KITEYTYS: PROSESSI, TYYPIT, ESIMERKIT, EROTTAMINEN - KEMIA - 2026

Kiteytys on fysikaalinen prosessi, jossa luonnollisesti tai keinotekoisesti muodostetaan kiteinen kiinteä aine, so. Järjestetty rakenne nestemäisestä tai kaasumaisesta väliaineesta. Se eroaa saostumisesta siinä, että jälkimmäinen kehittyy ilman prosessiparametrien tarkkaa hallintaa, ja myös siitä, että se voi tuottaa amorfisia ja gelatiinisia kiinteitä aineita.

Kiteytymisen tavoitteena on, kuten nimensä yksinkertaisesti ja selvästi osoittaa, tuottaa kiteitä. Niille ei ole ominaista vain se, että ne ovat järjestäytyneitä, vaan myös puhtaat kiinteät aineet. Siksi kiinteiden yhdisteiden synteesissä pyritään saamaan korkeapuhtaisia ​​tuotteita, kiteitä, jotka ovat mahdollisimman puhtaita.

Hypoteettisen purppuravärisen liuenneen aineen kiteyttäminen vesiliuoksessa. Lähde: Gabriel Bolívar.

Yllä oleva kuva näyttää purppuran liuenneen aineen yleistyneen ja hypoteettisen kiteytymisen vesiliuoksessa.

Huomaa, että punainen palkki toimii lämpömittarina. Kun lämpötila on korkea, liuos sisältää liuenneen liuenneen aineen, joka pysyy liukoisena näissä olosuhteissa. Lämpötilan asteittain laskiessa ensimmäiset violetit kiteet kuitenkin alkavat näkyä.

Kun lämpötila laskee edelleen, kiteiden koko kasvaa vahvojen purppuran kuusikulmioiden muodostamiseksi. Liuoksen värinmuutos on osoitus siitä, että liuennut aine liukeni liukenemisesta lisäämiseen kasvaviin kiteisiin. Mitä hitaampi kiteytyminen, sitä puhtaampaa saatu kiteinen kiinteä aine on.

On myös muita muuttujia, jotka on otettava huomioon tämän prosessin aikana: kuinka paljon liuennettua ainetta on liuennut määritettyyn liuottimeen, missä lämpötilassa liuosta on lämmitettävä, kuinka kauan jäähdytyksen on kestettävä, kuinka välttämätöntä on turvautua tai olla käyttämättä äänen sekoitusta muun muassa. näkökohdat.

Kiteytysprosessi on enemmän kuin monimutkainen ilmiö, johon sisältyy molekyylidynamiikka ja termodynamiikka. Se on taide, joka vaatii jatkuvaa oppimista, kokeita ja virheitä, kunnes se on täydennetty laboratoriossa tai teollisuudessa.

Kiteytysprosessi

Kiteytyminen koostuu olennaisesti kahdesta prosessista: ytimenmuodostuksesta ja kiteiden kasvusta.

Molemmat vaiheet tapahtuvat aina kiteytymisen aikana, mutta kun ensimmäinen tapahtuu nopeasti, toisella ei tuskin ole aikaa kehittyä. Sillä välin, jos ytimen muodostuminen on hidasta, kiteillä on enemmän aikaa kasvaa, ja siksi niillä on taipumus olla suurempia. Jälkimmäinen on tilanne, joka kuvassa oletetaan purppuran kuusikulmion kanssa.

nucleation

Kiteiden sanottiin alun perin olevan kiinteitä aineita, joilla oli järjestetty rakenne. Liuoksesta, jossa liuennut aine on dispergoitunut häiriössä, sen hiukkasten on oltava riittävän lähellä, jotta niiden vuorovaikutukset, olivatpa ne ioni- tai Van der Walls -tyyppisiä, mahdollistaisivat ensimmäisen liuenneiden hiukkasten ryhmän: klusterin asettamisen.

Tämä klusteri voi liueta ja muodostua uudelleen niin monta kertaa kuin on tarpeen, kunnes se on vakaa ja kiteinen. Ensimmäisen ytimen sanotaan sitten ilmestyneen. Jos ydin näyttää tyhjästä, ts. Väliaineen erittäin homogeenisuudesta sen jäähdytyksen aikana, se on homogeeninen ydin.

Toisaalta, jos mainittu ydin tapahtuu toisen liukenemattoman kiinteän hiukkasen aikaansaaman pinnan tai säiliön epätäydellisyyksien avulla, niin meillä on heterogeeninen ydin. Jälkimmäinen on yleisimmin käytetty ja tunnettu, etenkin kun liuokseen lisätään pieni aikaisemmin saatu kide lajeista, jotka haluamme kiteyttää.

