Kaj je kristalizacija? Definicija procesa, temperatura, primeri postopkov

Kaj je kristalizacija, se preučuje v šoli. Pojem se praviloma obravnava le v povezavi z eno znanostjo - kemijo. Ta proces pa je za to najpomembnejši, čeprav ni razlog, da se ne posveča pozornosti njeni obravnavi v drugih industrijah. In zdaj je vredno popraviti. Najprej najprej.

Definicija procesa

Kaj je torej kristalizacija? To je proces, pri katerem se kristali tvorijo iz plinov, talin, stekel in raztopin. Vsi vedo, kaj so. Če se izrazi v znanstvenem jeziku, potem so kristali trdna telesa z redno razporeditvijo atomov (najmanjši delci kemičnega elementa, ki nosi njegove lastnosti). Imajo naravno obliko pravilnih simetričnih poliedrov, kar je posledica njihove notranje strukture.

Na vprašanje, kaj je kristalizacija, je mogoče odgovoriti na drugačen način. Tako imenujemo nastajanje teh trdnih snovi iz kristalov z drugačno strukturo. To se nanaša na polimorfne transformacije. Razlagajo jih dejstvo, da lahko isti atomi tvorijo drugačne kristalne rešetke.

Poleg tega se kristalizacija nanaša na proces prehoda snovi iz tekočine v trdno kristalno stanje.

Polythermic proces

Ko govorimo o tem, kaj je kristalizacija, je treba opozoriti, da obstaja več načinov, na katere se oblikuje. Razlikujejo se v tehnikah, ki se uporabljajo za doseganje zasičenosti raztopine.

Prvi korak je govoriti o politermalni kristalizaciji, imenovani tudi izohidrična. Do tega lahko pride le s konstantno vsebnostjo vode v sistemu.

Načelo ni tako kompleksno, kot se zdi. Prezasičeno raztopino tvorimo s hlajenjem sistema. Postopek poteka le pri spremenljivi temperaturi.

Politermični postopek, ki ga poganjajo nasičene raztopine za hlajenje, se lahko uporablja le za nekatere snovi. Za tiste, katerih topnost se izboljšuje s povišanjem temperature.

Treba je omeniti, da se včasih uporablja tudi metoda poltermičnega izhlapevanja. Med tem postopkom se snov segreje in upari. Po tem se med parno fazo in tekočino izmenjuje večkratna toplotna in masna izmenjava.

Uporablja se še ena polietermična metoda, kadar je v snovi z različnimi topnostnimi lastnostmi prisotnih več soli. Glavni primer je poudarjanje. kalijev klorid iz silvinita.

Izotermna metoda in soljenje

To je treba tudi povedati. Za proces izotermne kristalizacije je značilno izhlapevanje vode iz raztopin pri konstantni, nespremenjeni temperaturi. Ta metoda se uporablja za snovi z vsebnostjo soli, katerih topnost je praktično neodvisna od toplote.

Izhlapevanje lahko dosežemo tako, da tekočino zavremo in jo ohranjamo v tem stanju. To je »tradicionalna« metoda. Še vedno lahko uporabite počasno izhlapevanje površine.

V nekaterih primerih se snovi injicirajo v tekočine, ki zmanjšujejo njihovo sposobnost raztapljanja. To se imenuje soljenje. Takšni "pomočniki" so snovi, ki vsebujejo isti ion kot ta sol. Osupljiv primer: postopek kristalizacije natrijevega klorida iz raztopine z visoko koncentracijo, v katero je dodan magnezijev klorid.

Treba je opozoriti, da mehanizem za soljenje ni vedno enak. Če je za izvedbo tega postopka mogoče mešati dva elektrolita, katerih dodatni bo enak istim ionom, bo na koncu mogoče doseči takšno koncentracijo, da postane produkt topnosti snovi veliko večji. Kaj to pomeni? S preprostimi besedami - se bo pojavil presežek snovi, ki bo izstopal v trdni fazi.

To se dogaja drugače. Da bi dosegli soljenje, je treba popolnoma spremeniti strukturo raztopine - da bi spodbudili tvorbo hidratiranih lupin okrog delcev snovi, ki jih je treba kristalizirati. Kako se to doseže? Z uničenjem lupin že raztopljene snovi.

Pomembno se je naučiti: soli, ki tvorijo kristalne hidrate, se solijo intenzivneje kot tiste, ki se tvorijo v brezvodni obliki. Toda nekateri "aditivi" samo povečajo topnost. To vodi do strjevanja.

