Kristallisasie is die (natuurlike of kunsmatige) proses waardeur 'n vaste stof gevorm word, waar die atome of molekules hoogs georganiseer is in 'n kristalstruktuur. Sommige van die maniere waarop kristalle vorm is ontketening van 'n oplossing, vries, of meer selde afsetting direk vanaf 'n gas. Eienskappe van die resulterende kristal hang grootliks af van faktore soos temperatuur, lugdruk, en in die geval van vloeibare kristalle, tyd van verdamping van vloeistof.
Kristallisasie vind in twee hoofstappe plaas. Die eerste is kernvorming, die voorkoms van 'n kristallyne fase van óf 'n supergekoelde vloeistof óf 'n oorversadigde oplosmiddel. Die tweede stap staan bekend as kristalgroei, wat die toename in deeltjiesgrootte is en lei tot 'n kristaltoestand. 'n Belangrike kenmerk van hierdie stap is dat los deeltjies lae op die oppervlak van die kristal vorm en hulself oopmaak in oop teenstrydighede soos porieë, krake, ensovoorts.
Die meerderheid minerale en organiese molekules kristalliseer maklik en die gevolglike kristalle is oor die algemeen van goeie gehalte, dit wil sê sonder sigbare defekte. Groot biochemiese deeltjies, soos proteïene, is egter moeilik om te kristalliseer. Die gemak waarmee molekules sterk kristalliseer, hang af van die intensiteit van die atoomkragte (in die geval van minerale stowwe), intermolekulêre kragte (organiese en biochemiese stowwe) of intramolekulêre kragte (biochemiese stowwe).
Kristallisasie is ook 'n chemiese skeidingstegniek vir vaste-vloeistof, waarin massa-oordrag van 'n opgeloste stof vanaf die vloeistofoplossing na 'n suiwer, vaste kristallyne fase plaasvind. In chemiese ingenieurswese vind kristallisasie plaas in 'n kristallisator. Kristallisasie hou dus verband met neerslag, hoewel die resultaat nie amorf of ongestoord is nie, maar 'n kristal.
Proses duimnael|Tydsverloop van die groei van 'n sitroensuurkristal. Die video beslaan 'n oppervlakte van 2,0 by 1,5 mm en is oor 7,2 minute opgeneem. Die kristallisasieproses bestaan uit twee belangrike gebeurtenisse, kernvorming en kristalgroei, wat deur termodinamiese eienskappe sowel as chemiese eienskappe gedryf word. In kristallisasie is kernkrag die stap waar die opgeloste molekules of atome wat in die oplosmiddel versprei is, op mikroskopiese skaal (in verhoogde konsentrasie van opgeloste stowwe in 'n klein streek) in trosse begin versamel, wat onder die huidige werkstoestande stabiel word. Hierdie stabiele groepe vorm die kerne. Daarom moet die trosse 'n kritieke grootte bereik om stabiele kerne te word. So 'n kritieke grootte word bepaal deur baie verskillende faktore (temperatuur, oorversadiging, ens.) Die atome of molekules is op die stadium van kernvorming op 'n gedefinieerde en periodieke manier gerangskik wat die kristalstruktuur definieer. Let daarop dat 'kristalstruktuur' 'n spesiale term is wat verwys na die relatiewe rangskikking van die atome of molekules, nie die makroskopiese eienskappe van die kristal (grootte en vorm), hoewel dit die resultaat is van die interne kristalstruktuur.
Die kristalgroei is die daaropvolgende toename in grootte van die kerne wat daarin slaag om die kritieke groeperingsgrootte te bereik. Kristalgroei is 'n dinamiese proses wat in ewewig plaasvind waar opgeloste molekules of atome uit die oplossing neerslag vind en oplos in oplossing. Oorversadigheid is een van die dryfkragte van kristallisasie, aangesien die oplosbaarheid van 'n spesie 'n ewewigsproses is, gekwantifiseer deur Ksp. Afhangend van die toestande, kan die kern of die groei oorheersend wees teenoor die ander, wat die kristalgrootte bepaal.
