Czym jest krystalizacja? Definicja procesu, temperatura, przykłady procesów

Co to jest krystalizacja, jest badane w szkole. Ale z zasady pojęcie to jest rozpatrywane tylko w odniesieniu do jednej nauki - chemii. I ten proces ma dla niego największe znaczenie, chociaż nie jest to powód, aby nie zwracać uwagi na jego uwagę w innych branżach. A teraz warto to naprawić. Ale najpierw wszystko.

Definicja procesu

Czym więc jest krystalizacja? Jest to proces, podczas którego kryształy powstają z gazów, stopów, szkła i roztworów. Wszyscy wiedzą, co to jest. Jeśli wyrażać się w języku naukowym, to kryształy są ciałami stałymi o regularnym układzie atomów (najmniejsze cząstki pierwiastka chemicznego posiadające jego właściwości). Mają naturalną formę regularnych symetrycznych wielościanów, co wynika z ich wewnętrznej struktury.

Na pytanie, na czym polega krystalizacja, można odpowiedzieć w inny sposób. Tak nazywa się tworzenie tych ciał stałych z kryształów o innej strukturze. Odnosi się to do transformacji polimorficznych. Wyjaśnia je fakt, że te same atomy mogą tworzyć różne siatki krystaliczne.

Ponadto, krystalizacja odnosi się do procesu przejścia substancji ze stanu krystalicznego w stan ciekły do ​​stałego.

Proces politetermiczny

Mówiąc o tym, czym jest krystalizacja, należy zauważyć, że jest kilka sposobów jej formowania. Różnią się one technikami stosowanymi do osiągnięcia nasycenia roztworem.

Pierwszym krokiem jest omówienie krystalizacji politmetycznej, określanej także jako izohydrat. Może wystąpić tylko przy stałej zawartości wody w systemie.

Zasada nie jest tak skomplikowana, jak mogłoby się wydawać. Przesycone rozwiązanie powstaje przez chłodzenie układu. Proces odbywa się tylko w zmiennej temperaturze.

Proces politometaliczny oparty na chłodzeniu nasyconych roztworów może mieć zastosowanie tylko do niektórych substancji. Dla tych, których rozpuszczalność poprawia się wraz ze wzrostem temperatury.

Warto zauważyć, że czasami stosuje się również metodę odparowania politetycznego. Podczas tego procesu substancja jest ogrzewana i odparowywana. Następnie następuje wielokrotna wymiana ciepła i masy pomiędzy fazą pary a cieczą.

Inną metodę politetermiczną stosuje się, gdy kilka soli występuje w substancji o różnych właściwościach rozpuszczalności. Najlepszym przykładem jest podświetlanie. chlorek potasu z sylwinitu.

Metoda izotermiczna i wysalanie

Należy to również powiedzieć. Proces izotermicznej krystalizacji charakteryzuje się odparowaniem wody z roztworów przy stałej, niezmiennej temperaturze. Ta metoda ma zastosowanie do substancji o zawartości soli, których rozpuszczalność jest praktycznie niezależna od ciepła.

Odparowanie można osiągnąć, doprowadzając ciecz do intensywnego wrzenia i utrzymując ją w tym stanie. To jest "tradycyjna" metoda. Nadal można używać powolnego odparowywania powierzchni.

W niektórych przypadkach substancje są wstrzykiwane do cieczy, które zmniejszają ich zdolność do rozpuszczania. Nazywa się to wysalaniem. Tacy "pomocnicy" to substancje, które zawierają ten sam jon, co ta sól. Uderzający przykład: proces krystalizacji chlorku sodu z roztworu o wysokim stężeniu, do którego dodaje się chlorek magnezu.

