Какво е кристализация? Дефиниране на процеса, температура, примери за процеса

Какво е кристализация, се изучава в училище. Но като правило понятието се разглежда само по отношение на една наука - химия. И този процес има най-голямо значение за него, макар че това не е причина да не се обръща внимание на нейните съображения в други индустрии. А сега си струва да го поправим. Но първо първо.

Дефиниране на процеса

И така, какво е кристализация? Това е процес, при който кристалите се образуват от газове, стопилки, стъкла и разтвори. Всеки знае какви са те. Ако се изрази в научен език, тогава кристалите са твърди тела с правилно подреждане на атомите (най-малките частици от химически елемент, носещи неговите свойства). Те имат естествената форма на редовните симетрични полиедри, което се дължи на тяхната вътрешна структура.

На въпроса каква кристализация може да се отговори по различен начин. Така се нарича образуването на тези твърди вещества от кристали с различна структура. Това се отнася до полиморфни трансформации. Те се обясняват с факта, че едни и същи атоми могат да образуват различни кристални решетки.

Освен това, кристализацията се отнася до процеса на преход на вещество от течност към твърдо кристално състояние.

Политермичен процес

Говорейки за това какво е кристализация, трябва да се отбележи, че има няколко начина, по които тя се формира. Те се различават по техниките, използвани за постигане на насищане на разтвора.

Първата стъпка е да се говори за политермална кристализация, наричана също така изохидрична. Това може да се случи само при постоянно съдържание на вода в системата.

Принципът не е толкова сложен, колкото изглежда. Свръхнаситен разтвор се образува чрез охлаждане на системата. Процесът протича само при променлива температура.

Политермичен процес, задвижван от охлаждащи наситени разтвори, може да бъде приложим само за определени вещества. За тези, чиято разтворимост се подобрява с повишаване на температурата.

Трябва да се отбележи, че понякога се използва и методът на политермалното изпаряване. По време на този процес веществото се нагрява и изпарява. След това се осъществява многократен термичен и масов обмен между парната фаза и течността.

Друг политермичен метод се използва, когато няколко вещества присъстват в вещество с различни свойства на разтворимост. Добър пример е подчертаването. калиев хлорид от силвинит.

Изотермичен метод и осоляване

Това също трябва да се каже. Процесът на изотермична кристализация се характеризира с изпаряване на вода от разтвори при постоянна, непроменяща се температура. Този метод е приложим за вещества със съдържание на сол, чиято разтворимост практически не зависи от топлината.

Изпаряването може да бъде постигнато чрез привеждане на течността до интензивно кипене и поддържане в това състояние. Това е "традиционният" метод. Все още може да се използва бавно повърхностно изпаряване.

В някои случаи веществата се инжектират в течности, които намаляват способността им да се разтварят. Това се нарича осоляване. Такива "помощници" са вещества, които съдържат същия йон като тази сол. Ярък пример: процесът на кристализация на натриев хлорид от разтвор с висока концентрация, към който се добавя магнезиев хлорид.

Трябва да се отбележи, че механизмът за осоляване не винаги е един и същ. Ако, за да се осъществи този процес, да се смесят два електролита, допълнителният от които ще бъде с един и същ йон, накрая ще бъде възможно да се постигне такава концентрация, че продуктът на разтворимостта на веществото става много по-висок. Какво означава това? С прости думи - ще се появи излишък на вещество и той ще се открои в твърдата фаза.

Това се случва по различен начин. За да се постигне осоляването, е необходимо да се промени структурата на разтвора като цяло - да се насърчи образуването на хидратирани черупки около частиците на веществото, което трябва да се кристализира. Как се постига това? Чрез разрушаване на обвивките на вече разтворено вещество.

Важно е да се научи: солите, които образуват кристални хидрати, се осоляват по-интензивно от тези, които се образуват в безводна форма. Но някои "добавки" само увеличават разтворимостта. Това води до втвърдяване.

