Kristalleşme: Ne oluşur, ayırma yöntemi, çeşitleri ve örnekleri

Kristalleşme, organize yapılardaki kristal ağlar olarak adlandırılan bir katının atomlarla veya moleküllerle oluşturulduğu bir işlemdir. Kristaller ve kristal ağlar, bir çözeltinin çökeltilmesi, füzyon yoluyla ve bazı durumlarda bir gazın doğrudan biriktirilmesiyle oluşturulabilir.

Bu kristalli ağın yapısı ve doğası, bu yeni duruma ulaşmak için geçen zaman da dahil olmak üzere işlemin gerçekleştiği koşullara bağlı olacaktır. Bir ayırma işlemi olarak kristalleşme, yapıların sadece istenen bileşikten elde edilmesini sağlamaya izin verdiği için son derece faydalıdır.

Ek olarak, bu işlem, kristalin sıralı niteliği göz önüne alındığında, diğer türlerin geçişine izin verilmeyeceğini garanti eder ve bu, çözeltilerin saflaştırılması için mükemmel bir alternatif yapar. Kimya ve kimya mühendisliğinde çoğu zaman, karışımların ayrıştırılması işleminin kullanılması gerekir.

Bu ihtiyaç, karışımın saflığını arttırmak veya bunun belirli bir bileşenini elde etmek için üretilir ve bu nedenle, bu madde kombinasyonunun bulunduğu fazlara bağlı olarak kullanılabilecek çeşitli yöntemler vardır.

Kristalleşme nedir?

Kristalizasyon, kristal ağ oluşumunun oluşmasından önce gerçekleşmesi gereken iki adım gerektirir: ilk önce, çekirdeklenmenin meydana gelmesi için mikroskobik seviyede yeterli miktarda atom veya molekül birikimi olmalıdır.

Kristalizasyonun bu aşaması sadece süper soğutulmuş sıvılarda (yani donma noktalarının altında katı hale getirilmeden soğutulur) veya aşırı doymuş çözeltilerde gerçekleşebilir.

Sistemdeki çekirdeklenmeye başladıktan sonra, çekirdekleşme kristalizasyonun ikinci aşamasına başlamak için yeterince kararlı ve yeterince büyük oluşturulabilir: kristalimsi büyüme.

çekirdeklenme

Bu ilk adımda, kristalleri oluşturacak parçacıkların düzenlemeleri belirlenir ve çevresel faktörlerin oluşan kristaller üzerindeki etkileri gözlenir; örneğin ilk kristalin ortaya çıkması için geçen süre, çekirdeklenme süresi olarak adlandırılır.

İki çekirdeklenme aşaması vardır: birincil ve ikincil çekirdeklenme. İlk olarak, ortada başka kristal olmadığında veya mevcut diğer kristallerin bunların oluşumu üzerinde hiçbir etkisi olmadığında yeni çekirdekler oluşur.

Birincil çekirdeklenme homojen olabilir, burada ortam içinde bulunan katıların parçası üzerinde bir etkisi yoktur; veya katı maddelerin harici parçacıklarının normalde oluşmayacak çekirdeklenme oranlarında bir artışa neden olduğu, heterojen olabilir.

İkincil çekirdeklenmede, diğer kristallerin etkisi ile yeni kristaller oluşur; Bu, mevcut kristal parçalarının kendi hızlarında da büyüyen yeni kristaller haline gelmesine neden olan kesme kuvvetleri nedeniyle oluşabilir.

Bu çekirdeklenme türü, söz konusu sıvının kristaller arasında çarpışmalar meydana getirdiği yüksek enerjili veya akışlı sistemlerde fayda sağlar.

Kristal büyüme

Kristalin büyüklüğünü, daha fazla molekül veya iyonun kristal kafesinin interstisyel pozisyonlarına toplanmasıyla arttırdığı süreçtir.

Akışkanların aksine, kristaller ancak moleküller veya iyonlar bu pozisyonlara girdiğinde aynı şekilde büyürler, ancak şekilleri söz konusu bileşiğin doğasına bağlı olacaktır. Bu yapıdaki herhangi bir düzensiz düzenlemeye kristal kusuru denir.

Bir kristalin büyümesi, aralarında çözeltinin yüzey gerilimi, basınç, sıcaklık, çözeltideki kristallerin nispi hızı ve Reynolds sayısının diğerleri olduğu bir dizi faktöre bağlıdır.

Bir kristalin daha büyük boyutlarda büyümesini ve yüksek saflıkta olmasını sağlamanın en basit yolu, kristallerin kısa sürede oluşmasını önleyen ve yabancı maddelerin içine hapsolmasını engelleyen kontrollü ve yavaş bir soğutmadır. onlar.

Ek olarak, küçük kristallerin manipüle edilmesi, depolanması ve taşınması çok daha zor olduğunu ve bunların bir çözeltiden daha büyük olanlardan süzülmesinin daha pahalı olduğunu not etmek önemlidir. Vakaların büyük çoğunluğunda, bunlar ve daha birçok nedenden dolayı en büyük kristaller en çok istenen olan olacaktır.

