Със сигурност някога сте чували за кристали, вероятно в този момент умът ви е визуализирал огромен диамант, аметист или топаз. И със сигурност тази група включва и много от добре познатите скъпоценни камъниНо кристалът не е термин, който стриктно обхваща областта на бижутерията.
Un Cristal Това е крайният продукт на интересен процес, известен като кристализацияКристалът се характеризира като хомогенно твърдо вещество, образувано от „грани“, които са части, разположени в различни равнини, повтарящи се редовно в пространството. Тази вътрешна и външна организация е това, което отличава кристала от аморфно твърдо вещество като стъкло.
Какво точно е кристал?
От гледна точка на физиката и химията, Cristal Това е твърдо вещество, в което частиците (атоми, йони или молекули) са подредени по подреден начин редовни и периодични в трите измерения на пространството. Тази повтаряща се подредба се нарича кристална решеткаи е отговорен за много от наблюдаваните макроскопични свойства, като например яркостта, твърдостта или външната геометрична форма на кристала.
В кристално твърдо тяло всяка точка в пространството, заемано от материала, има периодично повторение според определени посоки. В кристалографията това явление на повторение в пространството се нарича преводЗа разлика от аморфните твърди вещества (като някои пластмаси или стъкло), където редът се поддържа само на много къси разстояния, кристалите показват ред на дълги разстояния, който се простира в цялото твърдо вещество.
Характеристики на твърдото вещество от кристализация
Размерът на кристала е променлива характеристика, с широк диапазон от измерения. Кристалите могат да бъдат открити муй внуци които могат да бъдат измерени с помощта на линейната единица „метър“, както и кристали, които трябва да бъдат изразени чрез микрос, тъй като малкият им размер ги прави сравними с микроорганизми като бактерии, които се наблюдават само чрез микроскопа.
Както бе споменато, кристални процеси което води до продукти с висока чистота, поради което определението гласи, че кристалите са хомогенниТоест, съставът на продукта остава постоянен във всяка точка в обема на твърдото вещество. Това означава, че физични и химични характеристики Те остават непроменени в цялото парче; ако се наблюдава вариация поради смущение, промяната е склонна да се случва кохерентно в целия кристален вид.
Това качество прави кристалите ценни продукти в различни области, вариращи от оценяването на качество на материала (например в бижутерията и гемологията), до използване на процеса на кристализация като техника за разделяне на веществата в лаборатории и промишлености. Високата степен на подреденост в кристалната решетка означава, че примесите се изхвърлят или остават в по-малка пропорция, отколкото в течната фаза, което позволява производството на много по-чисти твърди вещества.
Кристалните продукти могат да бъдат изолирани и на лабораторно ниво, чрез контролирани реакции в установки, които емулират спонтанните процеси, протичащи в природата. Едно от основните предимства на кристалите, получени в контролирани процеси, е, че те показват по-правилни формикоито по-добре съответстват на най-точните многоъгълни форми. Това е особено важно при търсене на кристали за анализ, оптични приложения или фармацевтични тестове.
В един кристал трябва да се разграничат лица, които формират част от истинския кристален навик (морфологични характеристики) и въз основа на техния брой можем да разгледаме основните форми на твърдото тяло. Обикновено кристалът се определя от комбинацията от няколко основни форми, като основните са следните:
- Педион: Кристал, състоящ се от една плоска повърхност, без еквивалентни повърхности, свързани чрез симетрия.
- Пинакоид: Състои се от две лица, които са еквивалентни една на друга по отношение на a ос на симетриякоито обикновено са успоредни и противоположни.
- Сфеноид: Двете еквивалентни страни, които съставят това тяло, са разположени около двоична особразувайки клиновидна форма.
- Призма: Образува се от хомоложни повърхности, които съставляват зона. „Зоната на кристал“ се определя като набор от повърхности, успоредни на една и съща посока, съответстващи на ръб на кристала.
Структурата на кристалите, от вътрешна гледна точка, може да се разглежда като повече или по-малко хомогенна, периодична система и анизотропен, от материал (често разтворен във фаза, която след това се втвърдява в кристален ред), която развива структура в различни точки в пространството. Кристалът се нарича анизотропен, защото... физични свойства (като топлопроводимост, скорост на разпространение на светлината или твърдост) могат да варират в зависимост от посоката, в която се измерват в твърдото тяло, именно поради тази вътрешна подреденост.
