Кристализацијата — процес кој води до цврсти материи со униформен модел на атоми или молекули, т.е. кристал. Униформната природа на кристалната цврста материја може да се спореди со аморфните цврсти материи во кои атомите или молекулите немаат правилна организација. Кристализацијата може да се случи по различни патишта, вклучувајќи таложење од раствор, замрзнување на течност или таложење од гас. Својствата на добиениот кристал можат во голема мера да зависат од фактори како што се температурата, воздушниот притисок, брзината на ладење или концентрацијата на растворена супстанца.
Кристализацијата се одвива во две главни фази. Првата е нуклеација, појава на кристална фаза од преладена течност или презаситен растворувач. Вториот чекор е познат под името кристален раст, што е зголемување на големината на честичките и води до кристална состојба. Важна карактеристика на овој чекор е тоа што лабавите честички формираат слоеви на површината на кристалот и се сместуваат во отворени недоследности како што се пори, пукнатини итн.
Кристализацијата исто така претставува техника на хемиско одвојување на цврсто-течно тело, во која се случува пренос на маса на растворена супстанца од течниот раствор во чиста цврста кристална фаза. Во хемиското инженерство, кристализацијата се случува во кристализатор. Затоа, кристализацијата е поврзана со таложење, иако резултатот не е аморфен или неуреден, туку кристал.
Процес мини| Временски застој на растот на кристал од лимонска киселина. Видеото опфаќа површина од 2,0 на 1,5 мм и бил заробен во текот на 7,2 мин. Процесот на кристализација се состои од два главни настани, нуклеација и кристален раст, кои се водени од термодинамичките својства, како и од хемиските својства. Нуклеацијата претставува чекор каде што молекулите или атомите на растворената супстанца дисперзирани во растворувачот започнуваат да се собираат во кластери, на микроскопско ниво (зголемување на концентрацијата на растворената супстанца во мал регион), кои стануваат стабилни под тековните работни услови. Овие стабилни кластери ги сочинуваат јадрата. Затоа, кластерите треба да достигнат критична големина за да станат стабилни јадра. Таквата критична големина е доследена од многу различни фактори (температура, презаситеност итн.). Во фазата на нуклеација атомите или молекулите се распоредуваат на дефиниран и периодичен начин што ја дефинира кристалната структура - забележливо е дека „кристална структура“ е посебен термин што се однесува на релативниот распоред на атомите или молекулите, а не на макроскопските својства на кристалот (големина и облик), иако тие се резултат на внатрешната кристална структура.
Кристалниот раст е последователно зголемување на големината на јадрата кои успеваат да ја постигнат критичната големина на кластерот. Растот на кристалите претстѕавува динамичен процес кој се јавува во рамнотежа каде што молекулите или атомите на растворената супстанца се таложат од растворот и се раствораат назад во растворот. Презаситеноста е една од движечките сили на кристализацијата, бидејќи растворливоста на еден вид е рамнотежен процес квантифициран со Ksp. Во зависност од условите, или нуклеацијата или растот може да бидат доминантни над другото, и ја диктираат големината на кристалот.
Голем број на соединенија имаат способност да кристализираат, при што некои имаат различни кристални структури, феномен наречен полиморфизам. Одредени полиморфи може да бидат метастабилни, што значи дека иако не се во термодинамичка рамнотежа, тие се кинетички стабилни и бараат одреден внес на енергија за да се предизвика преобразба во рамнотежна фаза. Секој полиморф е всушност различна термодинамичка цврста состојба, а кристалните полиморфи на истото соединение покажуваат различни физички својства, како што се брзината на растворање, обликот (агли помеѓу фасетите и стапките на раст на фасетите), точката на топење итн. Поради оваа причина, полиморфизмот е од големо значење во индустриското производство на кристални производи. Дополнително, кристалните фази понекогаш можат да се конвертираат меѓусебно од различни фактори како што е температурата, како на пример при преобразбата на анатаза во рутилни фази на титаниум диоксид.
Во природата мини|Снегулките се многу добро познат пример, каде што суптилните разлики во условите за кристален раст резултираат со различни геометрии. мини|Кристализиран мед Постојат голем број на примери на природен процес што вклучува кристализација.
Примери за геолошки процеси во временска скала вклучуваат:
Природно (минерално) формирање на кристали (погледнете ја статијата за скапоцен камен); Сталактит/сталагмит, формирање прстени;
Примери за процеси на човечка временска скала вклучуваат:
Формирање на снегулки; Кристализација на мед (скоро сите видови мед кристализираат).
Методи Кристалите може да се формираат преку различни методи, како што се: ладење, испарување, додавање на втор растворувач за да се намали растворливоста на растворената супстанца (техника позната како антирастворувач или давење), слоевитост со растворувач, сублимација, промена на катјонот или анјонот, како и други методи.
Формирањето на презаситен раствор не гарантира формирање на кристали, и честопати е потребно кристално семе или гребење на стаклото за да се формираат места на нуклеација.
Типична лабораториска техника за формирање кристали е растворање на цврстата материја во раствор во кој е делумно растворлива, обично на високи температури за да се добие презаситеност. Потоа, топлата смеса се филтрира за да се отстранат сите нерастворливи нечистотии. Филтратот се остава полека да се олади. Кристалите што се формираат потоа се филтрираат и се мијат со растворувач во кој не се растворливи, но се мешаат со матичната течност. Процесот потоа се повторува за да се зголеми чистотата во техника позната како рекристализација.
