Što je kristalizacija? Definicija procesa, temperatura, primjeri procesa

Što je kristalizacija, uči se u školi. No, pojam se u pravilu razmatra samo u odnosu na jednu znanost - kemiju. I taj proces ima najveću važnost za njega, iako to nije razlog da se ne obrati pažnja na njezino razmatranje u drugim industrijama. I sada to vrijedi popraviti. Ali prvo prvo.

Definicija procesa

Dakle, što je kristalizacija? To je proces u kojem se kristali formiraju iz plinova, talina, čaša i otopina. Svi znaju što su. Ako se izrazi u znanstvenom jeziku, onda su kristali čvrsta tijela s pravilnim rasporedom atoma (najmanje čestice kemijskog elementa koji nose njegova svojstva). Oni imaju prirodni oblik regularnih simetričnih poliedara, što je zbog njihove unutarnje strukture.

Na pitanje što je kristalizacija može se odgovoriti na drugačiji način. Tako se naziva formiranje tih krutina iz kristala različite strukture. To se odnosi na polimorfne transformacije. One se objašnjavaju činjenicom da isti atomi mogu oblikovati različite kristalne rešetke.

Dodatno, kristalizacija se odnosi na proces prijelaza tvari iz tekućeg u kruto kristalno stanje.

Poltermički proces

Govoreći o tome što je kristalizacija, treba napomenuti da postoji nekoliko načina na koji se ona formira. Razlikuju se u tehnikama koje se koriste za postizanje zasićenosti otopine.

Prvi korak je govoriti o politeralnoj kristalizaciji, koja se također naziva izohidrična. Može se pojaviti samo s konstantnim sadržajem vode u sustavu.

Načelo nije toliko složeno koliko se može činiti. Prekomjerno zasićena otopina nastaje hlađenjem sustava. Proces se odvija samo na promjenjivoj temperaturi.

Politeralni proces vođen zasićenim otopinama za hlađenje može se primijeniti samo na određene tvari. Za one čija se topivost poboljšava s povećanjem temperature.

Važno je napomenuti da se ponekad koristi i metoda politeralnog isparavanja. Tijekom ovog postupka, tvar se zagrijava i isparava. Nakon toga dolazi do višestruke toplinske i masovne razmjene između faze pare i tekućine.

Koristi se još jedna polieterična metoda kada je u supstanciji s različitim svojstvima topljivosti prisutno nekoliko soli. Glavni primjer je isticanje. kalijev klorid iz silvinita.

Izotermna metoda i isušivanje

To bi također trebalo reći. Proces izotermne kristalizacije karakteriziran je isparavanjem vode iz otopina na konstantnoj, nepromjenjivoj temperaturi. Ova metoda je primjenjiva na tvari sa sadržajem soli, čija je topljivost praktički neovisna o toplini.

Isparavanje se može postići dovođenjem tekućine do intenzivnog vrenja i održavanja u tom stanju. To je "tradicionalna" metoda. I dalje se može koristiti sporo isparavanje površine.

U nekim slučajevima, tvari se ubrizgavaju u tekućine koje smanjuju njihovu sposobnost otapanja. To se zove soljenje. Takvi "pomoćnici" su tvari koje sadrže isti ion kao ova sol. Izvanredan primjer: postupak kristalizacije natrijevog klorida iz otopine s visokom koncentracijom, u koju je dodan magnezij klorid.

Valja napomenuti da mehanizam soljenja nije uvijek isti. Ako se, da bi se taj postupak proveo, pomiješaju dva elektrolita, čija će dodatna količina biti s istim ionom, tada će na kraju biti moguće postići takvu koncentraciju da proizvod topljivosti tvari postane mnogo veći. Što to znači? Jednostavnim riječima - pojavit će se višak tvari, koji će se izdvojiti u čvrstoj fazi.

To se događa na drugačiji način. Da bi se postiglo soljenje, potrebno je potpuno izmijeniti strukturu otopine - kako bi se potaknulo stvaranje hidratiziranih školjki oko čestica tvari koje se moraju kristalizirati. Kako se to postiže? Kroz uništavanje školjki već otopljene tvari.

Važno je naučiti: soli koje tvore kristalne hidrate se solju intenzivnije nego one koje se stvaraju u bezvodnom obliku. Ali neki "aditivi" samo povećavaju topljivost. To dovodi do skrućivanja.

