Je hebt vast wel eens van kristallen gehoord, het is waarschijnlijk dat je geest op dit punt een enorme diamant, een amethist of een topaas heeft gevisualiseerd. En zeker, deze groep omvat ook veel van de bekende edelstenenMaar 'kristal' is geen term die strikt genomen alleen betrekking heeft op de sieradenbranche.
Un cristal Het is het eindproduct van een interessant proces dat bekend staat als kristallisatieEen kristal wordt gekenmerkt door de eigenschap dat het een homogene vaste stof is, gevormd door "vlakken". Deze vlakken bevinden zich op verschillende vlakken die zich regelmatig in de ruimte herhalen. Deze interne en externe structuur onderscheidt een kristal van een amorfe vaste stof zoals glas.
Wat is een kristal precies?
Vanuit het oogpunt van natuurkunde en scheikunde, een cristal Het is een vaste stof waarin de deeltjes (atomen, ionen of moleculen) op een geordende manier zijn gerangschikt. regelmatig en periodiek in de drie dimensies van de ruimte. Deze herhalende rangschikking wordt genoemd kristalroosteren is verantwoordelijk voor veel van de waarneembare macroscopische eigenschappen, zoals de helderheid, hardheid of externe geometrische vorm van het kristal.
In een kristallijne vaste stof heeft elk punt in de ruimte die door het materiaal wordt ingenomen een periodieke herhaling volgens bepaalde aanwijzingen. In de kristallografie wordt dit fenomeen van herhaling in de ruimte genoemd vertalingIn tegenstelling tot amorfe vaste stoffen (zoals sommige kunststoffen of glas), waar de ordening slechts over zeer korte afstanden behouden blijft, vertonen kristallen een ordening over lange afstand die zich door de hele vaste stof uitstrekt.
Kenmerken van de vaste stof door kristallisatie
De grootte van een kristal is een variabele eigenschap, met een breed scala aan afmetingen. Kristallen kunnen worden gevonden muy grandes die gemeten kan worden met behulp van de lineaire eenheid "meter", evenals kristallen die uitgedrukt moeten worden in termen van micron, omdat ze door hun kleine formaat vergelijkbaar zijn met micro-organismen zoals bacteriën, die alleen door de microscoop waarneembaar zijn.
Zoals gezegd, de kristallijne processen wat resulteert in producten met een hoge zuiverheid, vandaar dat de definitie stelt dat de kristallen zijn homogeenDat wil zeggen dat de samenstelling van het product constant blijft op elk punt binnen het volume van de vaste stof. Dit houdt in dat de fysische en chemische kenmerken Ze blijven onveranderd in het hele stuk; als er variatie wordt waargenomen als gevolg van een verstoring, treedt de verandering doorgaans coherent op in alle kristallijne soorten.
Deze eigenschap maakt kristallen waardevolle producten in diverse sectoren, variërend van de waardering van materiaalkwaliteit (bijvoorbeeld in de juwelen- en gemologie), tot aan de gebruik van het kristallisatieproces als techniek om stoffen te scheiden in laboratoria en industrieën. De hoge mate van ordening in het kristalrooster betekent dat onzuiverheden worden verdreven of in een kleinere hoeveelheid achterblijven dan in de vloeibare fase, waardoor veel zuiverdere vaste stoffen kunnen worden geproduceerd.
Kristallijne producten kunnen ook op laboratoriumniveau worden geïsoleerd door gecontroleerde reacties in opstellingen die de spontane processen in de natuur nabootsen. Een van de belangrijkste voordelen van kristallen die in gecontroleerde processen zijn verkregen, is dat ze vertonen meer regelmatige vormendie beter aansluiten bij de meest nauwkeurige veelhoekige vormen. Dit is vooral belangrijk bij het zoeken naar kristallen voor analyse, optische toepassingen of farmaceutische testen.
In een kristal moet men onderscheid maken tussen de vlakken die deel uitmaken van de werkelijke kristalstructuur (morfologische kenmerken), en op basis van hun aantal kunnen we de fundamentele vormen van de vaste stof beschouwen. Over het algemeen wordt een kristal gedefinieerd door de combinatie van verschillende fundamentele vormen, waarvan de belangrijkste de volgende zijn:
- Pedion: Kristal bestaande uit één enkel vlak, zonder equivalente vlakken die door symmetrie met elkaar verbonden zijn.
