KRISTÁLYOSÍTÁS: ELJÁRÁS, TÍPUSOK, PÉLDÁK, SZÉTVÁLASZTÁS - KÉMIA - 2026

A kristályosítás egy fizikai folyamat, amelynek során természetesen vagy mesterségesen egy kristályos szilárd anyag, azaz rendezett szerkezet alakul ki folyékony vagy gáznemű közegből. A kicsapódástól abban különbözik, hogy ez utóbbi a folyamat paramétereinek szigorú ellenőrzése nélkül fejlődik ki, valamint amorf és zselatin szilárd anyag előállítására.

A kristályosodás célja, amint a neve egyszerűen és érthetően jelzi, kristályok előállítása. Ezeket nemcsak a rendben tartás, hanem a tiszta szilárd anyag jellemzi. Ezért a szilárd vegyületek szintézisében arra törekszenek, hogy olyan magas tisztaságú, kristályos termékeket nyerjenek, amelyek a lehető legtisztábbak.

A feltételezett lila színű oldott anyag kristályosítása vizes oldatban. Forrás: Gabriel Bolívar.

A fenti ábra egy lila oldott anyag vizes oldatban végzett általános és hipotetikus kristályosodását mutatja.

Vegye figyelembe, hogy a piros sáv hőmérőként működik. Ha a hőmérséklet magas, az oldat tartalmazza az oldott oldott anyagot, amely ilyen körülmények között oldódik. A hőmérséklet fokozatos csökkenésekor azonban az első lila kristályok megjelennek.

Amint a hőmérséklet folyamatosan csökken, a kristályok mérete növekszik és robusztus, lila hatszög alakul ki. Az oldat színének megváltozása azt jelzi, hogy az oldott anyag feloldódásától a növekvő kristályokba való beépítéséig tartott. Minél lassabb a kristályosodás, annál tisztább lesz a kristályos szilárd anyag.

Vannak más változók is, amelyeket figyelembe kell venni ennek a folyamatnak a során: mennyi oldott anyag oldódik az adott oldószerben, milyen hőmérsékleten kell melegíteni, mennyi ideig kell tartani a hűtést, mennyire szükséges többek között a hangos keverés. szempontokat.

A kristályosítási folyamat, nem csupán egy komplex jelenség, amely magában foglalja a molekuláris és termodinamikai dinamikát, olyan művészet, amely folyamatos tanulást, kísérleteket és hibákat igényel, mindaddig, amíg a laboratóriumban vagy az iparban nem tökéletesül.

Kristályosítási folyamat

A kristályosodás alapvetően két folyamatból áll: nukleáció és kristálynövekedés.

Mindkét szakasz mindig a kristályosodás során megy végbe, de amikor az első gyorsan megtörténik, a másodiknak alig lesz ideje fejlődni. Eközben, ha a magképződés lassú, a kristályoknak több idejük lesz növekedni, és ezért nagyobb lesz. Ez utóbbi a helyzet, amelyet a képen a lila hatszögekkel feltételezünk.

nukleálását

A kristályokat eredetileg szilárd anyagnak mondták, rendezett szerkezettel. Az oldatból, ahol az oldott anyag diszpergálódik rendellenességben, részecskéinek elég közel kell lennie ahhoz, hogy kölcsönhatásuk - legyen szó akár ionos, akár Van der Walls típusú - lehetővé teszi az oldott részecskék első csoportjának: a klaszternek a rendeződését.

Ez a klaszter feloldódhat és annyiszor formálódhat, amennyire szükséges, amíg stabil és kristályos nem lesz. Azt mondják, hogy az első mag megjelent. Ha a sejt semmiből, azaz a közeg nagyon homogén jellegéből fakad, annak hűtésekor, akkor homogén magképződés lesz.

Másrészről, ha az említett mag egy másik oldhatatlan szilárd részecske által biztosított felületnek vagy a tartály hiányosságainak köszönhetően zajlik, akkor heterogén nukleáció alakul ki. Ez utóbbi a legszélesebb körben alkalmazott és ismert, különösen, ha az oldathoz hozzáadunk egy apró, korábban előállított kristályt azokból a fajokból, amelyeket ki akarja kristályosítani.

