Krystalliseringsprosesser og når de forekommer: dannelse, egenskaper og bruk

Sikkert at du noen gang har hørt om krystaller, er det sannsynlig at tankene dine på dette tidspunktet har visualisert en stor diamant, en ametyst eller en topas. Og absolutt, denne gruppen inkluderer også mange av de kjente dyrebare steinerMen en krystall er ikke et begrep som strengt tatt omfatter smykker.

Un Cristal Det er sluttproduktet av en interessant prosess kjent som krystalliseringEn krystall kjennetegnes ved å være et homogent fast stoff dannet av «flater», som er deler plassert på forskjellige plan som gjentar seg regelmessig i rommet. Denne interne og eksterne organiseringen er det som skiller en krystall fra et amorft fast stoff som glass.

Hva er egentlig en krystall?

Fra et fysikk- og kjemiperspektiv, en Cristal Det er et fast stoff der partiklene (atomer, ioner eller molekyler) er ordnet regelmessig og periodisk i rommets tre dimensjoner. Denne repeterende ordningen kalles krystallgitterog er ansvarlig for mange av de observerbare makroskopiske egenskapene, som krystallens lysstyrke, hardhet eller ytre geometriske form.

I et krystallinsk fast stoff har hvert punkt i rommet som opptas av materialet en periodisk repetisjon i henhold til visse retninger. I krystallografi kalles dette fenomenet med repetisjon i rommet oversettelseI motsetning til amorfe faste stoffer (som noe plast eller glass), hvor orden bare opprettholdes over svært korte avstander, viser krystaller langtrekkende orden som strekker seg gjennom hele det faste stoffet.

Kjennetegn ved faststoff fra krystallisering

Størrelsen på en krystall er en variabel egenskap, med et bredt spekter av dimensjoner. Krystaller kan finnes veldig stor som kan måles ved hjelp av den lineære enheten «meter», samt krystaller som må uttrykkes i form av mikron, siden deres lille størrelse gjør dem sammenlignbare med mikroorganismer som bakterier, som bare kan observeres gjennom mikroskopet.

Som nevnt, den krystallinske prosesser noe som resulterer i produkter med høy renhet, og det er derfor definisjonen sier at krystallene er homogeneDet vil si at produktets sammensetning forblir konstant på ethvert punkt innenfor det faste stoffets volum. Dette innebærer at fysiske og kjemiske egenskaper De forblir uendret gjennom hele stykket; hvis variasjon observeres på grunn av en forstyrrelse, har endringen en tendens til å skje koherent gjennom de krystallinske artene.

Denne egenskapen gjør krystaller verdifulle produkter på ulike felt, alt fra verdsettelse av materialkvalitet (for eksempel innen smykker og gemologi), opp til bruk av krystalliseringsprosessen som en teknikk for å skille stoffer i laboratorier og industrier. Den høye graden av orden i krystallgitteret betyr at urenheter blir utstøtt eller forblir i en mindre andel enn i væskefasen, noe som muliggjør produksjon av mye renere faste stoffer.

Krystallinske produkter kan også isoleres på laboratorienivå, ved å kontrollerte reaksjoner i oppsett som etterligner de spontane prosessene som forekommer i naturen. En av hovedfordelene med krystaller oppnådd i kontrollerte prosesser er at de viser mer regelmessige formersom bedre samsvarer med de mest nøyaktige polygonale formene. Dette er spesielt viktig når man søker etter krystaller for analyse, optiske applikasjoner eller farmasøytisk testing.

I en krystall må man skille mellom ansikter som er en del av den virkelige krystallinske vanen (morfologiske egenskaper), og basert på antallet deres kan vi vurdere de grunnleggende formene til det faste stoffet. Vanligvis defineres en krystall av kombinasjonen av flere grunnleggende former, hvorav de viktigste er følgende:

• Pedion: Krystall som består av en enkelt flat flate, uten like flater relatert ved symmetri.
• Pinacoid: Den består av to flater som er likeverdige med hverandre i forhold til en symmetriaksesom vanligvis er parallelle og motsatte.
• Sphenoid: De to like flatene som utgjør dette faste stoffet er plassert rundt en binær akseproduserer en kileform.
• Prisme: Den dannes av homologe flater som utgjør en sone. «Sonen til en krystall» er definert som et sett med flater parallelle med samme retning, som tilsvarer en kant av krystallen.

Krystallenes struktur, fra et internt synspunkt, kan betraktes som et mer eller mindre homogent, periodisk system og anisotropisk, av et materiale (ofte oppløst i en fase som deretter størkner i krystallinsk orden) som utvikler en struktur på forskjellige punkter i rommet. En krystall sies å være anisotropisk fordi dens fysiske egenskaper (som termisk ledningsevne, lysets forplantningshastighet eller hardhet) kan variere avhengig av retningen de måles i i det faste stoffet, nettopp på grunn av den interne ordningen.