- Pinacoid: Het bestaat uit twee vlakken die equivalent aan elkaar zijn met betrekking tot een symmetrie-asdie doorgaans parallel en tegenovergesteld zijn.
- Wiggenbeen: De twee gelijkwaardige vlakken waaruit dit lichaam bestaat, bevinden zich rondom een binaire aswaardoor een wigvorm ontstaat.
- Prisma: Het wordt gevormd door homologe vlakken die een zone vormen. De "zone van een kristal" wordt gedefinieerd als een verzameling vlakken die parallel lopen aan dezelfde richting en overeenkomen met een ribbe van het kristal.
De structuur van kristallen kan, vanuit een intern oogpunt, worden beschouwd als een min of meer homogeen, periodiek systeem. anisotropischvan een materiaal (vaak opgelost (in een fase die vervolgens stolt in kristallijne orde) die een structuur ontwikkelt op verschillende punten in de ruimte. Een kristal wordt anisotroop genoemd omdat zijn fysieke eigenschappen Eigenschappen zoals thermische geleidbaarheid, lichtsnelheid of hardheid kunnen variëren afhankelijk van de richting waarin ze binnen de vaste stof worden gemeten, juist vanwege die interne ordening.
Een van de kenmerken van kristallen is dat elk punt een periodieke herhaling in de ruimte die wordt ingenomen door het materiaal. In kristallografie wordt het fenomeen dat deze actie beïnvloedt, genoemd vertaling en definieert hoe een eenheidscel (het kleinste herhalende blok) zich in de ruimte beweegt om het gehele kristal op te bouwen.
Het kristallisatieproces en wanneer het plaatsvindt
Om kristallisatie te laten plaatsvinden, moeten we uitgaan van een stof die kan worden geclassificeerd als kristallijneDit wordt gedefinieerd door het feit dat de deeltjes waaruit het is opgebouwd, of ze nu atomair, moleculair of ionisch van aard zijn, eigenschappen vertonen van homogeniteit, periodiciteit en symmetrie wanneer ze in een vaste toestand georganiseerd zijn.
In de context van mengselscheiding wordt dit genoemd kristallisatie naar de vorming van een vaste kristallijne verbinding uit een vloeibare fase (oplossing, smelt of damp). Dit proces is vooral nuttig wanneer je wilt dat... vaste stoffen zuiverenOmdat de gekristalliseerde vaste stof doorgaans veel zuiverder is dan het oorspronkelijke mengsel. Sterker nog, het wordt beschouwd als een van de eenvoudigste en meest effectieve technieken voor het zuiveren van stoffen in het laboratorium.
Kristallisatie vindt plaats wanneer de fysische en chemische omstandigheden van een oplossing, smelt of damp zodanig veranderen dat de vaste toestand ontstaat. stabieler dan de oorspronkelijke toestand. Dit gebeurt bijvoorbeeld wanneer:
- Een oplossing het wordt koud Het proces verloopt langzaam en gaat van een normale concentratie naar een oververzadigde concentratie.
- Se een deel van het oplosmiddel verdampt en de oplossing wordt te geconcentreerd ten opzichte van de opgeloste stof.
- Se een nieuw oplosmiddel toevoegen waardoor de oplosbaarheid van de stof verandert en de kristallisatie ervan wordt bevorderd.
- Een damp met een hoge dampdruk van de opgeloste stof. wordt vast rechtstreeks (omgekeerde sublimatie).
Het hele proces wordt geactiveerd wanneer de deeltjes in de kristallijne stof of oplossing zich op een bepaald moment beginnen te reorganiseren. Deze fase staat bekend als nucleatieNucleatie kan zijn spontaan (homogeen) of heterogeen, geïnduceerd door de aanwezigheid van kleine deeltjes, oppervlakken of zelfs onzuiverheden die fungeren als kristalkiemen.
Dit hele proces omvat, naast de voor de hand liggende variatie in de volgorde van de deeltjes, een verandering in de thermodynamische omstandighedenDeze processen zijn erop gericht de verstoringen te compenseren die ontstaan ​​door de verandering in de Gibbs-vrije energie. Deze verandering wordt hoofdzakelijk gekenmerkt door drie gebeurtenissen:
- De verandering in de chemische energie van het systeem, geassocieerd met de overgang van moleculen van de opgeloste fase naar de geordende vaste stof.