Сред характеристиките на кристалите е фактът, че всяка точка има периодично повторение в пространството, заето от материала. В кристалографията се нарича явлението, което влияе на това действие превод и определя как единична клетка (най-малкият повтарящ се блок) се движи в пространството, за да изгради целия кристал.
Процесът на кристализация и кога се случва
За да настъпи кристализация, трябва да започнем от вещество, което може да бъде класифицирано като кристаленТова се определя от факта, че частиците, които го изграждат, независимо дали са атомни, молекулярни или йонни по природа, проявяват свойства на хомогенност, периодичност и симетрия когато са организирани в твърдо състояние.
В контекста на разделянето на смеси, това се нарича кристализация до образуването на твърдо кристално съединение от течна фаза (разтвор, стопилка или пара). Този процес е особено полезен, когато искате пречистване на твърди съединениязащото кристализиралото твърдо вещество обикновено е много по-чисто от първоначалната смес. Всъщност, това се счита за една от най-простите и ефективни техники за пречистване на вещества в лабораторията.
Кристализацията настъпва, когато физичните и химичните условия на разтвор, стопилка или пара се променят по такъв начин, че твърдото състояние става... по-стабилна отколкото първоначалното състояние. Това се случва например, когато:
- Решение става студено бавно и преминава от нормална до пренаситена концентрация.
- Se изпарява част от разтворителя и разтворът става твърде концентриран спрямо разтвореното вещество.
- Se добавете нов разтворител което променя разтворимостта на веществото и благоприятства неговото кристално утаяване.
- Пара с високо парно налягане на разтвореното вещество става твърд директно (обратна сублимация).
Целият процес се активира, когато в даден момент от кристалното вещество или разтвор частиците започнат да се реорганизират. Този етап е известен като зародишНуклеацията може да бъде спонтанен (хомогенен) или разнородни, предизвикани от наличието на малки частици, повърхности или дори примеси, които действат като кристални „зародиши“.
Целият този процес включва, освен очевидната промяна в реда на частиците, и промяна в термодинамични условияТези процеси са насочени към компенсиране на смущенията, генерирани от промяната в свободната енергия на Гибс. Тази промяна се характеризира предимно с три събития:
- Промяната в химична енергия на системата, свързана с преминаването на молекули от разтворената фаза към подреденото твърдо вещество.
- Създаването на a интерфейс между зоната на нуклеация и останалата част от хомогенната фаза (течна, газообразна или разтопена).
- La вариация в обема и формата Този процес включва напрежение и структурни пренастройки.
Следващата фаза започва, когато основната нуклеационна структура се стабилизира. Следващата стъпка е логична и предвидима: след като имаме основната структура, ще навлезем в процес на crecimiento, при което се наблюдава промяна в размерите на ядрото. Постепенно това увеличение се превръща в образуването на добре дефинирани повърхности, докато кристалът придобие кристален навик ясно наблюдаеми.
Механизъм на растеж на кристали
Теорията, разработена от Волмер, обяснява как се извършва растежът на кристал, установявайки, че около основната структура от зародиша на кристалното вещество, вид абсорбиращ слойТази повърхност действа като интерфейс и освен това насърчава миграцията на частици около нея, които се движат успоредно на повърхността. Резултатът от този процес се определя като структура в двуизмерна равнина.
От своя страна, Косел и Странски определиха, че механична работа За да се постигне прикрепването на йон или молекула към повърхността на този слой, процесът зависи от неговата позиция. Например, ръбните или ъгловите места обикновено са енергийно по-благоприятни за включването на нови частици, така че растежът не е равномерен по цялата повърхност.
Разработването на модел, който определя растежа, изисква прогнозиране зони на насищане където се наблюдава по-висока скорост на промяна (локални области на пренасищане). Това показва, че растежът на кристалите се осъществява чрез последователни слоевеТези слоеве са подредени върху вече образуваната мрежа. С нарастването и подреждането на тези слоеве, примесите са склонни да бъдат изключени от добре подредената кристална структура.
