Что такое кристаллизация? Определение процесса, температура, примеры процесса

Что такое кристаллизация, изучают еще в школе. Но, как правило, рассматривают понятие лишь в отношении одной науки – химии. И наибольшее отношение данный процесс действительно имеет к ней, хотя это не повод не уделять внимание его рассмотрению в других отраслях. И сейчас стоит это исправить. Но обо всем по порядку.

Определение процесса

Итак, что такое кристаллизация? Это процесс, в ходе которого из газов, расплавов, стекол и растворов образуются кристаллы. Все знают, что они собой представляют. Если выражаться научным языком, то кристаллы – это твердые тела с закономерным расположением атомов (наименьших частиц химического элемента, носящих его свойства). Они имеют естественную форму правильных симметричных многогранников, которая обусловлена их внутренней структурой.

На вопрос о том, что такое кристаллизация, можно ответить и по-другому. Так еще называется образование этих твердых тел из кристаллов с другой структурой. Имеются в виду полиморфные превращения. Они объясняются тем, что одни и те же атомы способны образовывать разные кристаллические решетки.

Кроме того, кристаллизацией называют процесс перехода какого-либо вещества из жидкого состояния в твердый кристаллический.

Политермический процесс

Рассказывая о том, что такое кристаллизация, следует отметить, что способов, которыми она образуется, существует несколько. Отличаются они приемами, используемыми для достижения пресыщения раствора.

Первым делом стоит рассказать про политермическую кристаллизацию, также именуемую изогидрической. Она может происходить лишь при неизменном содержании воды в системе.

Принцип не так сложен, каким может казаться. Пересыщенный раствор образуется благодаря охлаждению системы. Протекает процесс только при переменной температуре.

Политермический процесс, ведомый посредством охлаждения насыщенных растворов, может быть применим лишь для некоторых веществ. Для тех, растворимость которых при увеличении температуры также улучшается.

Стоит отметить, что иногда применяют также метод политермической выпарки. В ходе данного процесса вещество нагревается и испаряется. После этого происходит многократный тепловой и массовый обмен между паровой фазой и жидкой.

Еще политермический метод применяется, когда в веществе присутствует несколько солей с разными способностями к растворимости. Яркий пример – выделение хлористого калия из сильвинита.

Изотермический способ и высаливание

Об этом тоже следует рассказать. Изотермический процесс кристаллизации характеризуется испарением воды из растворов при постоянной, не меняющейся температуре. Этот метод применим для веществ с содержанием солей, растворимость которых практически не зависит от нагревания.

Испарения удается добиться за счет доведения жидкости до интенсивного кипения и поддержания ее в таком состоянии. Это «традиционный» метод. Еще может использоваться медленное поверхностное испарение.

В некоторых случаях в жидкости вводят вещества, которые понижают их способность к растворению. Это называется высаливанием. Такими «помощниками» являются вещества, в которых содержится одинаковый с данной солью ион. Яркий пример: процесс кристаллизации хлорида натрия из раствора с высокой концентрацией, в который добавляют хлорид магния.

Следует оговориться, что механизм высаливания не всегда одинаков. Если в целях проведения данного процесса смешать два электролита, добавочный из которых будет с одноименным ионом, то в итоге получится добиться такой концентрации, что произведение растворимости вещества станет значительно выше. Что это значит? Говоря простыми словами – появится избыток вещества, и он выделится в твердую фазу.

Бывает и по-другому. Чтобы добиться высаливания, приходится и вовсе менять структуру раствора – способствовать образованию гидратных оболочек вокруг частиц вещества, которое необходимо кристаллизовать. Как это достигается? Посредством разрушения оболочек у уже растворенного вещества.

Важно усвоить: соли, которые образуют кристаллогидраты, высаливаются интенсивнее, чем те, которые образуются в безводной форме. Но некоторые «добавки» лишь усиливают растворимость. Это приводит к всаливанию.

Осаждение веществ реагентами

Это самый распространенный метод кристаллизации в химии. Он является наиболее быстрым и простым.