Blant krystallenes egenskaper er det faktum at hvert punkt har en periodisk repetisjon i rommet okkupert av materialet. I krystallografi kalles fenomenet som påvirker denne handlingen oversettelse og definerer hvordan en enhetscelle (den minste repeterende blokken) beveger seg i rommet for å bygge hele krystallen.

Krystalliseringsprosessen og når den skjer

For at krystallisering skal skje, må vi starte fra et stoff som kan klassifiseres som krystallklartDette er definert av det faktum at partiklene som utgjør det, enten de er atomære, molekylære eller ioniske av natur, viser egenskaper av homogenitet, periodisitet og symmetri når de er organisert i en fast tilstand.

I sammenheng med blandingsseparasjon kalles det krystallisering til dannelsen av en fast krystallinsk forbindelse fra en flytende fase (løsning, smelte eller damp). Denne prosessen er spesielt nyttig når du vil rense faste forbindelserfordi det krystalliserte faste stoffet vanligvis er mye renere enn den opprinnelige blandingen. Faktisk regnes det som en av de enkleste og mest effektive teknikkene for å rense stoffer i laboratoriet.

Krystallisering skjer når de fysiske og kjemiske forholdene til en løsning, smelte eller damp endres på en slik måte at den faste tilstanden blir mer stabil enn den opprinnelige tilstanden. Dette skjer for eksempel når:

• En løsning det blir kaldt sakte og går fra en normal konsentrasjon til en overmettet konsentrasjon.
• Se fordamper deler av løsningsmidlet og løsningen blir for konsentrert i forhold til det oppløste stoffet.
• Se tilsett et nytt løsemiddel noe som endrer stoffets løselighet og favoriserer dets krystallinske utfelling.
• En damp med høyt damptrykk av det oppløste stoffet blir fast direkte (omvendt sublimering).

Hele prosessen aktiveres når partiklene på et tidspunkt i det krystallinske stoffet eller løsningen begynner å omorganisere seg. Dette stadiet er kjent som nukleeringNukleering kan være spontan (homogen) eller heterogen, indusert av tilstedeværelsen av små partikler, overflater eller til og med urenheter som fungerer som krystall"frø".

Hele denne prosessen innebærer, i tillegg til den åpenbare variasjonen i partiklenes rekkefølge, en endring i termodynamiske forholdDisse prosessene har som mål å kompensere for forstyrrelsene som genereres av endringen i Gibbs fri energi. Denne endringen er primært preget av tre hendelser:

• Endringen i kjemisk energi av systemet, assosiert med passasjen av molekyler fra den oppløste fasen til det ordnede faste stoffet.
• Opprettelsen av en grensesnitt mellom kimdannelsessonen og resten av den homogene fasen (flytende, gassformig eller smeltet).
• La variasjon i volum og form Denne prosessen innebærer spenninger og strukturelle justeringer.

Den neste fasen begynner når den grunnleggende kimstrukturen stabiliserer seg. Det neste trinnet er logisk og forutsigbart: når vi har den grunnleggende strukturen, vil vi gå inn i en prosess med vekst, hvor en endring i dimensjonene til kjernen observeres. Gradvis fører denne økningen til dannelsen av veldefinerte flater, inntil krystallen får en krystallinsk vane tydelig observerbar.

Mekanisme for krystallvekst

Teorien utviklet av Volmer forklarer hvordan veksten av en krystall foregår, og fastslår at, rundt den grunnleggende strukturen fra kimdannelsen til det krystallinske stoffet, en slags absorpsjonslagDenne overflaten fungerer som et grensesnitt og fremmer i tillegg migrasjonen av partikler rundt den som beveger seg parallelt med overflaten. Resultatet av denne prosessen er definert som en struktur i et todimensjonalt plan.

Kossel og Stranski slo for sin del fast at en mekanisk arbeid For å oppnå feste av et ion eller molekyl til overflaten av dette laget, avhenger prosessen av dets posisjon. Kant- eller hjørnesteder er for eksempel vanligvis mer energimessig gunstige for inkorporering av nye partikler, slik at veksten ikke er jevn over hele overflaten.

Å utvikle en modell som definerer vekst krever prognoser metningssoner hvor en høyere endringsrate observeres (lokale områder med overmetning). Dette viser at krystallvekst skjer ved påfølgende lagDisse lagene er stablet oppå det allerede dannede nettverket. Etter hvert som disse lagene vokser og blir ordnet, har det en tendens til at urenheter blir ekskludert fra den velordnede krystallinske strukturen.

