Co je to krystalizace? Definice procesu, teplota, příklady procesů

Co je krystalizace, je studována ve škole. Avšak zpravidla se tento pojem považuje pouze ve vztahu k jedné vědě - chemii. A tento proces má pro něj nejvíce význam, ačkoli to není důvod nevěnovat pozornost jeho úvahám v jiných průmyslových odvětvích. A teď to stojí za to opravit. Ale první věci jsou první.

Definice procesu

Takže co je to krystalizace? Jedná se o proces, během kterého se tvoří krystaly z plynů, tavenin, skel a roztoků. Každý ví, co jsou. Pokud mají být vyjádřeny ve vědeckém jazyce, pak jsou krystaly pevné tělo s pravidelným uspořádáním atomů (nejmenší částice chemického prvku, který nese jeho vlastnosti). Mají přirozenou formu pravidelné symetrické polyhedry, která je způsobena jejich vnitřní strukturou.

Otázka, jaká krystalizace je, může být zodpovězena jiným způsobem. Tak se nazývá tvorba těchto pevných látek z krystalů s jinou strukturou. To se týká polymorfních transformací. Vysvětlují je skutečnost, že tytéž atomy se mohou lišit krystalové mřížky.

Kromě toho se krystalizace týká procesu přechodu látky z kapaliny na pevný krystalický stav.

Polythermický proces

Když mluvíme o tom, jaká je krystalizace, je třeba poznamenat, že existuje několik způsobů, jakými se vytváří. Odlišují se v technikách používaných k dosažení sýtosti roztoku.

Prvním krokem je mluvit o polytermální krystalizaci, označované také jako isohydrická. To může nastat pouze s konstantním obsahem vody v systému.

Princip není tak složitý, jak se může zdát. Přesycený roztok je tvořen chlazením systému. Proces probíhá pouze při proměnlivé teplotě.

Polytermální proces řízený chlazením nasycených roztoků může být použitelný pouze pro určité látky. Pro ty, jejichž rozpustnost se zlepšuje se zvyšující se teplotou.

Je třeba poznamenat, že se někdy používá i metoda polytermálního odpařování. Během tohoto procesu se látka zahřívá a odpaří. Poté dochází k vícenásobné výměně tepla a hmoty mezi parní fází a kapalinou.

Další polytermická metoda se používá, pokud je v látce s různými rozpustnými vlastnostmi přítomno několik solí. Hlavním příkladem je zvýraznění. chlorid draselný ze sylvinitu.

Izotermická metoda a vysychání

To by mělo být také řečeno. Izotermický proces krystalizace je charakterizován odpařením vody z roztoků při konstantní, neměnné teplotě. Tato metoda je použitelná pro látky s obsahem soli, jejichž rozpustnost je prakticky nezávislá na teple.

Odpaření lze dosáhnout tím, že se kapalina uvede do intenzivního varu a udržuje ji v tomto stavu. Jedná se o "tradiční" metodu. Stále lze použít pomalé odpařování povrchu.

V některých případech jsou látky vstřikovány do kapalin, které snižují jejich schopnost rozpouštění. Toto se nazývá vysychání. Takovými "pomocníky" jsou látky, které obsahují stejný iont jako tato sůl. Výrazný příklad: proces krystalizace chloridu sodného z roztoku s vysokou koncentrací, ke kterému je přidán chlorid hořečnatý.

Je třeba poznamenat, že mechanismus vysychání není vždy stejný. Pokud by se tento proces měl provést, smísit dva elektrolyty, z nichž další bude mít stejný iont, nakonec bude možné dosáhnout takové koncentrace, že se produkt rozpustnosti látky stává mnohem vyšší. Co to znamená? Jednoduše řečeno - objeví se nadbytek látky a vynikne v pevné fázi.

Stává se to jiným způsobem. Aby bylo dosaženo vysychání, je nezbytné úplně změnit strukturu roztoku - podporovat tvorbu hydratovaných skořápek kolem částic látky, která musí být krystalizována. Jak je to dosaženo? Prostřednictvím zničení obalů již rozpuštěné látky.

Je důležité se učit: soli, které tvoří krystalické hydráty, jsou intenzivněji vysolovány než ty, které se tvoří v bezvodé formě. Ale některé "přísady" zvyšují pouze rozpustnost. To vede k ztuhnutí.

