Tikriausiai esate girdėję apie kristalus; šiuo metu jūsų mintyse greičiausiai iškilo didžiulis deimantas, ametistas arba topazas. Ir, žinoma, daugelis gerai žinomų brangakmenių priklauso šiai grupei , tačiau terminas „krištolas“ neapsiriboja juvelyrikos pasauliu.
Kristalas yra įdomaus proceso, vadinamo kristalizacija , galutinis produktas . Kristalui būdingas homogeninės kietos medžiagos, sudarytos iš „plyšių“ – dalių, esančių įvairiose plokštumose ir reguliariai kartojančių erdvėje, susidarymas. Ši vidinė ir išorinė organizacija skiria kristalą nuo amorfinės kietos medžiagos, tokios kaip stiklas.
Kas tiksliai yra kristalas?
Fizikos ir chemijos požiūriu, kristalas yra kieta medžiaga, kurios dalelės (atomai, jonai arba molekulės) yra išsidėsčiusios taisyklinga ir periodiška tvarka trijuose matmenyse. Šis pasikartojantis išsidėstymas vadinamas kristaline gardele ir yra atsakingas už daugelį stebimų makroskopinių savybių, tokių kaip blizgesys, kietumas ir išorinė geometrinė kristalo forma.
Kristalinėje kietoje medžiagoje kiekvienas erdvės, kurią užima medžiaga, taškas periodiškai kartojasi tam tikromis kryptimis. Kristalografijoje šis pasikartojimo erdvėje reiškinys vadinamas transliacija . Skirtingai nuo amorfinių kietųjų kūnų (pvz., kai kurių plastikų ar stiklo), kur tvarka išlaikoma tik labai mažais atstumais, kristalai pasižymi toliaeige tvarka, kuri tęsiasi per visą kietąją medžiagą.
Kietosios kietosios medžiagos charakteristikos
Kristalo dydis yra kintama savybė, turinti platų matmenų diapazoną. Galima rasti labai didelių kristalų , kuriuos galima išmatuoti metrais, o kitus reikia išreikšti mikronais , nes dėl mažo dydžio juos galima palyginti su mikroorganizmais, tokiais kaip bakterijos, kurie matomi tik per mikroskopą.
Kaip minėta, kristalizacijos procesų metu susidaro labai gryni produktai; todėl apibrėžime teigiama, kad kristalai yra homogeniški : tai yra, produkto sudėtis išlieka pastovi bet kuriame kietosios medžiagos tūrio taške. Tai reiškia, kad fizinės ir cheminės savybės išlieka nepakitusios visame gabale; jei dėl trikdžių pastebimas pokytis, pokytis paprastai vyksta nuosekliai visoje kristalinėje medžiagoje.
Dėl šios savybės kristalai yra vertingi produktai įvairiose srityse – nuo medžiagos kokybės vertinimo (pavyzdžiui, juvelyrikoje ir gemologijoje) iki kristalizacijos proceso naudojimo kaip medžiagų atskyrimo technikos laboratorijose ir pramonės šakose. Dėl didelio kristalinės gardelės tvarkos laipsnio priemaišos pašalinamos arba lieka mažesnėmis proporcijomis nei skystojoje fazėje, todėl galima gauti daug grynesnes kietąsias medžiagas.
Kristaliniai produktai taip pat gali būti išskirti laboratorijoje kontroliuojamų reakcijų būdu , imituojant gamtoje savaime vykstančius procesus. Vienas iš pagrindinių kontroliuojamų procesų metu gautų kristalų privalumų yra jų taisyklingesnė forma , kuri geriau atitinka tikslesnes daugiakampes formas. Tai ypač svarbu ieškant kristalų analizei, optiniams pritaikymams ar farmacijos tyrimams.
Kristale būtina atskirti paviršius, kurie sudaro tikrojo kristalo įvaizdžio dalį (morfologines charakteristikas), ir pagal jų skaičių galime laikyti pagrindines kietosios medžiagos formas. Paprastai kristalas apibrėžiamas kelių pagrindinių formų deriniu, iš kurių pagrindinės yra šios:
- Pedionas: Kristalas, sudarytas iš vienos plokščios plokštumos, be lygiaverčių simetriškai susijusių paviršių.
