Кристализация: от какво се състои, метод на разделяне, типове и примери

Кристализацията е процес, при който се образува твърдо вещество с атоми или молекули в организирани структури, които се наричат кристални мрежи. Кристалите и кристалните мрежи могат да се образуват чрез утаяване на разтвор, чрез сливане и в някои случаи чрез директно отлагане на газ.

Структурата и естеството на тази кристална мрежа ще зависят от условията, при които протича процесът, включително времето, изминало за достигане на това ново състояние. Кристализацията като процес на разделяне е изключително полезна, тъй като позволява да се гарантира, че структурите са получени само от желаното съединение.

В допълнение, този процес гарантира, че преминаването на други видове няма да бъде разрешено, като се има предвид подредената природа на кристала, което прави този метод отлична алтернатива за пречистване на разтвори. Много пъти в химията и химичното инженерство е необходимо да се използва процес на разделяне на смеси.

Тази нужда се генерира или за повишаване на чистотата на сместа, или за получаване на специфичен компонент от нея, и поради тази причина съществуват различни методи, които могат да бъдат използвани в зависимост от фазите, в които се намира тази комбинация от вещества.

Какво е кристализация?

Кристализацията изисква два етапа, които трябва да настъпят, преди да може да се образува кристална мрежа: първо, трябва да има достатъчно натрупване на атоми или молекули на микроскопично ниво, за да започне да се появява т.нар.

Този етап на кристализация може да се осъществи само в преохладени флуиди (т.е. охладени под точката на замръзване, без да ги правят твърди) или пренаситени разтвори.

След започване на нуклеацията в системата, ядрата могат да се образуват достатъчно стабилни и достатъчно големи, за да започнат втория етап на кристализация: кристален растеж.

зародиши

В този първи етап се определят разположението на частиците, които ще образуват кристалите и се наблюдават ефектите на факторите на околната среда върху образуваните кристали; например времето, което е необходимо, за да се появи първият кристал, се нарича време за нуклеация.

Има два етапа на нуклеация: първично и вторично. При първите се образуват нови ядра, когато в средата няма други кристали или когато другите съществуващи кристали нямат ефект върху образуването им.

Първичното нуклеация може да бъде хомогенна, при която няма влияние върху частта от твърдите вещества, присъстваща в средата; или може да бъде хетерогенна, където твърдите частици на външни вещества предизвикват увеличаване на скоростта на нуклеация, която нормално не би настъпила.

При вторичното нуклеация се образуват нови кристали от влиянието на други съществуващи кристали; Това може да се дължи на силите на рязане, които причиняват сегментите на съществуващите кристали да станат нови кристали, които също растат със своя собствена скорост.

Този тип нуклеация е от полза за системи с висока енергия или поток, при които участващият флуид генерира сблъсъци между кристали.

Кристален растеж

Това е процесът, при който кристалът увеличава размера си чрез агрегиране на повече молекули или йони до интерстициалните позиции на неговата кристална решетка.

За разлика от течностите, кристалите растат равномерно само когато молекулите или йоните влизат в тези позиции, въпреки че тяхната форма ще зависи от естеството на въпросното съединение. Всяко неправилно подреждане на тази структура се нарича кристален дефект.

Растежът на кристал зависи от редица фактори, сред които са повърхностното напрежение на разтвора, налягането, температурата, относителната скорост на кристалите в разтвора и числото на Рейнолдс.

Най-простият начин да се гарантира, че кристалът расте до по-големи размери и че той е с висока чистота, е чрез контролирано и бавно охлаждане, което предотвратява образуването на кристалите за кратко време и че вътрешните вещества са в капан. тях.

Освен това е важно да се отбележи, че малките кристали са много по-трудни за манипулиране, съхранение и преместване и струват повече, за да се филтрират от решение, отколкото по-големите. В по-голямата част от случаите най-големите кристали ще бъдат най-желани, поради тези и повече причини.