Depozice látek reagenciemi

To je nejběžnější metoda krystalizace v chemii. Je to nejrychlejší a nejjednodušší.

Pokud se v procesu vytvoří reakční produkt, který je prakticky nerozpustný ve vodě, pak se z roztoku okamžitě vysráží. Co jiného? Pokud má reakční produkt charakteristickou rozpustnost, začne krystalizace v okamžiku, kdy kapalina dosáhne požadované hladiny sytosti. A proces pokračuje, dokud do něj nevstoupí sraženina (činidlo).

Nejlepší příklad se stává uhličitan vápenatý. Je nerozpustný. Takže musíte použít konverzi dusičnanu vápenatého na dusičnan hlinitý. Podíváme-li se na vzorec, lze pochopit, jak přibližně tento proces nastává: Ca (NO ₃ ) ₂ + (NH ₄ ) 2CO ₃ = CaCO ₃ + 2NH ₄ NO ₃ .

K získání katalyzátorů se sráží kovy jako nerozpustné látky. Patří sem oxaláty, hydroxidy, uhličitany a další soli. Jsou vysráženy, protože se následně rozkládají na oxidy.

Zmrazení

Další proces, který je třeba věnovat pozornost, a říká, co je krystalizace. Zmrazení je izolace jedné z složek plynné nebo kapalné směsi v pevné formě, což je dosaženo chlazením směsi. Kromě toho je teplota nižší než teplota, při které obvykle začíná krystalizace.

Základem tohoto procesu je nízká vzájemná rozpustnost komponent, které mají být odděleny. Příklad: Když jsou vodné roztoky zmrazené, pak nejsou rozpuštěné látky součástí výsledných krystalů.

Tato metoda se podílela ve zvláštních případech. Zmrazení je účinné, pokud je nutné oddělit směsi, čistit látky nebo koncentrovat roztok.

Metoda se aktivně používá v chemickém, mikrobiologickém, farmakologickém a potravinářském průmyslu. Ale v každodenním životě existuje mnoho příkladů tohoto procesu. Jedná se o zmrazení koncentrace s uvolněním ledu. Je zaměřen na zachování vůně, barvy, stejně jako léčivých a chuťových vlastností termolabilních produktů. Mezi ně patří: bylinné výtažky, džusy, pivo, víno, enzýmové roztoky. A také drogy, které jsou biologicky a léčiva aktivní.

Často krystalizace látky zmrazením je následně provázena lyofilizací. Tato metoda se používá při výrobě práškových produktů určených k rozpouštění. Existuje spousta příkladů - šťávy, čaje, káva, polévky, mléko, smetana, bramborová kaše, želé, zmrzlina ... všichni znáte tyto prášky v sáčcích nebo plechovkách, rozšiřují je ve vodě, můžete získat hotový výrobek.

Mimochodem, stále se používá mražení k čištění kanalizace a odsolení mořských - získat čisté, bez nečistot. Dokonce i vzduch někdy sdílí. Kryogenním způsobem samozřejmě. Zmrazením odstraňuje oxid uhličitý a vodní páru.

Specifické krystalizační teplo

Stručně řečeno, stojí za zmínku pozornost a tento koncept. Je také znám jako "specifické teplo tavení" a "entalpie". Názvy jsou různé, ale definice je jedna. To je množství tepla, které musí být podáno jedné jednotce hmotnosti krystalické látky, aby se přeneslo z pevného stavu do kapaliny.

To je označeno řeckým písmem λ. V chemii je vzorec krystalizační teploty následující: Q: m = λ. Zde je Q chápán jako množství tepla, které se při tavení vytváří látkou. A písmeno m označuje jeho hmotnost.

Je třeba poznamenat, že specifické teplo krystalizace (tání) je vždy pozitivní. Jedinou výjimkou je vysoký tlak hélia. Je zajímavé, že tento nejjednodušší monatomický plyn má nejnižší bod varu mezi všemi známými látkami. Tento proces hélia začíná na úrovni -268,93 ° C.

A co bod tání? Zde je několik příkladů uvedených v kJ ve vztahu k jednomu kilogramu látky: led - 330, rtuť - 12, naftalen - 151, bílá a šedá olova - 14 a 100.

Příklady

Krystalizace je velmi důkladně studovaný proces v chemii, který je v praxi obzvláště zajímavý.

