KRISTALLISATION: PROCESS, TYPER, EXEMPEL, SEPARERING - KEMI - 2025

Den kristallisering är en fysisk process i vilken naturligt eller artificiellt ett kristallint fast material, beordrade dvs strukturen är bildad av ett flytande eller gasformigt medium. Det skiljer sig från nederbörd i det faktum att det senare utvecklas utan rigorös kontroll av processparametrarna, och också att det kan producera amorfa och gelatinösa fasta ämnen.

Syftet med kristallisation, som namnet enkelt och tydligt indikerar, är att generera kristaller. Dessa kännetecknas inte bara av att de är ordnade, utan också av att vara rena fasta ämnen. Därför söks det vid syntesen av fasta föreningar att erhålla produkter med hög renhet, kristaller som är så rena som möjligt.

Kristallisation av en hypotetisk purpurfärgad lösning i vattenlösning. Källa: Gabriel Bolívar.

Bilden ovan visar en generaliserad och hypotetisk kristallisation av ett lila lösta ämne i vattenlösning.

Observera att den röda stapeln fungerar som en termometer. När temperaturen är hög, innehåller lösningen det upplösta lösta ämnet, som förblir lösligt under dessa förhållanden. Men när temperaturen gradvis sjunker börjar de första lila kristallerna dyka upp.

När temperaturen fortsätter att sjunka kommer kristallerna att växa i storlek för att bilda robusta lila sexhörningar. Förändringen i färg på lösningen är en indikation på att det lösta ämnet gick från att upplösas till att införlivas i de växande kristallerna. Ju långsammare kristallisationen är, desto renare erhålls det kristallina fasta ämnet.

Det finns andra variabler att ta hänsyn till under denna process: hur mycket lösta ämnen löses i det givna lösningsmedlet, vid vilken temperatur lösningen måste värmas, hur länge kylningen måste pågå, hur nödvändigt det är att ta till eller inte till sonisk omrörning, bland andra. aspekter.

Kristallisationsprocessen, mer än ett komplicerat fenomen som involverar molekylär dynamik och termodynamik, är en konst som kräver ständigt lärande, försök och fel, tills den är perfekt i laboratoriet eller i branschen.

Kristallisationsprocess

Kristallisation består väsentligen av två processer: kärnbildning och kristalltillväxt.

Båda stadierna sker alltid under kristallisation, men när det första inträffar snabbt kommer det andra knappast att ha tid att utvecklas. Under tiden, om kärnbildningen är långsam, kommer kristallerna att ha mer tid att växa, och därför tenderar de att bli större. Det senare är den situation som antas i bilden med de lila sexhörningarna.

Kärnbildning

Kristaller sades ursprungligen vara fasta med beställda strukturer. Från lösningen där det lösta ämnet är dispergerat i störning måste dess partiklar komma tillräckligt nära så att deras interaktioner, oavsett om de är joniska eller av Van der Walls-typ, tillåter att den första gruppen av lösta partiklar sätts: ett kluster.

Detta kluster kan upplösas och omformas så många gånger som behövs tills det är stabilt och kristallint. Den första kärnan sägs sedan ha dykt upp. Om kärnan uppträder från ingenstans, det vill säga från mediets mycket homogenitet under dess kylning, kommer det att vara en homogen kärnbildning.

Å andra sidan, om nämnda kärna äger rum tack vare ytan som tillhandahålls av en annan olöslig fast partikel eller behållarens brister, kommer vi att ha en heterogen kärnbildning. Den senare är den mest använda och kända, särskilt när en liten kristall, tidigare erhållen, av de arter som vi vill kristallisera läggs till lösningen.

Kristaller kan aldrig formas ut ur tunn luft utan kärnbildning först.

Kristalltillväxt

Det finns fortfarande mycket löst ämne i lösning, men koncentrationen av löst ämne i dessa kärnor är högre än i deras omgivningar. Kärnorna fungerar som stöd för att mer lösta partiklar kan lägga sig och "passa" mellan deras växande strukturer. På detta sätt upprätthålls deras geometrier och växer gradvis.

Till exempel är de första kärnorna i bilden lila hexagoner; det här är din geometri. När lösta partiklar införlivas växer kärnorna till robusta hexagonala kristaller, som kommer att fortsätta växa ytterligare om lösningen nedsänks i ett isbad.

Typer av kristallisation

Det som hittills har förklarats består av kristallisationen genom att kyla lösningsmedlet.

Kristallisation av lösningsmedelsavlägsnande

Andra typer av kristallisation baseras på avlägsnande av lösningsmedel genom indunstning, för vilket det inte är nödvändigt att använda så mycket volym av det; det vill säga, det räcker med att bara mätta det med lösta ämnen och värma det för att övermätta det och sedan lite mer, låt det sedan ligga i vila, så att lösningen slutligen kristalliserar.

