Cos'è la cristallizzazione? Definizione del processo, temperatura, esempi di processo

Cos'è la cristallizzazione, è studiato a scuola. Ma, di regola, il concetto è considerato solo in relazione a una scienza - chimica. E questo processo ha la maggiore rilevanza, anche se non è un motivo per non prestare attenzione alla sua considerazione in altri settori. E ora vale la pena ripararlo. Ma prima le cose vanno prima.

Definizione del processo

Quindi cos'è la cristallizzazione? Questo è un processo durante il quale i cristalli si formano da gas, fusioni, vetri e soluzioni. Tutti sanno cosa sono. Se sono espressi in linguaggio scientifico, i cristalli sono corpi solidi con una disposizione regolare di atomi (le particelle più piccole di un elemento chimico che portano le sue proprietà). Hanno la forma naturale di poliedri simmetrici regolari, che è dovuta alla loro struttura interna.

La domanda su cosa sia la cristallizzazione può essere risolta in un modo diverso. Così viene chiamata la formazione di questi solidi da cristalli con una struttura diversa. Questo si riferisce alle trasformazioni polimorfiche. Sono spiegati dal fatto che gli stessi atomi sono in grado di formare diversi reticoli cristallini.

Inoltre, la cristallizzazione si riferisce al processo di transizione di una sostanza da uno stato liquido a uno stato cristallino solido.

Processo politermico

Parlando di cosa sia la cristallizzazione, va notato che ci sono diversi modi in cui è formata. Differiscono nelle tecniche utilizzate per raggiungere la sazietà della soluzione.

Il primo passo è parlare della cristallizzazione poliresemica, detta anche isoidrica. Può verificarsi solo con un contenuto d'acqua costante nel sistema.

Il principio non è così complesso come potrebbe sembrare. Una soluzione sovrasatura si forma raffreddando il sistema. Il processo si svolge solo a una temperatura variabile.

Un processo polythermal guidato da soluzioni di raffreddamento sature può essere applicabile solo a determinate sostanze. Per quelli la cui solubilità migliora con l'aumentare della temperatura.

Vale la pena notare che a volte viene utilizzato anche il metodo di evaporazione polythermal. Durante questo processo, la sostanza viene riscaldata ed evaporata. Dopo questo, c'è un multiplo scambio termico e di massa tra la fase di vapore e il liquido.

Un altro metodo polythermic è usato quando sono presenti più sali in una sostanza con differenti proprietà di solubilità. Un primo esempio è l'evidenziazione. cloruro di potassio dalla sylvinite.

Metodo isotermico e salatura

Questo dovrebbe anche essere detto. Il processo di cristallizzazione isotermica è caratterizzato dall'evaporazione dell'acqua da soluzioni a temperatura costante e invariata. Questo metodo è applicabile alle sostanze con contenuto di sale, la cui solubilità è praticamente indipendente dal calore.

L'evaporazione può essere ottenuta portando il liquido ad ebollizione intensa e mantenerlo in questo stato. Questo è il metodo "tradizionale". Ancora può usare l'evaporazione superficiale lenta.

In alcuni casi, le sostanze vengono iniettate in liquidi che riducono la loro capacità di dissolversi. Questo è chiamato salatura. Tali "aiutanti" sono sostanze che contengono lo stesso ione di questo sale. Un esempio lampante: il processo di cristallizzazione del cloruro di sodio da una soluzione ad alta concentrazione a cui viene aggiunto il cloruro di magnesio.

Va notato che il meccanismo di salatura non è sempre lo stesso. Se, per eseguire questo processo, mescolare due elettroliti, il cui additivo sarà con lo stesso ione, allora alla fine sarà possibile raggiungere una tale concentrazione che il prodotto della solubilità della sostanza diventi molto più alto. Cosa significa? In parole semplici - apparirà un eccesso di sostanza e si distinguerà nella fase solida.

Succede in un modo diverso. Per ottenere la salagione, è necessario modificare completamente la struttura della soluzione - per favorire la formazione di gusci idratati attorno alle particelle di una sostanza che deve essere cristallizzata. Come è stato realizzato? Attraverso la distruzione dei gusci di una sostanza già disciolta.

