Що таке кристалізація, вивчають ще в школі. Але, як правило, розглядають поняття лише щодо однієї науки – хімії. Та найбільше відношення цей процес дійсно має до неї, хоча це не привід не приділяти увагу його розгляду в інших галузях. І зараз коштує це виправити. Але про все по порядку.
Визначення процесу
Отже, що таке кристалізація? Це процес, в ході якого з газів, розплавів, стекол і розчинів утворюються кристали. Всі знають, що вони собою представляють. Якщо виражатися науковою мовою, то кристали – це тверді тіла із закономірним розташуванням атомів (найменших частинок хімічного елемента, що носять його властивості). Вони мають природну форму правильних симетричних многогранників, яка обумовлена їх внутрішньою структурою.
На питання про те, що таке кристалізація, можна відповісти і по-іншому. Так ще називається утворення цих твердих тіл з кристалів з іншою структурою. Маються на увазі поліморфні перетворення. Вони пояснюються тим, що одні й ті ж атоми здатні утворювати різні кристалічні решітки.
Крім того, кристалізацією називають процес переходу будь-якої речовини з рідкого стану в твердий кристалічний.
Политермический процес
Розповідаючи про те, що таке кристалізація, слід зазначити, що способів, якими вона утворюється, існує кілька. Відрізняються вони прийомами, використовуваними для досягнення пересичення розчину.
Насамперед варто розповісти про политермическую кристалізацію, також іменується изогидрической. Вона може відбуватися лише при незмінному вмісті води в системі.
Принцип не так складний, яким може здаватися. Пересичений розчин утворюється завдяки охолодженню системи. Протікає процес тільки при змінній температурі.
Политермический процес, ведений допомогою охолодження насичених розчинів, може бути застосовний лише для деяких речовин. Для тих, розчинність яких при збільшенні температури також поліпшується.
Варто відзначити, що іноді застосовують також метод политермической випарювання. В ході даного процесу речовина нагрівається і випаровується. Після цього відбувається багаторазовий теплової і масовий обмін між паровою фазою і рідкої.
Ще политермический метод застосовується, коли в речовині присутні кілька солей з різними здібностями до розчинності. Яскравий приклад – виділення хлористого калію з сильвініту.
Ізотермічний спосіб і высаливание
Про це теж слід розповісти. Ізотермічний процес кристалізації характеризується випаровуванням води з розчинів при постійній, не мінливій температурі. Цей метод можна застосовувати для речовин з вмістом солей, розчинність яких практично не залежить від нагрівання.
Випаровування вдається досягти за рахунок доведення рідини до інтенсивного кипіння і підтримання її в такому стані. Це «традиційний» метод. Ще може використовуватися повільне поверхневе випаровування.
В деяких випадках в рідині вводять речовини, які знижують їх здатність до розчинення. Це називається высаливанием. Такими «помічниками» є речовини, в яких міститься однаковий з даної сіллю іон. Яскравий приклад: процес кристалізації хлориду натрію з розчину з високою концентрацією, в який додають хлорид магнію.
Слід обмовитися, що механізм висолювання не завжди однаковий. Якщо метою проведення даного процесу змішати два електроліту, додатковий з яких буде з однойменною іоном, то в підсумку вийде досягти такої концентрації, що добуток розчинності речовини стане значно вище. Що це означає? Кажучи простими словами – з’явиться надлишок речовини, і він виділиться в тверду фазу.
Буває і по-іншому. Щоб домогтися висолювання, і зовсім доводиться змінювати структуру розчину – сприяти утворення гідратних оболонок навколо частинок речовини, яке необхідно кристалізувати. Як це досягається? Шляхом руйнування оболонок у вже розчиненої речовини.
Важливо засвоїти: солі, які утворюють кристалогідрати, высаливаются інтенсивніше, ніж ті, які утворюються в безводній формі. Але деякі «добавки» лише посилюють розчинність. Це призводить до всаливанию.
Осадження речовин реагентами
Це найпоширеніший метод кристалізації в хімії. Він є найбільш швидким та простим.