- Pinacoidas: Jį sudaro du paviršiai, kurie yra lygiaverčiai vienas kitam a atžvilgiu. simetrijos ašiskurie paprastai yra lygiagretūs ir priešingi.
- Sfenoidas: Du lygiaverčiai šio kietojo kūno paviršiai yra išsidėstę aplink dvejetainė ašispleišto formos formavimas.
- Prizmė: Jį sudaro homologiški paviršiai, sudarantys zoną. „Kristalo zona“ apibrėžiama kaip paviršiai, lygiagretūs tai pačiai krypčiai, atitinkantys kristalo kraštą.
Vidiniu požiūriu, kristalų struktūrą galima laikyti daugiau ar mažiau homogenine, periodine ir anizotropine medžiagos sistema (dažnai ištirpinta fazėje, kuri vėliau sukietėja kristaline tvarka), kuri įvairiuose erdvės taškuose sukuria struktūrą. Kristalas vadinamas anizotropiniu, nes jo fizikinės savybės (pvz., šilumos laidumas, šviesos sklidimo greitis ar kietumas) gali skirtis priklausomai nuo krypties, kuria jos matuojamos kietojoje medžiagoje, būtent dėl šios vidinės tvarkos.
Tarp kristalų savybių visada buvo įdomus faktas, kad kiekvienas taškas periodiškai pasikartoja medžiagos užimamoje erdvėje. Kristalografijoje reiškinys, turintis įtakos šiam veiksmui, vadinamas transliacija ir apibrėžia, kaip elementarioji ląstelė (mažiausias pasikartojantis blokas) juda erdvėje, kad sukurtų visą kristalą.
Kristalizacijos procesas ir kada jis vyksta
Kad įvyktų kristalizacija, turime pradėti nuo medžiagos, kurią galima klasifikuoti kaip kristalinę . Tai apibrėžiama tuo, kad ją sudarančios dalelės, nesvarbu, ar jos būtų atominės, molekulinės, ar joninės, kietoje būsenoje pasižymi homogeniškumu , periodiškumu ir simetrija .
Mišinių atskyrimo kontekste kristalizacija reiškia kieto kristalinio junginio susidarymą iš skystos fazės (tirpalo, lydalo arba garų). Šis procesas yra ypač naudingas valant kietus junginius , nes kristalizuota kieta medžiaga paprastai yra daug grynesnė nei pradinis mišinys. Tiesą sakant, tai laikoma vienu iš paprasčiausių ir efektyviausių medžiagų valymo laboratorijoje metodų.
Kristalizacija vyksta, kai tirpalo, lydalo ar garų fizinės ir cheminės sąlygos pasikeičia taip, kad kietoji būsena tampa stabilesnė nei pradinė. Tai atsitinka, pavyzdžiui, kai:
- Sprendimas darosi šalta lėtai ir pereina nuo normalios koncentracijos iki persotintos koncentracijos.
- Se išgarina dalį tirpiklio ir tirpalas tampa per daug koncentruotas ištirpusios medžiagos atžvilgiu.
- Se įpilkite naujo tirpiklio kuris keičia medžiagos tirpumą ir skatina jos kristalinį nusėdimą.
- Garai, kuriuose ištirpusios medžiagos garų slėgis yra aukštas tampa kietas tiesiogiai (atvirkštinė sublimacija).
Visas procesas suaktyvėja, kai tam tikru kristalinės medžiagos ar tirpalo momentu dalelės pradeda reorganizuotis. Šis etapas vadinamas branduolio susidarymu . Branduolio susidarymas gali būti savaiminis (homogeninis) arba heterogeninis , sukeltas mažų dalelių, paviršių ar net priemaišų, kurios veikia kaip kristalų „užsėklos“.
Visas šis procesas, be akivaizdaus dalelių tvarkos pasikeitimo, apima ir termodinaminių sąlygų pasikeitimą , kuris skirtas kompensuoti Gibso laisvosios energijos pokyčio sukeltus trikdžius. Šį pokytį pirmiausia žymi trys įvykiai:
- Pokytis cheminė energija sistemos, susijusios su molekulių perėjimu iš ištirpusios fazės į sutvarkytą kietąją medžiagą.
- A sukūrimas sąsaja tarp branduolio susidarymo zonos ir likusios homogeninės fazės (skystos, dujinės arba išlydytos).