È importante imparare: i sali che formano gli idrati cristallini vengono salati più intensamente di quelli che si formano in forma anidra. Ma alcuni "additivi" aumentano solo la solubilità. Questo porta ad una solidificazione.

Deposito di sostanze mediante reagenti

Questo è il metodo più comune di cristallizzazione in chimica. È il più veloce e semplice.

Se nel processo si forma un prodotto di reazione che è praticamente insolubile in acqua, allora precipita immediatamente dalla soluzione. Cos'altro? Se il prodotto di reazione ha una solubilità caratteristica, allora l'insorgenza della cristallizzazione si verifica nel momento in cui il liquido raggiunge il livello richiesto di sazietà. E il processo continua finché il precipitante (reagente) non lo inserisce.

Un primo esempio sta diventando carbonato di calcio. È insolubile Quindi devi usare la conversione del nitrato di calcio in nitrato di alluminio. Osservando la formula, si può capire come approssimativamente si verifica questo processo: Ca (NO ₃ ) ₂ + (NH ₄ ) ₂ CO3 = CaCO ₃ + 2NH ₄ NO ₃ .

Per ottenere catalizzatori, si fa ricorso alla precipitazione di metalli come sostanze insolubili. Questi includono ossalati, idrossidi, carbonati e altri sali. Sono precipitati perché successivamente si decompongono in ossidi.

congelamento

Un altro processo che deve essere notato con attenzione, raccontando cos'è la cristallizzazione. Il congelamento è l'isolamento in forma solida di uno dei componenti di una miscela di gas o liquido, che si ottiene raffreddando la miscela. Inoltre, si raggiunge una temperatura inferiore a quella in cui inizia di solito la cristallizzazione.

La base di questo processo è la bassa solubilità reciproca dei componenti da separare. Esempio: quando le soluzioni acquose sono congelate, i soluti non fanno parte dei cristalli risultanti.

Coinvolto questo metodo in casi speciali. Il congelamento è efficace quando è necessario separare le miscele, purificare le sostanze o concentrare la soluzione.

Il metodo è attivamente utilizzato nelle industrie chimiche, microbiologiche, farmacologiche e alimentari. Ma nella vita di tutti i giorni ci sono molti esempi di questo processo. Si tratta di congelare la concentrazione con il rilascio di ghiaccio. Ha lo scopo di preservare l'aroma, il colore, nonché le proprietà medicinali e gustative dei prodotti thermolabili. Questi includono: estratti di erbe, succhi, birra, vino, soluzioni enzimatiche. E anche i farmaci che sono biologicamente attivi e farmacologici.

Spesso la cristallizzazione di una sostanza mediante congelamento è accompagnata, successivamente, dalla liofilizzazione. Questo metodo è utilizzato nella produzione di prodotti in polvere destinati alla dissoluzione. Ci sono un sacco di esempi: succhi, tè, caffè, zuppe, latte, panna, purè di patate, gelatina, gelato ... tutti conoscono queste polveri in bustine o lattine, spargendole nell'acqua, puoi ottenere un prodotto pronto da mangiare.

A proposito, si usa ancora il congelamento per pulire delle acque reflue e la dissalazione marina - per ottenere pulito, senza impurità. Anche l'aria, a volte, condivide. In un modo criogenico, ovviamente. Congelandosi rimuove anidride carbonica e vapore acqueo.

Calore specifico di cristallizzazione

In breve, vale la pena notare l'attenzione e questo concetto. È anche noto come "calore specifico di fusione" e "entalpia". I nomi sono diversi, ma la definizione è uno. Questa è la quantità di calore che deve essere data a una unità di massa di una sostanza cristallina affinché possa passare da uno stato solido a un liquido.

È indicato dalla lettera greca λ. In chimica, la formula della temperatura di cristallizzazione è la seguente: Q: m = λ. Qui Q è inteso come la quantità di calore prodotta da una sostanza durante la sua fusione. E la lettera m indica la sua massa.