Отлагане на вещества чрез реактиви

Това е най-често използваният метод за кристализация в химията. Тя е най-бързата и най-проста.

Ако в процеса се образува реакционен продукт, който е практически неразтворим във вода, той веднага се утаява от разтвора. Какво друго? Ако реакционният продукт има характерна разтворимост, тогава началото на кристализацията настъпва в момента, в който течността достигне изискваното ниво на ситост. Процесът продължава, докато утаителят (реагентът) влезе в него.

Добър пример е да се получи калциев карбонат. Той е неразтворим. Така че трябва да използвате превръщането на калциев нитрат в алуминиев нитрат. Разглеждайки формулата, може да се разбере колко приблизително се случва този процес: Ca (NO ₃ ) ₂ + (NH ₄ ) ₂ CO 3 = CaCO ₃ + 2NH ₄ NO ₃ .

За да се получат катализатори, се използва утаяването на метали като неразтворими вещества. Те включват оксалати, хидроксиди, карбонати и други соли. Те се утаяват, тъй като впоследствие се разлагат до оксиди.

замръзване

Друг процес, който трябва да бъде отбелязан с внимание, казвайки каква е кристализацията. Замразяването е изолиране в твърда форма на един от компонентите на газова или течна смес, което се постига чрез охлаждане на сместа. Освен това, температурата се достига под тази, при която обикновено започва кристализация.

В основата на този процес е ниската взаимна разтворимост на компонентите, които трябва да бъдат разделени. Пример: когато водните разтвори са замразени, разтворените вещества не са част от получените кристали.

Този метод е включен в специални случаи. Замразяването е ефективно, когато е необходимо да се отделят смеси, да се пречистят веществата или да се концентрира разтворът.

Методът се използва активно в химическата, микробиологичната, фармакологичната и хранителната промишленост. Но в ежедневието има много примери за този процес. Става дума за замразяване на концентрацията с отделянето на лед. Целта му е да запази аромата, цвета, както и лечебните и вкусови качества на термолабилните продукти. Те включват: билкови екстракти, сокове, бира, вино, ензимни разтвори. А също и лекарства, които са биологично и лекарствено активни.

Често кристализацията на веществото чрез замразяване се придружава впоследствие чрез сушене чрез замразяване. Този метод се използва при производството на прахообразни продукти, предназначени за разтваряне. Има много примери - сокове, чайове, кафе, супи, мляко, сметана, картофено пюре, желе, сладолед.

Между другото, все още замразяване се използва за почистване отпадъчни води и обезсоляване морски - да се чисти, без примеси. Дори въздухът, понякога, споделя. Криогенно, разбира се. Чрез замразяване той премахва въглеродния диоксид и водните пари.

Специфична кристализация

Накратко, заслужава да се отбележи вниманието и тази концепция. Той е известен също като "специфична топлина на топене" и "енталпия". Имената са различни, но определението е едно. Това е количеството топлина, което трябва да се даде на една единица маса на кристално вещество, за да може тя да премине от твърдо състояние към течност.

Тя се обозначава с гръцката буква λ. В химията формулата на температурата на кристализация е следната: Q: m = λ. Тук се разбира, че Q означава количеството топлина, което се произвежда от веществото по време на нейното топене. А буквата m означава нейната маса.

Трябва да се отбележи, че специфичната топлина на кристализация (топене) е винаги положителна. Единственото изключение е хелий с високо налягане. Интересно е, че този най-прост едноатомен газ има най-ниската точка на кипене сред всички познати в момента вещества. Този хелиев процес започва да се проявява при -268.93 ° С.

Ами точката на топене? Ето няколко примера, посочени в kJ по отношение на един килограм вещество: лед - 330, живак - 12, нафталин - 151, бял и сив олово - 14 и 100.

примери

Кристализацията е много задълбочено проучен процес в химията, който е особено интересен на практика.