Odlaganje snovi z reagenti

To je najpogostejša metoda kristalizacije v kemiji. To je najhitrejši in najpreprostejši.

Če se v postopku tvori reakcijski produkt, ki je praktično netopen v vodi, se takoj izloči iz raztopine. Kaj še? Če ima reakcijski produkt značilno topnost, nastopi kristalizacija v trenutku, ko tekočina doseže zahtevano stopnjo sitosti. Postopek se nadaljuje, dokler ne vstopi oborina (reagent).

Glavni primer je pridobivanje kalcijev karbonat. Je netopen. Zato morate uporabiti pretvorbo kalcijevega nitrata v aluminijev nitrat. Če pogledamo formulo, lahko razumemo, kako približno se ta proces odvija: Ca (NO ₃ ) ₂ + (NH ₄ ) ₂ CO3 = CaCO ₃ + 2NH ₄ NO ₃ .

Za pridobivanje katalizatorjev je treba uporabiti obarjanje kovin kot netopnih snovi. Sem spadajo oksalati, hidroksidi, karbonati in druge soli. Oborijo se, ker se kasneje razgradijo do oksidov.

Zamrzovanje

Še en proces, ki ga je treba opozoriti, in pojasniti, kaj je kristalizacija. Zamrzovanje je izolacija ene od sestavin plinske ali tekoče mešanice v trdni obliki, kar se doseže s hlajenjem mešanice. Poleg tega se temperatura doseže pod tisto, pri kateri se običajno začne kristalizacija.

Osnova tega postopka je nizka medsebojna topnost sestavnih delov, ki jih je treba ločiti. Primer: kadar se vodne raztopine zamrznejo, raztopine niso del nastalih kristalov.

Ta metoda je bila vključena v posebnih primerih. Zamrzovanje je učinkovito, kadar je potrebno ločiti mešanice, očistiti snovi ali koncentrirati raztopino.

Metoda se aktivno uporablja v kemični, mikrobiološki, farmakološki in prehrambeni industriji. Toda v vsakdanjem življenju je veliko primerov tega procesa. Gre za koncentracijo zamrzovanja z sproščanjem ledu. Namenjen je ohranjanju vonja, barve, ter zdravilnih in okusnih lastnosti termolabilnih izdelkov. To so: zeliščni ekstrakti, sokovi, pivo, vino, encimske raztopine. In tudi zdravila, ki so biološko aktivna in zdravilna.

Pogosto kristalizacijo snovi z zamrzovanjem spremljajo naknadno z liofilizacijo. Ta metoda se uporablja pri proizvodnji izdelkov v prahu, namenjenih raztapljanju. Obstaja veliko primerov - sokovi, čaji, kava, juhe, mleko, smetana, pire krompir, žele, sladoled ... vsi poznajo te praške v vrečkah ali pločevinkah, ki jih širijo v vodo, lahko dobite pripravljen izdelek.

Mimogrede, še vedno zamrzovanje se uporablja za čiščenje odplak in razsoljevanje morskih - da bi dobili čisto, brez nečistoč. Tudi zrak, včasih, delijo. Na kriogeni način, seveda. Z zamrzovanjem odstrani ogljikov dioksid in vodne pare.

Specifična kristalizacijska toplota

Skratka, treba je omeniti pozornost in ta koncept. Znana je tudi kot "specifična toplota taljenja" in "entalpija". Imena so drugačna, vendar je definicija ena. To je količina toplote, ki jo je treba dati enoti mase kristalinične snovi, da se lahko prenese iz trdnega v tekočino.

Označuje ga grška črka λ. V kemiji je formula za temperaturo kristalizacije naslednja: Q: m = λ. Tu se razume, da Q pomeni količino toplote, ki jo proizvaja snov med njenim taljenjem. In črka m označuje njeno maso.

Treba je opozoriti, da je specifična toplota kristalizacije (taljenja) vedno pozitivna. Edina izjema je visokotlačni helij. Zanimivo je, da ima ta najenostavnejši monatomski plin najnižje vrelišče med vsemi trenutno znanimi snovmi. Ta helijev postopek se začne pojavljati pri -268,93 ° C.

Kaj pa tališče? Tu je nekaj primerov, ki so navedeni v kJ glede na en kilogram snovi: led - 330, živo srebro - 12, naftalen - 151, bel in siv svinec - 14 in 100.

Primeri

Kristalizacija je zelo temeljito preučen proces v kemiji, kar je v praksi še posebej zanimivo.

