CRISTALIZARE: PROCES, TIPURI, EXEMPLE, SEPARARE - CHIMIE - 2025

Cristalizarea este un proces fizic în care structura natural sau artificial un solid cristalin, adică comandat este format dintr - un mediu lichid sau gazos. Acesta diferă de precipitații prin faptul că acesta din urmă se dezvoltă fără un control riguros al parametrilor procesului și, de asemenea, că poate produce solide amorfe și gelatinoase.

Obiectivul cristalizării, așa cum indică numele simplu și simplu, este de a genera cristale. Acestea nu sunt caracterizate numai de a fi ordonate, ci și de a fi solide pure. Prin urmare, în sinteza compușilor solizi, se urmărește obținerea de produse cu puritate ridicată, cristale cât mai pure.

Cristalizarea unui solut ipotetic de culoare violet într-o soluție apoasă. Sursa: Gabriel Bolívar.

Imaginea de mai sus arată o cristalizare generalizată și ipotetică a unui solut violet în soluție apoasă.

Rețineți că bara roșie acționează ca un termometru. Când temperatura este ridicată, soluția conține solutul dizolvat, care rămâne solubil în aceste condiții. Cu toate acestea, pe măsură ce temperatura scade treptat, primele cristale purpurii încep să apară.

Pe măsură ce temperatura continuă să scadă, cristalele vor crește ca mărime, formând hexagoane violet robuste. Schimbarea de culoare a soluției este indică faptul că solutul a trecut de la a fi dizolvat la a fi încorporat în cristalele în creștere. Cu cât cristalizarea este mai lentă, cu atât solidul cristalin este mai pur.

Există alte variabile care trebuie luate în considerare în timpul acestui proces: cât de mult solut este dizolvat în solventul determinat, la ce temperatură trebuie încălzită soluția, cât timp trebuie să dureze răcirea, cât de necesară trebuie să recurgă sau nu la agitație sonică, printre altele. aspecte.

Procesul de cristalizare, mai mult decât un fenomen complex care implică dinamica moleculară și termodinamică, este o artă care necesită învățare constantă, încercări și erori, până când se perfecționează în laborator sau în industrie.

Procesul de cristalizare

Cristalizarea constă în esență din două procese: nuclearea și creșterea cristalelor.

Ambele etape au loc întotdeauna în timpul cristalizării, dar când prima apare rapid, a doua nu va mai avea timp să se dezvolte. Între timp, dacă nuclearea este lentă, cristalele vor avea mai mult timp pentru a crește și, prin urmare, vor tinde să fie mai mari. Aceasta din urmă este situația asumată în imagine cu hexagonele violet.

Nucleată

Se spunea inițial că cristalele sunt solide cu structuri ordonate. Din soluția în care solutul este dispersat în dezordine, particulele sale trebuie să se apropie suficient de mult, încât interacțiunile lor, fie ele de tip ionic sau de tip Van der Walls, să permită așezarea primului grup de particule de solut: un cluster.

Acest cluster se poate dizolva și re-forma de câte ori este necesar, până când este stabil și cristalin. Se spune că primul nucleu a apărut. Dacă nucleul apare din nicăieri, adică din omogenitatea însăși a mediului în timpul răcirii sale, va fi o nucleare omogenă.

Pe de altă parte, dacă nucleul menționat are loc datorită suprafeței furnizate de o altă particulă solidă insolubilă sau a imperfecțiunilor containerului, atunci vom avea o nucleare eterogenă. Acesta din urmă este cel mai utilizat și cunoscut, mai ales când la soluție se adaugă un cristal minuscul, obținut anterior, din speciile pe care vrem să le cristalizăm.

Cristalele nu se pot forma niciodată din aer subțire fără nucleare.

Creșterea cristalului

Există încă o mulțime de solut dizolvat în soluție, dar concentrația de solut în aceste nuclee este mai mare decât în ​​împrejurimile lor. Nucleii acționează ca suport pentru ca mai multe particule de solut să se depună și să se „încadreze” între structurile lor în creștere. În acest fel, geometriile lor sunt menținute și cresc treptat.

De exemplu, primii nuclei din imagine sunt hexagoni purpurii; aceasta este geometria ta. Pe măsură ce particulele de solut sunt încorporate, nucleele cresc în cristale hexagonale robuste, care vor continua să crească în continuare dacă soluția este cufundată într-o baie de gheață.

Tipuri de cristalizare

Ceea ce s-a explicat până acum constă în cristalizarea prin răcirea solventului.

Cristalizare de îndepărtare a solventului

Alte tipuri de cristalizare se bazează pe îndepărtarea solventului prin evaporare, pentru care nu este necesar să se utilizeze atât de mult volum; adică este suficient să-l saturați cu solut și să-l încălziți pentru a-l suprasatura și apoi puțin mai mult, apoi lăsați-l în repaus, astfel încât solutul să cristalizeze în cele din urmă.

