KRYSTALLISATION: PROCES, TYPER, EKSEMPLER, ADSKILLELSE - KEMI - 2025

Den krystallisering er en fysisk proces, hvor naturligt eller kunstigt et krystallinsk fast stof, dvs. ordnet struktur er dannet af et flydende eller gasformigt medium. Det adskiller sig fra nedbør i det faktum, at sidstnævnte udvikler sig uden streng kontrol af procesparametrene, og også at det kan producere amorfe og gelatinøse faste stoffer.

Formålet med krystallisation er, som navnet simpelt og tydeligt angiver, at generere krystaller. Disse er ikke kun kendetegnet ved at være ordnede, men også ved at være rene faste stoffer. Ved syntese af faste forbindelser søges det derfor at opnå produkter med høj renhed, krystaller, der er så rene som muligt.

Krystallisation af en hypotetisk lilla farvet opløsning i vandig opløsning. Kilde: Gabriel Bolívar.

Billedet ovenfor viser en generaliseret og hypotetisk krystallisation af et lilla opløst stof i vandig opløsning.

Bemærk, at den røde bjælke fungerer som et termometer. Når temperaturen er høj, indeholder opløsningen det opløste stof, der forbliver opløseligt under disse betingelser. Når temperaturen gradvist falder, begynder de første lilla krystaller at vises.

Når temperaturen fortsætter med at falde, vil krystalerne vokse i størrelse til at danne robuste lilla hexagoner. Ændringen i farve på opløsningen er tegn på, at opløsningen gik fra at opløses til at blive inkorporeret i de voksende krystaller. Jo langsommere krystallisation, desto renere opnås det krystallinske faste stof.

Der er andre variabler, der skal tages i betragtning under denne proces: hvor meget opløst stof opløses i det bestemte opløsningsmiddel, ved hvilken temperatur opløsningen skal opvarmes, hvor længe afkøling skal vare, hvor nødvendigt det er at ty til eller ikke til sonisk omrøring, blandt andre. aspekter.

Krystalliseringsprocessen, mere end et komplekst fænomen, der involverer molekylær dynamik og termodynamik, er en kunst, der kræver konstant læring, forsøg og fejl, indtil den er perfektioneret inden for laboratoriet eller i industrien.

Krystallisationsproces

Krystallisation består i det væsentlige af to processer: nucleation og crystal growth.

Begge stadier finder altid sted under krystallisation, men når det første sker hurtigt, vil det andet næppe have tid til at udvikle sig. I mellemtiden, hvis nucleationen er langsom, vil krystallerne have mere tid til at vokse, og derfor vil de have en tendens til at være større. Det sidstnævnte er den situation, der antages på billedet med de lilla sekskanter.

kernedannelse

Oprindeligt siges det at krystaller var faste stoffer med ordnede strukturer. Fra den opløsning, hvor det opløste stof er spredt i uorden, skal dets partikler komme tæt nok, så deres interaktion, uanset om det er ionisk eller Van der Walls-type, tillader aflejring af den første gruppe af opløste partikler: en klynge.

Denne klynge kan opløses og omformes så mange gange som nødvendigt, indtil den er stabil og krystallinsk. Den første kerne siges derefter at have vist sig. Hvis kernen ser ud af intetsteds, det vil sige fra mediets meget homogenitet under dets afkøling, vil det være en homogen nucleation.

På den anden side, hvis nævnte kerne finder sted takket være den overflade, der er tilvejebragt af en anden uopløselig fast partikel, eller til beholdernes ufuldkommenheder, vil vi have en heterogen nucleation. Sidstnævnte er den mest anvendte og kendte, især når en lille krystal, der tidligere er opnået, af den art, som vi vil krystallisere, tilsættes til opløsningen.

Krystaller kan aldrig danne sig ud af tynd luft uden kimdannelse først.

Krystallvækst

Der er stadig meget opløst stof i opløsning, men koncentrationen af ​​opløst stof i disse kerner er højere end i deres omgivelser. Kernerne fungerer som understøtninger for mere opløste partikler til at blive bundet og "passe" mellem deres voksende strukturer. På denne måde opretholdes deres geometrier og vokser gradvist.

For eksempel er de første kerner i billedet lilla hexagoner; dette er din geometri. Når opløste partikler inkorporeres, vokser kernerne ind i robuste hexagonale krystaller, som vil fortsætte med at vokse yderligere, hvis opløsningen nedsænkes i et isbad.

Typer af krystallisation

Det, der hidtil er blevet forklaret, består af krystallisationen ved afkøling af opløsningsmidlet.

Opløsningsmiddel fjernelse krystallisation

Andre former for krystallisation er baseret på fjernelse af opløsningsmiddel ved fordampning, for hvilket det ikke er nødvendigt at bruge så meget volumen af ​​det; det vil sige, det er nok bare at mætte det med opløst stof og opvarme det for at overmætte det og derefter lidt mere, så lade det ligge i ro, så opløsningen til sidst krystalliserer.