Като метод за разделяне

Необходимостта от пречистване на разтворите е обичайна в химията и химичното инженерство, тъй като може да се наложи да се получи продукт, който е хомогенно смесен с друг или с други разтворени вещества.

Ето защо са разработени оборудване и методи за извършване на кристализация като процес на индустриално разделяне.

Има различни нива на кристализация, в зависимост от изискванията, и могат да бъдат извършени в малък или голям мащаб. Следователно тя може да бъде разделена на две общи класификации:

рекристализация

Нарича се рекристализация в техниката, която се използва за пречистване на химикали в по-малък мащаб, обикновено в лаборатория.

Това се прави с разтвор на желаното съединение заедно с неговите примеси в подходящ разтворител, като по този начин се цели утаяване на някои от двата вида под формата на кристали и след това се отстранява.

Има няколко начина за рекристализиране на разтворите, сред които е рекристализация с разтворител, с няколко разтворителя или с гореща филтрация.

-Един разтворител

Когато се използва един разтворител, се приготвя разтвор на съединение "А", примес "В" и минимално необходимото количество разтворител (при висока температура), за да се образува наситен разтвор.

След това разтворът се охлажда, като причинява разтворимост на двете съединения да падне и съединението "А" или онечистване "В" да се прекристализира. Най-добре е, че кристалите са от чисто "А" съединение. Добавянето на ядро може да е необходимо, за да започне този процес, който може дори да е фрагмент от стъкло.

Различни разтворители

При рекристализацията на няколко разтворителя се използват два или повече разтворителя и същият процес се извършва както с разтворител. Този метод има предимството, че съединението или примес ще се утаи, докато се добавя вторият разтворител, тъй като те не са разтворими в него. При този метод на рекристализация не е необходимо да се нагрява сместа.

- Филтриране горещо

Накрая, рекристализацията с гореща филтрация се използва, когато има неразтворимо вещество "С", което се отстранява с филтър с висока температура след извършване на същата процедура на прекристализация на един разтворител.

В индустриалната област

В промишлената област е желателно да се осъществи процес, наречен фракционна кристализация, която е метод, който пречиства веществата според техните различия в разтворимостта.

Тези процеси наподобяват тези на рекристализацията, но използват различни технологии за обработка на по-големи количества продукт.

Прилагат се два метода, които по-добре ще бъдат обяснени в следното твърдение: кристализация чрез охлаждане и кристализация чрез изпаряване.

Като голям мащаб този процес генерира отпадъци, но те обикновено се рециркулират от системата, за да се гарантира абсолютна чистота на крайния продукт.

Видове кристализация

Има два вида широкомащабна кристализация, както е посочено по-горе: чрез охлаждане и чрез изпаряване. Създадени са и хибридни системи, където и двете явления се случват едновременно.

Кристализация чрез охлаждане

При този метод разтворът се охлажда, за да се намали разтворимостта на желаното съединение, което води до неговото утаяване с желаната скорост.

При химическото (или технологичното) инженерство, кристализаторите се използват под формата на резервоари с миксери, които циркулират охлаждащите течности в отделенията около сместа, така че и двете вещества да не влизат в контакт, докато се осъществи пренос на топлина от хладилен агент към разтвор.

За да се отстранят кристалите, се използват скрепери, които изтласкват твърдите фрагменти в яма.

Кристализация чрез изпаряване

Това е другата възможност за постигане на утаяване на разтворените кристали, като се използва процес на изпаряване на разтворителя (при постоянна температура, за разлика от предишния метод), за да се направи концентрацията на разтворимото вещество по-високо от разтворимостта.

Най-често срещаните модели са така наречените модели на принудителна циркулация, които поддържат течността на кристалите в хомогенна суспензия през резервоара, контролирайки техния поток и скорост и обикновено генерират по-големи средни кристали от тези, образувани при кристализацията чрез охлаждане.