Если в процессе образуется продукт реакции, практически не растворяющийся в воде, то он тут же выпадает в осадок из раствора. Что в противном случае? Если продукту реакции свойственна растворимость, то начало кристаллизации приходится на тот момент, когда жидкость достигает необходимого уровня пресыщения. И продолжается процесс до тех пор, пока в нее поступает осадитель (реагент).

Яркий пример – получение карбоната кальция. Он нерастворим. Так что приходится использовать конверсию нитрата кальция в нитрат алюминия. Взглянув на формулу, можно понять, как примерно происходит данный процесс: Са (NO₃)₂ + (NH₄)₂CO3 = CaCO₃ + 2NH₄NO₃.

Чтобы получить катализаторы, прибегают к осаждению металлов в виде нерастворимых веществ. К ним относятся оксалаты, гидроксиды, карбонаты и прочие соли. Их осаждают, потому что впоследствии они разлагаются до оксидов.

Вымораживание

Еще один процесс, который необходимо отметить вниманием, рассказывая о том, что такое кристаллизация. Вымораживанием называется выделение в твердом виде одного из компонентов газовой или жидкой смеси, которое достигается посредством охлаждения смеси. Причем достигается температура ниже той, при которой обычно начинается кристаллизация.

Основа данного процесса – низкая взаимная растворимость компонентов, которые нужно разделить. Пример: когда водные растворы вымораживают, то растворенные вещества в состав формирующихся в итоге кристаллов не входят.

Задействуется данный метод в особых случаях. Вымораживание эффективно, когда нужно разделить смеси, очистить вещества или концентрировать раствор.

Метод активно применяется в химической, микробиологической, фармакологической и пищевой промышленности. Но и в быту встречается масса примеров данного процесса. Речь идет про концентрирование вымораживанием с выделением льда. Оно направлено на сохранение аромата, цвета, а также лекарственных и вкусовых качеств термолабильных продуктов. К таковым относятся: травяные экстракты, соки, пиво, вино, ферментные растворы. А еще препараты, являющиеся биологически и лекарственно активными.

Нередко кристаллизация вещества посредством вымораживания сопровождается, впоследствии, сублимационной сушкой. Этот метод задействуется при производстве порошкообразных, предназначенных для растворения продуктов. Примеров полно – соки, чаи, кофе, супы, молоко, сливки, пюре, кисель, мороженое… всем знакомы эти порошки в пакетиках или банках, разведя которые в воде, удается получить готовый к употреблению продукт.

Кстати, еще вымораживание применяют для очистки сточных вод и обессоливания морских – чтобы получить чистую, без примесей. Даже воздух, иногда, разделяют. Криогенным способом, разумеется. Посредством вымораживания из него удается удалить пары диоксида углерода и воды.

Удельная теплота кристаллизации

Вкратце стоит отметить вниманием и это понятие. Оно также известно, как «удельная теплота плавления» и «энтальпия». Названия разные, а определение одно. Это – количество теплоты, которое нужно сообщить одной единице массы кристаллического вещества, чтобы оно из твердого состояния перешло в жидкое.

Обозначается греческой буквой λ. В химии формула температуры кристаллизации выглядит следующим образом: Q : m = λ. Здесь под Q понимается количество теплоты, которое получено веществом в процессе его плавления. А буквой m обозначается его масса.

Стоит отметить, что удельная теплота кристаллизации (плавления) всегда положительна. Исключением является только гелий под высоким давлением. Интересно, что этот простейший одноатомный газ имеет самую низкую температуру кипения среди всех известных на сегодняшний день веществ. Данный процесс с гелием начинает происходить при -268,93 °C.

Что касательно температуры плавления? Вот несколько примеров, указанных в кДж по отношению к одному килограмму вещества: лед – 330, ртуть -12, нафталин – 151, белый и серый свинец – 14 и 100.

Примеры

Кристаллизация – это в химии очень тщательно изучаемый процесс, который особенно интересен на практике.