Ayırma yöntemi olarak

Solüsyonların saflaştırılması ihtiyacı kimya ve kimya mühendisliğinde yaygındır, çünkü homojen olarak başka bir veya başka çözünmüş maddelerle karıştırılmış bir ürün elde etmek gerekebilir.

Bu nedenle endüstriyel ayırma işlemi olarak kristalleşmeyi gerçekleştirmek için ekipman ve yöntemler geliştirilmiştir.

Gereksinimlere bağlı olarak, farklı kristalleşme seviyeleri vardır ve küçük veya büyük ölçekte gerçekleştirilebilir. Bu nedenle, iki genel sınıflandırmaya ayrılabilir:

yeniden kristalleşme

Genellikle laboratuarda kimyasalları daha küçük ölçekte saflaştırmak için kullanılan tekniğe yeniden kristalleştirme denir.

Bu, arzu edilen bileşiğin safsızlıkları ile birlikte uygun bir çözücü içinde bir çözeltisi ile yapılır, böylece iki türün bir kısmını kristaller halinde çökeltmek ve sonra uzaklaştırmak istenir.

Solüsyonları yeniden kristalize etmenin birkaç yolu vardır; bunların arasında bir solvent ile yeniden kristalleştirme, birkaç solvent ile veya sıcak filtreleme ile.

-Tek bir çözücü

Tek bir çözücü kullanıldığında, bir "A" bileşiği, kirlilik "B" çözeltisi ve gerekli minimum miktarda çözücü (yüksek sıcaklıkta) doymuş bir çözelti oluşturmak üzere hazırlanır.

Çözelti daha sonra soğutulur ve her iki bileşiğin çözünürlüğünün düşmesine ve "A" bileşiğinin veya "B" safsızlığının yeniden kristalleştirilmesine neden olur. İdeal olarak istenen, kristallerin saf "A" bileşiği olmasıdır. Bir cam parçası olan bu işleme başlamak için bir çekirdeğin eklenmesi gerekebilir.

-Çeşitli çözücüler

Birkaç çözücünün yeniden kristalleştirilmesinde, iki veya daha fazla çözücü kullanılır ve aynı işlem bir çözücü ile aynı şekilde gerçekleştirilir. Bu işlem, ikinci çözücü ilave edilirken, içerisinde çözünmedikleri için bileşiğin veya safsızlığın çökelme avantajına sahiptir. Bu yeniden kristalleştirme yönteminde karışımın ısıtılması gerekli değildir.

-Sıcak sıcak

Son olarak, sıcak bir filtrasyon ile yeniden kristalleştirme, tek bir çözücünün aynı yeniden kristalizasyon prosedürünü uyguladıktan sonra yüksek sıcaklık filtresi ile ayrılan çözünmeyen madde "C" olduğunda kullanılır.

Endüstriyel alanda

Endüstriyel alanda, maddeleri çözünürlük farklılıklarına göre rafine eden bir yöntem olan fraksiyonel kristallenme adı verilen bir işlem yapılması istenmektedir.

Bu işlemler yeniden kristalizasyon işlemlerine benzer, ancak daha büyük miktarlarda ürünü işlemek için farklı teknolojiler kullanır.

Aşağıdaki açıklamada daha iyi açıklanacak olan iki yöntem uygulanır: soğutma ile kristalleşme ve buharlaşma ile kristalleşme.

Büyük bir ölçek olmakla birlikte, bu işlem atık üretir, ancak bunlar nihai ürünün mutlak saflığını sağlamak için genellikle sistem tarafından dolaştırılır.

Kristalleşme Türleri

Yukarıda belirtildiği gibi iki tür büyük ölçekli kristalleşme vardır: soğutma ve buharlaştırma yoluyla. Her iki olgunun aynı anda gerçekleştiği hibrit sistemler de yaratıldı.

Soğutma yoluyla kristalleşme

Bu yöntemde çözelti, istenen bileşiğin çözünürlüğünü azaltmak için soğutulur ve istenen oranda çökelmeye başlaması sağlanır.

Kimyasal (veya proses) mühendisliğinde, soğutucu akışkanlar, karışımı çevreleyen bölmelerde soğutucu akışkanları dolaştıran, böylece her iki maddenin de temas etmemesi için soğutucu akışkanın çözelti haline gelmesiyle birlikte tanklar halinde kristalleştiriciler kullanılır.

Kristalleri çıkarmak için, katı parçaları bir çukura iten sıyırıcılar kullanılır.

Buharlaşma ile kristalleşme

Bu, çözünen konsantrasyonunun çözünürlük seviyesini aşmasını sağlamak için bir çözücü buharlaştırma işleminden (önceki yöntemden farklı olarak sabit sıcaklıkta) faydalanarak çözünen kristallerinin çökeltilmesinin elde edilmesi için başka bir seçenektir.

En yaygın modeller, kristallerin likörünü tank içinden homojen bir süspansiyonda tutan, akışlarını ve hızlarını kontrol eden ve genellikle kristalizasyonda oluşturulanlardan daha büyük ortalama kristaller üreten, zorlanan sirkülasyon modelleridir. soğutarak.