Cristalizare prin adăugare de solvent

De asemenea, avem cristalizarea cauzată de adăugarea unui solvent la amestecul în care solutul este insolubil (antisolvent). Prin urmare, nuclearea va fi favorizată, deoarece există regiuni mobile și lichide, în care particulele de solutie vor fi mai concentrate decât în ​​cele unde este foarte solubilă.

Cristalizarea prin sonificare

Pe de altă parte, există cristalizarea prin sonificare, unde ultrasunetele generează și sparge mici bule care promovează din nou nuclearea, în același timp care ajută la distribuirea uniformă a dimensiunilor cristalelor.

Și în sfârșit, există cristalizare din depunerea de vapori pe suprafețele reci; adică fenomenul invers la sublimarea solidelor.

Metoda de separare a cristalizării

Cristalizarea este o tehnică indispensabilă la obținerea solidelor și la purificarea lor. Este foarte recurent în sinteza compușilor organici și reprezintă una din ultimele etape pentru a garanta puritatea și calitatea produsului.

Exemplu de colorant

Să presupunem, de exemplu, că sunt obținute cristale ale unui colorant și că acestea au fost deja filtrate. Deoarece acest colorant a fost obținut inițial prin precipitare într-o sinteză, solidul său arată aspectul de a fi amorf, deoarece are multe impurități absorbite și prinse între cristalele sale moleculare.

Prin urmare, se decide încălzirea unui solvent în care colorantul este ușor solubil, astfel încât atunci când este adăugat se dizolvă relativ ușor. Odată dizolvată după adăugarea unui pic de solvent, soluția este separată de sursa de căldură și lăsată în repaus. Pe măsură ce temperatura scade, are loc nuclearea.

Astfel, cristalele de colorant se vor forma și vor apărea mai definite (nu neapărat cristaline pentru ochi). În acest moment precis, recipientul (de obicei un balon Erlenmeyer sau un pahar) este cufundat într-o baie de gheață. Răceala acestei băi ajunge să favorizeze creșterea cristalelor de deasupra nucleării.

Cristalele colorantului sunt apoi filtrate în vid, spălate cu un solvent în care este insolubil și lăsate să se usuce într-un pahar de ceas.

Temperatura de cristalizare

Temperatura la care se produce cristalizarea depinde de cât de insolubil este solutul în mediul solvent. De asemenea, depinde de punctul de fierbere al solventului, deoarece dacă solutul nu s-a dizolvat încă la temperatura de fierbere, se datorează faptului că trebuie folosit un alt solvent mai adecvat.

De exemplu, solidele care se pot cristaliza în medii apoase vor face acest lucru pe măsură ce apa își scade temperatura (adică de la 100 la 50 ºC) sau în timp ce se evaporă. Dacă cristalizarea are loc prin evaporare, se spune că are loc la temperatura camerei.

Pe de altă parte, cristalizarea metalelor sau a unor solide ionice are loc la temperaturi foarte ridicate, deoarece punctele de topire ale acestora sunt foarte mari, iar lichidul topit este incandescent, chiar și atunci când este răcit suficient pentru a-și nuclea particulele și crește-ți cristalele.

Rata de cristalizare

În principiu, există două moduri directe de control al vitezei de cristalizare a unui solid: prin gradul de suprasaturare (sau suprasaturare) sau prin schimbări bruște ale temperaturii.

Gradul de suprasaturare

Gradul de suprasaturare înseamnă cât de mult exces de solut este forțat să se dizolve prin aplicarea căldurii. Prin urmare, cu cât soluția este mai suprasaturată, cu atât procesul de nucleare este mai rapid, deoarece există o probabilitate mai mare de formare a nucleelor.

Deși cristalizarea este accelerată în acest fel, cristalele obținute vor fi mai mici în comparație cu cele obținute cu un grad mai mic de suprasaturare; adică atunci când creșterea lor este favorizată și nu nuclearea.

Schimbări de temperatură

Dacă temperatura este scăzută brusc, nucleele vor avea cu greu timp să crească și, nu numai asta, dar vor păstra și niveluri mai mari de impurități. Rezultatul este că, deși cristalizarea are loc mai rapid decât răcirea lentă, calitatea, dimensiunea și puritatea cristalelor ajung să fie mai scăzute.

Cristalizare rapidă datorită scăderii bruște a temperaturii. Sursa: Gabriel Bolívar.

Imaginea de mai sus servește pentru a contrasta prima. Punctele galbene reprezintă impuritățile, care datorită creșterii bruște a nucleelor ​​sunt prinse în interiorul lor.

Aceste impurități îngreunează încorporarea mai multor hexagoni purpurii, ceea ce duce la o mulțime de cristale mici și impure la final, mai degrabă decât cele mari, pure.

Aplicații

Cristalizarea înghețatei este unul dintre cele mai importante aspecte din timpul producției sale industriale sau artizanale. Sursa: Pixabay.

Cristalizarea, precum și recristalizarea sunt vitale pentru obținerea de solide pure, de înaltă calitate. Pentru industria farmaceutică acest lucru este valabil mai ales, deoarece produsele lor trebuie să fie cât mai pure, la fel ca și conservanții folosiți în industria alimentară.

