KRISTALLISATIE: PROCES, TYPEN, VOORBEELDEN, SCHEIDING - CHEMIE - 2026

De kristallisatie is een fysisch proces waarbij op natuurlijke of kunstmatige wijze een kristallijne vaste stof, dwz geordende structuur, wordt gevormd uit een vloeibaar of gasvormig medium. Het verschilt van neerslag doordat het zich ontwikkelt zonder strikte controle van de procesparameters, en ook dat het amorfe en gelatineuze vaste stoffen kan produceren.

Het doel van kristallisatie is, zoals de naam eenvoudig en duidelijk aangeeft, om kristallen te genereren. Deze worden niet alleen gekenmerkt door ordelijkheid, maar ook doordat ze pure vaste stoffen zijn. Daarom wordt bij de synthese van vaste verbindingen gezocht naar producten met een hoge zuiverheid, kristallen die zo zuiver mogelijk zijn.

Kristallisatie van een hypothetische paars gekleurde opgeloste stof in waterige oplossing. Bron: Gabriel Bolívar.

De afbeelding hierboven toont een gegeneraliseerde en hypothetische kristallisatie van een paarse opgeloste stof in waterige oplossing.

Merk op dat de rode balk fungeert als een thermometer. Als de temperatuur hoog is, bevat de oplossing de opgeloste stof, die onder deze omstandigheden oplosbaar blijft. Naarmate de temperatuur echter geleidelijk daalt, beginnen de eerste paarse kristallen te verschijnen.

Naarmate de temperatuur blijft dalen, zullen de kristallen groter worden en robuuste paarse zeshoeken vormen. De verandering in kleur van de oplossing is een aanwijzing dat de opgeloste stof van opgelost naar opname in de groeiende kristallen ging. Hoe langzamer de kristallisatie, hoe zuiverder de verkregen kristallijne vaste stof.

Er zijn andere variabelen waarmee tijdens dit proces rekening moet worden gehouden: hoeveel opgeloste stof wordt opgelost in het bepaalde oplosmiddel, bij welke temperatuur de oplossing moet worden verwarmd, hoe lang de afkoeling moet duren, hoe noodzakelijk het is om al dan niet over te gaan tot sonische beweging, onder andere. aspecten.

Het kristallisatieproces, meer dan een complex fenomeen waarbij moleculaire en thermodynamische dynamica betrokken zijn, is een kunst die constant leren, testen en fouten vereist, totdat het geperfectioneerd is in het laboratorium of in de industrie.

Kristallisatieproces

Kristallisatie bestaat in wezen uit twee processen: kiemvorming en kristalgroei.

Beide stadia vinden altijd plaats tijdens kristallisatie, maar wanneer de eerste snel gebeurt, zal de tweede nauwelijks tijd hebben om zich te ontwikkelen. Ondertussen, als de kiemvorming langzaam is, zullen de kristallen meer tijd hebben om te groeien, en daarom zullen ze meestal groter zijn. Dit laatste is de situatie die in de afbeelding met de paarse zeshoeken wordt aangenomen.

Kernvorming

Van kristallen werd oorspronkelijk gezegd dat ze vaste stoffen waren met geordende structuren. Van de oplossing waarin de opgeloste stof wanordelijk wordt verspreid, moeten de deeltjes zo dichtbij komen dat hun interacties, of ze nu ionisch of Van der Walls-type zijn, de vestiging van de eerste groep opgeloste deeltjes mogelijk maken: een cluster.

Dit cluster kan zo vaak als nodig oplossen en opnieuw vormen totdat het stabiel en kristallijn is. De eerste kern zou dan zijn verschenen. Als de kern uit het niets verschijnt, dat wil zeggen, vanwege de homogeniteit van het medium tijdens het afkoelen, zal het een homogene kiemvorming zijn.

Aan de andere kant, als die kern plaatsvindt dankzij het oppervlak dat wordt verschaft door een ander onoplosbaar vast deeltje, of door de onvolkomenheden van de container, dan zullen we een heterogene kiemvorming hebben. Dit laatste is de meest gebruikte en bekende, vooral wanneer een klein kristal, eerder verkregen, van de soort die we willen kristalliseren, aan de oplossing wordt toegevoegd.