- La tūrio ir formos kitimas Šis procesas apima įtampą ir struktūrinius pokyčius.
Kitas etapas prasideda, kai stabilizuojasi pagrindinė branduolio struktūra. Kitas žingsnis yra logiškas ir nuspėjamas: nusistovėjus pagrindinei struktūrai, prasideda augimo procesas , kurio metu keičiasi branduolio matmenys. Palaipsniui dėl šio padidėjimo susidaro aiškiai apibrėžti paviršiai, kol kristalas įgyja aiškiai pastebimą kristalinį įvaizdį.
Kristalų augimo mechanizmas
Volmerio teorija paaiškina, kaip vyksta kristalų augimas, teigdama, kad aplink pagrindinę struktūrą, susidarančią dėl kristalinės medžiagos branduolio susidarymo, susidaro absorbcijos sluoksnis . Šis sluoksnis veikia kaip sąsaja ir, be to, skatina dalelių migraciją aplink jį, judant lygiagrečiai paviršiui. Šio proceso rezultatas yra dvimatė, plokštumoje apibrėžta struktūra.
Savo ruožtu Kossel ir Stranski nustatė, kad jonui arba molekulei pritvirtinti prie šio sluoksnio paviršiaus reikia mechaninio darbo ir kad šis darbas priklauso nuo jo padėties. Pavyzdžiui, kraštinės arba kampinės vietos paprastai yra energetiškai palankesnės naujų dalelių įterpimui, todėl augimas nėra vienodas visame paviršiuje.
Norint sukurti modelį, apibrėžiantį kristalų augimą, reikia numatyti soties zonas , kuriose stebimas didesnis pokyčių greitis (vietinės persisotinimo zonos). Tai rodo, kad kristalų augimas vyksta vienas po kito einančiais sluoksniais , kurie yra sukrauti ant jau susiformavusios gardelės. Šiems sluoksniams augant ir tampant labiau sutvarkytiems, priemaišos linkusios būti pašalinamos iš gerai sutvarkytos kristalinės struktūros.
Idealiomis laboratorinėmis sąlygomis lėtas tirpalo aušinimas arba kruopštus garavimo reguliavimas leidžia palaipsniui ir tvarkingai augti, todėl kristalinė gardelė formuojasi neįkalindama per daug priemaišų. Jei aušinimas arba sąlygų pasikeitimas yra per greitas, gardelė formuojasi labiau netvarkingai, o priemaišos gali įstrigti kristalo viduje, sumažindamos jo grynumą.
Šis dinamiškas kristalizacijos pobūdis reiškia, kad net ir kristalui augant, palaikoma pusiausvyra tarp molekulių, kurios patenka į kristalinę gardelę, ir molekulių, kurios grįžta į tirpalą. Todėl kristalizacija laikoma procesu, labai priklausomu nuo temperatūros, koncentracijos, maišymo ir laiko.
Kristalizacija kaip mišinių atskyrimo mechanizmas
Kadangi kristalai susidaro iš homogeninių medžiagų, jų naudojimas kaip selektyvaus medžiagų atskyrimo metodas tapo plačiai paplitęs. Chemijoje ir pramonėje jie pirmiausia taikomi kietosioms medžiagoms, sumaišytoms su priemaišomis, valyti, pasinaudojant skirtingų rūšių tirpumo ir stabilumo skirtumais .
Praktiškai kristalizacija kaip atskyrimo metodas susideda iš kristalinės kietos medžiagos gavimo iš tirpalo arba mišinio, kuriame yra pagrindinė ištirpusi medžiaga ir jos priemaišos. Tirpiklis arba tirpiklių mišinys parenkamas atsižvelgiant į kietos medžiagos ir priemaišų tirpumą . Idealiu atveju randamas tirpiklis, kuriame norimas junginys labai gerai tirpsta karštame vandenyje ir mažai tirpsta šaltame vandenyje, o priemaišos lengvai atskiriamos filtruojant arba lieka ištirpusios.
Laboratorijoje tipiškas kristalizacijos procesas kaip atskyrimas apima kelis susijusius etapus:
- atlikti tirpumo testai norint rasti tinkamą tirpiklį.
