перенасыщения. Типы кристаллизации:

• Испарительная кристаллизация

• Охлаждающая кристаллизация

Испарительная кристаллизация

В процессе испарительной кристаллизации кристаллизация извлекается из испарения растворителя. Этот процесс создал пар и суспензию основной жидкости. Основная жидкость по-прежнему будет содержать равновесную концентрацию продукта. Остаточное количество продукта можно собрать, переработав основную жидкость. Примеси могут затруднить рециркуляцию основной жидкости. В какой-то момент 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 отводимого или продувочного потока.

Кристаллизация при охлаждении

Кристаллизация происходит хорошо, когда растворимость продукта сильно увеличивается с повышением температуры. В таких случаях холодная кристаллизация обычно более энергоэффективна, чем испарительная кристаллизация. В процессе кристаллизации при охлаждении продукт охлаждается в теплообменнике, который может быть расположен внутри кристаллизатора или во внешнем контуре. Стенка кристаллизатора может использоваться как внутренний теплообменник, но теплообменник также может быть встроен в кристаллизатор в виде охлаждающих трубок или пластин. Кристаллизация может продолжаться, 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, в увеличении скорости жидкости вдоль дна теплообменника для выравнивания разницы температур по длине теплообменника или в использовании скребок для защиты дна теплообменника от твердых частиц. Другой метод охлаждения, который не требует теплообменника, — это методы мгновенного охлаждения, которые включают испарение растворителя или прямое охлаждение путем введения холодного газа или хладагента.

Кристаллизацию расплава можно назвать особой формой процесса кристаллизации при охлаждении. Важным отличием от кристаллизации при охлаждении из раствора является отсутствие растворителей, что показывает, что большинство процессов кристаллизации из расплава протекает вблизи точки плавления исходного продукта. Продуктом процесса кристаллизации расплава является нечистый расплав. Охлаждение этого расплава ниже температуры равновесия в основном приведет к образованию твердой фазы, которая чище, чем продукт, в то время как примеси предпочтительнее присутствовать в нечистой жидкости.

Процесс кристаллизации

Зарождение

Первым шагом в процессе кристаллизации является нуклеация. Первый атом в массе, образующий кристаллическую структуру, становится центром, и вокруг ядра собирается больше атомов. По мере того, как происходит этот процесс, вокруг ядра собирается больше элементарных ячеек, образуется небольшой затравочный кристалл. При кристаллизации очень важен процесс зародышеобразования, поскольку ядро ​​кристалла определяет структуру всего кристалла. Дефекты ядра и затравочного кристалла могут привести к экстремальным перестройкам по мере того, как кристалл продолжает формироваться. Зарождение зародышей происходит в переохлажденной жидкости или перенасыщенном растворителе.

Переохлажденная жидкость — это жидкость, которая находится на грани превращения в твердое тело. Необходимо создать начальное ядро, чтобы превратить жидкость в твердое тело. Вокруг этого ядра будет продолжаться процесс кристаллизации. В охлаждающей жидкости ядро ​​образуется, когда атомы или молекулы больше не имеют кинетической энергии, чтобы отразиться друг от друга. Вместо этого они начинают взаимодействовать друг с другом и образовывать стабильные кристаллические структуры. Чистые элементы в основном образуют кристаллическую структуру, в то время как более крупные молекулы трудно кристаллизовать при нормальной температуре и давлении.

В перенасыщенном растворе растворитель, несущий желаемые кристаллы, находится на максимальном уровне хранения. При понижении температуры или изменении кислотности растворимость атомов или молекул в растворах изменяется, и растворитель может нести их меньше. Таким образом, они выпадают из раствора, наталкиваясь друг на друга. Это также вызывает зародышеобразование и последующую кристаллизацию.

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 очень медленно, в зависимости от условий, вода может кристаллизоваться в лед за пару минут, в то время как для образования «типичного» геологического кристалла, такого как кварц и алмазы, требуется много времени. . Простое формирование вокруг ядра определяет завершенность кристаллической структуры. Эта информация о различиях отвечает за различие кристаллов, от уникальности снежинки до чистоты алмаза.

Кристаллы могут принимать гораздо меньшее количество геометрических форм. Они определяются связями и взаимодействиями используемых молекул. Различные формы получены из-за разных валентных углов атомов, основанных на исходном ядре. Примесь в растворе или материале вызовет отклонение от типичного рисунка. Как мы видели на снежинках, даже небольшая примесь в ядре может привести к совершенно новому и уникальному дизайну.

Использование кристаллизации

Кристаллизация обычно используется в лабораториях. Его можно использовать для очистки веществ и объединить с передовыми методами визуализации, чтобы понять природу кристаллизованных веществ. При лабораторной кристаллизации вещество можно смешать с подходящим растворителем. Нагрев и изменение кислотности могут помочь материалу полностью раствориться. При изменении этих условий материалы в растворе выпадают в осадок с разной скоростью. При правильном использовании условий можно получить чистые кристаллы желаемых веществ.

Кристаллография — это передовой метод визуализации. В этом методе пучки высоких энергий или рентгеновские лучи и частицы могут проходить сквозь кристаллическую структуру чистого вещества. Хотя это не формирует видимого изображения, лучи и частицы дифрагируют в определенных узорах. Эти узоры можно увидеть с помощью специальной проявочной бумаги или электронных детекторов. Шаблоны могут быть проанализированы математиками и компьютерами, и может быть сформирована структура кристалла. Дифракционные картины получаются, когда частицы или лучи перенаправляются плотными электронными облаками в кристаллической структуре. Эти плотные области представляют собой атомы и связи в кристалле, образовавшиеся в процессе кристаллизации. Используя этот метод, ученые могут распознать практически любое вещество на основе его кристаллической формы.

Примеры кристаллизации

Человеческая шкала времени

Для образования кристаллов требуется много времени или они могут образоваться быстро. Ученые смогли изучить кристаллизацию, потому что в природе существует множество явлений, в которых кристаллизация происходит быстро. Как мы уже говорили ранее, лед и снежинки — отличный пример кристаллизации воды. Другой пример — кристаллизация меда. Когда пчелы выбрасывают мед в соты, он находится в жидкой форме. Со временем молекулы сахара в меде начинают образовывать кристаллы в процессе кристаллизации, описанном ранее. Заглянув внутрь старой бутылки с медом, вы заметите, что в жидкости образовались маленькие кристаллы сахара.

Шкала геологического времени

Несмотря на то, что процесс похож, время, необходимое для формирования таких вещей, как кварц, рубин и гранит, очень велико. Эти кристаллы образуются под чрезвычайно высоким давлением в коре и магме Земли. Хотя кристаллизация — то же самое, требуется очень много времени для того, чтобы условия объединились и кристаллизовались правильным образом. Лаборатории также выращивают кристаллы кристаллов, которые можно использовать для производства большего количества кристаллов за один раз.