Under ideelle laboratorieforhold, langsom avkjøling Bruk av en løsning eller nøye regulering av fordampning muliggjør gradvis og ordnet vekst, slik at krystallgitteret bygges uten å fange opp for mange urenheter. Hvis avkjølingen eller endringen i forholdene er for rask, dannes gitteret med større uorden, og urenheter kan bli fanget inne i krystallen, noe som reduserer renheten.

Denne dynamiske naturen til krystallisering innebærer at selv når krystallen vokser, vil en balansere mellom molekyler som er innlemmet i krystallgitteret og molekyler som går tilbake til løsningen. Derfor regnes krystallisering som en prosess som er svært avhengig av temperatur, konsentrasjon, omrøring og tid.

Krystallisering som en mekanisme for å separere blandinger

Siden en krystall er dannet av et homogent stoff, har bruken av den blitt utvidet til selektiv separasjonsmetode av stoffer. Innen kjemi og industri brukes det hovedsakelig til å rense faste stoffer som er blandet med urenheter, og utnytte forskjellene i løselighet og stabilitet mellom de forskjellige artene som er til stede.

I praksis består krystallisering som separasjonsmetode av å oppnå en krystallinsk fast forbindelse Med utgangspunkt i en løsning eller blanding som inneholder hovedstoffet og dets urenheter, velges løsningsmidlet eller løsningsmiddelblandingen basert på løselighet av det faste stoffet og urenheterIdeelt sett bør du finne et løsningsmiddel der den ønskede forbindelsen er svært løselig når den er varm og bare litt løselig når den er kald, mens urenheter lett kan skilles ved filtrering eller forblir oppløst.

I laboratoriet inkluderer den typiske krystalliseringsprosessen som en separasjon flere sammenkoblede stadier:

• utføre løselighetstester for å finne det passende løsningsmiddelet.
• Løs opp det urene faste stoffet i minst mulig beløp av varmt løsemiddel, inntil en mettet løsning er oppnådd.
• Fjern uoppløselige partikler ved å filtrering og bruk om nødvendig aktivt kull for å fjerne fargede urenheter eller turbiditet.
• Tillat en langsom avkjøling slik at overmetning genereres og krystalliseringen av det ønskede løse stoffet begynner.
• Skill krystallene som dannes av vakuumfiltrering eller ved dekantering, og tørk dem skikkelig.

Når prosessen er fullført, kan renheten til de resulterende krystallene kontrolleres ved å... smeltepunkt (et rent fast stoff smelter vanligvis innenfor et svært smalt temperaturområde) eller ved hjelp av analytiske teknikker som tynnsjiktskromatografi. Hvis renheten er utilstrekkelig, kan krystalliseringsprosessen gjentas en eller flere ganger.

Blant de ulike krystalliseringsmetodene forklares de som er mest brukt både i laboratoriet og på industrielt nivå:

• Tilsetning av et nytt løsemiddel: Hvis vi kjenner til produktenes natur, kan vi bruke denne metoden, som i utgangspunktet består av å tilsette et nytt løsningsmiddel som samhandler med løsningsmiddelet som det oppløste stoffet vi ønsker å krystallisere er nedsenket i. Når det nye løsningsmiddelet selektivt modifiserer løseligheten, utfelles det oppløste stoffet, og krystalliseringsprosessen starter.
• Kjøling til høye konsentrasjoner av oppløste stoffer: Når vi har en svært konsentrert løsning, fremstilt ved høye temperaturer, og vi utsetter den for en avkjølingsprosess, oppnår vi en tilstand av overmettinghvor en større mengde løsemiddel er oppløst enn løsemiddelet kan akseptere under de nye temperaturforholdene. Hvis temperaturreduksjonsprosessen utføres på en kontrollert måte, kan vi påvirke størrelsen og kvaliteten på glasset som vi kommer til å få.
• Sublimering: Denne teknikken kan bare brukes på krystallinske forbindelser som viser en høyt damptrykkDermed krever ikke transformasjoner fra en gassformig til en fast fase at man passerer gjennom smeltepunktet. Dette er nyttig for å rense faste stoffer som jod, naftalen eller noen aromatiske organiske stoffer.

Krystallisering brukes til å separere komponenter av homogene blandingerFor eksempel kan sjøvann utsettes for kontrollert fordampning og avkjøling for å oppnå relativt rene bordsaltkrystaller. Denne prosessen brukes også på stoffer som alun, sukker, benzosyre og en rekke organiske forbindelser som brukes i kjemisk og farmasøytisk syntese.

