Kristalizācija ir atomu vai molekulu sacietēšana izteikti strukturētā formā, ko sauc par a kristāls. Parasti tas attiecas uz lēno nokrišņi kristāli no vielas šķīduma. Tomēr kristāli var veidoties tīrā kausējuma veidā vai tieši nogulsnējoties no gāzes fāzes. Kristalizācija var attiekties arī uz cietā šķidruma atdalīšanas un attīrīšanas paņēmienu, kurā masas pārnešana no šķidrā šķīduma notiek uz tīru, cietu kristālisku fāzi.
Kaut arī nokrišņu laikā var notikt kristalizācija, abi termini nav savstarpēji aizvietojami. Nokrišņi vienkārši norāda uz nešķīstošas (cietas vielas) veidošanos ķīmiskajā reakcijā. Nokrišņi var būt amorfi vai kristāliski.
Kristalizācijas process
Kristalizācijai jānotiek diviem gadījumiem. Pirmkārt, atomi vai molekulas apvienojas mikroskopiskā mērogā procesā, ko sauc par kodols. Pēc tam, ja kopas kļūst stabilas un pietiekami lielas, kristālu augšana var rasties.
Atomi un savienojumi parasti var veidot vairāk nekā vienu kristāla struktūru (polimorfisms). Daļiņu izvietojums tiek noteikts kristalizācijas kodolizēšanas posmā. To var ietekmēt vairāki faktori, ieskaitot temperatūru, daļiņu koncentrāciju, spiedienu un materiāla tīrību.
Kristāla augšanas fāzes šķīdumā tiek izveidots līdzsvars, kurā izšķīdušās daļiņas izšķīst atpakaļ šķīdumā un izgulsnējas kā cieta viela. Ja šķīdums ir piesātināts, tas veicina kristalizāciju, jo šķīdinātājs nespēj turpināt izšķīdināšanu. Dažreiz ar piesātinātu šķīdumu nepietiek, lai izraisītu kristalizāciju. Var būt nepieciešams nodrošināt a sēklu kristāls vai raupja virsma, lai sāktu veidošanos un augšanu.
Kristalizācijas piemēri
Materiāls var kristalizēties vai nu dabiski, vai mākslīgi, vai nu ātri, vai ģeoloģiskā termiņā. Dabiskās kristalizācijas piemēri ir:
- Sniegpārsliņu veidošanās
- Medus kristalizācija burkā
- Stalaktītu un stalagmītu veidošanās
- Dārgakmeņu kristālu nogulsnēšanās
Mākslīgās kristalizācijas piemēri ir:
- Aug cukura kristāli burkā
- Sintētisko dārgakmeņu ražošana
Kristalizācijas metodes
Vielas kristalizēšanai tiek izmantotas daudzas metodes. Lielā mērā tie ir atkarīgi no tā, vai izejmateriāls ir jonu savienojums (piemēram, sāls), kovalents savienojums (piemēram, cukurs vai mentols) vai metāls (piemēram, sudrabs vai tērauds). Kristālu audzēšanas veidi ietver:
- Šķīduma vai kausējuma atdzesēšana
- Iztvaicē šķīdinātāju
- Otra šķīdinātāja pievienošana, lai samazinātu izšķīdušās vielas šķīdību
- Sublimācija
- Šķīdinātāju slānis
- Katjona vai anjona pievienošana
Visizplatītākais kristalizācijas process ir izšķīdināt izšķīdušo vielu šķīdinātājā, kurā tā vismaz daļēji šķīst. Bieži šķīduma temperatūra tiek paaugstināta, lai palielinātu šķīdību, tāpēc maksimālais izšķīdušā viela nonāk šķīdumā. Pēc tam siltu vai karstu maisījumu filtrē, lai noņemtu neizšķīdušu materiālu vai piemaisījumus. Atlikušajam šķīdumam (filtrātam) ļauj lēnām atdzist, lai izraisītu kristalizāciju. Kristālus var noņemt no šķīduma un ļaut nožūt, vai arī tos var mazgāt, izmantojot šķīdinātāju, kurā tie nešķīst. Ja procesu atkārto, lai palielinātu parauga tīrību, to sauc pārkristalizācija.
Šķīduma atdzišanas ātrums un šķīdinātāja iztvaikošanas daudzums var ievērojami ietekmēt iegūto kristālu izmēru un formu. Parasti lēnākas iztvaikošanas rezultātā iztvaikošana notiek minimāli.