- Ištirpinkite nešvarią kietąją medžiagą mažiausia įmanoma suma karšto tirpiklio, kol gaunamas sotus tirpalas.
- Pašalinkite netirpias daleles filtravimas ir, jei reikia, naudokite aktyvuotą anglį spalvotoms priemaišoms ar drumstumui pašalinti.
- Leisti a lėtas aušinimas kad susidarytų persisotinimas ir prasidėtų norimos ištirpusios medžiagos kristalizacija.
- Atskirkite susidariusius kristalus vakuuminis filtravimas arba dekantuojant, ir tinkamai juos išdžiovinkite.
Kai procesas baigtas, gautų kristalų grynumą galima patikrinti matuojant jų lydymosi temperatūrą (gryna kieta medžiaga paprastai lydosi labai siaurame temperatūrų diapazone) arba naudojant analitinius metodus, tokius kaip plonasluoksnė chromatografija. Jei grynumas nepakankamas, kristalizacijos procesą galima pakartoti vieną ar kelis kartus.
Iš įvairių kristalizacijos metodų toliau paaiškinami tie, kurie plačiausiai naudojami tiek laboratorijoje, tiek pramonėje:
- Naujo tirpiklio pridėjimas: Jei žinome produktų, su kuriais dirbame, pobūdį, galime taikyti šį metodą, kuris iš esmės susideda iš naujo tirpiklio, kuris sąveikauja su tirpikliu, kuriame yra panardinta norima kristalizuoti ištirpusi medžiaga, pridėjimo. Kai naujas tirpiklis selektyviai pakeičia tirpumą, ištirpusi medžiaga nusėda, pradėdama kristalizacijos procesą.
- Aušinimas iki didelių ištirpusių medžiagų koncentracijos: Kai gauname labai koncentruotą tirpalą, paruoštą aukštoje temperatūroje, ir jį aušiname, gauname tokią būseną viršsotinimaskur ištirpsta didesnis kiekis ištirpusios medžiagos, nei tirpiklis gali priimti naujomis temperatūros sąlygomis. Jei temperatūros mažinimo procesas vykdomas kontroliuojamai, galime paveikti stiklo dydis ir kokybė kad mes gausime.
- Sublimacija: Šis metodas gali būti taikomas tik kristaliniams junginiams, kurie pasižymi didelis garų slėgisTaigi, transformacijai iš dujinės į kietą fazę nereikia praeiti lydymosi temperatūros. Tai naudinga valant kietas medžiagas, tokias kaip jodas, naftalenas arba kai kurios aromatinės organinės medžiagos.
Kristalizacija naudojama komponentams atskirti iš homogeninių mišinių . Pavyzdžiui, jūros vanduo gali būti kontroliuojamai garinamas ir aušinamas, siekiant gauti santykinai grynus stalo druskos kristalus. Ji taip pat taikoma tokioms medžiagoms kaip alūnas, cukrus, benzenkarboksirūgštis ir daugeliui organinių junginių, naudojamų cheminėje ir farmacinėje sintezėje.
Daugeliu atvejų šis metodas turi aiškių pranašumų, palyginti su paprastu garinimu: jis leidžia geriau kontroliuoti dalelių dydį, pasiekia didesnį grynumą ir gali pašalinti tirpias priemaišas, kurios liktų liekanose, jei tirpiklis tiesiog būtų leidžiamas nekontroliuojamai išgaruoti.
Ar kristalizacija yra fizikinis, ar cheminis procesas?
Kristalizacija suprantama kaip fizikinis kietėjimo ir tvarkos procesas kristalinių junginių susidarymo ir augimo metu. Viso proceso metu ištirpusios medžiagos cheminė prigimtis nekinta; keičiasi tik jos agregatinė būsena ir dalelių išsidėstymo erdvėje būdas.
Kristalizacija nesukuria naujų medžiagų; ji apima tik esamų molekulių pertvarkymą, lydimą fizinių savybių, tokių kaip tankis, kietumas, lydymosi temperatūra ir išorinė išvaizda, pokyčių. Dėl šios priežasties ji klasifikuojama kaip fizikinė transformacija , nors ją reglamentuoja termodinaminiai ir kinetiniai chemijos dėsniai.
