KRYŠTALIZÁCIA: PROCES, TYPY, PRÍKLADY, SEPARÁCIA - CHÉMIA

Kryštalizácia je fyzikálny proces, v ktorom sa prirodzene alebo umelo kryštalickej pevnej látky, tj usporiadaná štruktúra vytvorená z kvapalného alebo plynného média. Od zrážania sa líši tým, že sa zrážanie vyvíja bez prísnej kontroly parametrov procesu a okrem toho, že môže vytvárať amorfné a želatínové pevné látky.

Cieľom kryštalizácie, ako jej názov jednoducho a zreteľne naznačuje, je vytvárať kryštály. Tieto sa vyznačujú nielen usporiadaním, ale tiež čistými pevnými látkami. Preto sa pri syntéze pevných zlúčenín usiluje získať produkty vysokej čistoty, čo najčistejšie kryštály.

Kryštalizácia hypotetickej purpurovej farby rozpustenej látky vo vodnom roztoku. Zdroj: Gabriel Bolívar.

Obrázok hore ukazuje všeobecnú a hypotetickú kryštalizáciu fialovej rozpustenej látky vo vodnom roztoku.

Všimnite si, že červený pruh funguje ako teplomer. Keď je teplota vysoká, roztok obsahuje rozpustenú rozpustenú látku, ktorá zostáva rozpustná za týchto podmienok. Avšak ako teplota postupne klesá, začínajú sa objavovať prvé fialové kryštály.

Keď teplota klesá, kryštály budú rásť a budú tvoriť robustné purpurové šesťuholníky. Zmena farby roztoku svedčí o tom, že rozpustená látka prešla od rozpustenia k začleneniu do rastúcich kryštálov. Čím pomalšia kryštalizácia, tým čistejšia je získaná kryštalická látka.

Počas tohto procesu je potrebné vziať do úvahy ďalšie premenné: okrem iného, koľko rozpustenej látky sa rozpustí v danom rozpúšťadle, pri akej teplote sa roztok musí zohrievať, ako dlho musí chladenie trvať, aké je potrebné uchýliť sa alebo nie k zvukovému miešaniu. aspekty.

Proces kryštalizácie, viac ako komplexný jav, ktorý zahŕňa molekulárnu dynamiku a termodynamiku, je umenie, ktoré vyžaduje neustále učenie, pokusy a chyby, až kým nie je zdokonalené v laboratóriu alebo v priemysle.

Proces kryštalizácie

Kryštalizácia v podstate pozostáva z dvoch procesov: nukleácie a rastu kryštálov.

Obidve fázy sa vždy uskutočňujú počas kryštalizácie, ale keď sa prvá objaví rýchlo, druhá fáza bude mať sotva čas na vývoj. Medzitým, ak je nukleácia pomalá, kryštály budú mať viac času na rast, a preto budú mať tendenciu byť väčšie. To je situácia predpokladaná na obrázku s fialovými šesťuholníkmi.

tvorbou

Kryštály boli pôvodne považované za pevné látky s usporiadanými štruktúrami. Z roztoku, v ktorom je solut rozptýlený v stave poruchy, sa musia jeho častice priblížiť tak, aby ich interakcie, či už sú to iónové alebo Van der Wallsovho typu, umožnili usadenie prvej skupiny častíc solutu: zhluk.

Tento zhluk sa môže rozpustiť a znova sa vytvoriť toľkokrát, koľkokrát je potrebné, až kým nebude stabilný a kryštalický. Potom sa uvádza, že sa objavilo prvé jadro. Ak sa jadro objaví odnikiaľ, to znamená zo samotnej homogenity média počas jeho ochladzovania, bude to homogénna nukleácia.

Na druhej strane, ak sa uvedené jadro uskutoční vďaka povrchu poskytnutému inou nerozpustnou pevnou časticou alebo nedokonalostiam nádoby, potom budeme mať heterogénnu nukleáciu. Posledne menovaný je najrozšírenejší a najznámejší, najmä keď sa do roztoku pridá malý kryštál, ktorý bol predtým získaný, druhov, ktoré chceme kryštalizovať.