Като пример, помислете за процеса на образуване на захар. Същността на процеса е разпределението на захароза, съдържаща се в сиропа. Последният, от своя страна, също съдържа други вещества, които не са отстранени в процеса на почистване на сока, и отново се образуват по време на кондензацията.

Когато температурата се повиши, започва кристализация и в неговия процес се образува междукристален разтвор, който се нарича масаж. В него ще се натрупва цялото излишно вещество. В действителност те сериозно пречат на целия процес, тъй като наличието на различни видове примеси увеличава вискозитета на разтвора.

Друг ярък пример за кристализация в химията е свързан с образуването на сол. За да го видим лично, дори не е необходимо да провеждаме експерименти - този процес съществува в природата. В студения сезон сърфът хвърля тонове сол на брега. Тя не изчезва. Тя е ограбена с огромни купчини и след това, когато дойде топлината и сухотата, кристализационната вода се изпарява от нея. Остава само фин прах - сол, консумирана от промишлеността.

Примерът за сол е най-простият. Дори в някои училища децата получават домашна работа като част от химически урок: разтворете 1-2 супени лъжици сол в много малко количество вода и оставете контейнера някъде. За по-интензивна кристализация температурата може да се увеличи - преместете разтвора например към батерията. След няколко дни водата ще се изпари. Но солните кристали ще останат.

метали

Те също се кристализират. Нещо повече, всички твърди метали, които виждаме и можем да докоснем, са резултат от този процес. Паралелните трансформации са от голямо значение, тъй като те до голяма степен определят свойствата на металите.

Кристализацията като процес е много интересна в този случай. Докато веществото е в течно състояние - атомите в него непрекъснато се движат. Естествено, през цялото това време се поддържа съответната висока температура. С намаляването си атомите се приближават един към друг, в резултат на което се групират в кристали. Така се формират „центровете”. Това е първата група кристали. За тях, тъй като движението на останалите атоми се забавя, вторичните се присъединяват.

Отначало кристалите растат безпрепятствено. И тези, които вече са се образували, не губят коректността на структурата. Но след това кристалите се сблъскват с по-нататъшно движение. Поради формата си за контакт е развалена. Въпреки това, вътре във всеки кристал структурата все още е правилна. Тези групи, между другото, се наричат ​​зърна. И те не винаги се оформят. Всичко зависи от условията на кристализация, при каква температура (стабилно или не), както и от естеството на самия метал.

За зърното

По-горе беше казано много за специфичната кристализация, както и за различните методи, чрез които се осъществява този процес. В продължение на темата за металите, бих искал да говоря за прословутото зърно, причините за което са описани в предишния параграф.

Всъщност, външният му вид е знак за лоша кристализация. Едрозърнестият метал е крехък, почти не може да устои на много силно въздействие. В процеса на изковаване се появяват пукнатини. Те също се образуват в зоната, засегната от топлина. За да се намали вероятността от образуването им, в промишлеността се използват различни мерки: те модифицират метал с титанови шевове, например. Те са в състояние да предотвратят растежа на зърното.

За едрозърнести метали има и други изисквания за представяне на пробите. Тяхната дебелина трябва да бъде най-малко 1,5 см. Само в този случай ще бъде възможно да се сравнят резултатите от механични и микромеханични тестове.

Така в производството се стремят да получат финозърнеста метална конструкция. За тази цел се създават специални условия - тези, при които е възможна малка скорост на растеж на кристалите и максимален брой известни центрове, около които след това се формират техните групи.

Колко големи се получават зърната зависи от броя на частиците на неразтворимите примеси. Обикновено това са сулфиди, нитриди и оксиди - те играят ролята на готови центрове за кристализация.

