Krystalizacja
Krystalizacja to sposób, w jaki atomy gromadzą się, tworząc ściśle powiązane lub połączone grupy. Oddziela ona ciało stałe od cieczy lub czasami od gazu. Krystalizacja może pochodzić ze stopu lub z roztworu i może być naturalna lub sztuczna. Szybsza krystalizacja może spowodować powstanie kryształów o mniejszych rozmiarach, jak w bazalcie, a wolniejsza może spowodować powstanie większych, jak w granicie.
Sztuczna krystalizacja to technika polegająca na tworzeniu stałych kryształów z jednorodnego roztworu. Aby doszło do krystalizacji, roztwór powinien być przesycony. Mówiąc prościej, roztwór powinien zawierać więcej rozpuszczonych cząsteczek niż w zwykłych warunkach. Można to osiągnąć różnymi metodami - odparowanie rozpuszczalnika, chłodzenie, reakcja chemiczna, "utonięcie" są najczęściej stosowane w praktyce przemysłowej.
Aby wyjaśnić sprawę, możemy posłużyć się prostym przykładem. Bierzemy miskę z wodą, do której dodajemy kryształki cukru. Dodajemy do niej cukier do momentu, aż osiągniemy etap, w którym nie ma możliwości rozpuszczenia kolejnych kryształków. Otrzymany w ten sposób roztwór jest nasycony. Ciekawostką jest to, że możemy rozpuścić więcej kryształków do tego konkretnego nasyconego roztworu poprzez jego podgrzanie (ponieważ rozpuszczalność substancji rozpuszczonych wzrasta wraz ze wzrostem temperatury, choć zdarzają się wyjątkowe przypadki). Ten wzrost temperatury powoduje, że rozpuszcza się w nim więcej kryształków cukru (tworząc w ten sposób przesycony roztwór), ale kiedy temperatura roztworu osiągnie równowagę z otoczeniem, rozpuszczalność rozpuszczonego maleje (ponieważ temperatura roztworu spadła), a dodany w ten sposób nadmiar cukru krystalizuje się. Proces ten zasadniczo ilustruje najprostszą z technik przesycania.
Tonięcie" polega na dodaniu do roztworu nierozpuszczalnika, który zmniejsza rozpuszczalność substancji stałej. Alternatywnie, reakcje chemiczne mogą być również stosowane w celu zmniejszenia rozpuszczalności ciała stałego w rozpuszczalniku, co prowadzi do przesycenia.
Krystalizację można podzielić na etapy - pierwszym jest zarodkowanie pierwotne. Jest to wzrost nowego kryształu, który z kolei powoduje zarodkowanie wtórne - etap końcowy (jeśli usunięcie kryształów nie stanowi problemu). Nukleacja wtórna wymaga, aby istniejące kryształy utrwaliły wzrost kryształu. W naszym przykładzie cukrowym, takie jądra otrzymaliśmy kiedy "nadmiar" cukru właśnie się skrystalizował wspomagając dalsze formowanie się kryształków. Nukleacja wtórna jest głównym etapem krystalizacji, ponieważ to właśnie ona powoduje "masową produkcję" kryształków.
Śnieg, który przechodzi krystalizację.
Pytania i odpowiedzi
P: Co to jest krystalizacja?
O: Krystalizacja to sposób, w jaki atomy łączą się w regularną strukturę i utrzymywane są razem przez wiązania chemiczne lub połączone grupy. Może ona pochodzić ze stopu, roztworu lub gazu i może być naturalna lub sztuczna.
P: Jakie są dwa główne etapy krystalizacji?
O: Dwa główne etapy krystalizacji to nukleacja i wzrost kryształu. Nukleacja to pojawienie się fazy krystalicznej z przechłodzonej cieczy lub przesyconego rozpuszczalnika, natomiast wzrost kryształu to wzrost wielkości cząsteczek, który prowadzi do stanu krystalicznego.
P: Jak działa sztuczna krystalizacja?
O: Sztuczna krystalizacja działa poprzez stworzenie roztworu przesyconego, w którym znajduje się więcej cząsteczek substancji rozpuszczonej niż w zwykłych warunkach. Można to osiągnąć poprzez takie metody jak odparowanie rozpuszczalnika, chłodzenie i reakcję chemiczną.
P: Co się dzieje podczas nukleacji pierwotnej?
O: Nukleacja pierwotna jest pierwszym etapem krystalizacji i polega na wzroście nowych kryształów.
P: Jak przebiega nukleacja wtórna?
O: Nukleacja wtórna ma miejsce, gdy istniejące kryształy nadal rosną, ponieważ usunięcie ich nie stanowi problemu. Do jej zaistnienia potrzebne są również istniejące kryształy.
P: Jak działa "tonięcie" w odniesieniu do przesycenia? O: Utonięcie polega na dodaniu do roztworu nierozpuszczalnika, który zmniejsza jego rozpuszczalność, tak że staje się on przesycony cząsteczkami solutu.
