Şüphesiz kristalleri hiç duymuşsunuzdur, bu noktada zihninizin büyük bir pırlanta, bir ametist veya bir topaz görselleştirmiş olması muhtemeldir. Ve elbette, bu grup aynı zamanda iyi bilinenlerin çoğunu da içeriyor değerli taşlarAncak kristal terimi, yalnızca mücevher alanını kapsayan bir terim değildir.
Un cristal Bu, ilginç bir sürecin nihai ürünüdür. kristalleşmeKristal, uzayda düzenli olarak tekrarlanan çeşitli düzlemlerde yer alan "yüzeyler"den oluşan homojen bir katı olma özelliğiyle karakterize edilir. Bu iç ve dış organizasyon, kristali cam gibi amorf bir katıdan ayıran şeydir.
Kristal tam olarak nedir?
Fizik ve kimya açısından bakıldığında, cristal Parçacıkların (atomlar, iyonlar veya moleküller) düzenli bir şekilde dizildiği katı bir maddedir. düzenli ve periyodik Uzayın üç boyutunda. Bu tekrarlayan düzenlemeye denir. kristal kafesve kristalin parlaklığı, sertliği veya dış geometrik şekli gibi gözlemlenebilir makroskopik özelliklerinin çoğundan sorumludur.
Kristal yapılı bir katıda, malzemenin kapladığı uzaydaki her noktanın bir periyodik tekrar Belirli yönlere göre. Kristalografide, uzayda tekrar eden bu olguya şu ad verilir: çeviriAmorf katıların (bazı plastikler veya cam gibi) aksine, düzenin yalnızca çok kısa mesafelerde korunduğu durumlarda, kristaller tüm katı boyunca uzanan uzun menzilli bir düzen sergiler.
Kristalleşmeden dolayı katının özellikleri
Kristallerin boyutu, geniş bir boyut aralığına sahip, değişken bir özelliktir. Kristaller çeşitli yerlerde bulunabilir. muy grandes "Metre" doğrusal birimiyle ölçülebilen ve aynı zamanda kristaller cinsinden ifade edilmesi gereken şeyler. mikronçünkü küçük boyutları onları sadece mikroskopla gözlemlenebilen bakteri gibi mikroorganizmalarla karşılaştırılabilir kılar.
Daha önce de belirtildiği gibi, kristal süreçleri Bu da yüksek saflıkta ürünler elde edilmesini sağlar; bu nedenle tanımda şu ifade yer almaktadır: kristaller homojendirYani, ürünün bileşimi katı cismin hacmi içindeki herhangi bir noktada sabit kalır. Bu da şunu ima eder ki, fiziksel ve kimyasal özellikler Bunlar parçanın tamamında değişmeden kalır; eğer bir bozulma nedeniyle bir değişiklik gözlemlenirse, bu değişiklik kristal türlerinin tamamında tutarlı bir şekilde gerçekleşme eğilimindedir.
Bu özellik, kristalleri takdir edilmesinden tutun da çeşitli alanlarda değerli ürünler haline getiriyor. malzeme kalitesi (örneğin, mücevher ve gemoloji alanında), ...'ya kadar kristalizasyon işleminin maddeleri ayırmak için bir teknik olarak kullanılması Laboratuvarlarda ve endüstrilerde kullanılır. Kristal kafesindeki yüksek düzenlilik derecesi, safsızlıkların sıvı faza göre daha az oranda atılmasını veya kalmasını sağlayarak çok daha saf katı maddelerin üretilmesine olanak tanır.
Kristal ürünler laboratuvar düzeyinde de izole edilebilir, bunun için şu yöntemler kullanılabilir: kontrollü reaksiyonlar Doğada kendiliğinden oluşan süreçleri taklit eden düzeneklerde elde edilen kristallerin başlıca avantajlarından biri, kontrollü süreçlerde elde edilen kristallerin sergilediği özelliklerdir. daha düzenli şekillerBu, özellikle analiz, optik uygulamalar veya farmasötik testler için kristal ararken önemlidir.
Bir kristalde, şunları ayırt etmek gerekir: gerçek kristal yapının bir parçasını oluşturan yüzeyler (morfolojik özellikler) ve sayılarına bağlı olarak, katının temel şekillerini ele alabiliriz. Genel olarak, bir kristal, birkaç temel şeklin birleşimiyle tanımlanır; başlıcaları şunlardır:
- Pedion: Simetri ile ilişkili eşdeğer yüzeyleri olmayan, tek bir düz yüzeyden oluşan kristal.