Należy zauważyć, że mechanizm wysalania nie zawsze jest taki sam. Jeżeli w celu przeprowadzenia tego procesu wymieszać dwa elektrolity, z których dodatkowy będzie z tym samym jonem, to w końcu możliwe będzie osiągnięcie takiego stężenia, że ​​iloczyn rozpuszczalności substancji stanie się znacznie wyższy. Co to znaczy? W prostych słowach - pojawi się nadmiar substancji i będzie się wyróżniał w fazie stałej.

Zdarza się to w inny sposób. Aby osiągnąć wysalanie, konieczna jest całkowita zmiana struktury roztworu - aby ułatwić tworzenie się uwodnionych muszli wokół cząstek substancji, które muszą zostać skrystalizowane. Jak to osiągnąć? Poprzez niszczenie skorup już rozpuszczonej substancji.

Ważne jest, aby dowiedzieć się: sole, które tworzą krystaliczne hydraty są solone na zewnątrz bardziej intensywnie niż te, które tworzą w postaci bezwodnej. Ale niektóre "dodatki" tylko zwiększają rozpuszczalność. To prowadzi do zestalenia.

Osadzanie substancji przez odczynniki

Jest to najczęstsza metoda krystalizacji w chemii. Jest to najszybszy i najprostszy.

Jeśli w trakcie procesu powstanie produkt reakcji, który jest praktycznie nierozpuszczalny w wodzie, natychmiast wytrąca się z roztworu. Co jeszcze? Jeśli produkt reakcji ma charakterystyczną rozpuszczalność, wówczas początek krystalizacji zachodzi w momencie, gdy ciecz osiąga wymagany poziom sytości. Proces ten trwa, aż do niego dostanie się środek strącający (odczynnik).

Najlepszym przykładem jest uzyskanie węglan wapnia. Jest nierozpuszczalny. Więc musisz użyć konwersji azotanu wapnia do azotanu aluminium. Patrząc na wzór, można zrozumieć, jak w przybliżeniu ten proces zachodzi: Ca (NO ₃ ) ₂ + (NH ₄ ) 2CO ₃ = CaCO ₃ + 2NH ₄ NO ₃ .

W celu uzyskania katalizatorów stosuje się wytrącanie metali jako substancji nierozpuszczalnych. Należą do nich szczawiany, wodorotlenki, węglany i inne sole. Są strącane, ponieważ następnie rozkładają się na tlenki.

Zamrażanie

Kolejny proces, który należy odnotować ze szczególną uwagą, informując o tym, czym jest krystalizacja. Zamrażanie jest izolacją w postaci stałej jednego ze składników mieszaniny gazowej lub ciekłej, którą osiąga się przez chłodzenie mieszaniny. Co więcej, temperatura jest osiągana poniżej temperatury, w której zazwyczaj zaczyna się krystalizacja.

Podstawą tego procesu jest niska wzajemna rozpuszczalność składników, które mają być rozdzielone. Przykład: gdy roztwory wodne są zamrożone, wówczas substancje rozpuszczone nie są częścią powstałych kryształów.

Zaangażował tę metodę w szczególnych przypadkach. Zamrażanie jest skuteczne, gdy konieczne jest oddzielenie mieszanin, oczyszczenie substancji lub zatężenie roztworu.

Metoda jest aktywnie wykorzystywana w przemyśle chemicznym, mikrobiologicznym, farmakologicznym i spożywczym. Ale w życiu codziennym jest wiele przykładów tego procesu. Chodzi o zamrożenie koncentracji wraz z uwolnieniem lodu. Ma on na celu zachowanie aromatu, koloru, a także walorów leczniczych i smakowych produktów termolabilnych. Należą do nich ekstrakty ziołowe, soki, piwo, wino, roztwory enzymów. A także leki, które są aktywne biologicznie i narkotykowo.

Często krystalizacji substancji przez zamrażanie towarzyszy następnie liofilizacja. Ta metoda jest stosowana do produkcji sproszkowanych produktów przeznaczonych do rozpuszczania. Istnieje wiele przykładów - soki, herbaty, kawa, zupy, mleko, śmietana, tłuczone ziemniaki, galaretka, lody ... każdy zna te proszki w saszetkach lub puszkach, rozprowadzając je w wodzie, można dostać gotowy do spożycia produkt.