Kristallen kunnen nooit uit het niets ontstaan ​​zonder eerst kiemvorming.

Kristalgroei

Er is nog veel opgeloste opgeloste stof in oplossing, maar de concentratie opgeloste stof in deze kernen is hoger dan in hun omgeving. De kernen fungeren als ondersteuning voor meer opgeloste deeltjes om zich te nestelen en te "passen" tussen hun groeiende structuren. Op deze manier blijven hun geometrieën behouden en groeien ze geleidelijk.

De eerste kernen in de afbeelding zijn bijvoorbeeld paarse zeshoeken; dit is jouw geometrie. Doordat opgeloste deeltjes worden opgenomen, groeien de kernen uit tot robuuste hexagonale kristallen, die verder zullen groeien als de oplossing wordt ondergedompeld in een ijsbad.

Soorten kristallisatie

Wat tot nu toe is uitgelegd, bestaat uit de kristallisatie door afkoeling van het oplosmiddel.

Kristallisatie bij verwijdering van oplosmiddel

Andere soorten kristallisatie zijn gebaseerd op het verwijderen van oplosmiddel door verdamping, waarvoor het niet nodig is om er zoveel volume van te gebruiken; dat wil zeggen, het is voldoende om het gewoon te verzadigen met opgeloste stof en het te verwarmen om het te oververzadigen en dan, een beetje meer, het dan te laten rusten, zodat de opgeloste stof uiteindelijk kristalliseert.

Kristallisatie van toevoeging van oplosmiddel

Evenzo hebben we de kristallisatie veroorzaakt door de toevoeging van een oplosmiddel aan het mengsel waarin de opgeloste stof onoplosbaar is (antisolvent). Daarom zal kiemvorming de voorkeur genieten omdat er mobiele en vloeibare gebieden zijn waar de opgeloste deeltjes meer geconcentreerd zullen zijn dan in die waar het zeer oplosbaar is.

Kristallisatie door sonificatie

Aan de andere kant is er kristallisatie door sonificatie, waarbij ultrageluid kleine belletjes genereert en breekt die opnieuw nucleatie bevorderen, terwijl het tegelijkertijd helpt om de kristalgroottes gelijkmatiger te verdelen.

En tot slot is er kristallisatie door opdamping op koude oppervlakken; dat wil zeggen, het omgekeerde fenomeen van de sublimatie van vaste stoffen.

Kristallisatie scheidingsmethode

Kristallisatie is een onmisbare techniek om vaste stoffen te verkrijgen en te zuiveren. Het komt zeer vaak voor bij de synthese van organische verbindingen en vormt een van de laatste fasen om de zuiverheid en kwaliteit van het product te garanderen.

Voorbeeld van kleurstof

Stel dat er bijvoorbeeld kristallen van een kleurstof worden verkregen en dat deze al zijn gefilterd. Omdat deze kleurstof aanvankelijk werd verkregen door precipitatie in een synthese, lijkt de vaste stof amorf te zijn, aangezien veel onzuiverheden worden geabsorbeerd en gevangen tussen de moleculaire kristallen.

Daarom wordt besloten om een ​​oplosmiddel te verhitten waar de kleurstof enigszins oplosbaar is, zodat deze bij toevoeging relatief gemakkelijk oplost. Eenmaal opgelost na toevoeging van wat meer oplosmiddel, wordt de oplossing gescheiden van de warmtebron en met rust gelaten. Naarmate de temperatuur daalt, vindt nucleatie plaats.

Zo zullen de kleurstofkristallen meer gedefinieerd worden en lijken (niet noodzakelijk kristallijn voor het oog). Precies op dit moment wordt de container (meestal een erlenmeyer of een beker) ondergedompeld in een ijsbad. De kou van dit bad bevordert uiteindelijk de groei van de kristallen boven de kiemvorming.

De kristallen van de kleurstof worden vervolgens vacuüm gefiltreerd, gewassen met een oplosmiddel waarin het onoplosbaar is, en laten drogen in een horlogeglas.

Kristallisatietemperatuur

De temperatuur waarbij kristallisatie optreedt, hangt af van hoe onoplosbaar de opgeloste stof in het oplosmiddelmedium is. Evenzo hangt het af van het kookpunt van het oplosmiddel, want als de opgeloste stof nog niet is opgelost bij de kooktemperatuur, komt dat omdat een ander geschikter oplosmiddel moet worden gebruikt.

