KRYSTALIZACE: PROCES, TYPY, PŘÍKLADY, SEPARACE - CHEMIE - 2025

Krystalizace je fyzikální proces, ve kterém se přirozeně nebo uměle krystalické pevné látky, tj uspořádaná struktura vytvořena z kapalného nebo plynného média. Liší se od srážení tím, že se vyvíjí bez přísné kontroly parametrů procesu a kromě toho, že může produkovat amorfní a želatinové pevné látky.

Cílem krystalizace, jak její název jednoduše a jasně naznačuje, je generování krystalů. Nejsou charakterizovány pouze uspořádáním, ale také čistými pevnými látkami. Proto se při syntéze pevných sloučenin snaží získat produkty o vysoce čistých krystalech, které jsou co možná nejčistší.

Krystalizace hypotetického fialového zbarveného solutu ve vodném roztoku. Zdroj: Gabriel Bolívar.

Výše uvedený obrázek ukazuje zobecněnou a hypotetickou krystalizaci fialové soluty ve vodném roztoku.

Všimněte si, že červený pruh funguje jako teploměr. Když je teplota vysoká, roztok obsahuje rozpuštěnou solutu, která zůstává za těchto podmínek rozpustná. Avšak jak teplota postupně klesá, začínají se objevovat první fialové krystaly.

Jak teplota stále klesá, krystaly porostou, aby vytvořily robustní fialové šestiúhelníky. Změna barvy roztoku svědčí o tom, že rozpuštěná látka přešla z rozpuštění do začlenění do rostoucích krystalů. Čím pomalejší krystalizace, tím čistší je získaná krystalická pevná látka.

Během tohoto procesu je třeba vzít v úvahu další proměnné: kolik rozpuštěné látky je rozpuštěno v určeném rozpouštědle, při které teplotě musí být roztok zahříván, jak dlouho musí chlazení trvat, jak je nutné uchýlit se nebo ne dále k zvukovému míchání. aspekty.

Krystalizační proces, více než složitý jev, který zahrnuje molekulární a termodynamickou dynamiku, je umění, které vyžaduje neustálé učení, pokus a omyl, dokud není zdokonalen v laboratoři nebo v průmyslu.

Proces krystalizace

Krystalizace v podstatě sestává ze dvou procesů: nukleace a růstu krystalů.

Obě fáze vždy probíhají během krystalizace, ale když první nastane rychle, druhá těžko bude mít čas na vývoj. Mezitím, pokud je nukleace pomalá, budou mít krystaly více času na růst, a proto budou mít tendenci být větší. To je situace předpokládaná na obrázku s fialovými šestiúhelníky.

Nukleace

Krystaly byly původně považovány za pevné látky s uspořádanými strukturami. Z roztoku, ve kterém je rozpuštěná látka rozpuštěná v nepořádku, se její částice musí dostat dostatečně blízko, aby jejich interakce, ať už jsou to iontové nebo Van der Wallsovy, umožňovaly usazení první skupiny částic rozpuštěné látky: shluk.

Tento shluk se může rozpouštět a znovu tvořit tolikrát, kolikrát je třeba, dokud není stabilní a krystalický. První jádro je pak řekl, aby se objevil. Pokud se jádro neobjeví z ničeho, to znamená ze samotné homogenity média během jeho ochlazování, bude to homogenní nukleace.

Na druhé straně, pokud k uvedenému jádru dojde díky povrchu poskytnutému jinou nerozpustnou pevnou částicí nebo nedokonalostem nádoby, budeme mít heterogenní nukleaci. Ten je nejrozšířenější a nejznámější, zejména když se do roztoku přidá malý krystal, dříve získaný, druhu, který chceme krystalizovat.

Krystaly se nikdy nemohou tvořit z tenkého vzduchu bez nukleace jako první.

Růst krystalů

V roztoku je stále hodně rozpuštěné rozpuštěné látky, ale koncentrace rozpuštěné látky v těchto jádrech je vyšší než v jejich okolí. Jádra fungují jako podpora pro další solutované částice, které se mají usadit a „zapadnout“ mezi jejich rostoucí struktury. Tímto způsobem se jejich geometrie udržuje a postupně roste.

Například první jádra v obrázku jsou fialové šestiúhelníky; toto je vaše geometrie. Když se částice solutu začleňují, jádra rostou na robustní hexagonální krystaly, které budou dále růst, pokud je roztok ponořen do ledové lázně.

Druhy krystalizace

To, co bylo dosud vysvětleno, spočívá v krystalizaci ochlazením rozpouštědla.

Krystalizace odstranění rozpouštědla

Jiné typy krystalizace jsou založeny na odstranění rozpouštědla odpařením, pro které není nutné použít tolik jeho objemu; to znamená, že stačí nasycení solutem a zahřát ho na přesycení a potom trochu víc, pak to nechat v klidu, takže solut konečně krystalizuje.