Kryštály sa nikdy nemôžu tvoriť z tenkého vzduchu bez toho, aby sa najskôr vytvorilo jadro.

Rast kryštálov

V roztoku je stále veľa rozpustenej rozpustenej látky, ale koncentrácia rozpustenej látky v týchto jadrách je vyššia ako v ich okolí. Jadrá pôsobia ako podpora pre častice solutu, ktoré sa majú usadiť a „zapadnúť“ medzi svoje rastúce štruktúry. Týmto spôsobom sa udržiavajú ich geometrie a postupne rastú.

Napríklad prvé jadrá na obrázku sú fialové šesťuholníky; toto je vaša geometria. Keď sú častice rozpustené, jadrá rastú na silné hexagonálne kryštály, ktoré budú ďalej rásť, ak je roztok ponorený do ľadového kúpeľa.

Typy kryštalizácie

To, čo bolo doteraz vysvetlené, spočíva v kryštalizácii ochladením rozpúšťadla.

Kryštalizácia odstránenia rozpúšťadla

Iné typy kryštalizácie sú založené na odstránení rozpúšťadla odparením, na ktoré nie je potrebné použiť toľko objemu; to znamená, že stačí nasýtiť solutom a zahriať ho na presýtenie a potom trochu viac, potom ho nechať v pokoji, takže solut nakoniec vykryštalizuje.

Kryštalizácia s pridaním rozpúšťadla

Podobne máme kryštalizáciu spôsobenú pridaním rozpúšťadla do zmesi, v ktorej je rozpustená látka nerozpustná (antirozpúšťadlo). Preto bude uprednostňovaná nukleácia, pretože existujú mobilné a tekuté oblasti, kde častice rozpustenej látky budú koncentrovanejšie ako v tých, kde sú veľmi rozpustné.

Kryštalizácia sonifikáciou

Na druhej strane dochádza ku kryštalizácii sonifikáciou, pri ktorej ultrazvuk vytvára a láme malé bubliny, ktoré opäť podporujú nukleaciu, a súčasne pomáha rovnomernejšie rozdeľovať veľkosti kryštálov.

Nakoniec dochádza k kryštalizácii z usadzovania pár na studených povrchoch; to znamená inverzný fenomén k sublimácii pevných látok.

Metóda separácie kryštalizácie

Kryštalizácia je nevyhnutnou technikou pri získavaní a čistení tuhých látok. Syntéza organických zlúčenín je veľmi opakujúca sa a predstavuje jedno z posledných stupňov, ktoré zaručujú čistotu a kvalitu produktu.

Príklad farbiva

Predpokladajme napríklad, že sa získajú kryštály farbiva a že už boli filtrované. Pretože toto farbivo sa pôvodne získalo zrážaním pri syntéze, jeho pevná látka vykazuje vzhľad amorfného, pretože má veľa nečistôt absorbovaných a zachytených medzi svojimi molekulárnymi kryštálmi.

Preto sa rozhodlo zahriať rozpúšťadlo, keď je farbivo mierne rozpustné, takže sa po pridaní rozpustí pomerne ľahko. Po rozpustení po pridaní trochu väčšieho množstva rozpúšťadla sa roztok oddelí od zdroja tepla a nechá sa odpočívať. Ako teplota klesá, nastáva tvorba kryštálov.

Kryštály farbiva sa budú tvoriť a budú vyzerať definovanejšie (nie nevyhnutne kryštalické do oka). V tomto okamihu je nádoba (zvyčajne Erlenmeyerova banka alebo kadička) ponorená do ľadového kúpeľa. Chlad z tohto kúpeľa nakoniec podporuje rast kryštálov nad nukleaciou.

Kryštály farbiva sa potom filtrujú vo vákuu, premyjú sa rozpúšťadlom, v ktorom je nerozpustný, a nechajú sa uschnúť v hodinovom skle.

Teplota kryštalizácie

Teplota, pri ktorej dochádza ku kryštalizácii, závisí od toho, ako je nerozpustná látka v rozpustenom médiu. Podobne to závisí od teploty varu rozpúšťadla, pretože ak sa rozpustená látka ešte nerozpúšťala pri teplote varu, je potrebné použiť iné vhodnejšie rozpúšťadlo.