За биолошки молекули во кои каналите на растворувачот продолжуваат да бидат присутни за да ја задржат тридимензионалната структура недопрена, микросеријалната кристализација под масло и дифузија на пареа се вообичаени методи.
Типична опрема Опрема за главните индустриски процеси на кристализација.
Кристализатори во резервоари: Кристализацијата во резервоари е стар метод што сè уште се употребува во некои специјализирани случаи. Заситените раствори се оставаат да се изладат или испарат во резервоари. По одреден временски период, мајчината течност се исцедува и кристалите се отстрануваат. Нуклеацијата и големината на кристалите се тешки за контрола. Типично, трошоците за работна сила се многу високи. Кристализаторите во резервоари можат да се појават во повеќе форми: Кристализаторите за ладење може да се користат во случај кога растворливоста значително варира со температурата. Намалувањето на температурата се постигнува со употреба на течност за ладење што циркулира во средна обвивка. Во резервоарот често е вклучен миксер за да се обезбеди внатрешна циркулација и рамнотежа на температурата. Испарувачките кристализатори користат отворени резервоари (или намален притисок) за отстранување на растворувачот со текот на времето, со што се таложат кристалите со зголемување на концентрацијата на растворената супстанца над прагот на растворливост. Овој процес е нечувствителен на промена на температурата (сè додека состојбата на хидратација останува непроменета). Овие резервоари можат понатаму да се поделат на цевчести испарувачи и плочести испарувачи. Мешана суспензија, отстранување на мешани производи (МСОМП) : МСОМП се употребува за многу поголема неорганска кристализација. МСОМП може да кристализира раствори на континуиран начин. Кристализатори со цевка за влечење и преграда: Концептуализирани кон крајот на 1950-тите, DTB кристализаторите содржат внатрешен циркулатор кој го движи растворот нагоре со многу мала брзина и област за таложење во прстен околу резервоарот. Големите кристали се креваат и континуирано се таложат врз прстенот, додека помалите кристали се филтрираат низ странична цевка во областа за таложење, повторно се раствораат и се враќаат во мајчината течност за да се одржи презаситеноста и да се поттикне растот на големи кристали.
Термодинамички поглед мини|Нискотемпературна SEM серија на зголемување за снежен кристал. Кристалите се заробуваат, складираат и се премачкуваат со платина на крио-температури за снимање. Процесот на кристализација се смета дека го нарушува вториот принцип на термодинамиката. Додека поголемиот број процеси што даваат поуредни резултати се постигнуваат со примена на топлина, кристалите обично се формираат на пониски температури. особено со преладување. Сепак, ослободувањето на топлината на фузија за време на кристализацијата предизвикува зголемување на ентропијата на универзумот, па затоа овој принцип останува непроменет.
Молекулите во чист, совршен кристал, кога се загреваат од надворешен извор, стануваат течни. Ова се случува на остро дефинирана температура (различна за секој тип кристал). Како што се втечнува, комплицираната архитектура на кристалот се распаѓа. Топењето се случува бидејќи добивањето на ентропијата (S) во системот преку просторна рандомизација на молекулите ја надминала загубата на енталпија (H) поради прекинување на силите на пакување на кристалот:
Во однос на кристалите, нема исклучоци од ова правило. Слично на тоа, кога стопениот кристал се лади, молекулите ќе се вратат во нивната кристална форма откако температурата ќе падне над пресвртната точка. Тоа е така поради тоа што термичката рандомизација на околината компензира за загубата на ентропија што произлегува од преуредувањето на молекулите во системот. Ваквите течности што кристализираат при ладење се исклучок, а не правило.
Природата на процесот на кристализација претставува регулирана и од термодинамички и од кинетички фактори, која може да го направи многу варијабилен и тежок за контрола. Фактори како што се нивото на примеси, режимот на мешање, дизајнот на садот и профилот на ладење можат да имаат големо влијание врз големината, бројот и обликот на произведените кристали.
Динамика Кристалот се формира по добро дефиниран модел или структура, диктиран од сили кои дејствуваат на молекуларно ниво. Како последица на тоа, за време на процесот на формирање, кристалот се наоѓа во средина каде што концентрацијата на растворената супстанца достигнува одредена критична вредност, пред да ја промени состојбата. Формирањето на цврста супстанца, невозможно под прагот на растворливост при дадените услови на температура и притисок, може да се случи при концентрација поголема од теоретското ниво на растворливост. Разликата помеѓу вистинската вредност на концентрацијата на растворената супстанца на границата на кристализација и теоретскиот (статички) праг на растворливост се нарекува презаситеност и е фундаментален фактор во кристализацијата.
Нуклеација Нуклеацијата претставува иницијација на фазна промена во мал регион, како што е формирањето на цврст кристал од течен раствор. Таа е последица на брзи местни флуктуации на молекуларно ниво во хомогена фаза која е во состојба на метастабилна рамнотежа. Вкупната нуклеација претставува збирен ефект од две категории на нуклеација - примарна и секундарна.
Примарна нуклеација мини|433x433пкс|TEM дифракциски модели на ZrO<sub id="mwzw">2</sub> со временска резолуција што го прикажуваат преминот од аморфна во кристална структура под изложеност на електронски зрак, што се докажува со појава на Брегови врвови (или дискови).