Krystalizace s přídavkem rozpouštědla

Podobně máme krystalizaci způsobenou přidáním rozpouštědla do směsi, ve které je rozpuštěná látka nerozpustná (antisolvent). Proto bude výhodné nukleace, protože existují mobilní a kapalné oblasti, ve kterých budou částice rozpuštěné látky koncentrovanější než v oblastech, kde je velmi rozpustná.

Krystalizace sonifikací

Na druhé straně dochází ke krystalizaci sonifikací, kde ultrazvuk vytváří a láme malé bubliny, které opět podporují nukleace, a zároveň pomáhá rovnoměrněji distribuovat velikosti krystalů.

A konečně, krystalizace z depozice par na chladných površích; to znamená, inverzní jev k sublimaci pevných látek.

Metoda krystalizační separace

Krystalizace je nezbytnou technikou při získávání pevných látek a jejich čištění. Při syntéze organických sloučenin je velmi opakující se a představuje jedno z posledních stupňů, které zaručuje čistotu a kvalitu produktu.

Příklad barviva

Předpokládejme například, že se získají krystaly barviva a že již byly filtrovány. Protože toto barvivo bylo původně získáno srážením v syntéze, jeho pevná látka vykazuje vzhled amorfní, protože má mnoho nečistot absorbovaných a zachycených mezi svými molekulárními krystaly.

Proto je rozhodnuto zahřívat rozpouštědlo, kde je barvivo mírně rozpustné, takže když se přidává, rozpouští se relativně snadno. Po rozpuštění po přidání trochu dalšího rozpouštědla se roztok oddělí od zdroje tepla a nechá se odpočívat. Jak teplota klesá, dochází k nukleace.

Krystaly barviva se tak budou tvořit a vypadat definovanější (nemusí být nutně krystalické do oka). V tomto okamžiku je nádoba (obvykle Erlenmeyerova baňka nebo kádinka) ponořena do ledové lázně. Chlazení této lázně nakonec zvýhodňuje růst krystalů nad nukleací.

Krystaly barviva se pak filtrují ve vakuu, promyjí se rozpouštědlem, ve kterém je nerozpustný, a nechají se uschnout v hodinovém skle.

Teplota krystalizace

Teplota, při které krystalizace probíhá, závisí na tom, jak je nerozpustná látka v rozpuštěném médiu. Podobně to závisí na bodu varu rozpouštědla, protože pokud se solut ještě nerozpouštěl při teplotě varu, je to proto, že se musí použít jiné vhodnější rozpouštědlo.

Například pevné látky, které mohou krystalizovat ve vodném prostředí, tak učiní, když voda sníží svou teplotu (tj. Od 100 do 50 ° C), nebo když se odpařuje. Pokud krystalizace nastane odpařením, pak se uvádí, že probíhá při teplotě místnosti.

Na druhé straně krystalizace kovů nebo některých iontových pevných látek probíhá při velmi vysokých teplotách, protože jejich teploty tání jsou velmi vysoké a roztavená kapalina je žhavá, i když je dostatečně ochlazena, aby nukleaovala své částice a pěstujte své krystaly.

Rychlost krystalizace

V zásadě existují dva přímé způsoby řízení rychlosti krystalizace pevné látky: stupněm přesycení (nebo přesycením) nebo náhlými změnami teploty.

Stupeň přesycení

Stupeň přesycení znamená, kolik přebytku rozpuštěné látky je nuceno rozpustit působením tepla. Čím více je roztok přesycen, tím rychlejší je nukleační proces, protože existuje větší pravděpodobnost, že se vytvoří jádra.

Ačkoli krystalizace je tímto způsobem urychlena, získané krystaly budou menší ve srovnání s krystaly získanými s nižším stupněm přesycení; to je, když je jejich růst upřednostňován a nikoliv nukleace.

Změny teploty

Pokud se teplota prudce sníží, jádra stěží budou mít čas na růst a nejen to, ale také si zachovají vyšší úrovně nečistot. Výsledkem je, že ačkoli krystalizace probíhá rychleji než pomalé chlazení, kvalita, velikost a čistota krystalů je nakonec nižší.

Rychlá krystalizace v důsledku náhlého poklesu teploty. Zdroj: Gabriel Bolívar.

Výše uvedený obrázek slouží k porovnání prvního. Žluté tečky představují nečistoty, které se v důsledku náhlého růstu jádra v nich zachytí.

Tyto nečistoty znesnadňují začlenění více purpurových šestiúhelníků, což má za následek spousty malých nečistých krystalů, spíše než velkých čistých.

Aplikace

Krystalizace zmrzliny je jedním z nejdůležitějších aspektů během její průmyslové nebo řemeslné výroby. Zdroj: Pixabay.

Krystalizace, stejně jako rekrystalizace, je nezbytná pro získání vysoce kvalitních, čistých pevných látek. Pro farmaceutický průmysl to platí zejména proto, že jejich výrobky musí být co nejčistší, stejně jako konzervační látky používané v potravinářském průmyslu.