Jako příklad zvažte proces tvorby cukru. Podstatou tohoto procesu je rozdělení sacharózy obsažené v sirupu. Druhá z nich také obsahuje další látky, které nebyly odstraněny během čištění šťávy a znovu se vytvořily během kondenzace.

Když teplota stoupá, začne krystalizace a ve svém procesu vzniká interkrystalický roztok, který se nazývá massecuit. Veškerá přebytečná hmota se v ní hromadí. Ve skutečnosti vážně brání celému procesu, protože přítomnost různých druhů nečistot zvyšuje viskozitu roztoku.

Jiný jasný příklad krystalizace v chemii je spojen s tvorbou soli. Aby to bylo vidět osobně, není dokonce nutné provádět experimenty - tento proces existuje v přírodě. V chladné sezóně surfuje hodně solí na břeh. Nezmizí. Ona je obsazena v obrovských hromadách, a pak, když teplo a sucho přichází, voda krystalizace odpařuje od ní. Pouze jemné práškové zbytky - sůl konzumovaná průmyslem.

Příkladem soli je nejjednodušší. Dokonce i v některých školách je dětem věnována úloha domácí práce jako součást hodiny chemie: rozpustit 1-2 polévkové lžíce soli ve velmi malém množství vody a nádobu nechat někde. Pro intenzivnější krystalizaci lze zvýšit teplotu - např. Přesunout roztok do baterie. Po několika dnech se voda odpaří. Ale krystalky solí zůstanou.

Kovy

Také krystalizují. Kromě toho jsou všechny pevné kovy, které vidíme a které se mohou dotýkat, výsledkem tohoto procesu. Transformace, které se vyskytují paralelně, jsou velmi důležité, protože velmi určují vlastnosti kovů.

Krystalizace jako proces je v tomto případě velmi zajímavá. Zatímco látka je v kapalném stavu - atomy v ní se neustále pohybují. Samozřejmě, po celou tuto dobu si udržovala odpovídající vysokou teplotu. Jak se snižuje, atomy se navzájem přibližují, v důsledku čehož jsou seskupeny do krystalů. Takto vzniká "střed". To je primární skupina krystalů. K těm, když pohyb zbývajících atomů zpomaluje, se spojují sekundární.

Zpočátku krystaly rostou neomezené. A ty, které se již vytvořily, neztrácejí správnost struktury. Pak se krystaly srazí s dalším pohybem. Vzhledem k jejich kontaktní formulář je zkažený. Nicméně uvnitř každého krystalu je struktura stále správná. Tyto skupiny, mimochodem, se nazývají zrna. A nejsou vždy tvořeni. Vše závisí na podmínkách krystalizace, na jaké teplotě se vyskytuje (stabilní nebo ne), stejně jako na povaze samotného kovu.

O obilí

Dále bylo hodně řečeno o specifické krystalizaci, stejně jako o různých způsobech, kterými se tento proces provádí. V souvislosti s tématem kovů bych rád mluvil o proslulém obilí, jehož příčiny jsou popsány v předchozím odstavci.

Ve skutečnosti je jeho vzhled známkou špatné krystalizace. Hrubý kov je křehký, téměř neschopný odolat skutečně velkému vlivu. V procesu kování praskliny se objevují v něm. Jsou také vytvořeny v tepelně postižené zóně. Aby se snížila pravděpodobnost jejich vzniku, používají se různá opatření v průmyslu: např. Modifikují kovy s titanovými švy. Jsou schopni zabránit růstu obilí.

U hrubých kovů existují i ​​další požadavky na prezentaci vzorků. Jejich tloušťka by měla být alespoň 1,5 cm. Pouze v tomto případě bude možné porovnat výsledky mechanických a mikromechanických zkoušek.

Takže ve výrobě se snaží získat jemně zrnitou kovovou strukturu. Za tímto účelem jsou vytvořeny zvláštní podmínky - podmínky, při kterých je možná malá rychlost růstu krystalů a maximální počet známých center, kolem něhož se vytvářejí jejich skupiny.

Jak velké zrnitosti jsou získány, závisí na počtu částic nerozpustných nečistot. Obvykle jsou to sulfidy, nitridy a oxidy - hrají roli připravených krystalizačních center.