- Pinakoid: Birbirine göre eşdeğer olan iki yüzeyden oluşur. simetri ekseniBunlar genellikle paralel ve zıt yönlüdür.
- Sfenoid: Bu katı cismi oluşturan iki eşdeğer yüz, bir cismin etrafında yer almaktadır. ikili eksenKama şeklinde bir yapı oluşturuyor.
- Prizma: Bir bölgeyi oluşturan homolog yüzlerden oluşur. "Kristal bölgesi", kristalin bir kenarına karşılık gelen, aynı yöne paralel yüzler kümesi olarak tanımlanır.
Kristallerin yapısı, içsel bir bakış açısından, az çok homojen, periyodik bir sistem olarak düşünülebilir ve anizotropikbir malzemenin (sıklıkla) çözünmüş (Daha sonra kristal düzende katılaşan bir fazda) uzayda çeşitli noktalarda bir yapı geliştiren bir kristale anizotropik denir. Bir kristalin anizotropik olmasının nedeni, anizotropik yapısının farklı şekillerde gelişmesidir. fiziki ozellikleri (Isı iletkenliği, ışık yayılma hızı veya sertlik gibi) özellikler, katı içindeki içsel düzenleme nedeniyle, ölçüldükleri yöne bağlı olarak değişebilir.
Kristallerin özelliklerinden biri de her bir noktasının kendine özgü bir özelliğe sahip olmasıdır. periyodik tekrar malzemenin kapladığı alanda. Kristalografide, bu eylemi etkileyen fenomene çeviri ve birim hücrenin (en küçük tekrarlayan blok) tüm kristali oluşturmak için uzayda nasıl hareket ettiğini tanımlar.
Kristalleşme süreci ve ne zaman gerçekleştiği
Kristalleşmenin gerçekleşmesi için, şu şekilde sınıflandırılabilecek bir maddeden başlamalıyız: kristalBu, onu oluşturan parçacıkların, ister atomik, ister moleküler, ister iyonik yapıda olsunlar, şu özelliklere sahip olmalarıyla tanımlanır: homojenlik, periyodiklik ve simetri Katı halde organize olduklarında.
Karışım ayrıştırma bağlamında buna şu ad verilir: kristalleşme Sıvı fazdan (çözelti, eriyik veya buhar) katı kristal bir bileşiğin oluşumuna yol açan bu süreç, özellikle aşağıdaki durumlarda kullanışlıdır: katı bileşikleri saflaştırmakÇünkü kristalleşmiş katı genellikle başlangıçtaki karışımdan çok daha saftır. Aslında, laboratuvarda maddeleri saflaştırmak için en basit ve en etkili tekniklerden biri olarak kabul edilir.
Kristalleşme, bir çözeltinin, eriyiğin veya buharın fiziksel ve kimyasal koşullarının katı halin kristalleşeceği şekilde değişmesiyle meydana gelir. daha kararlı Orijinal durumundan daha iyi. Bu durum, örneğin şu durumlarda ortaya çıkar:
- Bir çözüm soğuk oluyor Yavaşça artar ve normal konsantrasyondan aşırı doymuş konsantrasyona ulaşır.
- Se çözücünün bir kısmını buharlaştırır ve çözelti, çözünen maddeye göre aşırı derecede yoğunlaşır.
- Se yeni bir çözücü ekle Bu durum maddenin çözünürlüğünü değiştirir ve kristal çökelmesini kolaylaştırır.
- Çözünen maddenin yüksek buhar basıncına sahip bir buharı. katı hale gelir doğrudan (ters süblimasyon).
Kristal halindeki madde veya çözeltinin bir noktasında parçacıklar yeniden düzenlenmeye başladığında tüm süreç aktif hale gelir. Bu aşama şu şekilde bilinir: çekirdeklenmeÇekirdeklenme olabilir doğal (homojen) veya heterojenKristal "tohumları" görevi gören küçük parçacıkların, yüzeylerin veya hatta safsızlıkların varlığından kaynaklanır.
Bu sürecin tamamı, parçacıkların sırasındaki bariz değişime ek olarak, bir değişikliği de içerir. termodinamik koşullarBu süreçler, Gibbs serbest enerjisindeki değişimden kaynaklanan bozulmaları telafi etmeyi amaçlamaktadır. Bu değişim esas olarak üç olayla belirginleşir:
- Değişim kimyasal enerji Sistemin, moleküllerin çözünmüş fazdan düzenli katı faza geçişiyle ilişkili olan kısmı.
- Bir yaratılış arayüz Çekirdeklenme bölgesi ile homojen fazın geri kalanı (sıvı, gaz veya erimiş) arasında.