Nawiasem mówiąc, nadal zamrażanie służy do czyszczenia ścieki i odsalanie morskie - aby uzyskać czystość, bez zanieczyszczeń. Nawet powietrze, czasami, dzielić. Oczywiście w sposób kriogeniczny. Przez zamrożenie usuwa dwutlenek węgla i parę wodną.

Konkretne ciepło krystalizacji

Krótko mówiąc, warto zwrócić uwagę i tę koncepcję. Jest również znany jako "ciepło właściwe topnienia" i "entalpia". Nazwy są różne, ale definicja jest jedna. Jest to ilość ciepła, która musi zostać podana jednej jednostce masy krystalicznej substancji, aby mogła przejść ze stanu stałego do cieczy.

Jest oznaczony grecką literą λ. W chemii formuła temperatury krystalizacji jest następująca: Q: m = λ. Tutaj Q należy rozumieć jako ilość ciepła wytwarzanego przez substancję podczas jej topienia. A litera m oznacza masę.

Należy zauważyć, że ciepło właściwe krystalizacji (topnienia) jest zawsze dodatnie. Jedynym wyjątkiem jest wysokociśnieniowy hel. Co ciekawe, ten najprostszy monatomiczny gaz ma najniższy punkt wrzenia spośród wszystkich obecnie znanych substancji. Ten proces helu zaczyna się w temperaturze -268,93 ° C.

A co z temperaturą topnienia? Oto kilka przykładów wskazanych w kJ w odniesieniu do jednego kilograma substancji: lód - 330, rtęć - 12, naftalen - 151, biały i szary ołów - 14 i 100.

Przykłady

Krystalizacja jest bardzo dokładnie zbadanym procesem w chemii, co jest szczególnie interesujące w praktyce.

Jako przykład rozważ proces powstawania cukru. Istotą tego procesu jest przydział sacharozy zawartej w syropie. Ta ostatnia z kolei zawiera również inne substancje, które nie zostały usunięte w procesie czyszczenia soku i ponownie powstały w trakcie kondensacji.

Gdy temperatura wzrasta, zaczyna się krystalizacja, a w jej trakcie tworzy się roztwór krystaliczny, który nazywa się massecuit. Wszelkie nadwyżki materii będą się w nim gromadzić. W rzeczywistości poważnie utrudniają cały proces, ponieważ obecność różnego rodzaju zanieczyszczeń zwiększa lepkość roztworu.

Kolejny jasny przykład krystalizacji w chemii wiąże się z tworzeniem soli. Aby osobiście to zobaczyć, nie jest nawet konieczne przeprowadzanie eksperymentów - ten proces istnieje w przyrodzie. W zimnej porze fale wyrzucają na brzeg ton soli. Ona nie znika. Jest grabiona w ogromne hałdy, a potem, gdy nadejdzie upał i suchość, odparowuje z niej woda krystalizacyjna. Pozostał tylko drobny proszek - sól spożywana przez przemysł.

Przykład soli jest najprostszy. Nawet w niektórych szkołach dzieci otrzymują zadanie domowe w ramach lekcji chemii: rozpuść 1-2 łyżki soli w bardzo małej ilości wody i zostaw gdzieś pojemnik. W celu bardziej intensywnej krystalizacji można zwiększyć temperaturę - na przykład przenieść roztwór do akumulatora. Po kilku dniach woda wyparuje. Ale kryształy soli pozostaną.

Metale

Kryształy również. Co więcej, wszystkie stałe metale, które widzimy i które możemy dotknąć, są wynikiem tego procesu. Równie ważne są przemiany zachodzące równolegle, ponieważ w dużej mierze determinują właściwości metali.