Kiteet eivät voi koskaan muodostua ohuesta ilmasta ilman ytimen muodostumista.

Kristallikasvu

Liuoksessa on vielä paljon liuennut liuennut aine, mutta liuenneen aineen pitoisuus näissä ytimissä on korkeampi kuin niiden ympäristössä. Ytimet tukevat enemmän liukenevia hiukkasia laskeutumaan ja "sopeutumaan" kasvavien rakenteidensa väliin. Tällä tavalla niiden geometriat ylläpidetään ja kasvavat vähitellen.

Esimerkiksi kuvan ensimmäiset ytimet ovat violetteja kuusikulmioita; tämä on geometrianne. Kun liuenneita hiukkasia lisätään, ytimet kasvavat vankiksi kuusikulmaisiksi kiteiksi, jotka kasvavat edelleen, jos liuos upotetaan jäähauteeseen.

Kiteytymisen tyypit

Toistaiseksi selitetty on kiteyttäminen jäähdyttämällä liuotin.

Liuottimen poiston kiteytys

Muut kiteytyypit perustuvat liuottimen poistamiseen haihduttamalla, jota varten ei ole tarpeen käyttää niin paljon tilavuutta; ts. riittää, kun vain tyydytetään se liuenneella aineella ja lämmitetään sen ylikyllästykseksi ja sitten vielä vähän lisää, jätetään sitten lepotilaan, jotta liuennut aine lopulta kiteytyy.

Liuottimen lisäyskiteytys

Samoin meillä on kiteytyminen, joka johtuu liuottimen lisäämisestä seokseen, johon liuennut aine on liukenematon (liuottimen vastainen). Siksi ydinmuodostukseen suositaan, koska on liikkuvia ja nestemäisiä alueita, joissa liuenneet hiukkaset ovat enemmän konsentroituneita kuin niissä, joissa se on erittäin liukoinen.

Kiteytyminen sonikoimalla

Toisaalta tapahtuu kiteytys sonisoimalla, jolloin ultraääni synnyttää ja hajottaa pieniä kuplia, jotka taas edistävät ytimen muodostumista, samalla kun se auttaa jakamaan kidekoot tasaisemmin.

Ja lopuksi tapahtuu kiteytyminen kylmäpinnoille tapahtuvasta höyrystyksestä; toisin sanoen käänteinen ilmiö kiinteiden aineiden sublimoitumiseen.

Kiteytyserotusmenetelmä

Kiteytys on välttämätön tekniikka kiinteiden aineiden saamiseksi ja puhdistamiseksi. Se on hyvin toistuva orgaanisten yhdisteiden synteesissä, ja edustaa yhtä viimeisistä vaiheista tuotteen puhtauden ja laadun takaamiseksi.

Esimerkki väriaineesta

Oletetaan esimerkiksi, että väriaineen kiteitä saadaan ja että ne on jo suodatettu. Koska tämä väriaine saatiin alun perin saostamalla synteesissä, sen kiinteä aine näyttää olevan amorfinen, koska siinä on monia epäpuhtauksia absorboituneita ja loukkuun jääneitä molekyylikiteidensä väliin.

Siksi päätetään kuumentaa liuotin, jossa väriaine on heikosti liukeneva, niin että lisättäessä se liukenee suhteellisen helposti. Kun liuos on lisätty hieman lisää liuotinta, liuos erotetaan lämmönlähteestä ja jätetään lepoon. Lämpötilan laskiessa tapahtuu ytimen muodostuminen.

Täten värikiteet muodostuvat ja näyttävät paremmin määritellyiltä (ei välttämättä kiteisin silmälle). Juuri juuri tällä hetkellä astia (yleensä Erlenmeyer-pullo tai dekantterilasi) upotetaan jäähauteeseen. Tämän kylvyn kylmä päätyy suosimaan kiteiden kasvua ytimen muodostumisen yläpuolella.

Sitten väriaineen kiteet suodatetaan tyhjiössä, pestään liuottimella, johon se on liukenematon, ja jätetään kuivumaan kellolasille.

Kiteytymislämpötila

Lämpötila, jossa kiteytyminen tapahtuu, riippuu siitä, kuinka liukenematon liuennut aine on liuotinväliaineessa. Samoin se riippuu liuottimen kiehumispisteestä, koska jos liuennut aine ei ole vielä liuennut kiehumislämpötilassa, se johtuu siitä, että on käytettävä toista sopivampaa liuotinta.