Kristallisation av lösningsmedelsaddition

På samma sätt har vi kristallisationen orsakat av tillsats av ett lösningsmedel till blandningen i vilken det lösta ämnet är olösligt (antisolvent). Därför kommer kärnbildning att gynnas eftersom det finns rörliga och flytande regioner där de lösta partiklarna kommer att vara mer koncentrerade än i de där de är mycket lösliga.

Kristallisation genom sonifiering

Å andra sidan sker kristallisering genom sonifiering, där ultraljud genererar och bryter små bubblor som återigen främjar kärnbildning, samtidigt som det hjälper till att fördela kristallstorlekar jämnare.

Och slutligen sker kristallisation från ångavsättning på kalla ytor; det vill säga det omvända fenomenet till sublimering av fasta ämnen.

Kristallisationsseparationsmetod

Kristallisation är en oumbärlig teknik när man erhåller fasta ämnen och rena dem. Det är mycket återkommande i syntesen av organiska föreningar och representerar ett av de sista stegen för att garantera produktens renhet och kvalitet.

Exempel på färgämne

Anta till exempel att kristaller av ett färgämne erhålls och att de redan har filtrerats. Eftersom detta färgämne ursprungligen erhölls genom utfällning i en syntes, visar dess fasta ämne utseendet att vara amorft, eftersom det har många föroreningar som absorberats och fångats mellan dess molekylära kristaller.

Därför beslutas det att värma ett lösningsmedel där färgämnet är något lösligt, så att när det tillsätts löses det relativt lätt. När den har lösts efter tillsats av lite mer lösningsmedel separeras lösningen från värmekällan och lämnas att vila. När temperaturen sjunker sker kärnbildning.

Färgkristallerna kommer sålunda att bildas och verka mer definierade (inte nödvändigtvis kristallina för ögat). Det är just nu som behållaren (vanligtvis en Erlenmeyer-kolv eller en bägare) nedsänks i ett isbad. Förkylningen i detta bad hamnar till att föredra tillväxten av kristallerna ovanför kärnbildningen.

Färgkristallema vakuumfiltreras därefter, tvättas med ett lösningsmedel i vilket det är olösligt och får torka i ett klockglas.

Kristallisationstemperatur

Temperaturen vid vilken kristallisation sker beror på hur olösligt det lösta ämnet är i lösningsmedelsmediet. På samma sätt beror det på lösningsmedlets kokpunkt, eftersom om det lösta ämnet ännu inte har lösts upp vid koktemperaturen beror det på att ett annat lämpligare lösningsmedel måste användas.

Till exempel kommer fasta ämnen som kan kristallisera i vattenhaltiga medier göra det när vattnet sänker temperaturen (det vill säga från 100 till 50 ºC), eller medan det avdunstar. Om kristallisation sker genom indunstning sägs det ske vid rumstemperatur.

Å andra sidan sker kristallisationen av metaller eller av några joniska fasta ämnen vid mycket höga temperaturer, eftersom deras smältpunkter är mycket höga, och den smälta vätskan är glödande, även när den kyls tillräckligt för att kärnföra dess partiklar och odla dina kristaller.

Kristallisationshastighet

I princip finns det två direkta sätt att kontrollera kristallisationshastigheten för ett fast ämne: med graden av övermättnad (eller övermättnad) eller genom plötsliga temperaturförändringar.

Graden av övermättnad

Graden av övermättnad betyder hur mycket överskott av löst ämne som tvingas upplösas genom applicering av värme. Därför, ju mer övermättad lösningen är, desto snabbare är kärnbildningsprocessen, eftersom det är större sannolikhet för att kärnor bildas.

Även om kristallisationen påskyndas på detta sätt kommer de erhållna kristallerna att vara mindre jämfört med de erhållna med en lägre övermättnadsgrad; det vill säga när deras tillväxt föredras och inte kärnbildning.

Temperaturförändringar

Om temperaturen sänks kraftigt kommer kärnorna knappast att få tid att växa och inte bara det, utan de kommer också att hålla högre nivåer av föroreningar. Resultatet är att även om kristallisation sker snabbare än långsam kylning, kommer kristallernas kvalitet, storlek och renhet att bli lägre.

Snabb kristallisation på grund av ett plötsligt fall i temperaturen. Källa: Gabriel Bolívar.

Bilden ovan tjänar till att kontrastera den första. De gula prickarna representerar föroreningarna, som på grund av den plötsliga tillväxten av kärnorna fångas inuti dem.

Dessa föroreningar gör det svårt att införliva mer lila sexhörningar, vilket resulterar i mycket små orena kristaller i slutet, snarare än stora, rena.

tillämpningar

Kristallisation av glass är en av de viktigaste aspekterna under dess industriella eller hantverksproduktion. Källa: Pixabay.