Kromě toho je nanotechnologie na tomto procesu vysoce závislá, takže může syntetizovat nanočástice nebo nanokrystaly spíše než robustní krystalové pevné látky.

Jedním z každodenních příkladů, ve kterých má krystalizace velkou účast, je výroba zmrzliny. Pokud si nejste opatrní s vodou, krystalizuje v oddělené fázi (ledu) od svého obsahu lipidů, čímž ovlivňuje její strukturu a chuť; Jinými slovy, bude to spíš jako oholená zmrzlina nebo zmrzlina.

Proto by měly být ledové krystaly co nejmenší, aby zmrzlina byla hladká podle chuti a dotyku. Když jsou tyto ledové krystaly trochu velké, mohou být detekovány ve světle, protože dávají zmrzlině matný povrch.

Příklady krystalizace

Nakonec se zmíní několik běžných příkladů krystalizace, přírodních i umělých:

Sněhové vločky

Sněhové vločky se tvoří přirozeným krystalizačním procesem. Je známo, že každý sněhový krystal je jedinečný. Je to způsobeno podmínkami, které se vyskytují během druhé fáze krystalizace (růst).

Různé geometrické tvary, které sněhové krystaly představují, jsou způsobeny podmínkami, kterým musí čelit během růstu krystalů.

Sůl

Sůl je nejčastějším příkladem krystalizace. Toto může být vytvořeno jak přirozeně (jako je mořská sůl), tak uměle (jako je tomu u stolní soli).

Cukr

Po soli je cukr jedním z nejčastějších krystalů. Vytváří se prostřednictvím řady složitých průmyslových procesů, při nichž se šťáva z cukrové třtiny odebírá a podrobuje procesu umělé krystalizace.

diamant

Diamant je drahokam, který je tvořen krystalizací čistého uhlíku. Toto je nejtvrdší materiál známý na planetě. Jeho tvorba může být přirozená, jako je tomu u diamantů nalezených v těžebních ložiscích nebo syntetických.

Rubín

Ruby je načervenalý krystal, který se vytváří krystalizací oxidu hlinitého (coridon).

Stalagmity

Stalagmity jsou struktury, které se vyskytují v jeskyních, konkrétně v půdách (rostoucích směrem vzhůru). Jsou složeny ze sloučenin vápníku a jsou tvořeny krystalizací solí vápníku, které se nacházejí ve vodě, která padá ze stropů jeskyní.

Stalaktity

Stalaktity, stejně jako stalagmity, jsou vyrobeny z vápníku a nacházejí se v jeskyních. Liší se od posledně jmenovaných, protože visí na stropech. Vznikají krystalizací vápenatých solí přítomných ve vodě, která infiltruje jeskyně.

Křemen

Křemen je klenot, který se vytváří krystalizací anhydridu křemičitého. Je to jeden z nejhojnějších minerálů v horninách a jeho barva je variabilní.

Peridot

Tento drahokam, také nazývaný olivin, se vytváří díky krystalizaci železa a hořčíku. Má zelenkavou barvu a je obvykle ve tvaru kosočtverce.

Silikáty

Křemičitany jsou materiály vytvořené krystalizací oxidu křemičitého a dalších prvků (železo, hliník, vápník, hořčík). Jsou přítomny ve všech skalách.

Bonbóny

Cukroví se vyrábí z krystalů cukru, takže lze říci, že zasahuje dva krystalizační procesy: první pro tvorbu cukru a druhý pro tvorbu melasy.

Krémová zmrzlina

Krémová zmrzlina obsahuje řadu krystalů, které jí dodávají konečnou hladkou texturu. Mezi krystaly, které krémová zmrzlina obsahuje, vynikají lipidové krystaly (tvořené z tuku) a ledové krystaly. Je třeba poznamenat, že některé zmrzliny také obsahují krystaly laktózy.

V tomto smyslu se zmrzlina získává různými způsoby umělé krystalizace (jeden pro lipidy, jeden pro led a druhý pro laktózu).

Ostatní

- Příprava krystalů cukru kolem vlákna nebo provazu a přesyceného sladkého roztoku

-Formace krystalů cukru z medů uložených na dně sklenic

-Růst ledvinových kamenů, které se skládají z podstaty krystalů oxalátu vápenatého

- Krystalizace minerálů, včetně drahokamů a diamantů, v průběhu let, jejichž tvary a hrany jsou odrazem jejich uspořádaných vnitřních struktur

-Uložení par horkých kovů na studené tyčinky jako podpora růstu jejich krystalů.

Reference

1. Day, R., & Underwood, A. (1989). Kvantitativní analytická chemie. (páté vydání). PEARSON Prentice Hall.
2. Wikipedia. (2019). Krystalizace. Obnoveno z: en.wikipedia.org
3. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (23. května 2019). Definice krystalizace. Obnoveno z: thinkco.com
4. University of Colorado. (sf). Krystalizace. Organická chemie. Obnoveno z: orgchemboulder.com
5. Syrris. (2019). Co je krystalizace? Obnoveno z: syrris.com