Esimerkiksi kiintoaineet, jotka voivat kiteytyä vesipitoisissa väliaineissa, tekevät niin, kun vesi laskee lämpötilaansa (ts. 100 - 50 ºC) tai kun se haihtuu. Jos kiteytyminen tapahtuu haihduttamalla, sen sanotaan tapahtuvan huoneenlämpötilassa.

Toisaalta metallien tai joidenkin ionisten kiinteiden aineiden kiteytyminen tapahtuu erittäin korkeissa lämpötiloissa, koska niiden sulamispisteet ovat erittäin korkeat ja sula sula neste on hehkuva, vaikka se olisi jäähdytetty riittävästi hiukkastensa muodostamiseksi. kasvaa kiteesi.

Kiteytymisnopeus

Periaatteessa on kaksi suoraa tapaa hallita kiinteän aineen kiteytymisnopeutta: ylikyllästymisasteella (tai ylikyllästymisasteella) tai äkillisillä lämpötilan muutoksilla.

Ylikyllästymisaste

Ylikyllästymisaste tarkoittaa sitä, kuinka paljon ylimääräinen liuennut aine pakotetaan liukenemaan lämmöllä. Siksi mitä enemmän kyllästynyttä liuosta, sitä nopeampi ydintämisprosessi, koska on suurempi todennäköisyys, että ytimet muodostuvat.

Vaikka kiteytymistä nopeutetaan tällä tavalla, saadut kiteet ovat pienempiä verrattuna niihin, jotka on saatu alhaisemmalla ylikyllästymisasteella; toisin sanoen kun niiden kasvua suositaan eikä nukleaatiota.

Lämpötilan muutokset

Jos lämpötilaa alennetaan jyrkästi, ytimillä on tuskin aikaa kasvaa ja ei vain, mutta ne myös pitävät korkeammat epäpuhtaudet. Tuloksena on, että vaikka kiteytyminen tapahtuu nopeammin kuin hidas jäähdytys, kiteiden laatu, koko ja puhtaus lopulta heikentyvät.

Nopea kiteytyminen lämpötilan äkillisen laskun vuoksi. Lähde: Gabriel Bolívar.

Yllä oleva kuva toimii ensimmäisen kontrastina. Keltaiset pisteet edustavat epäpuhtauksia, jotka ytimien äkillisen kasvun vuoksi ovat jääneet niiden sisälle.

Nämä epäpuhtaudet vaikeuttavat lisäämään violetteja kuusikulmioita, mistä seuraa lopulta paljon pieniä, epäpuhtaita kiteitä kuin suuria, puhtaita.

Sovellukset

Jäätelön kiteytys on yksi tärkeimmistä näkökohdista sen teollisuuden tai käsityöläistuotannon aikana. Lähde: Pixabay.

Kiteytys samoin kuin uudelleenkiteytys ovat elintärkeitä korkealaatuisten, puhtaan kiinteiden aineiden saamiseksi. Farmaseuttiselle teollisuudelle tämä pätee erityisesti, koska niiden tuotteiden on oltava mahdollisimman puhtaita, samoin kuin elintarviketeollisuudessa käytettävien säilöntäaineiden.

Lisäksi nanoteknologia on suuresti riippuvainen tästä prosessista, jotta ne voivat syntetisoida nanohiukkasia tai nanokiteitä kestävien kiteiden kiinteiden aineiden sijasta.

Yksi päivittäisistä esimerkeistä, joissa kiteytymisellä on suuri osallistuminen, on jäätelön valmistus. Jos et ole varovainen veden suhteen, se kiteytyy erillisessä faasissa (jäässä) lipidipitoisuudestaan, mikä vaikuttaa sen tekstuuriin ja makuun; Toisin sanoen, se on enemmän kuin ajeltu jäätelö tai jäätelö.

Siksi jääkiteiden tulisi olla mahdollisimman pieniä, jotta jäätelö olisi sileä maun ja kosketuksen suhteen. Kun nämä jääkiteet ovat hiukan suuria, ne voidaan havaita valossa, koska ne antavat jäätelölle huurrepinnan.

Esimerkkejä kiteytyksestä

Lopuksi mainitaan joitain yleisiä esimerkkejä kiteytymisestä, sekä luonnollisista että keinotekoisista:

lumihiutaleet

Lumihiutaleet muodostuvat luonnollisen kiteytysprosessin avulla. Tiedetään, että jokainen lumikide on ainutlaatuinen. Tämä johtuu olosuhteista, jotka esiintyvät kiteytymisen (kasvun) toisessa vaiheessa.