Odlaganje tvari reagensima

To je najčešća metoda kristalizacije u kemiji. To je najbrži i najjednostavniji.

Ako se u procesu formira reakcijski proizvod koji je praktički netopljiv u vodi, tada se odmah istaloži iz otopine. Što još? Ako produkt reakcije ima karakterističnu topljivost, tada dolazi do kristalizacije u trenutku kada tekućina dosegne potrebnu razinu sitosti. Proces se nastavlja sve dok ga ne uđe talog (reagens).

Glavni primjer je dobivanje kalcijev karbonat. To je netopljivo. Dakle, morate upotrijebiti pretvorbu kalcijevog nitrata u aluminijev nitrat. Promatrajući formulu, može se razumjeti kako se približno proces odvija: Ca (NO3) ₂ + (NH4) 2CO3 = CaCO3 + 2NH4NO3.

Da bi se dobili katalizatori, dolazi do taloženja metala kao netopljivih tvari. To uključuje oksalate, hidrokside, karbonate i druge soli. One se talože jer se kasnije razgrađuju do oksida.

smrzavanje

Još jedan proces koji se mora uočiti s pažnjom, govoreći što je kristalizacija. Zamrzavanje je izolacija u čvrstom obliku jedne od komponenti plinovite ili tekuće smjese, što se postiže hlađenjem smjese. Štoviše, temperatura se postiže ispod one u kojoj obično počinje kristalizacija.

Temelj ovog procesa je niska međusobna topljivost komponenata koje treba razdvojiti. Primjer: kada se vodene otopine zamrznu, otopljene tvari nisu dio dobivenih kristala.

Ova metoda je uključena u posebnim slučajevima. Zamrzavanje je učinkovito kada je potrebno odvojiti smjese, pročistiti tvari ili koncentrirati otopinu.

Metoda se aktivno koristi u kemijskoj, mikrobiološkoj, farmakološkoj i prehrambenoj industriji. Ali u svakodnevnom životu postoji mnogo primjera tog procesa. Radi se o koncentraciji smrzavanja s oslobađanjem leda. Svrha mu je očuvanje arome, boje, te ljekovitih i okusnih svojstava termolabilnih proizvoda. To su: biljni ekstrakti, sokovi, pivo, vino, enzimska rješenja. I također lijekovi koji su biološki aktivni i lijekovi.

Često se kristalizacija tvari smrzavanjem prati, naknadno, sušenjem smrzavanjem. Ova metoda se koristi u proizvodnji proizvoda u prahu namijenjenih otapanju. Postoji mnogo primjera - sokovi, čajevi, kava, juhe, mlijeko, vrhnje, pire krumpir, žele, sladoled ... svi znaju ove praške u vrećicama ili limenkama, šireći ih u vodi, možete dobiti gotov proizvod.

Usput, još uvijek se zamrzavanje koristi za čišćenje otpadne vode i desalinizaciju morskih - da biste dobili čist, bez nečistoća. Čak i zrak, ponekad, dijeli. Na kriogeni način, naravno. Smrzavanjem uklanja ugljični dioksid i vodenu paru.

Specifična toplina kristalizacije

Ukratko, vrijedi spomenuti i ovaj koncept. Također je poznat kao "specifična toplina taljenja" i "entalpija". Imena su različita, ali definicija je jedna. To je količina topline koja se mora dati jednoj jedinici mase kristalne tvari kako bi se prenijela iz čvrstog stanja u tekućinu.

Označava se grčkim slovom λ. U kemiji, formula za temperaturu kristalizacije je sljedeća: Q: m = λ. Ovdje se podrazumijeva da Q znači količinu topline koju tvar proizvodi tijekom taljenja. A slovo m označava njegovu masu.

Treba napomenuti da je specifična toplina kristalizacije (taljenja) uvijek pozitivna. Jedina iznimka je helij visokog tlaka. Zanimljivo je da ovaj najjednostavniji monatomski plin ima najnižu točku vrenja među svim trenutno poznatim tvarima. Ovaj proces helija počinje se pojavljivati ​​na -268,93 ° C.

Što je s točkom taljenja? Evo nekoliko primjera navedenih u kJ u odnosu na jedan kilogram tvari: led - 330, živa - 12, naftalen - 151, bijeli i sivi olovo - 14 i 100.

primjeri

Kristalizacija je vrlo temeljito proučen proces u kemiji, što je posebno zanimljivo u praksi.