Na primer, razmislite o procesu tvorbe sladkorja. Bistvo postopka je dodelitev saharoze, ki jo vsebuje sirup. Slednje vsebuje tudi druge snovi, ki niso bile odstranjene v procesu čiščenja soka in so se ponovno kondenzirale.

Ko se temperatura dvigne, se začne kristalizacija in v njenem procesu nastane interkristalna raztopina, ki jo imenujemo massecuite. Vsa presežna snov se bo v njej kopičila. Dejstvo je, da resno ovirajo celoten proces, saj navzočnost različnih vrst nečistoč povečuje viskoznost raztopine.

Drug svetel primer kristalizacije v kemiji je povezan z nastajanjem soli. Da bi jo osebno videli, ni potrebno niti izvajati poskusov - ta proces obstaja v naravi. V mrzli sezoni surfanja na obalo vrže tone soli. Ne izgine. Ona je grabljena v velikih kupih in potem, ko pride toplota in suhost, kristalizacijska voda iz nje izhlapi. Ostane le fini prašek - sol, ki jo porabi industrija.

Primer soli je najpreprostejši. Tudi v nekaterih šolah imajo otroci nalogo opravljanja domače naloge kot del lekcije o kemiji: raztopite 1-2 žlici soli v zelo majhni količini vode in pustite posodo nekje. Za intenzivnejšo kristalizacijo se lahko temperatura poveča - npr. Premaknite raztopino na akumulator. Po nekaj dneh bo voda izhlapela. Toda kristali soli bodo ostali.

Kovine

Prav tako se kristalizirajo. Poleg tega so vse trdne kovine, ki jih vidimo in se jih lahko dotaknemo, rezultat tega procesa. Vzporedne transformacije so zelo pomembne, saj v veliki meri določajo lastnosti kovin.

Kristalizacija kot proces je v tem primeru zelo zanimiva. Medtem ko je snov v tekočem stanju - se atomi v njem neprestano premikajo. Seveda je ves ta čas ohranil ustrezno visoko temperaturo. Z zmanjševanjem se atomi približujejo drug drugemu, zaradi česar se združijo v kristale. Tako nastajajo »centri«. To je primarna skupina kristalov. Zanje, ko se gibanje preostalih atomov upočasni, se pridružijo sekundarni.

Sprva kristali rastejo neovirano. In tisti, ki so že nastali, ne izgubijo pravilnosti strukture. Ampak potem kristali trčijo z nadaljnjim gibanjem. Zaradi njihovega kontaktnega obrazca je pokvarjen. Vendar pa je znotraj vsakega kristala struktura še vedno pravilna. Te skupine se imenujejo zrna. In niso vedno oblikovane. Vse je odvisno od pogojev kristalizacije, pri kateri temperaturi se je pojavila (stabilna ali ne), kakor tudi od narave same kovine.

O zrnju

Zgoraj je bilo veliko povedanega o specifični kristalizaciji, kakor tudi o različnih metodah, s katerimi se ta proces izvaja. V nadaljevanju teme kovin bi rad govoril o zloglasnem zrnu, katerega vzroki so opisani v prejšnjem odstavku.

Pravzaprav je njegov videz znak slabe kristalizacije. Groba kovina je krhka in se skoraj ne more upreti zelo močnemu udarcu. V procesu kovanja se pojavijo razpoke. Nastanejo tudi v območju, ki je pod vplivom toplote. Da bi zmanjšali verjetnost njihovega nastanka, se v industriji uporabljajo različni ukrepi: npr. Sposobni so preprečiti rast zrnja.

Za grobe kovine obstajajo tudi druge zahteve za predstavitev vzorcev. Njihova debelina mora biti najmanj 1,5 cm, le v tem primeru bo mogoče primerjati rezultate mehanskih in mikromehanskih preskusov.

Torej si v proizvodnji prizadevamo pridobiti finozrnato kovinsko strukturo. Za to se ustvarijo posebni pogoji - tisti, pri katerih je mogoča majhna stopnja rasti kristalov in največje število zloglasnih središč, okoli katerih se oblikujejo njihove skupine.

Kako velika zrna so pridobljena, je odvisno od števila delcev netopnih nečistoč. Ponavadi so to sulfidi, nitridi in oksidi - igrajo vlogo pripravljenih kristalizacijskih centrov.