Opløsningskrystallisation

Ligeledes har vi krystallisationen forårsaget af tilsætning af et opløsningsmiddel til den blanding, hvori opløsningen er uopløselig (antisolvent). Derfor vil nucleation blive foretrukket, da der er mobile og flydende regioner, hvor de opløste partikler vil være mere koncentreret end i dem, hvor de er meget opløselige.

Krystallisation ved sonificering

På den anden side er der krystallisation ved sonificering, hvor ultralyd genererer og bryder små bobler, der igen fremmer nucleation, på samme tid som det hjælper med at distribuere krystalstørrelser mere jævnt.

Og endelig er der krystallisation fra dampaflejring på kolde overflader; det vil sige det omvendte fænomen til sublimering af faste stoffer.

Metoden til krystallisationsseparation

Krystallisation er en uundværlig teknik, når man får faste stoffer og renser dem. Det er meget tilbagevendende i syntese af organiske forbindelser og repræsenterer et af de sidste trin for at garantere produktets renhed og kvalitet.

Eksempel på farvestof

Antag for eksempel, at der fås krystaller af et farvestof, og at de allerede er blevet filtreret. Fordi dette farvestof oprindeligt blev opnået ved præcipitation i en syntese, viser dets faste stof tilsyneladende at være amorf, da det har mange urenheder, der er absorberet og fanget mellem dets molekylære krystaller.

Derfor besluttes det at opvarme et opløsningsmiddel, hvor farvestoffet er let opløseligt, så når det tilsættes, opløses det relativt let. Når den er opløst efter tilsætning af lidt mere opløsningsmiddel, adskilles opløsningen fra varmekilden og lodes hvile. Når temperaturen falder, foregår nucleation.

Farvestofkrystaller vil således danne og forekomme mere definerede (ikke nødvendigvis krystallinske for øjet). Det er på dette præcise øjeblik, at beholderen (normalt en Erlenmeyer-kolbe eller et bægerglas) nedsænkes i et isbad. Forkølelsen i dette bad ender med at favorisere væksten af ​​krystaller over kernen.

Farvestoffets krystaller vakuumfiltreres derefter, vaskes med et opløsningsmiddel, hvori det er uopløseligt og lader det tørre i et ureglas.

Krystallisationstemperatur

Temperaturen, ved hvilken krystallisation finder sted, afhænger af, hvor uopløselig det opløste stof er i opløsningsmidlet. Ligeledes afhænger det af opløsningsmidlets kogepunkt, fordi hvis det opløste stof endnu ikke er opløst ved kogetemperaturen, skyldes det, at der skal bruges et andet mere passende opløsningsmiddel.

For eksempel vil faste stoffer, der kan krystallisere i vandigt medium, gøre det, når vandet sænker sin temperatur (det vil sige fra 100 til 50 ºC), eller mens det fordamper. Hvis krystallisation finder sted ved fordampning, siges det, at den finder sted ved stuetemperatur.

På den anden side foregår krystallisationen af ​​metaller eller af nogle ioniske faste stoffer ved meget høje temperaturer, da deres smeltepunkter er meget høje, og den smeltede væske er glødende, selv når den afkøles nok til at kernet dens partikler og dyrk dine krystaller.

Krystallisationshastighed

I princippet er der to direkte måder til at kontrollere krystallisationshastigheden af ​​et fast stof: ved graden af ​​overmætning (eller overmættelse) eller ved pludselige temperaturændringer.

Grad af overmætning

Graden af ​​overmætning betyder, hvor meget overskydende opløsningsmiddel, der tvinges til at opløses ved anvendelse af varme. Derfor, jo mere overmættet opløsningen er, jo hurtigere er nucleationsprocessen, da der er større sandsynlighed for, at der dannes kerner.

Selvom krystallisation accelereres på denne måde, vil de opnåede krystaller være mindre sammenlignet med dem, der opnås med en lavere overmættelsesgrad; det vil sige, når deres vækst foretrækkes og ikke kimdannelse.

Temperaturændringer

Hvis temperaturen falder kraftigt, vil kernerne næppe have tid til at vokse og ikke kun det, men de vil også beholde et højere niveau af urenheder. Resultatet er, at selv om krystallisationen finder sted hurtigere end langsom afkøling, ender krystallernes kvalitet, størrelse og renhed med at blive lavere.

Hurtig krystallisation på grund af et pludseligt fald i temperaturen. Kilde: Gabriel Bolívar.

Billedet ovenfor tjener til at kontrastere det første. De gule prikker repræsenterer urenhederne, som på grund af den pludselige vækst af kernerne er fanget inde i dem.

Disse urenheder gør det vanskeligt at inkorporere mere lilla hexagoner, hvilket resulterer i en masse små, urene krystaller til sidst snarere end store, rene.

Applikationer

Krystallisation af is er et af de vigtigste aspekter under dets industrielle eller håndværksproduktion. Kilde: Pixabay.