- De creatie van een koppel tussen de kiemvormingszone en de rest van de homogene fase (vloeibaar, gasvormig of gesmolten).
- La variatie in volume en vorm Dit proces brengt spanningen en structurele aanpassingen met zich mee.
De volgende fase begint wanneer de basiskiemvormingsstructuur stabiliseert. De volgende stap is logisch en voorspelbaar: zodra we de basisstructuur hebben, gaan we een proces in van... groeiwaarbij een verandering in de afmetingen van de kern wordt waargenomen. Geleidelijk vertaalt deze toename zich in de vorming van goed gedefinieerde vlakken, totdat het kristal een bepaalde vorm aanneemt. kristallijne habitus duidelijk waarneembaar.
Mechanisme van kristalgroei
De door Volmer ontwikkelde theorie legt uit hoe de groei van een kristal plaatsvindt, waarbij wordt vastgesteld dat, rond de basisstructuur van de nucleatie van de kristallijne substantie, een soort absorptielaagDit oppervlak fungeert als een grensvlak en bevordert bovendien de migratie van deeltjes eromheen die parallel aan het oppervlak bewegen. Het resultaat van dit proces wordt gedefinieerd als een structuur in een tweedimensionaal vlak.
Kossel en Stranski stelden op hun beurt vast dat een mechanisch werk Om een ​​ion of molecuul aan het oppervlak van deze laag te hechten, is het proces afhankelijk van de positie ervan. Rand- of hoekposities zijn bijvoorbeeld meestal energetisch gunstiger voor de incorporatie van nieuwe deeltjes, waardoor de groei niet uniform is over het gehele oppervlak.
Het ontwikkelen van een model dat groei definieert, vereist voorspellingen. verzadigingszones waar een hogere veranderingssnelheid wordt waargenomen (lokale gebieden van oververzadiging). Dit toont aan dat kristalgroei plaatsvindt door opeenvolgende lagenDeze lagen worden op het reeds gevormde netwerk gestapeld. Naarmate deze lagen groeien en geordend raken, worden onzuiverheden doorgaans uit de goed geordende kristallijne structuur geweerd.
Onder ideale laboratoriumomstandigheden, de langzame afkoeling Het gebruik van een oplossing of een zorgvuldige regulering van de verdamping zorgt voor een geleidelijke en ordelijke groei, waardoor het kristalrooster wordt opgebouwd zonder dat er te veel onzuiverheden worden ingesloten. Als de afkoeling of de verandering in omstandigheden te snel verloopt, vormt het rooster zich met meer wanorde en kunnen onzuiverheden in het kristal worden ingesloten, waardoor de zuiverheid afneemt.
Dit dynamische karakter van kristallisatie houdt in dat, zelfs wanneer het kristal groeit, een evenwicht Er vindt een wisselwerking plaats tussen moleculen die in het kristalrooster worden opgenomen en moleculen die terugkeren naar de oplossing. Daarom wordt kristallisatie beschouwd als een proces dat sterk afhankelijk is van temperatuur, concentratie, roeren en tijd.
Kristallisatie als mechanisme voor het scheiden van mengsels
Omdat een kristal uit een homogene substantie wordt gevormd, is het gebruik ervan uitgebreid als selectieve scheidingsmethode van stoffen. In de chemie en industrie wordt het vooral toegepast om vaste stoffen te zuiveren die gemengd zijn met onzuiverheden, waarbij gebruik wordt gemaakt van de verschillen in oplosbaarheid en stabiliteit tussen de verschillende aanwezige soorten.
In de praktijk komt kristallisatie als scheidingsmethode neer op het verkrijgen van een kristallijne vaste stof Uitgaande van een oplossing of mengsel dat de belangrijkste opgeloste stof en de onzuiverheden bevat, wordt het oplosmiddel of oplosmiddelmengsel geselecteerd op basis van de oplosbaarheid van de vaste stof en onzuiverhedenIdealiter zoek je een oplosmiddel waarin de gewenste stof zeer goed oplosbaar is bij hoge temperaturen en slechts licht oplosbaar bij lage temperaturen, terwijl onzuiverheden gemakkelijk door filtratie te verwijderen zijn of opgelost blijven.