Якщо в процесі утворюється продукт реакції, практично не розчиняється у воді, то він тут же випадає в осад з розчину. Що в іншому випадку? Якщо продукту реакції властива розчинність, то початок кристалізації припадає на той момент, коли рідина досягає необхідного рівня пересичення. І триває процес до тих пір, поки в неї надходить осадитель (реагент).
Яскравий приклад – одержання карбонату кальцію. Він не розчиняється. Так що доводиться використовувати конверсії нітрату кальцію в нітрат алюмінію. Поглянувши на формулу, можна зрозуміти, приблизно як відбувається даний процес: Са (NO3)2 + (NH4)2CO3 = CaCO3 + 2NH4NO3.
Щоб отримати каталізатори, вдаються до осадження металів у вигляді нерозчинних речовин. До них відносяться оксалати, гідроксиди, карбонати та інші солі. Їх осаджують, тому що згодом вони розкладаються до оксидів.
Виморожування
Ще один процес, який необхідно зазначити увагою, розповідаючи про те, що таке кристалізація. Виморожуванням називається виділення в твердому вигляді одного з компонентів газової або рідкої суміші, яка досягається за допомогою охолодження суміші. Причому досягається температура нижче тієї, при якій зазвичай починається кристалізація.
Основа цього процесу – низька взаємна розчинність компонентів, які потрібно розділити. Приклад: коли водні розчини вымораживают, то розчинені речовини до складу формуються в результаті кристалів не входять.
Використовується цей метод в особливих випадках. Виморожування ефективно, коли потрібно розділити суміші, очистити речовини або концентрувати розчин.
Метод активно застосовується в хімічній, мікробіологічній, фармакологічної і харчової промисловості. Але і в побуті зустрічається маса прикладів даного процесу. Мова йде про концентрування виморожуванням з виділенням льоду. Воно спрямоване на збереження аромату, кольору, а також лікарських та смакових якостей термолабільних продуктів. До таких належать: трав’яні екстракти, соки, пиво, вино, ферментні розчини. А ще препарати, що є біологічно і лікарсько активними.
Нерідко кристалізація речовини шляхом виморожування супроводжується, згодом, сублімаційної сушки. Цей метод використовується при виробництві порошкоподібних, призначених для розчинення продуктів. Прикладів повно – соки, чаї, кава, супи, молоко, вершки, пюре, кисіль, морозиво… всім знайомі ці порошки в пакетиках або банках, розвівши які у воді, вдається отримати готовий до вживання продукт.
До речі, ще виморожування застосовують для очищення стічних вод та знесолення морських – щоб отримати чистий, без домішок. Навіть повітря, іноді, поділяють. Криогенним способом, зрозуміло. Шляхом виморожування з нього вдається видалити пари діоксиду вуглецю і води.
Питома теплота кристалізації
Коротко варто відзначити увагою і це поняття. Воно також відоме, як «питома теплота плавлення» і «ентальпія». Назви різні, а одне визначення. Це – кількість теплоти, яку потрібно повідомити однієї одиниці маси кристалічного речовини, щоб воно з твердого стану перейшло в рідкий.
Позначається грецькою буквою λ. У хімії формула температури кристалізації виглядає наступним чином: Q : m = λ. Тут під Q розуміється кількість теплоти, яке отримано речовиною в процесі його плавлення. А буквою m позначається його маса.
Варто відзначити, що питома теплота кристалізації (плавлення) завжди позитивна. Винятком є тільки гелій під високим тиском. Цікаво, що цей найпростіший одноатомний газ має найнижчу температуру кипіння серед всіх відомих на сьогоднішній день речовин. Даний процес з гелієм починає відбуватися при -268,93 °C.
Що відносно температури плавлення? Ось кілька прикладів, зазначених у кДж по відношенню до одного кілограму речовини: лід – 330, ртуть -12, нафталін – 151, білий і сірий свинець – 14 100.
Приклади
Кристалізація – це в хімії дуже ретельно досліджуваний процес, який особливо цікавий на практиці.