Малкозърнестата структура може да се постигне чрез модифициране - добавяне на чужди вещества към металите. Те са разделени на два типа:

• Вещества, които не се разтварят в течния метал. Възпроизвеждане на ролята на допълнителни центрове за кристализация.
• Повърхностно активни съставки. В металите се разтварят. Впоследствие те се утаят на повърхността на растящите кристали и предотвратяват техния растеж.

Качеството на получения метал се изследва с различни методи. Провеждане на термични, дилатометрични, магнитни анализи, структурни и физични изследвания. И само един начин да се намери информация за всички свойства на метала е невъзможно.

вода

Вече беше казано за образуването на соли и количеството топлина по време на кристализацията и как този процес протича при металите. Е, най-накрая може да се говори за вода - най-удивителното явление на планетата.

В природата има само три агрегативни състояния - газообразни, твърди и течни. Водата може да пребивава в която и да е от тях, като се движи от едно в друго в естествени условия.

Когато е течна, молекулите му са слабо свързани. Те са в постоянно движение, опитвайки се да се обединят в една структура, но това не е възможно поради топлината. И когато водата е изложена на ниски температури, молекулите стават по-силни. Те вече не пречат на топлината, така че придобиват кристална структура с шестоъгълна форма. Със сигурност всеки поне веднъж в живота си е видял яркия си пример. Снежинката е истински шестоъгълник.

Водата, вземайки твърда форма, може да я държи дълго време - докато започне да се топи.

Какво ще кажете за "топлината" на кристализацията? Водата, както всеки знае от детството, започва да замръзва при 0 ° C. Ако Фаренхайт, тази цифра ще бъде 32 градуса.

Но с тези бележки процесът едва започва. Водата не винаги кристализира при посочените температури. Чистата течност може дори да се охлади до -40 ° C и все още не замръзва. Защо? Защото в чиста вода няма примеси, които да са основа за появата на кристална структура. Това са обикновено разтворени соли, прахови частици и др.

Друга особеност на водата: тя се разширява, замръзва. Докато други вещества се пресоват по време на кристализацията. Защо? Защото, когато водата се движи от течност към твърдо състояние, разстоянието между неговите молекули се увеличава.

Парадоксът на Мемба

Трябва да се отбележи вниманието, което говори за кристализацията на водата. Такова явление като парадокса на Мемба е интересно поне с неговата формулировка. Фразата звучи така: "Горещата вода замръзва по-бързо от студа." Това интриги и пъзели. Как е възможно това? В края на краищата, водата, преди да отиде на етапа на кристализация, трябва да премине през студената фаза - да се охлади!

конфликт първия старт на термодинамиката има. Но той е парадокс - няма логично обяснение, но на практика съществува. Въпреки че първата може да се твърди. Има някои обяснения и ето някои от тях:

• Горещата вода започва процеса на изпаряване. Въпреки това, в студен въздух, той се превръща в лед и пада, образувайки ледена кора.
• Когато горещата вода се изпари от съда, обемът му намалява. Колкото по-малка е течността, толкова по-бързо кристализира. Чаша вряща вода кристализира по-бързо от бутилка вода при стайна температура.
• Снежна облицовка във фризера. Съд с вряща вода го топи, като установява термичен контакт със стената на камерата. Но под контейнера със студена вода снегът не се топи.
• Кипящата вода се охлажда от дъното. И студена вода - отгоре, което уврежда конвекцията и топлинното излъчване. Това се отразява и в загубата на топлина.
• Разстоянието между молекулите в гореща вода е по-голямо, отколкото при студено. Това се отразява в разтягането на водородните връзки. Следователно те съхраняват повече енергия. Тя, от своя страна, се освобождава в процеса на охлаждане на течността, а молекулите отиват на сближаване. Смята се, че това променя свойствата на вряща вода и затова замръзва по-бързо.

Има някои по-интересни опити да се докаже парадоксът на Мемба, но недвусмислената причина все още не е известна. Вероятно един ден учените ще проведат задълбочено проучване, резултатът от което ще помогне най-накрая да разбере този ефект.