Kristallisation, såväl som omkristallisation, är avgörande för att få högkvalitativa, rena fasta ämnen. För läkemedelsindustrin är detta särskilt sant eftersom deras produkter måste vara så rena som möjligt, precis som konserveringsmedel som används i livsmedelsindustrin.

Vidare är nanoteknologi mycket beroende av denna process så att de kan syntetisera nanopartiklar eller nanokristaller, snarare än robusta kristallfast material.

Ett av de vardagliga exemplen där kristallisation har ett stort deltagande är i produktionen av glass. Om du inte är försiktig med vatten kristalliseras det i en separat fas (is) från dess lipidinnehåll, vilket påverkar dess struktur och smak; Med andra ord kommer det att vara mer som en rakad glass eller glass.

Därför bör iskristallerna vara så små som möjligt så att glassen blir smidig efter smak och beröring. När dessa iskristaller är lite stora kan de upptäckas i ljus eftersom de ger glassen en frostad yta.

Exempel på kristallisation

Slutligen nämns några vanliga exempel på kristallisation, både naturlig och konstgjord:

snöflingor

Snöflingor bildas genom en naturlig kristallisationsprocess. Det är känt att varje snökristall är unik. Detta beror på förhållandena som uppstår under den andra fasen av kristallisation (tillväxt).

De olika geometriska former som snökristaller finns beror på de förhållanden som de måste möta under kristalltillväxten.

Salt

Salt är det vanligaste exemplet på kristallisation. Detta kan bildas både naturligt (som havssalt) och konstgjort (som är fallet med bordsalt).

Socker

Efter salt är socker en av de vanligaste kristallerna. Den bildas genom en serie komplexa industriella processer där sockerrörssaft tas och utsätts för en konstgjord kristallisationsprocess.

Diamant

Diamant är en ädelsten som bildas genom kristallisation av rent kol. Detta är det hårdaste materialet som är känt på planeten. Dess bildning kan vara naturlig, liksom med diamanter som finns i gruvavlagringar eller syntetiska.

Rubin

Ruby är en rödaktig kristall som bildas genom kristallisation av aluminiumoxid (coridon).

stalagmiter

Stalagmiter är strukturer som finns i grottor, speciellt i jord (växer uppåt). De består av kalciumföreningar och bildas genom kristallisation av kalciumsalter som finns i vattnet som faller från grottornas tak.

stalaktiter

Stalaktiter, som stalagmiter, är tillverkade av kalcium och finns i grottor. De skiljer sig från det senare eftersom de hänger i taket. De bildas genom kristallisation av kalciumsalterna som finns i vattnet som infiltrerar grottorna.

Kvarts

Kvarts är en pärla som bildas genom kristallisation av kiselsyraanhydrid. Det är en av de vanligaste mineralerna i stenar och dess färg är varierande.

Peridot

Även kallad olivin, denna ädelsten bildas tack vare kristallisationen av järn och magnesium. Den är grönaktig i färgen och är vanligtvis diamantformad.

silikater

Silikater är material som skapas genom kristallisation av kiseldioxid och andra element (järn, aluminium, kalcium, magnesium). De finns i alla stenar.

godis

Godis tillverkas med sockerkristaller, så det kan sägas att två kristallisationsprocesser ingriper: den första för bildandet av socker och den andra för bildandet av melass.

Krämig glass

Krämig glass innehåller en serie kristaller som ger den slutliga smidiga strukturen. Bland kristallerna som krämig glass innehåller är lipidkristaller (bildade av fett) och iskristaller. Det bör noteras att vissa glass också innehåller laktoskristaller.

I detta avseende erhålls glass genom olika artificiella kristallisationsprocesser (en för lipider, en för is och en för laktos).

Övriga

-Preparation av sockerkristaller runt en tråd eller rep och en övermättad söt lösning

-Formation av sockerkristaller från honung avsatt i botten av deras burkar

-Växten av njursten, som består av essensen av kalciumoxalatkristaller

-Kristallisationen av mineraler, inklusive ädelstenar och diamanter, genom åren, vars former och kanter är en återspegling av deras ordnade inre strukturer

- Avsättning av heta metallångor på kalla barer som stöd för tillväxten av deras kristaller.

referenser

1. Day, R., & Underwood, A. (1989). Kvantitativ analytisk kemi. (femte upplagan). PEARSON Prentice Hall.
2. Wikipedia. (2019). Kristallisering. Återställd från: en.wikipedia.org
3. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (23 maj 2019). Kristallisation Definition. Återställd från: thoughtco.com
4. University of Colorado. (Sf). Kristallisering. Organisk kemi. Återställd från: orgchemboulder.com
5. Syrris. (2019). Vad är kristallisation? Återställd från: syrris.com