При идеални лабораторни условия, бавно охлаждане Използването на разтвор или внимателното регулиране на изпарението позволява постепенен и подреден растеж, така че кристалната решетка да се изгради без да се задържат твърде много примеси. Ако охлаждането или промяната на условията е твърде бърза, решетката се образува с по-голямо разстройство и примесите могат да се задържат вътре в кристала, намалявайки неговата чистота.
Този динамичен характер на кристализацията предполага, че дори когато кристалът расте, балансира между молекули, които са включени в кристалната решетка, и молекули, които се връщат в разтвора. Следователно, кристализацията се счита за процес, силно зависим от температура, концентрация, разбъркване и време.
Кристализацията като механизъм за разделяне на смеси
Тъй като кристалът се образува от хомогенно вещество, употребата му се е разширила до... метод за селективно разделяне на вещества. В химията и промишлеността се прилага главно за пречистване на твърди вещества, смесени с примеси, като се възползва от разликите в разтворимост и стабилност сред различните присъстващи видове.
На практика, кристализацията като метод за разделяне се състои в получаване на кристално твърдо съединение Започвайки от разтвор или смес, съдържаща основното разтворено вещество и неговите примеси, разтворителят или сместа от разтворители се избира въз основа на разтворимост на твърдото вещество и примеситеВ идеалния случай трябва да намерите разтворител, в който желаното съединение е силно разтворимо, когато е горещо, и само слабо разтворимо, когато е студено, докато примесите лесно се отделят чрез филтриране или остават разтворени.
В лабораторията типичният процес на кристализация като разделяне включва няколко свързани етапа:
- изпълнява тестове за разтворимост да се намери подходящият разтворител.
- Разтворете нечистото твърдо вещество в възможно най-малко количество горещ разтворител, докато се получи наситен разтвор.
- Отстранете неразтворимите частици чрез филтриране и, ако е необходимо, използвайте активен въглен за отстраняване на цветни примеси или мътност.
- Разрешете a бавно охлаждане така че се генерира пренасищане и започва кристализацията на желаното разтворено вещество.
- Разделете кристалите, образувани от вакуумна филтрация или чрез декантиране и ги изсушете правилно.
След като процесът приключи, чистотата на получените кристали може да се провери чрез... точка на топене (чистото твърдо вещество обикновено се топи в много тесен температурен диапазон) или чрез аналитични техники като тънкослойна хроматография. Ако чистотата е недостатъчна, процесът на кристализация може да се повтори един или повече пъти.
Сред различните методи на кристализация, по-долу са обяснени тези, които са най-широко използвани както в лаборатория, така и на промишлено ниво:
- Добавяне на нов разтворител: Ако знаем естеството на продуктите, с които работим, можем да приложим този метод, който основно се състои в добавяне на нов разтворител, който взаимодейства с разтворителя, в който е потопено разтвореното вещество, което искаме да кристализираме. Когато новият разтворител селективно модифицира разтворимостта, разтвореното вещество се утаява, инициирайки процеса на кристализация.
- Охлаждане до високи концентрации на разтвореното вещество: Когато имаме силно концентриран разтвор, приготвен при високи температури, и го подложим на процес на охлаждане, получаваме условието пренасищанекъдето се разтваря по-голямо количество разтворено вещество, отколкото разтворителят може да поеме при новите температурни условия. Ако процесът на понижаване на температурата се извършва по контролиран начин, можем да повлияем на размер и качество на стъклото че ще получим.
- Сублимация: Тази техника може да се прилага само за кристални съединения, които проявяват високо налягане на паритеПо този начин, превръщанията от газообразна в твърда фаза не изискват преминаване през точката на топене. Това е полезно за пречистване на твърди вещества като йод, нафталин или някои ароматни органични вещества.
Кристализацията се използва за разделяне на компонентите на хомогенни смесиНапример, морската вода може да бъде подложена на контролирано изпаряване и охлаждане, за да се получат относително чисти кристали готварска сол. Този процес се прилага и за вещества като стипца, захар, бензоена киселина и множество органични съединения, използвани в химическия и фармацевтичния синтез.