В якості прикладу можна розглянути процес утворення цукру. Суть процесу полягає у виділенні сахарози, яка міститься в сиропі. Останній, у свою чергу, містить також інші речовини, які не були видалені в процесі очищення соку і знову утворилися в процесі згущення.
Коли піднімається температура, кристалізація починається, і в її процесі утворюється межкристальный розчин, який називається утфель. Всі зайві речовини будуть накопичуватися в ньому. Насправді, вони серйозно ускладнюють весь процес, оскільки наявність різного роду домішок збільшує в’язкість розчину.
Ще один яскравий приклад кристалізації в хімії пов’язаний з утворенням солі. Для того щоб його побачити на власні очі, навіть не потрібно проводити експериментів – даний процес існує в природі. У холодну пору року прибій викидає на берег тонни солі. Вона не пропадає. Її згрібають у величезні купи, а потім, коли настає спека і сухість, з неї випаровується кристалізаційна вода. Залишається лише дрібний порошок – сіль, споживана промисловістю.
Приклад з сіллю – найпростіший. Навіть в деяких школах дітям дають додому завдання в рамках уроку хімії: розчинити в зовсім невеликій кількості води 1-2 ложки солі і залишити ємність де-небудь. Для більш інтенсивної кристалізації температуру можна збільшити – підсунути розчин до батареї, наприклад. Через пару днів вода випарується. А ось сольові кристали залишаться.
Метали
Вони теж кристалізуються. Більш того, всі тверді метали, які ми бачимо і можемо помацати, є результатом цього процесу. Перетворення, що відбуваються паралельно, мають величезне значення, оскільки вони в значній мірі визначають властивості металів.
Кристалізація, як процес, дуже цікава в даному випадку. Поки речовина знаходиться в рідкому стані атоми в ньому безперервно рухаються. Природно, все це час підтримується відповідна висока температура. По мірі її зниження атоми зближуються, внаслідок чого відбувається їх групування в кристали. Так утворюються «центри». Тобто, первинні групи кристалів. До них, по мірі уповільнення руху інших атомів, приєднуються вже вторинні.
Спочатку кристали наростають безперешкодно. А ті, які вже утворилися, не втрачають правильності будови. Але потім кристали стикаються при подальшому русі. Внаслідок їх контакту форма псується. Однак всередині кожного кристала будова залишається правильним. Ці групи, до речі, називаються зернами. І вони утворюються не завжди. Все залежить від умов кристалізації, при якій температурі вона відбувалася (стабільної), а також від природи самого металу.
Про зернистості
Вище було багато сказано про питому кристалізацію, а також про різні методи, за допомогою яких здійснюється цей процес. В продовження теми металів хотілося б розповісти про горезвісну зернистості, причини виникнення якої описані в попередньому абзаці.
Насправді, її поява – ознака поганої кристалізації. Грубозернистий метал є неміцним, практично не здатний чинити опір дійсно високому удару. У процесі кування в ньому з’являються тріщини. Також вони утворюються в зоні термічного впливу. Щоб зменшити ймовірність їх освіти, на виробництвах використовують різноманітні заходи – модифікують метал титановими швами, наприклад. Вони здатні попередити зростання зерна.
Для крупнозернистих металів навіть висуваються інші вимоги щодо пред’явлення зразків. Їх товщина повинна бути як мінімум 1,5 див. Тільки в такому разі вдасться порівняти результати механічних і мікромеханічних випробувань.
Так що на виробництвах прагнуть до отримання металів дрібнозернистої структури. Для цього створюють особливі умови – ті, при яких можлива мала швидкість росту кристалів і максимальне число горезвісних центрів, навколо яких потім формуються групи.
Те, наскільки великими вийдуть зерна, залежить від кількості частинок нерозчинних домішок. Зазвичай це сульфіди, нітриди та оксиди – вони грають роль готових центрів кристалізації.
Дрібнозернистої структури можна досягти шляхом модифікування – додавання метали сторонніх речовин. Вони діляться на два виду:
- Речовини, які не розчиняються в рідкому металі. Грають роль додаткових центрів кристалізації.