- La hacim ve şekil bakımından farklılık Bu süreç gerilimleri ve yapısal yeniden düzenlemeleri içerir.
Temel çekirdeklenme yapısı stabilize olduğunda bir sonraki aşama başlar. Sonraki adım mantıklı ve tahmin edilebilir: temel yapıya sahip olduğumuzda, bir sürece gireceğiz. büyümeÇekirdeğin boyutlarında bir değişikliğin gözlemlendiği bir süreçtir bu. Bu artış, kademeli olarak, kristal belirli bir şekle ulaşana kadar, iyi tanımlanmış yüzeylerin oluşmasına dönüşür. kristal yapı Açıkça gözlemlenebilir.
Kristal büyüme mekanizması
Volmer tarafından geliştirilen teori, bir kristalin büyümesinin nasıl gerçekleştiğini açıklayarak, kristalin maddenin çekirdeklenmesinden kaynaklanan temel yapı etrafında bir tür absorpsiyon tabakasıBu yüzey bir arayüz görevi görür ve ayrıca yüzeye paralel hareket eden parçacıkların etrafında göçünü teşvik eder. Bu sürecin sonucu, iki boyutlu bir düzlemde bir yapı olarak tanımlanır.
Kossel ve Stranski ise kendi açılarından şu sonuca vardılar: mekanik iş Bir iyonun veya molekülün bu katmanın yüzeyine bağlanması, sürecin konumuna bağlıdır. Örneğin, kenar veya köşe bölgeleri genellikle yeni parçacıkların eklenmesi için enerji açısından daha elverişlidir, bu nedenle büyüme tüm yüzey boyunca homojen değildir.
Büyümeyi tanımlayan bir model geliştirmek, tahminleme gerektirir. doygunluk bölgeleri Değişim oranının daha yüksek olduğu yerlerde (yerel aşırı doygunluk alanları) kristal büyümesinin gerçekleştiğini gösterir. ardışık katmanlarBu katmanlar, önceden oluşmuş ağın üzerine istiflenir. Bu katmanlar büyüyüp düzenli hale geldikçe, safsızlıklar iyi düzenlenmiş kristal yapıdan dışlanma eğilimindedir.
İdeal laboratuvar koşullarında, yavaş soğutma Çözelti kullanımı veya buharlaşmanın dikkatli bir şekilde düzenlenmesi, kristal kafesin çok fazla safsızlık içermeden oluşmasını sağlayacak şekilde kademeli ve düzenli bir büyümeye olanak tanır. Soğutma veya koşullardaki değişiklik çok hızlı olursa, kafes daha düzensiz bir şekilde oluşur ve safsızlıklar kristalin içinde hapsolarak saflığını azaltabilir.
Kristalleşmenin bu dinamik doğası, kristal büyürken bile, dengelemek Kristal kafesine dahil olan moleküller ile çözeltiye geri dönen moleküller arasında bir etkileşim söz konusudur. Bu nedenle kristalleşme, sıcaklık, konsantrasyon, karıştırma ve zamana oldukça bağımlı bir süreç olarak kabul edilir.
Karışımları ayırma mekanizması olarak kristalleşme
Kristal, homojen bir maddeden oluştuğu için kullanım alanları genişlemiştir. seçici ayırma yöntemi Maddelerin saflaştırılması. Kimya ve endüstride, esas olarak, maddeler arasındaki farklılıklardan yararlanarak, safsızlıklarla karışmış katıları saflaştırmak için uygulanır. çözünürlük ve mevcut farklı türler arasında istikrar.
Pratik anlamda, bir ayırma yöntemi olarak kristalizasyon, bir kristal katı bileşik Ana çözünen maddeyi ve safsızlıklarını içeren bir çözelti veya karışımdan başlayarak, çözücü veya çözücü karışımı aşağıdaki kriterlere göre seçilir: katı maddenin ve safsızlıkların çözünürlüğüİdeal olarak, istenen bileşiğin sıcakken çok çözünür, soğukken ise yalnızca az çözünür olduğu, safsızlıkların ise filtrasyon yoluyla kolayca ayrılabildiği veya çözünmüş halde kaldığı bir çözücü bulmalısınız.
Laboratuvarda, ayırma işlemi olarak tipik kristalizasyon süreci, birbirine bağlı birkaç aşamayı içerir:
- yapmak çözünürlük testleri Uygun çözücüyü bulmak için.
- Saf olmayan katı maddeyi çözün. mümkün olan en az miktar Doymuş bir çözelti elde edilene kadar sıcak çözücü ilave edilir.