Napríklad tuhá látka, ktorá môže kryštalizovať vo vodnom médiu, tak urobí, keď voda zníži svoju teplotu (tj. Od 100 do 50 ° C) alebo keď sa odparí. Ak kryštalizácia nastane odparením, potom sa hovorí, že sa uskutočňuje pri teplote miestnosti.

Na druhej strane kryštalizácia kovov alebo niektorých iónových tuhých látok prebieha pri veľmi vysokých teplotách, pretože ich teploty topenia sú veľmi vysoké a roztavená kvapalina žiari, dokonca aj keď je dostatočne ochladená na nukleaciu svojich častíc a pestujte svoje kryštály.

Rýchlosť kryštalizácie

V zásade existujú dva priame spôsoby regulácie rýchlosti kryštalizácie tuhej látky: stupňom presýtenia (alebo presýtenia) alebo náhlymi zmenami teploty.

Stupeň presýtenia

Stupeň presýtenia znamená, koľko prebytku rozpustenej látky je nútené rozpustiť pôsobením tepla. Preto čím viac je roztok presýtený, tým rýchlejší je proces nukleácie, pretože existuje väčšia pravdepodobnosť, že sa vytvoria jadrá.

Hoci sa kryštalizácia týmto spôsobom urýchli, získané kryštály budú menšie v porovnaní s kryštálmi získanými s nižším stupňom presýtenia; to znamená, keď je ich rast priaznivý a nie nukleácia.

Zmeny teploty

Ak sa teplota prudko zníži, jadrá sotva budú mať čas na rast a nielen to, ale tiež si zachovajú vyššiu úroveň nečistôt. Výsledkom je, že hoci kryštalizácia nastáva rýchlejšie ako pomalé ochladzovanie, kvalita, veľkosť a čistota kryštálov je nižšia.

Rýchla kryštalizácia v dôsledku náhleho poklesu teploty. Zdroj: Gabriel Bolívar.

Obrázok hore slúži na porovnanie prvého. Žlté bodky predstavujú nečistoty, ktoré sa v dôsledku prudkého rastu jadier zachytia vo vnútri nich.

Tieto nečistoty sťažujú včlenenie väčšieho množstva purpurových šesťuholníkov, čo vedie ku koncu skôr k menším nečistým kryštálom než k veľkým čistým.

aplikácia

Kryštalizácia zmrzliny je jedným z najdôležitejších aspektov jej priemyselnej alebo remeselnej výroby. Zdroj: Pixabay.

Kryštalizácia, ako aj rekryštalizácia, sú nevyhnutné na získanie vysoko kvalitných čistých tuhých látok. Pre farmaceutický priemysel to platí najmä preto, že ich výrobky musia byť čo najčistejšie, rovnako ako konzervačné látky používané v potravinárskom priemysle.

Okrem toho nanotechnológia je na tomto procese vysoko závislá, takže môže syntetizovať nanočastice alebo nanokryštály skôr ako robustné kryštálové pevné látky.

Jedným z každodenných príkladov, v ktorých má kryštalizácia veľkú účasť, je výroba zmrzliny. Ak nie ste opatrní vodou, kryštalizuje v oddelenej fáze (ľad) od obsahu lipidov, čím ovplyvňuje jej štruktúru a chuť; Inými slovami, bude to skôr ako oholená zmrzlina alebo zmrzlina.

Preto by ľadové kryštály mali byť čo najmenšie, aby zmrzlina bola hladká podľa chuti a dotyku. Ak sú tieto ľadové kryštály trochu veľké, dajú sa zistiť na svetle, pretože dávajú zmrzline zmrznutý povrch.

Príklady kryštalizácie

Nakoniec sa uvedú niektoré bežné príklady kryštalizácie, prírodnej aj umelej:

snehové vločky

Snehové vločky sa tvoria prírodným kryštalizačným procesom. Je známe, že každý snehový kryštál je jedinečný. Je to kvôli podmienkam, ktoré sa vyskytujú počas druhej fázy kryštalizácie (rast).