В качестве примера можно рассмотреть процесс образования сахара. Суть процесса заключается в выделении сахарозы, содержащейся в сиропе. Последний, в свою очередь, содержит также другие вещества, которые не были удалены в процессе очистки сока, и вновь образовались по ходу сгущения.

Когда поднимается температура, кристаллизация начинается, и в ее процессе образуется межкристальный раствор, который называется утфель. Все лишние вещества будут скапливаться в нем. На самом деле, они серьезно затрудняют весь процесс, поскольку наличие различного рода примесей увеличивает вязкость раствора.

Еще один яркий пример кристаллизации в химии связан с образованием соли. Для того чтобы его увидеть воочию, даже не нужно проводить экспериментов – данный процесс существует в природе. В холодное время года прибой выбрасывает на берег тонны соли. Она не пропадает. Ее сгребают в огромные кучи, а потом, когда наступает жара и сухость, из нее испаряется кристаллизационная вода. Остается лишь мелкий порошок – соль, потребляемая промышленностью.

Пример с солью – самый простой. Даже в некоторых школах детям дают на дом задание в рамках урока химии: растворить в совсем небольшом количестве воды 1-2 ложки соли и оставить емкость где-нибудь. Для более интенсивной кристаллизации температуру можно увеличить – пододвинуть раствор к батарее, например. Через пару дней вода испарится. А вот солевые кристаллы останутся.

Металлы

Они тоже кристаллизуются. Более того, все твердые металлы, которые мы видим и можем потрогать, являются результатом данного процесса. Превращения, происходящие параллельно, имеют огромное значение, поскольку они в значительной степени определяют свойства металлов.

Кристаллизация, как процесс, весьма интересна в данном случае. Пока вещество находится в жидком состоянии – атомы в нем непрерывно движутся. Естественно, все это время поддерживается соответствующая высокая температура. По мере ее понижения атомы сближаются, вследствие чего происходит их группирование в кристаллы. Так образуются «центры». То есть, первичные группы кристаллов. К ним, по мере замедления движения остальных атомов, присоединяются уже вторичные.

Поначалу кристаллы нарастают беспрепятственно. А те, которые уже образовались, не теряют правильности строения. Но потом кристаллы сталкиваются при дальнейшем движении. Вследствие их контакта форма портится. Однако внутри каждого кристалла строение по-прежнему остается правильным. Эти группы, кстати, именуются зернами. И образуются они не всегда. Все зависит от условий кристаллизации, при какой температуре она происходила (стабильной или нет), а также от природы самого металла.

О зернистости

Выше было многое сказано про удельную кристаллизацию, а также о различных методах, посредством которых осуществляется данный процесс. В продолжение темы металлов хотелось бы рассказать о пресловутой зернистости, причины возникновения которой описаны в предыдущем абзаце.

На самом деле, ее появление – признак плохой кристаллизации. Крупнозернистый металл является непрочным, практически не способен сопротивляться действительно высокому удару. В процессе ковке в нем появляются трещины. Также они образуются в зоне термического влияния. Чтобы уменьшить вероятность их образования, на производствах используют различные меры – модифицируют металл титановыми швами, например. Они способны предупредить рост зерна.

Для крупнозернистых металлов даже выдвигаются другие требования по предъявлению образцов. Их толщина должна быть как минимум 1,5 см. Только в таком случае удастся сравнить результаты механических и микромеханических испытаний.

Так что на производствах стремятся к получению металлов мелкозернистой структуры. Для этого создают особые условия – те, при которых возможна малая скорость роста кристаллов и максимальное число пресловутых центров, вокруг которых потом формируются их группы.

То, насколько крупными получатся зерна, зависит от количества частичек нерастворимых примесей. Обычно это сульфиды, нитриды и оксиды – они играют роль готовых центров кристаллизации.