Baie verbindings het die vermoë om te kristalliseer met sommige met verskillende kristalstrukture, 'n verskynsel wat polimorfisme genoem word. Sekere polimorfe kan metastabiel wees, wat beteken dat, hoewel dit nie in termodinamiese ewewig is nie, dit kineties stabiel is en 'n mate van energie benodig om 'n transformasie na die ewewigfase te bewerkstellig. Elke polimorf is in werklikheid 'n verskillende termodinamiese vaste toestand en kristal-polimorfe van dieselfde verbinding het verskillende fisiese eienskappe, soos die oplosingsnelheid, vorm (hoeke tussen fasette en fasetgroeitempo), smeltpunt, ens. Om hierdie rede is polimorfisme van groot belang in die industriële vervaardiging van kristallyne produkte. Daarbenewens kan kristalfases soms deur verskillende faktore soos temperatuur, soos in die transformasie van anatase na rutielfases van titaniumdioksied, omgeskakel word.
In die natuur duimnael| Sneeuvlokkies is 'n baie bekende voorbeeld, waar subtiele verskille in kristalgroeitoestande verskillende geometrieë tot gevolg het. duimnael| Gekristalliseerde heuning Daar is baie voorbeelde van natuurlike prosesse wat kristallisasie behels.
Voorbeelde van geologiese tydskaalproses sluit in:
Natuurlike (minerale) kristalvorming (sien ook edelsteen); Stalaktiet/stalagmiet, vorming van ringe;
Voorbeelde van menslike tydskaalproses sluit in:
Sneeuvlokkievorming; Heuningkristallisasie (bykans alle soorte heuning kristalliseer).
Metodes Kristalvorming kan in twee soorte verdeel word, waar die eerste tipe kristalle bestaan uit 'n katioon en anioon, ook bekend as 'n sout, soos natriumasetaat. Die tweede tipe kristalle bestaan uit onaangedrewe spesies, byvoorbeeld mentol.
Kristalvorming kan op verskillende maniere bewerkstellig word, soos: afkoeling, verdamping, byvoeging van 'n tweede oplosmiddel om die oplosbaarheid van die opgeloste stof (tegniek bekend as antisolvent), oplosmiddel op lae, sublimasie, die katioon of anioon te verander, sowel as ander metodes.
Die vorming van 'n oorversadigde oplossing waarborg nie kristalvorming nie, en 'n saadkristal of krabbel van die glas is dikwels nodig om kernvormingsplekke te vorm.
'n Tipiese laboratoriumtegniek vir kristalvorming is om die vastestof op te los in 'n oplossing waarin dit gedeeltelik oplosbaar is, meestal by hoë temperature om oorversadiging te verkry. Die warm mengsel word dan gefiltreer om onoplosbare onsuiwerhede te verwyder. Laat die filtraat stadig afkoel. Kristalle wat vorm word dan gefiltreer en gewas met 'n oplosmiddel waarin dit nie oplosbaar is nie, maar met die moeder drank mengbaar is. Die proses word dan herhaal om die suiwerheid te verhoog met 'n tegniek bekend as herkristallisasie.
Vir biologiese molekules waarin die oplosmiddelkanale steeds aanwesig is om die driedimensionele struktuur ongeskonde te hou, was mikro-groepkristallisasie onder olie- en dampdiffusie metodes die algemene metodes.
Tipiese toerusting Toerusting vir die belangrikste industriële prosesse vir kristallisasie.
Tenk kristalliseerders. Tenk kristallisasie is 'n ou metode wat nog steeds in sommige gespesialiseerde gevalle gebruik word. Versadigde oplossings, in die tenk kristallisasie, word toegelaat om in oop tenks af te koel. Na 'n periode word die moeder drank gedreineer en die kristalle verwyder. Kernkrag en die grootte van kristalle is moeilik om te beheer. Normaalweg is arbeidskoste baie hoog.
Termodinamiese uitsig regs|duimnael|666x666px| SEM- vergrotingsreeks vir lae temperatuur vir 'n sneeukristal. Die kristalle word vasgevang, opgeberg en met platinum bedek met 'n strooi vir kriptemperature vir beelding. Dit lyk asof die kristallisasieproses die tweede beginsel van termodinamika oortree. Terwyl die meeste prosesse wat meer ordelike resultate lewer, verkry word deur hitte toe te pas, vorm kristalle gewoonlik by laer temperature — veral deur superafkoeling. Weens die vrystelling van die smeltwarmte tydens kristallisasie neem die entropie van die heelal toe, en hierdie beginsel bly dus onveranderd.