- Поверхнево-активні компоненти. В металах розчиняються. Згодом вони осідають на поверхні зростаючих кристалів і перешкоджають їх зростанню.
А якість отриманого металу вивчається за допомогою різних методів. Проводять термічний, дилатометрический, магнітний аналіз, структурні та фізичні дослідження. Причому одним лише способом з’ясувати інформацію про всі властивості металу неможливо.
Вода
Вже було розказано і про утворення солей, і про кількість теплоти при кристалізації, і про те, як цей процес протікає у випадку з металами. Що ж, можна наостанок поговорити і про воду – саме дивне явище на планеті.
В природі існує лише три агрегатних стани – газоподібний, тверде та рідке. Вода здатна перебувати в будь-якому з них, переходячи з одного в інше в природних умовах.
Коли вона рідка, її молекули слабо пов’язані між собою. Вони перебувають у постійному русі, роблячи спроби по групуванню в єдину структуру, але цього не виходить з-за тепла. І, коли на воду впливають низькі температури, молекули стають міцнішими. Їм перестає заважати тепло, тому вони набувають кристалічну структуру шестигранної форми. Напевно кожен хоч раз у житті бачив її яскравий приклад. Сніжинка – справжнісінький шестигранник.
Вода, прийнявши тверду форму, може зберегти її надовго – поки не почне танути.
Що стосовно «теплоти» кристалізації? Вода, як усім відомо з дитинства, починає застигати при 0°C. Якщо за Фаренгейтом, то даний показник складе 32 градуси.
Але з цих відміток процес лише починається. Вода не завжди кристалізується при зазначених температурах. Чисту рідину можна навіть охолодити до -40°C, і вона все одно не стане крижаною. Чому? Тому що в чистій воді відсутні домішки, які є підставою для виникнення кристалічної структури. Це, зазвичай, розчинені солі, частинки пилу і т. д.
Ще одна особливість води: вона, замерзаючи, розширюється. В той час, як інші речовини при кристалізації стискаються. Чому так? Тому що при переході води із рідкого стану в твердий, між її молекулами збільшується відстань.
Парадокс Мпембы
Його не можна не відзначити увагою, розповідаючи про кристалізації води. Таке явище, як парадокс Мпембы, цікаво як мінімум своєю формулюванням. Звучить фраза так: «Гаряча вода замерзає швидше холодної». Інтригує і спантеличує. Як таке можливо? Адже вода перед переходом у стадію кристалізації повинна пройти «холодний» етап – охолонути!
Суперечність першого початку термодинаміки наявності. Але на те він і парадокс – логічного пояснення немає, але на практиці існує. Хоча з першим можна посперечатися. Пояснення все-таки є, і ось деякі з них:
- Гаряча вода починає процес випаровування. Однак у холодному повітрі вона перетворюється в лід і падає, утворюючи крижану кірку.
- Коли гаряча вода випаровується з посудини, її обсяг зменшується. Чим менше рідини, тим швидше вона кристалізується. Чарка окропу швидше кристалізується, ніж пляшка води кімнатної температурі.
- Снігова підкладка в морозилці. Посудину з окропом її плавить, встановлюючи тепловий контакт зі стінкою камери. А ось під контейнером з холодною водою сніг не тане.
- Окріп охолоджується знизу. А холодна вода – зверху, що погіршує конвекцію і тепловипромінювання. На убутку тепла це теж відбивається.
- Відстань між молекулами в гарячій воді більше, ніж у холодній. Це відбивається на розтягуванні водневих зв’язків. Отже, вони запасають велику енергію. Вона, в свою чергу, вивільняється в процесі охолодження рідини, і молекули йдуть на зближення. Вважається, що це змінює властивості окропу, і тому він замерзає швидше.
Є ще кілька цікавих спроб обґрунтувати парадокс Мпембы, але однозначна причина досі невідома. Можливо, одного разу вчені проведуть грунтовне дослідження, результат якого допоможе остаточно розібратися в даному ефекті.