Мелкозернистой структуры можно добиться посредством модифицирования – добавления в металлы посторонних веществ. Они делятся на два вида:

• Вещества, которые не растворяются в жидком металле. Играют роль дополнительных центров кристаллизации.
• Поверхностно-активные компоненты. В металлах растворяются. Впоследствии они оседают на поверхности растущих кристаллов и препятствуют их росту.

А качество полученного металла изучается посредством различных методов. Проводят термический, дилатометрический, магнитный анализ, структурные и физические исследования. Причем одним только способом выяснить информацию обо всех свойствах металла невозможно.

Вода

Уже было рассказано и об образовании солей, и о количестве теплоты при кристаллизации, и о том, как данный процесс протекает в случае с металлами. Что ж, можно напоследок поговорить и про воду - самое удивительное явление на планете.

В природе существует лишь три агрегатных состояния – газообразное, твердое и жидкое. Вода способна пребывать в любом из них, переходя из одного в другое в естественных условиях.

Когда она жидкая, ее молекулы слабо связаны между собой. Они пребывают в постоянном движении, предпринимая попытки по группированию в единую структуру, но этого не получается из-за тепла. И, когда на воду воздействуют низкие температуры, молекулы становятся прочнее. Им перестает мешать тепло, поэтому они приобретают кристаллическую структуру шестигранной формы. Наверняка каждый хоть раз в жизни видел яркий ее пример. Снежинка – самый настоящий шестигранник.

Вода, приняв твердую форму, может сохранить ее надолго – пока не начнет таять.

Что касательно «теплоты» кристаллизации? Вода, как всем известно с детства, начинает застывать при 0°C. Если по Фаренгейту, то данный показатель составит 32 градуса.

Но с этих отметок процесс лишь начинается. Вода не всегда кристаллизуется при указанных температурах. Чистую жидкость можно даже охладить до -40°C, и она все равно не заледенеет. Почему? Потому что в чистой воде отсутствуют примеси, являющиеся основанием для возникновения кристаллической структуры. Это, обычно, растворенные соли, частички пыли и т. д.

Еще одна особенность воды: она, замерзая, расширяется. В то время, как другие вещества при кристаллизации сжимаются. Почему так? Потому что при переходе воды из жидкого состояния в твердое, между ее молекулами увеличивается расстояние.

Парадокс Мпембы

Его нельзя не отметить вниманием, рассказывая о кристаллизации воды. Такое явление, как парадокс Мпембы, интересно как минимум своей формулировкой. Звучит фраза так: «Горячая вода замерзает быстрее холодной». Интригует и озадачивает. Как такое возможно? Ведь вода перед переходом в стадию кристаллизации должна пройти «холодный» этап – остыть!

Противоречие первому началу термодинамики налицо. Но на то он и парадокс – логического объяснения нет, но на практике существует. Хотя с первым можно поспорить. Объяснения все-таки есть, и вот некоторые из них:

• Горячая вода начинает процесс испарения. Однако в холодном воздухе она превращается в лед и падает, образуя ледяную корку.
• Когда горячая вода испаряется из сосуда, ее объем уменьшается. Чем меньше жидкости – тем быстрее она кристаллизуется. Рюмка кипятка быстрее кристаллизуется, чем бутылка воды комнатной температуре.
• Снеговая подкладка в морозилке. Сосуд с кипятком ее плавит, устанавливая тепловой контакт со стенкой камеры. А вот под контейнером с холодной водой снег не тает.
• Кипяток охлаждается снизу. А холодная вода – сверху, что ухудшает конвекцию и теплоизлучение. На убыли тепла это тоже отражается.
• Расстояние между молекулами в горячей воде больше, чем в холодной. Это отражается на растягивании водородных связей. Следовательно, они запасают большую энергию. Она, в свою очередь, высвобождается в процессе охлаждения жидкости, и молекулы идут на сближение. Считается, что это меняет свойства кипятка, и потому замерзает он быстрее.

Есть еще несколько интересных попыток обосновать парадокс Мпембы, но однозначная причина по-прежнему неизвестна. Возможно, однажды ученые проведут основательное исследование, результат которого поможет окончательно разобраться в данном эффекте.