Kao primjer, razmotrite proces stvaranja šećera. Bit procesa je dodjela saharoze sadržane u sirupu. Potonje također sadrži i druge tvari koje se ne uklanjaju u procesu čišćenja soka i ponovno formiraju tijekom kondenzacije.

Kada temperatura raste, počinje kristalizacija, a pri tome nastaje interkristalna otopina, koja se naziva massecuite. U njoj će se nakupiti sav višak tvari. Zapravo, oni ozbiljno ometaju cijeli proces, budući da prisutnost različitih vrsta nečistoća povećava viskoznost otopine.

Još jedan svijetli primjer kristalizacije u kemiji povezan je s formiranjem soli. Da bi ga osobno vidjeli, nije ni nužno provoditi eksperimente - taj proces postoji u prirodi. U hladnoj sezoni, obala baca tone soli na obalu. Ona ne nestaje. Zgrabljena je u ogromne hrpe, a onda, kada dođe vrućina i suhoća, kristalizacijska voda ispari iz nje. Ostao je samo fini prah - sol koju konzumira industrija.

Primjer soli je najjednostavniji. Čak iu nekim školama djeca dobivaju domaću zadaću kao dio lekcije iz kemije: otopiti 1-2 žlice soli u vrlo maloj količini vode i ostaviti posudu negdje. Za intenzivniju kristalizaciju temperatura se može povećati - primjerice, premjestite otopinu na bateriju. Nakon nekoliko dana voda će ispariti. Ali kristali soli će ostati.

metali

Također se kristaliziraju. Štoviše, svi čvrsti metali koje vidimo i možemo dotaknuti rezultat su tog procesa. Paralelne transformacije su od velike važnosti, jer u velikoj mjeri određuju svojstva metala.

Kristalizacija, kao proces, u ovom je slučaju vrlo zanimljiva. Dok je supstanca u tekućem stanju - atomi u njoj se stalno kreću. Naravno, sve to vrijeme održavala je odgovarajuću visoku temperaturu. Kako se smanjuje, atomi se međusobno približavaju, zbog čega se grupiraju u kristale. Tako nastaju “centri”. To jest, primarna skupina kristala. Njima, kako se kretanje preostalih atoma usporava, spajaju se sekundarni.

U početku, kristali rastu nesmetano. A oni koji su već formirani, ne gube ispravnost strukture. Ali onda se kristali sudaraju s daljnjim pokretima. Zbog njihovog kontaktnog obrasca je pokvaren. Međutim, unutar svakog kristala struktura je još uvijek ispravna. Te se skupine, usput, nazivaju zrncima. I nisu uvijek formirani. Sve ovisi o uvjetima kristalizacije, o tome na kojoj se temperaturi dogodilo (stabilno ili ne), kao io prirodi samog metala.

O zrnu

Iznad, mnogo je rečeno o specifičnoj kristalizaciji, kao io raznim metodama kojima se taj proces provodi. U nastavku teme metala, želio bih govoriti o zloglasnom zrnu, čiji su uzroci opisani u prethodnom odlomku.

Zapravo, njegov izgled je znak slabe kristalizacije. Grobni metal je krhak, gotovo ne može odoljeti jako visokom utjecaju. U procesu kovanja u njemu se pojavljuju pukotine. Oni se također formiraju u zoni zahvaćenoj toplinom. Kako bi se smanjila vjerojatnost njihovog nastanka, u industriji se primjenjuju različite mjere: one modificiraju metal s npr. Titanovim šavovima. Mogu spriječiti rast zrna.

Za krupno zrnate metale postoje i drugi zahtjevi za prezentaciju uzoraka. Njihova debljina bi trebala biti najmanje 1,5 cm, ali samo u ovom slučaju moguće je usporediti rezultate mehaničkih i mikromehaničkih ispitivanja.

Dakle, u proizvodnji nastoji se dobiti fino zrnata metalna struktura. Za to se stvaraju posebni uvjeti - oni pod kojima je moguća mala brzina rasta kristala i maksimalni broj zloglasnih središta, oko kojih se tada formiraju njihove skupine.

Kolika je količina zrna ovisi o broju čestica netopljivih nečistoća. Obično su to sulfidi, nitridi i oksidi - oni igraju ulogu spremnih kristalizacijskih centara.