Mai mult, nanotehnologia depinde foarte mult de acest proces, astfel încât acestea pot sintetiza nanoparticulele sau nanocristalele, mai degrabă decât solidele cristaline robuste.

Unul dintre zilnicele exemple în care cristalizarea are o mare participare este producerea înghețatei. Dacă nu sunteți atenți cu apa, cristalizează într-o fază separată (gheață) de conținutul său de lipide, afectând astfel textura și aroma sa; Cu alte cuvinte, va fi mai mult ca o înghețată rasă sau înghețată.

Prin urmare, cristalele de gheață trebuie să fie cât mai mici, astfel încât înghețata să fie netedă la gust și atingere. Când aceste cristale de gheață sunt puțin mari, ele pot fi detectate la lumină, deoarece dau înghețatei o suprafață înghețată.

Exemple de cristalizare

În sfârșit, se vor menționa câteva exemple comune de cristalizare, atât naturale cât și artificiale:

Fulgi de zapada

Fulgi de zăpadă se formează printr-un proces natural de cristalizare. Se știe că fiecare cristal de zăpadă este unic. Acest lucru se datorează condițiilor care apar în a doua fază de cristalizare (creștere).

Diferitele forme geometrice pe care le prezintă cristalele de zăpadă se datorează condițiilor pe care trebuie să le facă față în timpul creșterii cristalului.

Sare

Sarea este cel mai frecvent exemplu de cristalizare. Acest lucru poate fi format atât în ​​mod natural (cum ar fi sarea de mare), cât și artificial (cum este cazul sării de masă).

Zahăr

După sare, zahărul este unul dintre cele mai frecvente cristale. Se formează printr-o serie de procese industriale complexe, în care sucul de canină de zahăr este luat și supus unui proces de cristalizare artificială.

Diamant

Diamantul este o piatră prețioasă care se formează din cristalizarea carbonului pur. Acesta este cel mai greu material cunoscut de pe planetă. Formarea sa poate fi naturală, cum este cazul diamantelor găsite în depozitele miniere sau sintetice.

Rubin

Rubinul este un cristal roșiatic care se formează din cristalizarea oxidului de aluminiu (coridon).

stalagmite

Stalagmitele sunt structuri care pot fi întâlnite în peșteri, în special în soluri (crescând orientate în sus). Sunt compuse din compuși de calciu și sunt formați din cristalizarea sărurilor de calciu care se găsesc în apa care cade din tavanele peșterilor.

stalactite

Stalactitele, ca și stalagmitele, sunt făcute din calciu și se găsesc în peșteri. Ele diferă de acestea din urmă, deoarece atârnă de tavane. Ele sunt formate prin cristalizarea sărurilor de calciu prezente în apa care se infiltrează în peșteri.

Cuarţ

Cuarțul este o nestemată care se formează din cristalizarea anhidridei silicice. Este unul dintre cele mai abundente minerale din roci, iar culoarea sa este variabilă.

olivină

Numită și olivină, această piatră prețioasă este formată datorită cristalizării fierului și magneziului. Are o culoare verzuie și are de obicei formă de diamant.

silicaţii

Silicații sunt materiale create prin cristalizarea silicei și a altor elemente (fier, aluminiu, calciu, magneziu). Sunt prezente în toate rocile.

Bomboane

Bomboanele sunt făcute cu cristale de zahăr, deci se poate spune că intervine două procese de cristalizare: primul pentru formarea zahărului și al doilea pentru formarea melasei.

Înghețată cremoasă

Înghețata cremoasă conține o serie de cristale care îi conferă textura netedă finală. Printre cristalele pe care le conține înghețata cremoasă, ies în evidență cristale lipide (formate din grăsimi) și cristale de gheață. Trebuie menționat că unele înghețate conțin și cristale de lactoză.

În acest sens, înghețata este obținută prin diferite procese de cristalizare artificială (unul pentru lipide, unul pentru gheață și unul pentru lactoză).

Alții

-Prepararea cristalelor de zahăr în jurul unui fir sau funie și o soluție dulce suprasaturată

-Formarea cristalelor de zahăr din mierele depuse la fundul borcanelor lor

-Cresterea pietrelor la rinichi, care consta in esenta cristalelor de oxalat de calciu

-Cristalizarea mineralelor, inclusiv pietrele și diamantele, de-a lungul anilor, ale căror forme și margini sunt o reflectare a structurilor lor interne ordonate

-Depunerea vaporilor de metal fierbinte pe bare reci ca suport pentru creșterea cristalelor lor.

Referințe

1. Day, R., & Underwood, A. (1989). Chimie analitică cantitativă. (ediția a cincea). PEARSON Sala Prentice.
2. Wikipedia. (2019). Cristalizare. Recuperat de la: en.wikipedia.org
3. Helmenstine, Anne Marie, doctorat. (23 mai 2019). Definiția cristalizării. Recuperat de la: thinkco.com
4. Universitatea din Colorado. (Sf). Cristalizare. Chimie organica. Recuperat de la: orgchemboulder.com
5. Syrris. (2019). Ce este cristalizarea? Recuperat de la: syrris.com