Cristalizarea este solidificarea atomilor sau moleculelor într-o formă foarte structurată numită a cristal. De obicei, aceasta se referă la lent precipitare de cristale dintr-o soluție de substanță. Cu toate acestea, cristalele se pot forma dintr-o topire pură sau direct din depunerea din faza gazoasă. Cristalizarea se poate referi, de asemenea, la tehnica de separare și purificare solid-lichid în care se produce transferul de masă de la soluția lichidă la o fază cristalină solidă.
Deși cristalizarea poate apărea în timpul precipitațiilor, cei doi termeni nu sunt interschimbabili. Precipitația se referă pur și simplu la formarea unui insolubil (solid) dintr-o reacție chimică. Un precipitat poate fi amorf sau cristalin.
Procesul cristalizării
Trebuie să apară două evenimente pentru ca cristalizarea să apară. În primul rând, atomii sau moleculele se grupează la scară microscopică într-un proces numit nucleată. În continuare, dacă grupurile devin stabile și suficient de mari, cresterea cristalelor pot apărea.
Atomii și compușii pot forma în general mai multe structuri cristaline (polimorfism). Dispunerea particulelor este determinată în timpul etapei de nucleare a cristalizării. Aceasta poate fi influențată de mai mulți factori, inclusiv temperatura, concentrația particulelor, presiunea și puritatea materialului.
Într-o soluție în faza de creștere a cristalului, se stabilește un echilibru în care particulele de solutie se dizolvă înapoi în soluție și se precipită ca un solid. Dacă soluția este suprasaturată, aceasta determină cristalizarea, deoarece solventul nu poate susține dizolvarea continuă. Uneori, o soluție suprasaturată este insuficientă pentru a induce cristalizarea. Poate fi necesar să furnizați un cristal de semințe sau o suprafață aspră pentru a începe nuclearea și creșterea.
Exemple de cristalizare
Un material se poate cristaliza fie în mod natural, fie artificial și rapid sau peste termene geologice. Exemple de cristalizări naturale includ:
- Formarea fulgilor de zăpadă
- Cristalizarea mierii într-un borcan
- Stalactita și formarea stalagmitei
- Depunerea cristalelor cu pietre prețioase
Exemple de cristalizări artificiale includ:
- Creştere cristale de zahăr într-un borcan
- Producerea pietrelor de piatră sintetice
Metode de cristalizare
Există multe metode utilizate pentru cristalizarea unei substanțe. Într-o mare măsură, acestea depind dacă materie primă este un compus ionic (de exemplu, sare), compus covalent (de exemplu, zahăr sau mentol) sau un metal (de exemplu, argint sau oțel). Modalitățile de creștere a cristalelor includ:
- Răcirea unei soluții sau topirea
- Evaporarea unui solvent
- Adăugarea unui al doilea solvent pentru a reduce solubilitatea solutiei
- sublimare
- Stratarea solventului
- Adăugarea unui cation sau a unui anion
Cel mai frecvent procedeu de cristalizare este dizolvarea solutiei într-un solvent în care este cel puțin parțial solubilă. Adesea temperatura soluției este crescută pentru a crește solubilitatea, astfel încât cantitatea maximă de solut intră în soluție. În continuare, amestecul cald sau fierbinte este filtrat pentru a îndepărta materialul nedizolvat sau impuritățile. Soluția rămasă (filtratul) se lasă să se răcească lent pentru a induce cristalizarea. Cristalele pot fi îndepărtate din soluție și lăsate să se usuce sau pot fi spălate folosind un solvent în care sunt insolubile. Dacă procesul se repetă pentru a crește puritatea eșantionului, se numește recristalizare.
Viteza de răcire a soluției și cantitatea de evaporare a solventului pot afecta foarte mult dimensiunea și forma cristalelor rezultate. În general, o evaporare mai lentă duce la o evaporare minimă.