Wanneer die molekules binne 'n suiwer, perfekte kristal verhit word deur 'n eksterne bron, sal dit vloeibaar word. Dit vind plaas by 'n skerp gedefinieerde temperatuur (anders vir elke kristal tipe). Terwyl dit likwideer, val die ingewikkelde argitektuur van die kristal in duie. Smelting vind plaas omdat die entropie (S) toename in die stelsel deur ruimtelike ewekansigheid van die molekules die entalpie (H) verlies te bowe gekom het as gevolg van die breek van die kristaldrukkragte:
Wat die kristalle betref, is daar geen uitsonderings op hierdie reël nie. Net so, as die gesmelte kristal afgekoel word, sal die molekules na hul kristalvorm terugkeer sodra die temperatuur verby die draaipunt val. Dit is omdat die termiese ewekansigheid van die omgewing die verlies aan entropie kompenseer as gevolg van die herorganisering van molekules in die stelsel. Sulke vloeistowwe wat kristal wanneer dit verkoel, is die uitsondering eerder as die reël.
Die aard van 'n kristallisasieproses word beheer deur termodinamiese en kinetiese faktore, wat dit baie veranderlik en moeilik beheerbaar kan maak. Faktore soos onsuiwerheidsvlak, mengregime, vaartuigontwerp en verkoelingsprofiel kan 'n groot impak hê op die grootte, aantal en vorm van geproduseerde kristalle.
Dinamika Soos hierbo genoem, word 'n kristal gevorm volgens 'n goed gedefinieerde patroon, of struktuur, gedikteer deur kragte wat op molekulêre vlak inwerk. Gevolglik is die kristal tydens die vormingsproses in 'n omgewing waar die opgeloste konsentrasie 'n sekere kritieke waarde bereik voordat dit van status verander word. Vaste vorming, onmoontlik onder die oplosbaarheidsdrempel by die gegewe temperatuur- en drukomstandighede, kan dan plaasvind teen 'n hoër konsentrasie as die teoretiese oplosbaarheidsvlak. Die verskil tussen die werklike waarde van die opgeloste konsentrasie by die kristalisasiegrens en die teoretiese (statiese) oplosbaarheidsdrempel, word oorversadiging genoem en is 'n fundamentele faktor in kristallisasie.
Kernvorming Kern is die inisiëring van 'n faseverandering in 'n klein gebied, soos die vorming van 'n soliede kristal uit 'n vloeibare oplossing. Dit is 'n gevolg van vinnige plaaslike skommelinge op molekulêre skaal in 'n homogene fase wat in 'n metastabiele ewewig is. Totale kernvorming is die somtotaal van twee kategorieë van kernvorming: primêr en sekondêr.
Primêre kernvorming Primêre kernvorming is die aanvanklike vorming van 'n kristal waar geen ander kristalle teenwoordig is nie, of as hulle kristalle in die stelsel teenwoordig is, dit geen invloed op die proses het nie. Dit kan in twee toestande voorkom. Die eerste is homogene kernvorming, wat kernvorming is wat nie op enige manier deur vaste stowwe beïnvloed word nie. Hierdie vaste stowwe bevat die mure van die kristalisatievat en deeltjies van enige vreemde stof. Die tweede kategorie is dus heterogene kernvorming. Dit kom voor wanneer vaste deeltjies van vreemde stowwe 'n toename in die tempo van kernkrag veroorsaak wat andersins nie gesien sou word sonder die bestaan van hierdie vreemde deeltjies nie. Homogene kernvorming kom selde in die praktyk voor as gevolg van die hoë energie wat nodig is om met kernvorming te begin sonder 'n soliede oppervlak om die kernkatalisasie te kataliseer.
Primêre kernvorming (beide homogeen en heterogeen) is gemodelleer met die volgende: Tavare, N. S. (1995). Industrial Crystallization. Plenum Press, New York.
waar
B is die aantal kerne wat gevorm word per volume eenheid per tydseenheid, N is die aantal kerne per volume-eenheid, kn is 'n konstante tempo, c is die oombliklike konsentrasie van opgeloste stowwe, c * is die opgeloste konsentrasie by versadiging, ( c - c * ) staan ook bekend as oorversadiging, n is 'n empiriese eksponent wat tot 10 kan wees, maar oor die algemeen tussen 3 en 4 strek.
Sekondêre kernvorming