Drobno zrnato strukturo lahko dosežemo s spreminjanjem - dodajanjem tujih snovi v kovine. Razdeljeni so v dve vrsti:

• Snovi, ki se ne raztopijo v tekoči kovini. Igrajte vlogo dodatnih kristalizacijskih centrov.
• Površinsko aktivne sestavine. V kovinah se raztopijo. Nato se usedejo na površino rastočih kristalov in preprečijo njihovo rast.

Kakovost pridobljene kovine se preučuje z različnimi metodami. Izvajati toplotne, dilatometrične, magnetne analize, strukturne in fizikalne študije. In samo en način, da bi našli informacije o vseh lastnostih kovine je nemogoče.

Voda

O nastajanju soli in količini toplote med kristalizacijo in kako poteka ta postopek v primeru kovin je že bilo povedano. No, končno lahko govorimo o vodi - najbolj neverjetnem pojavu na planetu.

V naravi obstajajo le tri agregatna stanja - plinasta, trdna in tekoča. Voda lahko prebiva v kateri koli od njih in se premika iz ene v drugo v naravnih pogojih.

Ko je tekočina, so njene molekule ohlapno povezane. So v stalnem gibanju, poskušajo se združiti v eno samo strukturo, vendar to ni mogoče zaradi vročine. In ko je voda izpostavljena nizkim temperaturam, postanejo molekule močnejše. Ne motijo ​​več toplote, zato dobijo kristalno strukturo šesterokotne oblike. Zagotovo so vsi vsaj enkrat v življenju videli njen živ primer. Snežinka je pravi šesterokotnik.

Voda, ki ima trdno obliko, jo lahko ohrani dolgo časa - dokler se ne začne tali.

Kaj pa "vročina" kristalizacije? Voda, kot vsi vedo iz otroštva, se začne zamrzniti pri 0 ° C. Če je Fahrenheit, bo ta številka 32 stopinj.

Toda s temi oznakami se proces šele začenja. Voda ne kristalizira vedno pri navedenih temperaturah. Čista tekočina se lahko ohladi celo na -40 ° C in še vedno ne zamrzne. Zakaj? Ker v čisti vodi ni nečistoč, ki so osnova za nastanek kristalne strukture. To so običajno raztopljene soli, prašni delci itd.

Druga značilnost vode: se širi, zmrzuje. Medtem ko so druge snovi med kristalizacijo stisnjene. Zakaj tako? Ker, ko se voda premakne iz tekočine v trdno stanje, se razdalja med molekulami poveča.

Paradoks Mpembe

Treba je opozoriti na pozornost, govorimo o kristalizaciji vode. Takšen pojav, kot je paradoks Mpemba, je zanimiv vsaj z njegovo formulacijo. Izraz zveni takole: "Vroča voda zamrzne hitreje kot hladno." To spletke in uganke. Kako je to mogoče? Navsezadnje mora voda pred odhodom v fazo kristalizacije iti skozi »hladno« stopnjo - ohladiti se!

Spor prvi začetek termodinamike obstaja. Ampak on je paradoks - ni logične razlage, ampak v praksi obstaja. Čeprav je prvi mogoče trditi. Obstaja nekaj pojasnil, in tukaj je nekaj izmed njih:

• Vroča voda začne s postopkom izhlapevanja. Vendar pa se v hladnem zraku spremeni v led in pade, tako da tvori ledeno skorjo.
• Ko iz posode izhlapi vroča voda, se njena prostornina zmanjša. Manjša je tekočina, hitreje kristalizira. Steklo vrele vode kristalizira hitreje kot steklenica vode pri sobni temperaturi.
• Sneg v zamrzovalniku. Posoda z vrelo vodo jo topi in vzpostavi toplotni stik s steno komore. Toda pod posodo s hladno vodo sneg ne topi.
• Vrela voda se ohladi z dna. In hladna voda - na vrhu, ki škoduje konvekciji in toplotnemu sevanju. To se kaže tudi v izgubi toplote.
• Razdalja med molekulami v vroči vodi je večja kot v hladnem. To se odraža v raztezanju vodikovih vezi. Zato shranjujejo več energije. Ona pa se sprosti v procesu hlajenja tekočine in molekule gredo v zbliževanje. Menijo, da to spremeni lastnosti vrele vode, zato zamrzne hitreje.

Obstaja nekaj zanimivih poskusov za utemeljitev paradoksa Mpembe, vendar nedvoumni razlog še ni znan. Morda bodo znanstveniki nekega dne izvedli temeljito raziskavo, katere rezultat bo pomagal končno razumeti ta učinek.