I mange tilfeller gir denne metoden klare fordeler fremfor enkel fordampning: den tillater en mer kontroll av partikkelstørrelse, oppnår en høyeste renhet og den kan fjerne løselige urenheter som ville blitt igjen i restene hvis løsningsmidlet ganske enkelt fikk fordampe ukontrollert.

Er krystallisering en fysisk eller kjemisk prosess?

Krystallisering oppfattes som en fysisk prosess av herding og ordening under dannelsen og veksten av krystallinske forbindelser. Gjennom hele prosessen endres ikke den kjemiske naturen til det oppløste stoffet; det som transformeres er dets aggregeringstilstand og måten partikler er organisert på i rommet.

Krystallisering skaper ikke nye stoffer; det innebærer bare en omorganisering av eksisterende molekyler, ledsaget av endringer i fysiske egenskaper som tetthet, hardhet, smeltepunkt og ytre utseende. Av denne grunn klassifiseres det som en fysisk transformasjon, selv om den styres av termodynamiske og kinetiske lover spesifikke for kjemi.

Denne fysiske og dynamiske naturen, sammen med enkelheten i de nødvendige oppsettene, gjør krystallisering til en av de mer tilgjengelige teknikker og effektivt for rensing av faste forbindelser i laboratoriet, men også et grunnleggende verktøy i storskala industrielle prosesser.

Bruksområder, fordeler og eksempler på krystallisering

Krystallisering brukes hovedsakelig for å oppnå rene krystaller av visse stoffer fra urene blandinger. Blant de mest relevante bruksområdene er:

• Rensing av salter og mineraler: Det klassiske tilfellet er å skaffe bordsalt fra sjøvann eller saltlake. Gjennom fordampning og krystallisering skilles natriumklorid fra andre urenheter.
• Mat industri: Sukker, salter og andre faste stoffer krystalliseres for å forbedre deres stabilitet, håndtering og bevaringFor eksempel kan honning krystallisere seg når den lagres, noe som gir den en fast tekstur uten å miste egenskapene sine.
• Legemiddelindustrien: Krystallisering brukes som en metode for separasjon og rensing når man arbeider i syntese og isolasjon av aktive farmasøytiske ingredienser (API-er), kokrystaller, polymorfe former eller separasjon av kirale isomerer. Den krystallinske formen som oppnås kan påvirke løselighet og biotilgjengelighet av medisinen.
• Dannelse av mineraler og bergarter: Mange magmatiske og metamorfe bergarter dannes fra langsom krystallisering fra magma eller hydrotermiske løsninger, noe som gir opphav til mineraler og edelstener av stor estetisk og vitenskapelig verdi.
• Naturfenomener: den snøfnugg De er iskrystaller med en sekskantet struktur. Selv om de alle deler denne grunnleggende geometriske formen, fører temperatur- og fuktighetsforhold til at hver snøkrystall vokser unikt, noe som resulterer i ugjentakelige strukturer.
• Dannelse av speleothem: Stalaktitter og stalagmitter i huler dannes ved krystallisering av mineraler (som kalsitt) fra sakte avsatte vanndråper lastet med salter.

Blant de viktigste nytte Blant krystalliseringsmetodene som brukes til separasjon, skiller følgende seg ut:

• Det lar deg få tak i produkter fra høy renhet, på grunn av avvisning av urenheter i det ordnede krystallgitteret.
• Krystallene som dannes er vanligvis tørre varer som kan pakkes og lagres direkte for konsum eller videre bearbeiding.
• Krever a moderat energiforbruk og det krever ikke alltid ekstremt høye temperaturer, noe som gjør det effektivt og bærekraftig.
• Det er en prosedyre allsidig, anvendelig for et bredt utvalg av stoffer med forskjellige løselighetsområder og smeltepunkter.

Daglige eksempler på resultatene av krystalliseringsprosesser inkluderer: dannelsen av isbiter og snø fra vann; krystalliseringen av lagret honning; utseendet til sukkerkrystaller i søtsaker eller godteri; dannelsen av mineraler og speleothemer; og selvfølgelig dannelsen av dyrebare steiner og edelstener inni jordskorpen.

Krystallisering kan også observeres i enkle eksperimenter hjemme eller i klasserommet, som for eksempel veksten av saltkrystaller på piperensere eller papp nedsenket i overmettede saltløsninger. Ved å la løsningen være uforstyrret og la vannet fordampe sakte, organiserer saltionene seg og danner synlige krystallinske strukturer, som visuelt demonstrerer hvordan temperatur, konsentrasjon og tid påvirker prosessen.

Å forstå hvordan og når krystalliseringsprosesser skjer, lar oss dra nytte av dem i teknologiske og industrielle sammenhenger så vel som i pedagogiske og vitenskapelige aktiviteter, og bidrar til å bedre tolke en rekke naturfenomener som omgir oss daglig.