A kristályosodás az atomok vagy molekulák megszilárdulása erősen strukturált formává, a kristály. Általában ez a lassúra utal csapadék kristályok anyagának oldatából. A kristályok azonban tiszta olvadékból vagy közvetlenül a gázfázisból történő leválasztás útján alakulhatnak ki. A kristályosodás utalhat a szilárd-folyékony elválasztási és tisztítási technikára is, amelyben a folyadék oldatából a tömeg átadódik a tiszta szilárd kristályos fázishoz.
Bár a kicsapódás során kristályosodhat, a két kifejezés nem helyettesíthető. A csapadék egyszerűen arra utal, hogy egy oldhatatlan (szilárd) anyag képződik egy kémiai reakció során. A csapadék lehet amorf vagy kristályos.
A kristályosodás folyamata
A kristályosodásnak két eseménynek kell lennie. Először az atomok vagy molekulák összekapcsolódnak a mikroszkopikus skálán egy úgynevezett folyamatban nucleation. Ezután, ha a klaszterek stabilak és elég nagyok lesznek, kristálynövekedés előfordulhat.
Az atomok és vegyületek általában egynél több kristályszerkezetet képezhetnek (polimorfizmus). A részecskék elrendezését a kristályosodás nukleációs szakaszában meghatározzuk. Ezt több tényező befolyásolhatja, beleértve a hőmérsékletet, a részecskék koncentrációját, a nyomást és az anyag tisztaságát.
A kristálynövekedési fázisban levő oldatban egyensúly alakul ki, amelyben az oldott részecskék visszaoldódnak az oldatba, és szilárd anyag formájában kicsapódnak. Ha az oldat túltelített, akkor ez a kristályosodást eredményezi, mivel az oldószer nem támogatja a folyamatos oldódást. Időnként túltelített oldattal nem elegendő a kristályosodás indukálásához. Szükség lehet a mag kristály vagy egy durva felület a magképződés és a növekedés elindításához.
Példák kristályosításra
Az anyag kristályosodhat természetesen vagy mesterségesen, akár gyorsan, akár geológiai határidőn belül. A természetes kristályosodás példái a következők:
- Hópehely képződés
- A méz kristályosodása egy üvegben
- Sztalaktit és sztalagmit képződés
- Drágakő kristály lerakódás
A mesterséges kristályosítás példái a következők:
- Növekvő cukorkristályok egy üvegedénybe
- Szintetikus drágakövek előállítása
Kristályosítási módszerek
Számos módszer alkalmazható az anyag kristályosítására. Ezek nagymértékben attól függnek, hogy a kiindulási anyag egy ionos vegyület (például só), kovalens vegyület (például cukor vagy mentol) vagy fém (például ezüst vagy acél). A kristályok növekedésének lehetőségei a következők:
- Az oldatot vagy olvadékot lehűtjük
- Az oldószer elpárologtatása
- Egy második oldószer hozzáadása az oldott anyag oldhatóságának csökkentésére
- Szublimáció
- Oldószer réteg
- Kation vagy anion hozzáadása
A leggyakoribb kristályosítási eljárás az oldott anyag feloldása olyan oldószerben, amelyben legalább részben oldódik. Az oldat hőmérsékletét gyakran növelik az oldhatóság növelése érdekében, így az oldott anyag maximális mennyisége megy az oldatba. Ezután a meleg vagy meleg keveréket kiszűrjük az oldhatatlan anyag vagy szennyeződések eltávolítása céljából. A maradék oldatot (a szűrletet) hagyjuk lassan lehűlni, hogy kivitelezzék a kristályosodást. A kristályokat eltávolíthatjuk az oldatból, hagyjuk megszáradni, vagy oldhatjuk oldószerrel, amelyben oldhatatlanok. Ha a folyamat megismétlődik a minta tisztaságának növelése érdekében, akkor ezt nevezzük átkristályosítással.
Az oldat lehűtésének sebessége és az oldószer elpárologtatása nagymértékben befolyásolhatja a kapott kristályok méretét és alakját. Általában a lassabb párolgás minimális párolgást eredményez.