In het laboratorium omvat het typische kristallisatieproces als scheiding verschillende gekoppelde stappen:
- uitvoeren oplosbaarheidstesten om het juiste oplosmiddel te vinden.
- Los de onzuivere vaste stof op in de zo klein mogelijke hoeveelheid van heet oplosmiddel, totdat een verzadigde oplossing is verkregen.
- Verwijder onoplosbare deeltjes door filtratie En gebruik, indien nodig, actieve kool om gekleurde onzuiverheden of troebelheid te verwijderen.
- Laat een langzame afkoeling zodat er oververzadiging ontstaat en de kristallisatie van de gewenste opgeloste stof begint.
- Scheid de kristallen die gevormd worden door vacuümfiltratie of door decanteren, en ze vervolgens goed drogen.
Zodra het proces is voltooid, kan de zuiverheid van de resulterende kristallen worden gecontroleerd door... smeltpunt (een zuivere vaste stof smelt meestal binnen een zeer smal temperatuurbereik) of door middel van analytische technieken zoals dunne-laagchromatografie. Als de zuiverheid onvoldoende is, kan het kristallisatieproces een of meerdere keren worden herhaald.
Van de verschillende kristallisatiemethoden worden hieronder de meest gebruikte methoden beschreven, zowel in het laboratorium als op industrieel niveau:
- Toevoeging van een nieuw oplosmiddel: Als we de aard van de producten waarmee we werken kennen, kunnen we deze methode toepassen. Deze methode bestaat in principe uit het toevoegen van een nieuw oplosmiddel dat reageert met het oplosmiddel waarin de te kristalliseren stof zich bevindt. Wanneer het nieuwe oplosmiddel de oplosbaarheid selectief verandert, slaat de stof neer, waardoor het kristallisatieproces op gang komt.
- Koelen tot hoge concentraties opgeloste stof: Wanneer we een sterk geconcentreerde oplossing hebben, bereid bij hoge temperaturen, en we deze laten afkoelen, verkrijgen we een toestand van oververzadigingwaarbij een grotere hoeveelheid opgeloste stof wordt opgelost dan het oplosmiddel onder de nieuwe temperatuursomstandigheden kan opnemen. Als het temperatuurverlagingsproces op een gecontroleerde manier wordt uitgevoerd, kunnen we de grootte en kwaliteit van het glas dat we gaan krijgen.
- Sublimatie: Deze techniek kan alleen worden toegepast op kristallijne verbindingen die een bepaalde eigenschap vertonen. hoge dampdrukTransformaties van een gasvormige naar een vaste fase vereisen dus geen doorgang door het smeltpunt. Dit is handig voor het zuiveren van vaste stoffen zoals jodium, naftaleen of sommige aromatische organische stoffen.
Kristallisatie wordt gebruikt om componenten te scheiden van homogene mengselsZo kan zeewater bijvoorbeeld door gecontroleerde verdamping en afkoeling worden gebruikt om relatief zuivere tafelzoutkristallen te verkrijgen. Dit proces wordt ook toegepast op stoffen zoals aluin, suiker, benzoëzuur en tal van organische verbindingen die worden gebruikt in chemische en farmaceutische synthese.
In veel gevallen biedt deze methode duidelijke voordelen ten opzichte van eenvoudige verdamping: het maakt het mogelijk om meer controle van de deeltjesgrootte, bereikt een hoogste zuiverheid Het kan oplosbare onzuiverheden verwijderen die in het residu zouden achterblijven als het oplosmiddel ongecontroleerd zou verdampen.
Is kristallisatie een fysisch of een chemisch proces?
Kristallisatie wordt opgevat als een fysiek proces van verharding en ordening tijdens de vorming en groei van kristallijne verbindingen. Gedurende het hele proces verandert de chemische aard van de opgeloste stof niet; wat verandert is de structuur ervan. status van de vereniging en de manier waarop deeltjes in de ruimte georganiseerd zijn.
Kristallisatie creëert geen nieuwe stoffen; het betreft slechts een herschikking van bestaande moleculen, gepaard gaande met veranderingen in fysische eigenschappen zoals dichtheid, hardheid, smeltpunt en uiterlijk. Om deze reden wordt het geclassificeerd als een fysieke transformatieHoewel het wordt beheerst door thermodynamische en kinetische wetten die specifiek zijn voor de chemie.