- Çözünmeyen parçacıkları uzaklaştırın süzme Gerekirse, renkli safsızlıkları veya bulanıklığı gidermek için aktif karbon kullanın.
- İzin ver yavaş soğutma Böylece aşırı doygunluk oluşur ve istenen çözeltinin kristalleşmesi başlar.
- Oluşan kristalleri ayırın. vakum filtrasyonu veya dekantasyon yoluyla süzüp iyice kurutun.
İşlem tamamlandıktan sonra, elde edilen kristallerin saflığı şu yöntemle kontrol edilebilir... erime noktası (Saf bir katı genellikle çok dar bir sıcaklık aralığında erir) veya ince tabaka kromatografisi gibi analitik tekniklerle elde edilir. Saflık yetersizse, kristalleştirme işlemi bir veya daha fazla kez tekrarlanabilir.
Çeşitli kristalleştirme yöntemleri arasında, hem laboratuvarda hem de endüstriyel düzeyde en yaygın olarak kullanılanlar aşağıda açıklanmıştır:
- Yeni bir çözücünün eklenmesi: Eğer üzerinde çalıştığımız ürünlerin doğasını biliyorsak, temelde kristalleştirmek istediğimiz çözünen maddenin içinde bulunduğu çözücüye yeni bir çözücü eklemekten oluşan bu yöntemi uygulayabiliriz. Yeni çözücü, çözünürlüğü seçici olarak değiştirdiğinde, çözünen madde çökelir ve kristalleşme süreci başlar.
- Yüksek çözünen konsantrasyonlara soğutma: Yüksek sıcaklıklarda hazırlanmış, oldukça konsantre bir çözeltiyi soğutma işlemine tabi tuttuğumuzda, şu duruma ulaşırız: aşırı doygunlukYeni sıcaklık koşullarında çözücünün kabul edebileceğinden daha fazla miktarda çözünen madde çözündüğü durumlarda, sıcaklık düşürme işlemi kontrollü bir şekilde gerçekleştirilirse, bu durumu etkileyebiliriz. camın boyutu ve kalitesi elde edeceğimiz şey.
- Süblimasyon: Bu teknik yalnızca belirli bir özelliği gösteren kristal yapılı bileşiklere uygulanabilir. yüksek buhar basıncıBu nedenle, gaz halinden katı hale dönüşümler erime noktasından geçmeyi gerektirmez. Bu, iyot, naftalin veya bazı aromatik organik maddeler gibi katıların saflaştırılması için faydalıdır.
Kristalizasyon, bileşenleri ayırmak için kullanılır. Homojen karışımlarÖrneğin, deniz suyu kontrollü buharlaştırma ve soğutmaya tabi tutularak nispeten saf sofra tuzu kristalleri elde edilebilir. Bu işlem, şap, şeker, benzoik asit ve kimyasal ve farmasötik sentezde kullanılan çok sayıda organik bileşik gibi maddelere de uygulanır.
Birçok durumda, bu yöntem basit buharlaştırmaya göre belirgin avantajlar sunar: şunlara olanak tanır: daha fazla kontrol parçacık boyutu açısından, bir en yüksek saflık Ayrıca, çözücünün kontrolsüz bir şekilde buharlaşmasına izin verilmesi durumunda kalıntıda kalacak olan çözünebilir safsızlıkları da giderebilir.
Kristalleşme fiziksel mi yoksa kimyasal bir süreç midir?
Kristalleşme şu şekilde kavramsallaştırılır: fiziksel süreç Kristal bileşiklerin oluşumu ve büyümesi sırasında sertleşme ve düzenlenme süreçleri. Tüm süreç boyunca, çözünenin kimyasal yapısı değişmez; dönüşen şey, çözünenin kimyasal yapısıdır. toplama durumu ve parçacıkların uzayda nasıl organize oldukları.
Kristalleşme yeni maddeler oluşturmaz; yalnızca mevcut moleküllerin yeniden düzenlenmesini içerir ve bu da yoğunluk, sertlik, erime noktası ve dış görünüm gibi fiziksel özelliklerde değişikliklere yol açar. Bu nedenle, kristalleşme şu şekilde sınıflandırılır: fiziksel dönüşümHer ne kadar kimyaya özgü termodinamik ve kinetik yasalara tabi olsa da.
Bu fiziksel ve dinamik doğası, gerekli kurulumların basitliğiyle birleştiğinde, kristalleşmeyi en önemli olaylardan biri haline getiriyor. daha erişilebilir teknikler Hem laboratuvarda katı bileşiklerin saflaştırılmasında etkili, hem de büyük ölçekli endüstriyel süreçlerde temel bir araçtır.