A kristályok soha nem alakulhatnak ki a vékony levegőből anélkül, hogy előbb magképződne.

Kristálynövekedés

Még mindig sok oldott oldott anyag van az oldatban, de az oldott anyag koncentrációja ezekben a magokban magasabb, mint a környezetükben. A magok támogatják az oldódó részecskék elhelyezkedését és "illeszkedését" növekvő struktúráik között. Ily módon megőrzik és fokozatosan növekszik geometriájuk.

Például, a kép első magjai lila hatszögek; ez a geometria. Az oldott részecskék beépülésekor a magok robusztus hatszögletű kristályokká alakulnak, amelyek tovább növekednek, ha az oldatot jégfürdőbe merítik.

A kristályosodás típusai

Ami eddig magyarázott, az az oldószer lehűtésével végzett kristályosításból áll.

Oldószer eltávolítási kristályosítás

Más típusú kristályosodás az oldószer elpárologtatással történő eltávolításán alapszik, amelyhez nem szükséges annyi térfogatot felhasználni; vagyis elég, ha csak telített anyaggal telíti és melegíti, hogy túlteljen, majd egy kicsit tovább hagyja nyugtatni, hogy az oldott anyag végül kikristályosodjon.

Oldószer hozzáadása kristályosítása

Hasonlóképpen, mi a kristályosodás, amelyet egy oldószer hozzáadásával adunk az elegyhez, amelyben az oldott anyag oldhatatlan (anti-oldószer). Ezért a nukleizáció előnyben részesül, mivel vannak mozgó és folyékony régiók, ahol az oldott részecskék nagyobb koncentrációban vannak, mint azokban, ahol nagyon jól oldódik.

Kristályosítás ultrahanggal

Másrészt ultrahanggal történő kristályosodás következik be, ahol az ultrahang kis buborékokat generál és elbont, amelyek ismét elősegítik a magképződést, ugyanakkor elősegíti a kristályméret egyenletesebb eloszlását.

És végül: kristályosodás következik be a gőzlerakódás révén a hideg felületekre; vagyis a szilárd anyagok szublimációjára fordított jelenség.

Kristályosítási elválasztási módszer

A kristályosítás elengedhetetlen módszer szilárd anyagok előállításához és tisztításához. Nagyon ismétlődő a szerves vegyületek szintézisében, és a termék tisztaságának és minőségének garantálásának egyik utolsó lépése.

Példa a festékre

Tegyük fel például, hogy egy festékkristályokat kapunk, és azokat már szűrtünk. Mivel ezt a festéket eredetileg egy szintézisben történő kicsapással nyerik, a szilárd anyag amorfnak tűnik, mivel sok szennyeződést abszorbeált és befogott molekuláris kristályai közé.

Ezért úgy döntöttek, hogy az oldószert melegítik ott, ahol a festék enyhén oldódik, oly módon, hogy hozzáadása esetén viszonylag könnyen oldódik. Miután feloldottuk egy kevés további oldószert, az oldatot elválasztottuk a hőforrástól és hagytuk pihenni. A hőmérséklet csökkenésével a magképződés megtörténik.

Így a festékkristályok kialakulnak és jobban definiáltak (nem feltétlenül kristályosak a szem számára). Ebben a pillanatban a tartályt (általában Erlenmeyer-lombikot vagy főzőpoharat) merítik egy jégfürdőbe. Ennek a fürdőnek a hidegje a kristályoknak a magképződés feletti növekedését támogatja.

A festék kristályait ezután vákuumban leszűrjük, oldhatatlan oldószerrel mossuk, amelyben oldhatatlan, és az óraüvegben hagyjuk megszáradni.

Kristályosodási hőmérséklet

A kristályosodás hőmérséklete attól függ, hogy az oldott anyag mennyire oldhatatlan az oldószer közegben. Hasonlóképpen, az az oldószer forráspontjától függ, mert ha az oldott anyag még nem oldódott fel a forrás hőmérsékleten, az az oka, hogy másik megfelelőbb oldószert kell használni.