Mekana struktura može se postići modificiranjem - dodavanjem stranih tvari u metale. Podijeljeni su u dvije vrste:

• Tvari koje se ne otapaju u tekućem metalu. Igrajte ulogu dodatnih centara za kristalizaciju.
• Površinski aktivni sastojci. U metalima otopiti. Nakon toga, one se talože na površini rastućih kristala i sprječavaju njihov rast.

Kvaliteta dobivenog metala proučava se različitim metodama. Provoditi toplinske, dilatometrijske, magnetske analize, strukturne i fizikalne studije. I samo je jedan način da saznate informacije o svim svojstvima metala nemoguće.

voda

Već je rečeno o nastanku soli i količini topline tijekom kristalizacije, te kako se taj proces odvija u slučaju metala. Pa, konačno možete govoriti o vodi - najčudesnijem fenomenu na planeti.

U prirodi postoje samo tri agregatna stanja - plinovita, čvrsta i tekuća. Voda se može nalaziti u bilo kojoj od njih, krećući se iz jedne u drugu u prirodnim uvjetima.

Kada je tekućina, njegove molekule su labavo povezane. Oni su u stalnom pokretu, pokušavajući se grupirati u jednu strukturu, ali to nije moguće zbog vrućine. A kada je voda izložena niskim temperaturama, molekule postaju jače. Oni više ne ometaju toplinu, pa dobivaju kristalnu strukturu šesterokutnog oblika. Sigurno je svatko barem jednom u svom životu vidio njezin živopisan primjer. Pahuljica je pravi šesterokut.

Voda, uzimajući čvrsti oblik, može je zadržati dugo vremena - dok se ne počne topiti.

Što je s "toplinom" kristalizacije? Voda, kao što svi znaju iz djetinjstva, počinje se smrzavati na 0 ° C. Ako je Fahrenheit, onda će ta brojka biti 32 stupnja.

Ali s tim oznakama proces tek počinje. Voda ne kristalizira uvijek na naznačenim temperaturama. Čista tekućina može se čak i ohladiti na -40 ° C i još uvijek ne zamrzava. Zašto? Jer u čistoj vodi nema nečistoća koje su osnova za nastanak kristalne strukture. To su obično otopljene soli, čestice prašine itd.

Još jedna značajka vode: ona se širi, smrzava. Dok se druge tvari komprimiraju tijekom kristalizacije. Zašto? Jer kada se voda kreće iz tekućine u čvrsto stanje, udaljenost između njegovih molekula raste.

Paradoks Mpembe

Treba napomenuti, govoriti o kristalizaciji vode. Takav fenomen kao paradoks Mpembe zanimljiv je barem njegovom formulacijom. Izraz glasi ovako: "Vruća voda zamrzava brže nego hladna." To intrigira i zagonetke. Kako je to moguće? Uostalom, voda prije odlaska u fazu kristalizacije mora proći kroz "hladnu" fazu - ohladiti se!

sukob prvi početak termodinamike postoji. Ali on je paradoks - nema logičnog objašnjenja, ali u praksi postoji. Iako se prvi može tvrditi. Postoje neka objašnjenja, a evo i nekih od njih:

• Topla voda pokreće proces isparavanja. Međutim, u hladnom zraku, on se pretvara u led i pada, tvoreći ledenu koru.
• Kada topla voda ispari iz posude, njezin se volumen smanjuje. Što je tekućina manja, to se brže kristalizira. Čaša kipuće vode kristalizira brže od bočice vode na sobnoj temperaturi.
• Snijeg je u zamrzivaču. Posuda s kipućom vodom topi je, uspostavljajući toplinski kontakt sa stjenkom komore. No, ispod spremnika s hladnom vodom snijeg se ne topi.
• Vrela voda se hladi od dna. I hladna voda - na vrhu, što narušava konvekciju i toplinsko zračenje. To se također odražava u gubitku topline.
• Udaljenost između molekula u vrućoj vodi veća je nego u hladnoj. To se odražava u rastezanju vodikovih veza. Stoga pohranjuju više energije. Ona se, pak, oslobađa u procesu hlađenja tekućine, a molekule se spajaju. Vjeruje se da to mijenja svojstva kipuće vode, te stoga zamrzava brže.

Postoje neki zanimljiviji pokušaji da se potkrijepi paradoks Mpemba, ali je nedvosmislen razlog još uvijek nepoznat. Možda će jednog dana znanstvenici provesti temeljito istraživanje, čiji će rezultat pomoći da se konačno shvati taj učinak.