Krystallisation såvel som omkrystallisation er vigtig for at opnå ren kvalitet af høj kvalitet. For den farmaceutiske industri gælder dette især, fordi deres produkter skal være så rene som muligt, ligesom konserveringsmidlerne, der anvendes i fødevareindustrien.

Derudover er nanoteknologi meget afhængig af denne proces, så de kan syntetisere nanopartikler eller nanokrystaller snarere end robuste krystalfaststoffer.

Et af de daglige eksempler, hvor krystallisation har en stor deltagelse, er i produktionen af ​​is. Hvis du ikke er forsigtig med vand, krystalliseres det i en separat fase (is) fra dets lipidindhold, hvilket påvirker dets struktur og smag; Med andre ord vil det være mere som en barberet is eller is.

Derfor skal iskrystallerne være så små som muligt, så isen er glat efter smag og berøring. Når disse iskrystaller er lidt store, kan de detekteres i lys, fordi de giver isen en frostet overflade.

Eksempler på krystallisation

Endelig nævnes nogle almindelige eksempler på krystallisation, både naturlig og kunstig:

Snefnug

Snefnug dannes gennem en naturlig krystallisationsproces. Det vides, at hver snekrystall er unik. Dette skyldes de forhold, der forekommer i den anden fase af krystallisation (vækst).

De forskellige geometriske former, som snekrystaller er til stede, skyldes de forhold, de skal udsættes for under krystalvækst.

Salt

Salt er det mest almindelige eksempel på krystallisation. Dette kan dannes både naturligt (såsom havsalt) og kunstigt (som tilfældet er med bordsalt).

Sukker

Efter salt er sukker en af ​​de mest almindelige krystaller. Det dannes gennem en række komplekse industrielle processer, hvor sukkerrørsaft tages og underkastes en kunstig krystallisationsproces.

Diamant

Diamant er en ædelsten, der dannes fra krystallisationen af ​​rent kulstof. Dette er det hårdeste materiale, der er kendt på planeten. Dens dannelse kan være naturlig, som det er tilfældet med diamanter, der findes i minedepositioner eller syntetiske.

Rubin

Ruby er en rødlig krystal, der dannes fra krystallisationen af ​​aluminiumoxid (coridon).

stalagmitter

Stalagmitter er strukturer, der kan findes i huler, specifikt i jord (vokser pegende opad). De er sammensat af calciumforbindelser og er dannet ved krystallisation af calciumsalte, der findes i vandet, der falder ned fra hulernes lofter.

Stalactites

Stalaktitter er som stalagmitter lavet af calcium og findes i huler. De adskiller sig fra sidstnævnte, fordi de hænger i lofterne. De dannes ved krystallisation af calciumsalte, der findes i vandet, der infiltrerer hulerne.

Quartz

Kvarts er en perle, der dannes fra krystallisation af kiselsyreanhydrid. Det er en af ​​de mest rigelige mineraler i klipper, og dens farve er variabel.

Peridot

Denne ædelsten er også kaldet olivin og dannes takket være krystallisationen af ​​jern og magnesium. Den er grønlig i farve og er normalt diamantformet.

silikater

Silikater er materialer skabt ved krystallisation af silica og andre elementer (jern, aluminium, calcium, magnesium). De er til stede i alle klipper.

slik

Candy fremstilles med sukkerkrystaller, så det kan siges, at to krystallisationsprocesser griber ind: den første til dannelse af sukker og den anden til dannelse af melasse.

Flødeis

Cremet is indeholder en række krystaller, der giver den den endelige glatte struktur. Blandt de krystaller, som cremet is indeholder, skiller lipidkrystaller (dannet af fedt) og iskrystaller sig ud. Det skal bemærkes, at nogle is også indeholder lactosekrystaller.

I denne forstand opnås is ved forskellige kunstige krystallisationsprocesser (en for lipider, en for is og en for lactose).

Andre

-Præparation af sukkerkrystaller omkring en tråd eller reb og en overmættet sød opløsning

-Formation af sukkerkrystaller fra honning afsat i bunden af ​​deres krukker

-Væksten af ​​nyresten, der består af essensen af ​​calciumoxalatkrystaller

-Krystallisering af mineraler, inklusive ædelstene og diamanter, gennem årene, hvis former og kanter er en afspejling af deres ordnede indre strukturer

- Afsætning af varme metaldampe på kolde stænger som understøtninger til vækst af deres krystaller.

Referencer

1. Day, R., & Underwood, A. (1989). Kvantitativ analytisk kemi. (femte udgave). PEARSON Prentice Hall.
2. Wikipedia. (2019). Krystallisation. Gendannet fra: en.wikipedia.org
3. Helmenstine, Anne Marie, ph.d. (23. maj 2019). Definition af krystallisation. Gendannes fra: thoughtco.com
4. University of Colorado. (Sf). Krystallisation. Organisk kemi. Gendannes fra: orgchemboulder.com
5. Syrris. (2019). Hvad er krystallisation? Gendannes fra: syrris.com