Például a szilárd anyagok, amelyek kristályosodhatnak a vizes közegben, akkor ezt teszik, amikor a víz csökkenti a hőmérsékletét (azaz 100-50 ° C-ra), vagy amíg elpárolog. Ha a kristályosodás bepárlással történik, akkor azt állítják, hogy szobahőmérsékleten zajlik.

Másrészről, a fémek vagy néhány ionos szilárd anyag kristályosodása nagyon magas hőmérsékleten megy végbe, mivel olvadáspontjuk nagyon magas, és az olvadt folyadék izzó, még akkor is, ha elegendően lehűtött ahhoz, hogy részecskéinek nukleáris képződjön. növekszik a kristályok.

Kristályosodási sebesség

A szilárd anyag kristályosodásának sebességét alapvetően kétféle módon lehet szabályozni: a túltelítettség (vagy a túltelítettség) mértékével vagy a hirtelen hőmérséklet-változásokkal.

A túltelítettség mértéke

A túltelítettség mértéke azt jelenti, hogy mekkora mennyiségű oldott anyag oldódik fel hő alkalmazásával. Ezért minél telítebb az oldat, annál gyorsabb a nukleizációs folyamat, mivel nagyobb a valószínűsége, hogy a magok kialakulnak.

Bár a kristályosodást ilyen módon felgyorsítják, a kapott kristályok kisebbek lesznek, mint az alacsonyabb túltelítettséggel kapott kristályok; vagyis amikor növekedésük kedvező, és nem magképződés.

Hőmérséklet változások

Ha a hőmérsékletet hirtelen csökkentik, akkor a magoknak alig lesz idejük növekedni, és nem csak ez, hanem magasabb szintű szennyeződéseket is megtartanak. Az eredmény: bár a kristályosodás gyorsabb, mint a lassú hűtés, a kristályok minősége, mérete és tisztasága végül alacsonyabb.

Gyors kristályosodás a hőmérséklet hirtelen csökkenése miatt. Forrás: Gabriel Bolívar.

A fenti kép ellentétben áll az elsővel. A sárga pontok a szennyeződéseket képviselik, amelyek a magok hirtelen növekedése miatt beragadnak bennük.

Ezek a szennyeződések megnehezítik a több lila hatszög beillesztését, ami végül sok kicsi, szennyezett kristályt eredményez, nem pedig nagy, tiszta.

Alkalmazások

A fagylalt kristályosodása az ipari vagy kézműves gyártás során az egyik legfontosabb szempont. Forrás: Pixabay.

A kristályosodás és az átkristályosítás elengedhetetlen a jó minőségű, tiszta szilárd anyagok előállításához. A gyógyszeripar számára ez különösen igaz, mivel termékeiknek a lehető legtisztábbnak kell lenniük, csakúgy, mint az élelmiszeriparban használt tartósítószereknek.

Ezenkívül a nanotechnológia nagymértékben függ ettől a folyamattól, így robusztus kristályos szilárd anyagok helyett nanorészecskéket vagy nanokristályokat szintetizálhatnak.

Az egyik mindennapi példa, amelyben a kristályosodás nagyban részt vesz, a fagylalt előállítása. Ha nem óvatos a vízzel, akkor külön fázisban (jégben) kristályosodik lipidtartalmától, ezáltal befolyásolja textúráját és ízét; Más szavakkal, inkább borotvált fagylalthoz vagy fagylalthoz hasonlít.

Ezért a jégkristályoknak a lehető legkisebbnek kell lenniük, hogy a jégkrém sima legyen az íz és a tapintás szempontjából. Amikor ezek a jégkristályok kicsit nagyok, akkor fényben detektálhatók, mert jégkrém fagyos felületét adják.

Példák kristályosításra

Végül említést teszünk a kristályosodás néhány általános példájáról, mind a természetes, mind pedig a mesterséges kristályosításról:

hópelyhek

A hópelyhek természetes kristályosodási folyamat során képződnek. Ismert, hogy minden hókristály egyedi. Ennek oka a kristályosodás (növekedés) második szakaszában bekövetkező körülmények.