Rôzne geometrické tvary prítomné v kryštáloch snehu sú spôsobené podmienkami, ktorým musia čeliť počas rastu kryštálov.

soľ

Soľ je najbežnejším príkladom kryštalizácie. To sa môže tvoriť tak prirodzene (ako morská soľ), tak aj umelo (ako je to v prípade stolovej soli).

cukor

Po soli je cukor jedným z najbežnejších kryštálov. Tvorí sa radom komplexných priemyselných procesov, pri ktorých sa šťava z cukrovej trstiny odoberá a podrobuje sa procesu umelej kryštalizácie.

diamant

Diamant je drahokam, ktorý sa vytvára kryštalizáciou čistého uhlíka. Toto je najťažší materiál, ktorý je na tejto planéte známy. Jeho tvorba môže byť prirodzená, ako je tomu v prípade diamantov nachádzajúcich sa v banských ložiskách alebo syntetických.

rubín

Ruby je načervenalý kryštál, ktorý sa tvorí kryštalizáciou oxidu hlinitého (coridon).

stalagmity

Stalagmity sú štruktúry, ktoré sa nachádzajú v jaskyniach, konkrétne v pôdach (rastúcich smerom nahor). Skladajú sa zo zlúčenín vápnika a sú tvorené kryštalizáciou vápenatých solí nachádzajúcich sa vo vode, ktorá padá zo stropov jaskýň.

kvaple

Stalaktity, rovnako ako stalagmity, sú vyrobené z vápnika a nachádzajú sa v jaskyniach. Od ostatných sa líšia, pretože visia zo stropov. Tvoria sa kryštalizáciou vápenatých solí prítomných vo vode, ktorá prenikne do jaskýň.

kremeň

Kremeň je klenot, ktorý sa vytvára kryštalizáciou anhydridu kremičitého. Je to jeden z najhojnejších minerálov v horninách a jeho farba je premenlivá.

nerast

Tento drahokam sa tiež nazýva olivín a vzniká kryštalizáciou železa a horčíka. Má zelenkavú farbu a je obvykle kosoštvorcového tvaru.

kremičitany

Silikáty sú materiály vytvorené kryštalizáciou siliky a ďalších prvkov (železo, hliník, vápnik, horčík). Vyskytujú sa vo všetkých skalách.

cukríky

Cukríky sa vyrábajú z kryštálov cukru, takže je možné povedať, že zasahuje dva kryštalizačné procesy: prvý na tvorbu cukru a druhý na výrobu melasy.

Krémová zmrzlina

Krémová zmrzlina obsahuje sériu kryštálov, ktoré jej dodávajú konečnú hladkú textúru. Medzi kryštálmi, ktoré krémová zmrzlina obsahuje, vynikajú lipidové kryštály (tvorené z tuku) a ľadové kryštály. Je potrebné poznamenať, že niektoré zmrzliny tiež obsahujú kryštály laktózy.

V tomto zmysle sa zmrzlina získava rôznymi procesmi umelej kryštalizácie (jeden pre lipidy, jeden pre ľad a jeden pre laktózu).

iní

- Príprava kryštálov cukru okolo vlákna alebo povrazu a presýteného sladkého roztoku

- Tvorba kryštálov cukru z medov uložených na spodnej časti pohárov

- Rast obličkových kameňov, ktoré pozostávajú z esencie kryštálov oxalátu vápenatého

- Kryštalizácia minerálov vrátane drahokamov a diamantov v priebehu rokov, ktorých tvary a hrany sú odrazom ich usporiadaných vnútorných štruktúr

- Ukladanie horúcich kovových pár na studené tyče ako podpora rastu ich kryštálov.

Referencie

Day, R., & Underwood, A. (1989). Kvantitatívna analytická chémia. (piate vydanie). PEARSON Prentice Hall.
Wikipedia. (2019). Kryštalizácie. Obnovené z: en.wikipedia.org
Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (23. mája 2019). Definícia kryštalizácie. Získané z: thinkco.com
University of Colorado. (SF). Kryštalizácie. Organická chémia. Obnovené z: orgchemboulder.com
Syrris. (2019). Čo je to kryštalizácia? Obnovené z: syrris.com

KRYŠTALIZÁCIA: PROCES, TYPY, PRÍKLADY, SEPARÁCIA - CHÉMIA - 2026