Krystalizacja to zestalanie się atomów lub cząsteczek w wysoce uporządkowaną formę zwaną a kryształ. Zwykle odnosi się to do wolnego opad atmosferyczny kryształów z roztworu substancji. Jednak kryształy mogą tworzyć się z czystego stopu lub bezpośrednio z osadzania z fazy gazowej. Krystalizacja może również odnosić się do techniki oddzielania i oczyszczania ciała stałego od cieczy, w której następuje przeniesienie masy z ciekłego roztworu do czystej stałej fazy krystalicznej.
Chociaż podczas wytrącania może zachodzić krystalizacja, te dwa terminy nie są zamienne. Opady oznaczają po prostu powstanie nierozpuszczalnego (ciała stałego) w wyniku reakcji chemicznej. Osad może być amorficzny lub krystaliczny.
Proces krystalizacji
Aby nastąpiła krystalizacja, muszą wystąpić dwa zdarzenia. Po pierwsze, atomy lub cząsteczki skupiają się razem w skali mikroskopowej w procesie zwanym zarodkowanie. Następnie, jeśli klastry staną się stabilne i wystarczająco duże, wzrost kryształów może wystąpić.
Atomy i związki mogą na ogół tworzyć więcej niż jedną strukturę krystaliczną (polimorfizm). Rozmieszczenie cząstek określa się podczas etapu zarodkowania krystalizacji. Może na to wpływać wiele czynników, w tym temperatura, stężenie cząstek, ciśnienie i czystość materiału.
W roztworze w fazie wzrostu kryształów ustala się równowaga, w której rozpuszczone cząstki rozpuszczają się z powrotem w roztworze i wytrącają się w postaci ciała stałego. Jeśli roztwór jest przesycony, prowadzi to do krystalizacji, ponieważ rozpuszczalnik nie może utrzymać ciągłego rozpuszczania. Czasami posiadanie przesyconego roztworu jest niewystarczające do wywołania krystalizacji. Konieczne może być zapewnienie kryształ zaszczepiający lub szorstka powierzchnia, aby rozpocząć zarodkowanie i wzrost.
Przykłady krystalizacji
Materiał może krystalizować albo naturalnie, albo sztucznie, albo szybko, albo w czasie geologicznym. Przykłady naturalnej krystalizacji obejmują:
- Formacja płatka śniegu
- Krystalizacja miodu w słoiku
- Formacja stalaktytu i stalagmitu
- Osadzanie kryształów kamieni szlachetnych
Przykłady sztucznej krystalizacji obejmują:
- Rozwój kryształy cukru w słoiku
- Produkcja syntetycznych kamieni szlachetnych
Metody krystalizacji
Istnieje wiele metod krystalizacji substancji. W dużym stopniu zależą one od tego, czy materiałem wyjściowym jest związek jonowy (np. Sól), związek kowalencyjny (np. Cukier lub mentol), czy metal (np. Srebro lub stal). Sposoby uprawy kryształów obejmują:
- Chłodzenie roztworu lub stopienie
- Odparowanie rozpuszczalnika
- Dodanie drugiego rozpuszczalnika w celu zmniejszenia rozpuszczalności substancji rozpuszczonej
- Sublimacja
- Warstwy rozpuszczalnikowe
- Dodanie kationu lub anionu
Najczęstszym procesem krystalizacji jest rozpuszczenie substancji rozpuszczonej w rozpuszczalniku, w którym jest ona co najmniej częściowo rozpuszczalna. Często temperatura roztworu jest zwiększana w celu zwiększenia rozpuszczalności, więc maksymalna ilość substancji rozpuszczonej przechodzi do roztworu. Następnie ciepła lub gorąca mieszanina jest filtrowana w celu usunięcia nierozpuszczonego materiału lub zanieczyszczeń. Pozostały roztwór (filtrat) pozostawia się do powolnego ochłodzenia w celu wywołania krystalizacji. Kryształy można usunąć z roztworu i pozostawić do wyschnięcia lub można je przemyć rozpuszczalnikiem, w którym są nierozpuszczalne. Jeśli proces powtarza się w celu zwiększenia czystości próbki, nazywa się to rekrystalizacja.
Szybkość chłodzenia roztworu i ilość parowania rozpuszczalnika mogą znacznie wpływać na wielkość i kształt powstałych kryształów. Ogólnie, wolniejsze parowanie powoduje minimalne parowanie.