Krystalizacja, jako proces, jest w tym przypadku bardzo interesująca. Podczas gdy substancja jest w stanie ciekłym - atomy w niej ciągle się poruszają. Naturalnie przez cały ten czas utrzymywała się odpowiednia wysoka temperatura. W miarę jak maleje, atomy zbliżają się do siebie, w wyniku czego są grupowane w kryształy. Tak powstają "centra". To jest główna grupa kryształów. Dla nich, gdy ruch pozostałych atomów zwalnia, wtórne łączą się.

Początkowo kryształy rosną bez przeszkód. A te, które już się uformowały, nie tracą poprawności konstrukcji. Ale potem kryształy zderzają się z dalszym ruchem. Z uwagi na to, że ich formularz kontaktowy jest zepsuty. Jednak wewnątrz każdego kryształu struktura jest nadal poprawna. Te grupy, nawiasem mówiąc, są nazywane ziarnami. I nie zawsze są uformowane. Wszystko zależy od warunków krystalizacji, od tego, w jakiej temperaturze się pojawiła (stabilna lub nie), a także od charakteru samego metalu.

O zbożu

Powyżej wiele zostało powiedziane o specyficznej krystalizacji, a także o różnych metodach przeprowadzania tego procesu. Kontynuując temat dotyczący metali, chciałbym mówić o znanym ziarnie, którego przyczyny zostały opisane w poprzednim paragrafie.

W rzeczywistości jego pojawienie się jest oznaką słabej krystalizacji. Gruboziarnisty metal jest delikatny, prawie nieodporny na naprawdę duży wpływ. W procesie kucia pojawiają się w nim pęknięcia. Powstają również w strefie wpływu ciepła. W celu zmniejszenia prawdopodobieństwa ich powstawania w przemyśle stosuje się różne środki: modyfikują metal na przykład za pomocą szwów tytanowych. Są w stanie zapobiec wzrostowi ziarna.

W przypadku gruboziarnistych metali istnieją nawet inne wymagania dotyczące prezentacji próbek. Ich grubość powinna wynosić co najmniej 1,5 cm, tylko w tym przypadku możliwe będzie porównanie wyników badań mechanicznych i mikromechanicznych.

Dlatego w produkcji staraj się uzyskać drobnoziarnistą strukturę metalu. W tym celu tworzone są specjalne warunki - te, w których możliwe jest małe tempo wzrostu kryształów i maksymalna liczba ośrodków notorycznych, wokół których tworzą się ich grupy.

To, jak duże są ziarna, zależy od liczby cząstek nierozpuszczalnych zanieczyszczeń. Zwykle są to siarczki, azotki i tlenki - odgrywają rolę gotowych centrów krystalizacji.

Drobnoziarnistą strukturę można uzyskać poprzez modyfikację - dodawanie obcych substancji do metali. Są one podzielone na dwa rodzaje:

• Substancje, które nie rozpuszczają się w ciekłym metalu. Wciel się w rolę dodatkowych centrów krystalizacji.
• Substancje powierzchniowo czynne. W metalach rozpuścić. Następnie osadzają się na powierzchni rosnących kryształów i zapobiegają ich wzrostowi.

A jakość otrzymanego metalu badana jest różnymi metodami. Przeprowadzić analizy termiczne, dylatometryczne, magnetyczne, strukturalne i fizyczne. I tylko jeden sposób na uzyskanie informacji o wszystkich właściwościach metalu jest niemożliwy.

Woda

Mówiono już o powstawaniu soli i ilości ciepła podczas krystalizacji oraz o tym, jak przebiega ten proces w przypadku metali. Cóż, możesz wreszcie porozmawiać o wodzie - najbardziej niesamowitym zjawisku na naszej planecie.

W naturze istnieją tylko trzy stany agregacji - gazowe, stałe i ciekłe. Woda może znajdować się w każdym z nich, przechodząc od jednego do drugiego w warunkach naturalnych.