Jemnozrnnou strukturu lze dosáhnout úpravou - přidáním cizích látek do kovů. Jsou rozděleny do dvou typů:

• Látky, které se nerozpouštějí v tekutém kovu. Zahrajte si další krystalizační centra.
• Povrchově aktivní složky. V kovu se rozpouští. Následně se usadí na povrchu rostoucích krystalů a zabraňují jejich růstu.

A kvalita získaného kovu je zkoumána různými způsoby. Provádět tepelné, dilatometrické, magnetické analýzy, strukturální a fyzikální studie. A jen jeden způsob, jak zjistit informace o všech vlastnostech kovu, je nemožný.

Voda

Už bylo řečeno o tvorbě solí a množství tepla během krystalizace a jak postupuje tento postup v případě kovů. No, nakonec můžete mluvit o vodě - nejúžasnější fenomén na planetě.

V přírodě existují pouze tři agregativní stavy - plynné, pevné a kapalné. Voda se může nacházet v kterékoli z nich, a to v přírodních podmínkách.

Když je kapalina, její molekuly jsou volně propojeny. Jsou v neustálém pohybu, snaží se seskupit do jedné struktury, ale to není možné kvůli teplu. A když je voda vystavena nízkým teplotám, molekuly se stávají silnějšími. Už přestávají rušit teplo, a tak získají krystalickou strukturu šestiúhelníku. Určitě každý, alespoň jednou v životě, viděl svůj živý příklad. Sněhová vločka je skutečný šestiúhelník.

Voda, která má pevnou formu, ji může udržet po dlouhou dobu - dokud se neroztaví.

A co "teplo" krystalizace? Voda, jak každý ví od dětství, začíná mrazit při teplotě 0 ° C. Pokud je Fahrenheit, pak bude tato hodnota 32 stupňů.

Ale s těmito známkami proces právě začíná. V doporučených teplotách nekrystalizuje vždy voda. Čistá tekutina může být dokonce ochlazena na -40 ° C a stále se nemrzne. Proč Protože v čisté vodě nejsou žádné nečistoty, které jsou základem pro vznik krystalické struktury. Jedná se obvykle o rozpuštěné soli, částice prachu atd.

Dalším rysem vody: rozšiřuje se, mrzne. Zatímco jiné látky jsou při krystalizaci stlačeny. Proč ano? Protože když se voda pohybuje z kapaliny do pevného stavu, vzdálenost mezi molekulami se zvyšuje.

Paradox Mpemba

Měli bychom poznamenat, že mluvíme o krystalizaci vody. Takový jev jako paradox Mpemba je přinejmenším zajímavý jeho formulací. Fráze zní takto: "Teplá voda zmrzne rychleji než chlad." To je intriky a hádanky. Jak je to možné? Koneckonců, voda před tím, než půjde do krystalizace, musí projít "studenou" etapou - vychladnout!

Diskuse první start termodynamiky tam je. Ale on je paradox - neexistuje žádné logické vysvětlení, ale v praxi to existuje. Ačkoli první lze argumentovat. Existují nějaké vysvětlení, a zde jsou některé z nich:

• Horká voda zahájí proces odpařování. Nicméně, v chladném vzduchu, to změní na led a padá, tvořit ledovou kůru.
• Když se z nádoby vypaří horká voda, její objem se snižuje. Čím je kapalina menší, tím rychleji krystalizuje. Sklenice vroucí vody krystalizuje rychleji než láhev vody při pokojové teplotě.
• Sněhová podložka v mrazničce. Nádoba s vroucí vodou to roztaví a vytvoří tepelný kontakt se stěnou komory. Ale pod nádobou se studenou vodou se sníh neztál.
• Vroucí voda se ochladí ze dna. A studená voda - nahoře, což zhoršuje konvekci a tepelné záření. To se odráží také ve ztrátě tepla.
• Vzdálenost mezi molekulami v horké vodě je větší než v chladném prostředí. To se odráží v protažení vodíkových vazeb. Proto ukládají více energie. Ona se pak uvolňuje v procesu ochlazování kapaliny a molekuly se sbližují. Předpokládá se, že to mění vlastnosti vroucí vody, a proto zmrzne rychleji.

Existují některé zajímavější pokusy o zdůvodnění paradoxu Mpemba, ale jednoznačný důvod je stále neznámý. Jeden den vědci možná provedou důkladný výzkum, jehož výsledkem bude konečně pochopit tento efekt.