A hókristályok különböző geometriai alakjai azoknak a feltételeknek köszönhetők, amelyeknek szembe kell nézniük a kristálynövekedés során.

Só

A só a kristályosodás leggyakoribb példája. Ez természetes módon (például tengeri só) és mesterségesen is kialakítható (mint az asztali só esetében).

Cukor

Só után a cukor az egyik leggyakoribb kristály. A vegyületet komplex ipari folyamatok sorozatával állítják elő, amelyek során cukornád juice-t vesznek és mesterséges kristályosítási eljárásnak vetik alá.

gyémánt

A gyémánt drágakő, amely tiszta szén kristályosodásából származik. Ez a bolygó ismert legnehezebb anyaga. A képződése természetes lehet, mint például a bányászatban található gyémántok esetében, vagy szintetikus.

Rubin

A Ruby egy vöröses kristály, amely az alumínium-oxid (koridon) kristályosodásából származik.

cseppkövek

A sztalagmitok olyan szerkezetek, amelyek megtalálhatók a barlangokban, különösen a talajokban (felfelé mutatnak). Kalciumvegyületekből állnak, és a barlangok mennyezetéből eső vízben található kalcium-sók kristályosodásából származnak.

cseppkövek

A sztalaktitok, mint a sztalagmitok, kalciumból készülnek, és a barlangokban találhatók. Ez utóbbitól különbözik, mivel a mennyezetről lógnak. A barlangokba beszivárogtató vízben lévő kalcium-sók kristályosodásával képződnek.

Kvarc

A kvarc egy drágakő, amelyet a kovasav-anhidrid kristályosodásából nyernek. Ez a kőzetek egyik leggazdagabb ásványa és színe változó.

olivin

Olivinnak is nevezik ezt a drágakövet a vas és magnézium kristályosodásának köszönhetően. Zöldes színű és általában gyémánt alakú.

szilikátok

A szilikátok szilícium-dioxid és más elemek (vas, alumínium, kalcium, magnézium) kristályosítása által létrehozott anyagok. Jelen vannak minden sziklában.

Candies

Az édességeket cukorkristályokkal készítik, tehát elmondható, hogy két kristályosodási folyamat zajlik: az egyik a cukor és a második a melasz képződése.

Krémes fagylalt

A krémes fagylalt egy sor kristályt tartalmaz, amelyek végső sima textúrát adnak neki. A krémes fagylalt kristályai közül kiemelkednek a lipidkristályok (zsírból képződött) és a jégkristályok. Meg kell jegyezni, hogy egyes fagylaltok laktózkristályokat is tartalmaznak.

Ebben az értelemben a fagylaltot különféle mesterséges kristályosítási eljárásokkal nyerik (az egyik a lipidek, a másik a jég és a másik a laktóz).

Egyéb

- Cukorkristályok előállítása egy szál vagy kötél körül és egy telített édes oldat

-Cukorkristályok képződése az üvegek alján lerakódott mézből

- A vesekő növekedése, amely a kalcium-oxalát kristályok lényegéből áll

- Az ásványok, beleértve a drágaköveket és a gyémántot, kristályosodása az évek során, amelynek alakja és széle szabályos belső struktúrájának tükröződik

-A forró fémgőzök elrendezése hideg rudakon, kristályok növekedésének támogatásaként.

Irodalom

1. Day, R. és Underwood, A. (1989). Kvantitatív analitikai kémia. (ötödik kiadás). PEARSON Prentice Hall.
2. Wikipedia. (2019). Kristályosodás. Helyreállítva: en.wikipedia.org
3. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (2019. május 23.). Kristályosítás meghatározása. Helyreállítva: gondolat.com
4. Colorado Egyetem. (Sf). Kristályosodás. Szerves kémia. Helyreállítva: orgchemboulder.com
5. Syrris. (2019). Mi a kristályosodás? Helyreállítva: syrris.com