Gdy jest ciekły, jego cząsteczki są luźno połączone. Są w ciągłym ruchu, próbując zgrupować się w jedną strukturę, ale nie jest to możliwe z powodu ciepła. A gdy woda jest wystawiona na działanie niskich temperatur, cząsteczki stają się silniejsze. Nie zakłócają już ciepła, więc uzyskują krystaliczną strukturę sześciokątną. Z pewnością każdy przynajmniej raz w życiu widział jej żywy przykład. Płatek śniegu to prawdziwy sześciokąt.

Woda, przyjmując stałą formę, może utrzymać ją przez długi czas - aż zacznie się topić.

A co z "ciepłem" krystalizacji? Woda, jak wiadomo od dzieciństwa, zaczyna zamarzać w temperaturze 0 ° C. Jeśli Fahrenheit, liczba ta wyniesie 32 stopnie.

Ale z tymi znakami proces dopiero się zaczyna. Woda nie zawsze krystalizuje we wskazanych temperaturach. Czystą ciecz można nawet schłodzić do -40 ° C i nadal nie zamarza. Dlaczego? Ponieważ w czystej wodzie nie ma zanieczyszczeń, które są podstawą do powstania krystalicznej struktury. Są to zwykle rozpuszczone sole, cząsteczki kurzu itp.

Kolejna cecha wody: rozszerza się, zamraża. Podczas gdy inne substancje są kompresowane podczas krystalizacji. Dlaczego tak jest? Ponieważ gdy woda przemieszcza się z cieczy do stanu stałego, zwiększa się odległość między jej cząsteczkami.

Paradoks Mpemby

Należy zwrócić uwagę, mówiąc o krystalizacji wody. Takie zjawisko, jak paradoks Mpemby, jest interesujące przynajmniej z jego sformułowaniem. Ta fraza brzmi tak: "Gorąca woda zamarza szybciej niż przeziębienie". Intryguje i intryguje. Jak to możliwe? W końcu woda przed przejściem do etapu krystalizacji musi przejść przez etap "zimny" - ostygnąć!

Kontrowersje pierwsze uruchomienie termodynamiki tam jest. Ale jest paradoksem - nie ma logicznego wytłumaczenia, ale w praktyce istnieje. Chociaż pierwszy można argumentować. Istnieje kilka wyjaśnień, a oto niektóre z nich:

• Gorąca woda rozpoczyna proces odparowywania. Jednak w zimnym powietrzu zamienia się w lód i opada, tworząc lodową skorupę.
• Gdy gorąca woda odparuje z naczynia, jego objętość maleje. Im mniejsza ciecz, tym szybciej się krystalizuje. Szklanka wrzącej wody krystalizuje szybciej niż butelka wody w temperaturze pokojowej.
• Śnieg podszewka w zamrażarce. Naczynie z wrzącą wodą topi je, ustanawiając kontakt termiczny ze ścianą komory. Ale pod pojemnikiem z zimną wodą śnieg się nie topi.
• Wrzącą wodę chłodzi się od dołu. I zimna woda - na górze, co pogarsza konwekcję i promieniowanie cieplne. Znajduje to również odzwierciedlenie w utracie ciepła.
• Odległość między cząsteczkami w gorącej wodzie jest większa niż na zimno. Znajduje to odzwierciedlenie w rozciągnięciu wiązań wodorowych. Dlatego magazynują więcej energii. Ona z kolei uwalnia się w procesie chłodzenia cieczy, a cząsteczki zbliżają się do siebie. Uważa się, że zmienia to właściwości wrzącej wody, a zatem zamarza szybciej.

Istnieje kilka bardziej interesujących prób uzasadnienia paradoksu Mpemby, ale jednoznaczny powód jest wciąż nieznany. Być może któregoś dnia naukowcy przeprowadzą szczegółowe badania, których wyniki pomogą w końcu zrozumieć ten efekt.