Vaste stoffen die bijvoorbeeld kunnen kristalliseren in waterige media, zullen dit doen als het water zijn temperatuur daalt (dat wil zeggen van 100 tot 50 ºC) of terwijl het verdampt. Als kristallisatie plaatsvindt door verdamping, dan vindt dit plaats bij kamertemperatuur.

Aan de andere kant vindt de kristallisatie van metalen of van sommige ionische vaste stoffen plaats bij zeer hoge temperaturen, aangezien hun smeltpunten erg hoog zijn en de gesmolten vloeistof gloeiend is, zelfs wanneer deze voldoende is afgekoeld om zijn deeltjes en kernen te vormen. laat je kristallen groeien.

Kristallisatiesnelheid

In principe zijn er twee directe manieren om de kristallisatiesnelheid van een vaste stof te regelen: door de mate van oververzadiging (of oververzadiging) of door plotselinge temperatuurveranderingen.

Mate van oververzadiging

De mate van oververzadiging betekent hoeveel overtollige opgeloste stof wordt gedwongen op te lossen door toepassing van warmte. Daarom, hoe meer oververzadigde de oplossing, hoe sneller het kiemvormingsproces, aangezien er een grotere kans is dat kernen zullen worden gevormd.

Hoewel de kristallisatie op deze manier wordt versneld, zullen de verkregen kristallen kleiner zijn in vergelijking met die welke worden verkregen met een lagere oververzadigingsgraad; dat wil zeggen, wanneer hun groei wordt bevorderd en niet kiemvorming.

Temperatuurveranderingen

Als de temperatuur sterk daalt, hebben de kernen nauwelijks tijd om te groeien en niet alleen dat, maar ze zullen ook hogere niveaus van onzuiverheden vasthouden. Het resultaat is dat hoewel kristallisatie sneller verloopt dan langzame afkoeling, de kwaliteit, grootte en zuiverheid van de kristallen uiteindelijk lager wordt.

Snelle kristallisatie door een plotselinge temperatuurdaling. Bron: Gabriel Bolívar.

De afbeelding hierboven dient om de eerste te contrasteren. De gele stippen vertegenwoordigen de onzuiverheden die door de abrupte groei van de kernen erin worden opgesloten.

Deze onzuiverheden maken het moeilijk om meer paarse zeshoeken op te nemen, wat uiteindelijk resulteert in veel kleine, onzuivere kristallen in plaats van grote, zuivere.

Toepassingen

De kristallisatie van ijs is een van de belangrijkste aspecten tijdens de industriële of artisanale productie. Bron: Pixabay.

Zowel kristallisatie als herkristallisatie is essentieel voor het verkrijgen van hoogwaardige, zuivere vaste stoffen. Voor de farmaceutische industrie geldt dit vooral omdat hun producten zo puur mogelijk moeten zijn, net als de conserveermiddelen die in de voedingsindustrie worden gebruikt.

Bovendien is nanotechnologie sterk afhankelijk van dit proces, zodat ze nanodeeltjes of nanokristallen kunnen synthetiseren in plaats van robuuste vaste kristallen.

Een van de alledaagse voorbeelden waarin kristallisatie een grote rol speelt, is de productie van ijs. Als je niet voorzichtig bent met water, kristalliseert het in een aparte fase (ijs) van zijn lipidengehalte, waardoor de textuur en smaak worden beïnvloed; Met andere woorden, het zal meer lijken op een geschoren ijsje of ijsje.

Daarom moeten de ijskristallen zo klein mogelijk zijn, zodat het ijs smeuïg is en smaakt. Wanneer deze ijskristallen wat groot zijn, zijn ze in het licht te zien doordat ze het ijs een frosted oppervlak geven.

Voorbeelden van kristallisatie

Ten slotte zullen enkele veelvoorkomende voorbeelden van kristallisatie worden genoemd, zowel natuurlijk als kunstmatig:

Sneeuwvlokken

Sneeuwvlokken worden gevormd door een natuurlijk kristallisatieproces. Het is bekend dat elk sneeuwkristal uniek is. Dit komt door de omstandigheden die optreden tijdens de tweede fase van kristallisatie (groei).