Šis fizikinis ir dinamiškas pobūdis, kartu su būtinų nustatymų paprastumu, kristalizaciją daro vienu iš prieinamiausių ir efektyviausių kietųjų junginių valymo laboratorijoje būdų, taip pat pagrindiniu įrankiu didelio masto pramoniniuose procesuose.
Kristalizacijos panaudojimas, privalumai ir pavyzdžiai
Kristalizacija daugiausia naudojama tam tikrų medžiagų gryniems kristalams gauti iš nešvarių mišinių. Svarbiausi jos taikymo būdai:
- Druskų ir mineralų valymas: Klasikinis atvejis yra gavimas Valgomoji druska iš jūros vandens arba sūrymių. Garinant ir kristalizuojant natrio chloridas yra atskiriamas nuo kitų priemaišų.
- Maisto pramone: Cukrūs, druskos ir kitos kietos medžiagos kristalizuojamos, kad pagerėtų jų savybės. stabilumas, tvarkymas ir išsaugojimasPavyzdžiui, laikant medų, jis gali kristalizuotis, todėl įgauna tvirtą tekstūrą neprarasdamas savo savybių.
- Vaistų pramonė: Kristalizacija naudojama kaip atskyrimo ir gryninimo metodas dirbant su sintezė ir izoliacija veikliųjų farmacinių ingredientų (API), kokristalų, polimorfinių formų arba chiralinių izomerų atskyrimo. Gauta kristalinė forma gali turėti įtakos tirpumas ir biologinis prieinamumas vaisto.
- Mineralų ir uolienų susidarymas: Daug magminių ir metamorfinių uolienų susidaro iš lėta kristalizacija iš magmos arba hidroterminių tirpalų, iš kurių susidaro mineralai ir brangakmeniai, turintys didelę estetinę ir mokslinę vertę.
- Natūralus fenomenas: Los snaigės Tai šešiakampės struktūros ledo kristalai. Nors jie visi turi tą pačią pagrindinę geometrinę formą, dėl temperatūros ir drėgmės kiekvienas sniego kristalas auga unikaliai, todėl susidaro nepakartojamos struktūros.
- Speleotemų susidarymas: Stalaktitai ir stalagmitai urvuose susidaro kristalizuojantis mineralams (pvz., kalcitui) iš lėtai nusėdusių druskomis prisotintų vandens lašų.
Tarp pagrindinių kristalizacijos, kaip atskyrimo metodo, privalumų išsiskiria šie:
- Tai leidžia jums gauti produktų iš didelio grynumo, dėl priemaišų atmetimo tvarkingoje kristalinėje gardelėje.
- Susidarę kristalai paprastai yra sausos prekės kuriuos galima supakuoti ir sandėliuoti tiesiogiai vartojimui arba tolesniam perdirbimui.
- Reikia a vidutinio energijos suvartojimo ir jam ne visada reikalinga itin aukšta temperatūra, todėl jis yra efektyvus ir tvarus.
- Tai yra procedūra universalus, taikomas įvairioms medžiagoms, turinčioms skirtingus tirpumo intervalus ir lydymosi temperatūras.
Kasdieniai kristalizacijos procesų rezultatų pavyzdžiai: ledo kubelių ir sniego susidarymas iš vandens; laikomo medaus kristalizacija; cukraus kristalų atsiradimas saldainiuose ar saldainiuose; mineralų ir speleotemų susidarymas; ir, žinoma, brangakmenių ir brangakmenių sukūrimas Žemės plutoje.
Kristalizaciją taip pat galima stebėti atliekant paprastus eksperimentus namuose ar klasėje, pavyzdžiui, druskos kristalų augimą ant vamzdžių valiklių ar kartono, panardinto į persotintus druskos tirpalus. Paliekant tirpalą nepaliestą ir leidžiant vandeniui lėtai išgaruoti, druskos jonai susiorganizuoja ir sudaro matomas kristalines struktūras, vizualiai parodydami, kaip temperatūra, koncentracija ir laikas veikia procesą.
Supratimas, kaip ir kada vyksta kristalizacijos procesai, leidžia mums jais pasinaudoti technologiniuose ir pramoniniuose kontekstuose, taip pat švietimo ir mokslo informavimo veikloje, ir padeda geriau interpretuoti daugybę gamtos reiškinių, kurie mus supa kasdien.