Lumikiteiden läsnä olevat erilaiset geometriset muodot johtuvat olosuhteista, joiden niiden on kohdattava kidekasvun aikana.

Suola

Suola on yleisin esimerkki kiteytyksestä. Tämä voidaan muodostaa sekä luonnollisesti (kuten merisuola) että keinotekoisesti (kuten ruokasuolan tapauksessa).

sokeri

Suolan jälkeen sokeri on yksi yleisimmistä kiteistä. Se muodostetaan sarjassa monimutkaisia ​​teollisia prosesseja, joissa otetaan sokeriruokomehu ja altistetaan keinotekoiselle kiteytysprosessille.

Timantti

Timantti on jalokivi, joka muodostuu puhtaan hiilen kiteyttämisestä. Tämä on vaikein tiedossa oleva materiaali planeetalla. Sen muodostuminen voi olla luonnollista, kuten kaivoksissa esiintyvien timanttien kohdalla, tai synteettistä.

Rubiini

Rubiini on punertava kide, joka muodostuu alumiinioksidin (koridonin) kiteyttämisestä.

stalagmites

Stalagmiitit ovat rakenteita, joita löytyy luolista, erityisesti maaperästä (kasvaa terävältä ylöspäin). Ne koostuvat kalsiumyhdisteistä ja muodostuvat kiteyttämällä kalsiumsuoloja, joita löytyy vedestä, joka putoaa luolien kattoista.

tippukivipylväistä

Stalaktiitit, kuten stalagmiitit, ovat kalsiumia ja niitä löytyy luolista. Ne eroavat viimeksi mainituista, koska ne roikkuvat kattoissa. Ne muodostuvat kiteyttämällä kalojen suoloja, jotka ovat läsnä vedessä, joka tunkeutuu luoliin.

Kvartsi

Kvartsi on helmi, joka muodostuu piidioksidin kiteyttämällä. Se on yksi kivien runsaimmista mineraaleista ja sen väri on vaihteleva.

peridot

Tätä jalokiviä, jota kutsutaan myös oliviiniksi, muodostuu raudan ja magnesiumin kiteytymisen ansiosta. Se on vihertävää ja yleensä timantinmuotoista.

silikaatit

Silikaatit ovat materiaaleja, jotka on luotu kiteyttämällä piidioksidi ja muut elementit (rauta, alumiini, kalsium, magnesium). Niitä on läsnä kaikissa kivissä.

karkit

Karkkeja valmistetaan sokerikiteillä, joten voidaan sanoa, että tapahtuu kaksi kiteytysprosessia: ensimmäinen sokerin muodostamiseksi ja toinen melassin muodostamiseksi.

Kermainen jäätelö

Kermainen jäätelö sisältää sarjan kiteitä, jotka antavat sille lopullisen sileän tekstuurin. Kermaisen jäätelön sisältämistä kiteistä lipidikiteet (muodostuneet rasvasta) ja jääkiteet erottuvat. On huomattava, että jotkut jäätelöt sisältävät myös laktoosikiteitä.

Tässä mielessä jäätelöä saadaan erilaisilla keinotekoisilla kiteytysmenetelmillä (yksi lipideille, toinen jään ja toinen laktoosille).

toiset

- Sokerikiteiden valmistus langan tai köyden ympärillä ja ylikyllästetty makea liuos

-Sokerikiteiden muodostuminen purkien pohjalle talletuista hunajista

- Munuaiskivien kasvu, jotka koostuvat kalsiumoksalaattikiteiden ytimestä

- Mineraalien, mukaan lukien jalokivet ja timantit, kiteytyminen vuosien varrella, joiden muodot ja reunat heijastavat niiden järjestäytynyttä sisäistä rakennetta

-Suurten metallihöyryjen sijoittaminen kylmille tankoille niiden kiteiden kasvun tukena.

Viitteet

1. Day, R., ja Underwood, A. (1989). Määrällinen analyyttinen kemia. (viides painos). PEARSON Prentice Hall.
2. Wikipedia. (2019). Kiteytys. Palautettu osoitteesta: en.wikipedia.org
3. Helmenstine, tohtori Anne Marie (23. toukokuuta 2019). Kiteytymisen määritelmä. Palautettu osoitteesta: gondo.com
4. Coloradon yliopisto. (SF). Kiteytys. Orgaaninen kemia. Palautettu osoitteesta: orgchemboulder.com
5. Syrris. (2019). Mitä kiteytyminen on? Palautettu osoitteesta: syrris.com