Kristalizasyonun kullanım alanları, avantajları ve örnekleri
Kristalizasyon esas olarak elde etmek için kullanılır. saf kristaller Bazı maddelerin saf olmayan karışımlardan ayrıştırılması. En önemli uygulamaları arasında şunlar yer almaktadır:
- Tuz ve minerallerin saflaştırılması: Klasik örnek elde etmektir. sofra tuzu Deniz suyundan veya tuzlu sulardan elde edilir. Buharlaştırma ve kristalleştirme yoluyla sodyum klorür diğer safsızlıklardan ayrılır.
- Gıda endüstrisi: Şekerler, tuzlar ve diğer katı maddeler, özelliklerini iyileştirmek için kristalleştirilir. stabilite, kullanım ve korumaÖrneğin, bal saklandığında kristalleşebilir ve bu da ona özelliklerini kaybetmeden sert bir doku kazandırır.
- İlaç endüstrisi: Kristalizasyon, çalışma alanlarında ayırma ve saflaştırma yöntemi olarak kullanılır. sentez ve izolasyon Aktif farmasötik bileşenlerin (API'ler), kokristallerin, polimorfik formların veya kiral izomerlerin ayrılmasının incelenmesinde kullanılır. Elde edilen kristal form, çözünürlük ve biyoyararlanım ilacın.
- Minerallerin ve kayaların oluşumu: Birçok magmatik ve metamorfik kayaç, şunlardan oluşur: yavaş kristalleşme Magmalardan veya hidrotermal çözeltilerden oluşarak, büyük estetik ve bilimsel değere sahip mineraller ve kıymetli taşlar meydana getirir.
- Doğal olaylar: Jardines de Viveros kar taneleri Bunlar altıgen bir yapıya sahip buz kristalleridir. Hepsi bu geometrik temeli paylaşsa da, sıcaklık ve nem koşulları her kar kristalinin benzersiz bir şekilde büyümesine ve tekrarlanamayan yapılar oluşmasına neden olur.
- Mağara oluşumu: Mağaralardaki sarkıt ve dikitler, tuz yüklü su damlalarının yavaşça birikmesiyle minerallerin (örneğin kalsit) kristalleşmesi sonucu oluşur.
Ana arasında avantaj Ayırma amacıyla kullanılan kristalleştirme yöntemleri arasında şunlar öne çıkmaktadır:
- Bu, size ürünleri temin etme olanağı sağlar. yüksek saflıkBu durum, düzenli kristal kafes yapısındaki safsızlıkların reddedilmesinden kaynaklanmaktadır.
- Oluşan kristaller genellikle şunlardır: kuru ürünler Paketlenip doğrudan tüketim için veya daha ileri işleme tabi tutulmak üzere saklanabilen ürünler.
- Gerektirir orta düzeyde enerji kullanımı Ayrıca her zaman aşırı yüksek sıcaklıklar gerektirmediği için verimli ve sürdürülebilirdir.
- Bu bir prosedürdür. çok yönlüFarklı çözünürlük aralıklarına ve erime noktalarına sahip çok çeşitli maddeler için uygulanabilir.
Kristalleşme süreçlerinin günlük hayattaki sonuçlarına örnek olarak şunlar verilebilir: oluşumu buz küpleri ve sudan kar; depolanmış balın kristalleşmesi; ortaya çıkması şeker kristalleri Şekerlemelerde veya tatlılarda; minerallerin ve mağara oluşumlarının oluşumunda; ve elbette, yaratılmasında değerli taşlar ve yer kabuğunun içindeki değerli taşlar.
Kristalleşme, evde veya sınıfta yapılabilecek basit deneylerde de gözlemlenebilir; örneğin, büyüme tuz kristalleri Doymuş tuz çözeltilerine batırılmış boru temizleyiciler veya kartonlar üzerinde yapılan bir deneyde, çözeltinin hareketsiz bırakılması ve suyun yavaşça buharlaşmasına izin verilmesiyle tuz iyonları kendilerini düzenleyerek görünür kristal yapılar oluşturur ve böylece sıcaklık, konsantrasyon ve zamanın süreci nasıl etkilediği görsel olarak gösterilir.
Kristalleşme süreçlerinin nasıl ve ne zaman gerçekleştiğini anlamak, bu süreçlerden teknolojik ve endüstriyel bağlamlarda, ayrıca eğitim ve bilimsel bilgilendirme faaliyetlerinde yararlanmamızı sağlar ve günlük hayatımızda karşılaştığımız sayısız doğal olayı daha iyi yorumlamamıza yardımcı olur.