Η κρυστάλλωση είναι η στερεοποίηση των ατόμων ή των μορίων σε μια εξαιρετικά δομημένη μορφή που ονομάζεται α κρύσταλλο. Συνήθως, αυτό αναφέρεται στην αργή κατακρήμνιση των κρυστάλλων από ένα διάλυμα μιας ουσίας. Ωστόσο, οι κρύσταλλοι μπορούν να σχηματιστούν από ένα καθαρό τήγμα ή απευθείας από την εναπόθεση από την αέρια φάση. Η κρυστάλλωση μπορεί επίσης να αναφέρεται στην τεχνική διαχωρισμού και καθαρισμού στερεού-υγρού στην οποία λαμβάνει χώρα μεταφορά μαζών από το υγρό διάλυμα σε καθαρή στερεά κρυσταλλική φάση.
Αν και μπορεί να εμφανιστεί κρυστάλλωση κατά τη διάρκεια της κατακρήμνισης, οι δύο όροι δεν είναι εναλλάξιμοι. Η καθίζηση απλά αναφέρεται στον σχηματισμό ενός αδιάλυτου (στερεού) από χημική αντίδραση. Ένα ίζημα μπορεί να είναι άμορφο ή κρυσταλλικό.
Η διαδικασία κρυστάλλωσης
Για την εμφάνιση της κρυστάλλωσης πρέπει να συμβούν δύο γεγονότα. Πρώτον, τα άτομα ή τα μόρια συσσωματώνονται μαζί στην μικροσκοπική κλίμακα σε μια διαδικασία που ονομάζεται πυρήνωση. Στη συνέχεια, εάν οι συστάδες γίνουν σταθερές και αρκετά μεγάλες, κρυσταλλική ανάπτυξη μπορεί να συμβεί.
Τα άτομα και οι ενώσεις μπορούν γενικά να σχηματίζουν περισσότερες από μία κρυσταλλικές δομές (πολυμορφισμό). Η διάταξη σωματιδίων προσδιορίζεται κατά τη διάρκεια του σταδίου σχηματισμού πυρήνων κρυσταλλοποίησης. Αυτό μπορεί να επηρεάζεται από πολλούς παράγοντες, όπως η θερμοκρασία, η συγκέντρωση των σωματιδίων, η πίεση και η καθαρότητα του υλικού.
Σε ένα διάλυμα στην φάση ανάπτυξης κρυστάλλων, δημιουργείται μια ισορροπία στην οποία τα σωματίδια διαλελυμένης ουσίας διαλύονται και πάλι στο διάλυμα και καθιζάνουν ως στερεό. Εάν το διάλυμα είναι υπερκορεσμένο, αυτό οδηγεί στην κρυστάλλωση επειδή ο διαλύτης δεν μπορεί να υποστηρίξει τη συνεχή διάλυση. Μερικές φορές με υπέρ-κορεσμένο διάλυμα είναι ανεπαρκής για να προκαλέσει κρυστάλλωση. Μπορεί να χρειαστεί να δώσετε ένα κρύσταλλο σπόρων ή μια τραχιά επιφάνεια για να ξεκινήσει η πυρήνωση και η ανάπτυξη.
Παραδείγματα κρυστάλλωσης
Ένα υλικό μπορεί να κρυσταλλωθεί είτε φυσικά είτε τεχνητά και είτε γρήγορα είτε σε γεωλογικούς χρόνους. Παραδείγματα φυσικής κρυστάλλωσης περιλαμβάνουν:
- Σύνθεση νιφάδα χιονιού
- Κρυστάλλωση του μελιού σε βάζο
- Σταλακτίτης και σχηματισμός σταλαγμιτών
- Απόθεση κρυστάλλων πολύτιμων λίθων
Παραδείγματα τεχνητής κρυστάλλωσης περιλαμβάνουν:
- Μεγαλώνοντας κρυστάλλους ζάχαρης σε βάζο
- Παραγωγή συνθετικών πολύτιμων λίθων
Μέθοδοι κρυστάλλωσης
Υπάρχουν πολλές μέθοδοι για την κρυστάλλωση μιας ουσίας. Σε μεγάλο βαθμό, αυτά εξαρτώνται από το εάν το αρχικό υλικό είναι μια ιονική ένωση (π.χ. άλας), ομοιοπολική ένωση (π.χ., ζάχαρη ή μενθόλη), ή ένα μέταλλο (π.χ., άργυρος ή χάλυβας). Τρόποι ανάπτυξης κρυστάλλων περιλαμβάνουν:
- Ψύξη ενός διαλύματος ή τήγματος
- Εξάτμιση διαλύτη
- Προσθήκη ενός δεύτερου διαλύτη για τη μείωση της διαλυτότητας της διαλελυμένης ουσίας
- Εξάχνιση
- Διαστρωμάτωση διαλύτη
- Προσθήκη κατιόντων ή ανιόντων
Η συνηθέστερη μέθοδος κρυσταλλοποίησης είναι η διάλυση της διαλελυμένης ουσίας σε διαλύτη στον οποίο είναι τουλάχιστον μερικώς διαλυτός. Συχνά η θερμοκρασία του διαλύματος αυξάνεται για να αυξηθεί η διαλυτότητα, έτσι ώστε η μέγιστη ποσότητα της διαλελυμένης ουσίας να διαλυθεί. Ακολούθως, το θερμό ή θερμό μίγμα διηθείται για να απομακρυνθεί το αδιάλυτο υλικό ή ακαθαρσίες. Το υπόλοιπο διάλυμα (το διήθημα) αφήνεται να ψυχθεί αργά για να προκαλέσει κρυστάλλωση. Οι κρύσταλλοι μπορούν να απομακρυνθούν από το διάλυμα και να αφεθούν να ξηρανθούν ή μπορούν να πλυθούν χρησιμοποιώντας ένα διαλύτη στον οποίο είναι αδιάλυτα. Αν η διαδικασία επαναληφθεί για να αυξηθεί η καθαρότητα του δείγματος, καλείται ανακρυστάλλωση.
Ο ρυθμός ψύξης του διαλύματος και η ποσότητα εξάτμισης του διαλύτη μπορεί να επηρεάσει σημαντικά το μέγεθος και το σχήμα των κρυστάλλων που προκύπτουν. Γενικά, η βραδύτερη εξάτμιση οδηγεί σε ελάχιστη εξάτμιση.