Dit fysieke en dynamische karakter, samen met de eenvoud van de benodigde opstellingen, maakt kristallisatie tot een van de toegankelijkere technieken Het is niet alleen effectief voor het zuiveren van vaste stoffen in het laboratorium, maar ook een essentieel hulpmiddel in grootschalige industriële processen.
Toepassingen, voordelen en voorbeelden van kristallisatie
Kristallisatie wordt voornamelijk gebruikt om te verkrijgen zuivere kristallen van bepaalde stoffen uit onzuivere mengsels. Tot de meest relevante toepassingen behoren:
- Zuivering van zouten en mineralen: Het klassieke geval is het verkrijgen van tafel zout uit zeewater of pekel. Door verdamping en kristallisatie wordt natriumchloride gescheiden van andere onzuiverheden.
- Voedselindustrie: Suikers, zouten en andere vaste stoffen worden gekristalliseerd om hun eigenschappen te verbeteren. stabiliteit, hantering en conserveringHoning kan bijvoorbeeld kristalliseren tijdens de opslag, waardoor het een stevige textuur krijgt zonder zijn eigenschappen te verliezen.
- Farmaceutische industrie: Kristallisatie wordt gebruikt als scheidings- en zuiveringsmethode bij werkzaamheden in de synthese en isolatie van actieve farmaceutische ingrediënten (API's), co-kristallen, polymorfe vormen of de scheiding van chirale isomeren. De verkregen kristallijne vorm kan van invloed zijn op de oplosbaarheid en biologische beschikbaarheid van het medicijn.
- Vorming van mineralen en gesteenten: Veel stollings- en metamorfe gesteenten worden gevormd uit de langzame kristallisatie uit magma of hydrothermale oplossingen, waardoor mineralen en edelstenen ontstaan ​​van grote esthetische en wetenschappelijke waarde.
- Natuurlijke verschijnselen: De sneeuwvlokken Het zijn ijskristallen met een zeshoekige structuur. Hoewel ze allemaal deze geometrische basis delen, zorgen temperatuur- en vochtigheidsomstandigheden ervoor dat elk sneeuwkristal op een unieke manier groeit, wat resulteert in onherhaalbare structuren.
- Vorming van speleothemen: Stalactieten en stalagmieten in grotten ontstaan ​​door de kristallisatie van mineralen (zoals calciet) uit langzaam afgezette waterdruppels die verzadigd zijn met zouten.
Onder de belangrijkste voordeel Van de kristallisatiemethoden die voor scheiding worden gebruikt, springen de volgende eruit:
- Het stelt je in staat producten te verkrijgen van hoge zuiverheid, vanwege de afstoting van onzuiverheden in het geordende kristalrooster.
- De gevormde kristallen zijn meestal droge goederen die direct verpakt en opgeslagen kunnen worden voor consumptie of verdere verwerking.
- Vereist een matig energieverbruik En het vereist niet altijd extreem hoge temperaturen, wat het efficiënt en duurzaam maakt.
- Het is een procedure veelzijdig, toepasbaar op een breed scala aan stoffen met verschillende oplosbaarheidsbereiken en smeltpunten.
Alledaagse voorbeelden van de resultaten van kristallisatieprocessen zijn onder meer: ​​de vorming van ijsblokjes en sneeuw uit water; de kristallisatie van opgeslagen honing; het verschijnen van suikerkristallen in snoepgoed; de vorming van mineralen en speleothemen; en natuurlijk de creatie van edelstenen en edelstenen in de aardkorst.
Kristallisatie kan ook worden waargenomen in eenvoudige experimenten thuis of in de klas, zoals de groei van zoutkristallen Op pijpenragers of karton ondergedompeld in oververzadigde zoutoplossingen. Door de oplossing ongestoord te laten staan ​​en het water langzaam te laten verdampen, organiseren de zoutionen zich en vormen ze zichtbare kristallijne structuren, waarmee visueel wordt aangetoond hoe temperatuur, concentratie en tijd het proces beïnvloeden.
Inzicht in hoe en wanneer kristallisatieprocessen plaatsvinden, stelt ons in staat om ze te benutten in technologische en industriële contexten, maar ook in educatieve en wetenschappelijke activiteiten, en helpt ons om talloze natuurlijke verschijnselen die ons dagelijks omringen beter te interpreteren.