В много случаи този метод предлага ясни предимства пред простото изпаряване: той позволява повече контрол на размера на частиците, постига най-висока чистота и може да премахне разтворимите примеси, които биха останали в остатъка, ако разтворителят просто се остави да се изпари неконтролирано.
Кристализацията физичен или химичен процес ли е?
Кристализацията се възприема като физически процес на втвърдяване и подреждане по време на образуването и растежа на кристални съединения. По време на целия процес химичната природа на разтвореното вещество не се променя; това, което се трансформира, е неговото състояние на агрегация и начинът, по който частиците са организирани в пространството.
Кристализацията не създава нови вещества; тя само включва пренареждане на съществуващи молекули, съпроводено с промени във физични свойства като плътност, твърдост, точка на топене и външен вид. Поради тази причина тя се класифицира като... физическа трансформация, въпреки че се управлява от термодинамични и кинетични закони, специфични за химията.
Тази физическа и динамична природа, заедно с простотата на необходимите настройки, прави кристализацията една от... по-достъпни техники и ефективен за пречистване на твърди съединения в лабораторията, но също така и основен инструмент в мащабни промишлени процеси.
Употреба, предимства и примери за кристализация
Кристализацията се използва главно за получаване чисти кристали на определени вещества от нечисти смеси. Сред най-подходящите му приложения са:
- Пречистване на соли и минерали: Класическият случай е получаването готварска сол от морска вода или саламура. Чрез изпаряване и кристализация, натриевият хлорид се отделя от другите примеси.
- Хранително-вкусовата промишленост: Захарите, солите и други твърди вещества се кристализират, за да се подобри тяхното стабилност, управление и съхранениеНапример, медът може да кристализира при съхранение, придавайки му твърда текстура, без да губи свойствата си.
- Фармацевтична индустрия: Кристализацията се използва като метод за разделяне и пречистване при работа в синтез и изолиране на активни фармацевтични съставки (АФС), кокристали, полиморфни форми или разделяне на хирални изомери. Получената кристална форма може да повлияе на разтворимост и бионаличност от лекарството.
- Образуване на минерали и скали: Много магмени и метаморфни скали са се образували от бавна кристализация от магми или хидротермални разтвори, което води до образуването на минерали и скъпоценни камъни с голяма естетическа и научна стойност.
- Природен феномен: Лос снежинки Те са ледени кристали с шестоъгълна структура. Въпреки че всички те споделят тази геометрична основа, температурните и влажностните условия карат всеки снежен кристал да расте уникален, което води до неповторими структури.
- Образуване на спелеотеми: Сталактитите и сталагмитите в пещерите се образуват чрез кристализация на минерали (като калцит) от бавно отложени капки вода, натоварени със соли.
Сред основните ventajas Сред методите за кристализация, използвани за разделяне, се открояват следните:
- Това ви позволява да получавате продукти от висока чистота, поради отхвърлянето на примеси в подредената кристална решетка.
- Образуваните кристали обикновено са сухи стоки които могат да бъдат опаковани и съхранявани директно за консумация или за по-нататъшна преработка.
- Изисква a умерена консумация на енергия и не винаги изисква изключително високи температури, което го прави ефикасен и устойчив.
- Това е процедура гъвкав, приложим за широк спектър от вещества с различни диапазони на разтворимост и точки на топене.
Ежедневни примери за резултатите от процесите на кристализация включват: образуването на ледени кубчета и сняг от вода; кристализацията на съхранявания мед; появата на захарни кристали в сладкиши или бонбони; образуването на минерали и спелеотеми; и разбира се, създаването на скъпоценни камъни и скъпоценни камъни във вътрешността на земната кора.
Кристализацията може да се наблюдава и при прости експерименти у дома или в класната стая, като например растежа на солни кристали върху почистващи препарати за тръби или картон, потопени в пренаситени солни разтвори. Като оставят разтвора неподвижен и позволяват на водата да се изпари бавно, солевите йони се организират и образуват видими кристални структури, визуално демонстрирайки как температурата, концентрацията и времето влияят на процеса.
Разбирането как и кога протичат процесите на кристализация ни позволява да се възползваме от тях в технологичен и индустриален контекст, както и в образователни и научни дейности, и помага за по-доброто тълкуване на множество природни явления, които ни заобикалят ежедневно.