De verschillende geometrische vormen die sneeuwkristallen vertonen, zijn te wijten aan de omstandigheden waarmee ze worden geconfronteerd tijdens kristalgroei.

Zout

Zout is het meest voorkomende voorbeeld van kristallisatie. Dit kan zowel natuurlijk (zoals zeezout) als kunstmatig (zoals bij keukenzout) gevormd worden.

Suiker

Suiker is na zout een van de meest voorkomende kristallen. Het wordt gevormd door een reeks complexe industriële processen waarbij suikerrietsap wordt genomen en onderworpen aan een kunstmatig kristallisatieproces.

Diamant

Diamant is een edelsteen die wordt gevormd door de kristallisatie van pure koolstof. Dit is het moeilijkste materiaal dat op aarde bekend is. De vorming ervan kan natuurlijk zijn, zoals het geval is met diamanten in mijnafzettingen, of synthetisch.

Robijn

Robijn is een roodachtig kristal dat wordt gevormd door de kristallisatie van aluminiumoxide (coridon).

Stalagmieten

Stalagmieten zijn structuren die in grotten te vinden zijn, met name in bodems (groeiend naar boven gericht). Ze zijn samengesteld uit calciumverbindingen en worden gevormd door de kristallisatie van calciumzouten die worden aangetroffen in het water dat uit de plafonds van grotten valt.

Stalactieten

Stalactieten zijn, net als stalagmieten, gemaakt van calcium en worden gevonden in grotten. Ze verschillen van de laatste omdat ze aan de plafonds hangen. Ze worden gevormd door de kristallisatie van de calciumzouten die aanwezig zijn in het water dat de grotten infiltreert.

Kwarts

Kwarts is een edelsteen die wordt gevormd door de kristallisatie van kiezelzuuranhydride. Het is een van de meest voorkomende mineralen in gesteenten en de kleur is variabel.

Peridoot

Ook wel olivijn genoemd, deze edelsteen wordt gevormd dankzij de kristallisatie van ijzer en magnesium. Het is groenachtig van kleur en is meestal ruitvormig.

Silicaten

Silicaten zijn materialen die ontstaan ​​door kristallisatie van silica en andere elementen (ijzer, aluminium, calcium, magnesium). Ze zijn aanwezig in alle rotsen.

Snoepjes

Snoepjes worden gemaakt met suikerkristallen, dus kan worden gezegd dat er twee kristallisatieprocessen bij betrokken zijn: de eerste voor de vorming van suiker en de tweede voor de vorming van melasse.

Romig ijs

Romig ijs bevat een reeks kristallen die het de uiteindelijke gladde textuur geven. Onder de kristallen die roomijs bevat, vallen lipidekristallen (gevormd uit vet) en ijskristallen op. Opgemerkt moet worden dat sommige ijsjes ook lactosekristallen bevatten.

In die zin wordt ijs verkregen via verschillende kunstmatige kristallisatieprocessen (één voor lipiden, één voor ijs en één voor lactose).

Anderen

-Voorbereiding van suikerkristallen rond een draad of touw en een oververzadigde zoete oplossing

-Vorming van suikerkristallen uit honing die op de bodem van hun potten is afgezet

-De groei van nierstenen, die bestaan ​​uit de essentie van calciumoxalaatkristallen

-De kristallisatie van mineralen, waaronder edelstenen en diamanten, door de jaren heen, waarvan de vormen en randen een weerspiegeling zijn van hun ordelijke interne structuren

- Afzetting van hete metaaldampen op koude staven ter ondersteuning van de groei van hun kristallen.

Referenties

1. Day, R., & Underwood, A. (1989). Kwantitatieve analytische chemie. (vijfde ed.). PEARSON Prentice Hall.
2. Wikipedia. (2019). Kristallisatie. Hersteld van: en.wikipedia.org
3. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (23 mei 2019). Kristallisatie definitie. Hersteld van: thoughtco.com
4. Universiteit van Colorado. (sf). Kristallisatie. Organische chemie. Hersteld van: orgchemboulder.com
5. Syrris. (2019). Wat is kristallisatie? Hersteld van: syrris.com