Kristalizacija je skrućivanje atoma ili molekula u visoko strukturiranom obliku koji se naziva a kristal. Obično se to odnosi na sporo taloženje kristala iz otopine neke tvari. Međutim, kristali se mogu formirati iz čiste taline ili izravno taloženjem iz plinske faze. Kristalizacija se također može odnositi na tehniku razdvajanja i pročišćavanja kruta tekućina u kojoj dolazi do prijenosa mase iz tekuće otopine u čistu krutu kristalnu fazu.
Iako se može dogoditi kristalizacija tijekom taloženja, dva termina nisu zamjenjiva. Precipitacija se jednostavno odnosi na stvaranje netopljivog (krutog) iz kemijske reakcije. Talog može biti amorfan ili kristalni.
Proces kristalizacije
Moraju se dogoditi dva događaja da bi se dogodila kristalizacija. Prvo, atomi ili molekule sjedinjeni su na mikroskopskoj skali u procesu zvanom nukleacije. Zatim, ako klasteri postanu stabilni i dovoljno veliki, rast kristala mogu se pojaviti.
Atomi i spojevi općenito mogu tvoriti više od jedne kristalne strukture (polimorfizam). Raspored čestica određen je tijekom nukleacijske faze kristalizacije. Na to mogu utjecati više faktora, uključujući temperaturu, koncentraciju čestica, tlak i čistoću materijala.
U otopini u fazi rasta kristala uspostavlja se ravnoteža u kojoj se čestice otopljene tvari ponovno rastvaraju u otopini i talože kao kruta tvar. Ako je otopina previše zasićena, to pokreće kristalizaciju, jer otapalo ne može nastaviti s otapanjem. Ponekad je zasićena otopina nedovoljna da inducira kristalizaciju. Možda će biti potrebno dostaviti sjemenski kristal ili hrapavu površinu za početak nukleacije i rasta.
Primjeri kristalizacije
Materijal se može kristalizirati bilo prirodno ili umjetno, bilo brzo, bilo tijekom vremena. Primjeri prirodne kristalizacije uključuju:
- Formiranje snježnih pahuljica
- Kristalizacija meda u staklenki
- Formiranje stalaktita i stalagmita
- Taloženje kristala dragog kamenja
Primjeri umjetne kristalizacije uključuju:
- Rastući kristali šećera u staklenku
- Proizvodnja sintetičkih dragulja
Metode kristalizacije
Postoje mnoge metode za kristalizaciju neke tvari. Oni u velikoj mjeri ovise o tome je li polazni materijal ionski spoj (npr. Sol), kovalentni spoj (npr. Šećer ili mentol) ili metal (npr. Srebro ili čelik). Načini uzgoja kristala uključuju:
- Hlađenje otopine ili taline
- Isparavanje otapala
- Dodavanje drugog otapala za smanjenje topljivosti rastvora
- Sublimacija
- Slojevi otapala
- Dodavanje kationa ili aniona
Najčešći postupak kristalizacije je otapanje otapala u otapalu u kojem je barem djelomično topljiv. Često se temperatura otopine povećava kako bi se povećala topljivost, tako da maksimalna količina rastvora prelazi u otopinu. Zatim se topla ili vruća smjesa filtrira kako bi se uklonio neolupljeni materijal ili nečistoće. Preostala otopina (filtrat) ostavi se da se polako ohladi da bi se izazvala kristalizacija. Kristali se mogu ukloniti iz otopine i pustiti da se osuše ili se mogu isprati otapalom u kojem su netopljivi. Ako se postupak ponavlja kako bi se povećala čistoća uzorka, tada se zove rekristalizacija.
Brzina hlađenja otopine i količina isparavanja otapala mogu u velikoj mjeri utjecati na veličinu i oblik rezultirajućih kristala. Općenito, sporije isparavanje rezultira minimalnim isparavanjem.