Va notato che il calore specifico della cristallizzazione (fusione) è sempre positivo. L'unica eccezione è l'elio ad alta pressione. È interessante notare che questo gas monatomico più semplice ha il punto di ebollizione più basso tra tutte le sostanze attualmente note. Questo processo di elio inizia a verificarsi a -268,93 ° C.

E il punto di fusione? Ecco alcuni esempi indicati in kJ in relazione a un chilogrammo di sostanza: ghiaccio - 330, mercurio - 12, naftalene - 151, piombo bianco e grigio - 14 e 100.

esempi

La cristallizzazione è un processo molto studiato in chimica, che è particolarmente interessante nella pratica.

Ad esempio, si consideri il processo di formazione di zucchero. L'essenza del processo è l'assegnazione del saccarosio contenuto nello sciroppo. Quest'ultimo, a sua volta, contiene anche altre sostanze che non sono state rimosse durante il processo di pulizia del succo, e riformate nel corso della condensazione.

Quando la temperatura aumenta, inizia la cristallizzazione e nel suo processo si forma una soluzione intercristallina, che si chiama massecuite. Tutta la materia in eccesso si accumulerà in essa. In effetti, ostacolano seriamente l'intero processo, poiché la presenza di vari tipi di impurità aumenta la viscosità della soluzione.

Un altro brillante esempio di cristallizzazione in chimica è associato alla formazione di sale. Per vederlo personalmente, non è nemmeno necessario condurre esperimenti - questo processo esiste in natura. Nella stagione fredda, il surf getta tonnellate di sale sulla riva. Lei non scompare. È rastrellata in enormi mucchi, e poi, quando arriva il caldo e l'aridità, l'acqua della cristallizzazione evapora da esso. Resta solo la polvere fine, il sale consumato dall'industria.

L'esempio di sale è il più semplice. Anche in alcune scuole, i bambini ricevono un compito a casa come parte di una lezione di chimica: sciogliere 1-2 cucchiai di sale in una quantità molto piccola di acqua e lasciare il contenitore da qualche parte. Per una cristallizzazione più intensa, la temperatura può essere aumentata, ad esempio spostare la soluzione nella batteria. Dopo un paio di giorni, l'acqua evaporerà. Ma i cristalli di sale rimarranno.

metalli

Anche loro cristallizzano. Inoltre, tutti i metalli solidi che vediamo e possiamo toccare sono il risultato di questo processo. Le trasformazioni che si verificano in parallelo sono di grande importanza, poiché determinano in gran parte le proprietà dei metalli.

La cristallizzazione, come processo, è molto interessante in questo caso. Mentre la sostanza si trova nello stato liquido, gli atomi in esso si muovono continuamente. Naturalmente, tutto questo tempo ha mantenuto una temperatura elevata corrispondente. Man mano che diminuisce, gli atomi si avvicinano a vicenda, a seguito del quale sono raggruppati in cristalli. Ecco come si formano i "centri". Cioè, il gruppo principale di cristalli. Per loro, mentre il movimento degli atomi rimanenti rallenta, quelli secondari si uniscono.

All'inizio, i cristalli crescono senza ostruzioni. E quelli che si sono già formati, non perdono la correttezza della struttura. Ma poi i cristalli si scontrano con ulteriori movimenti. A causa del loro modulo di contatto è rovinato. Tuttavia, all'interno di ciascun cristallo la struttura è ancora corretta. Questi gruppi, a proposito, sono chiamati grani. E non sono sempre formati. Tutto dipende dalle condizioni di cristallizzazione, dalla temperatura in cui si è verificato (stabile o meno) e dalla natura del metallo stesso.

A proposito di grano

Sopra, molto è stato detto sulla cristallizzazione specifica, nonché sui vari metodi con cui questo processo viene eseguito. In continuazione del tema dei metalli, vorrei parlare del grano noto, le cui cause sono descritte nel paragrafo precedente.

In realtà, il suo aspetto è un segno di scarsa cristallizzazione. Il metallo a grana grossa è fragile, quasi incapace di resistere a un impatto veramente alto. Nel processo di forgiatura appaiono delle crepe. Si formano anche nella zona colpita dal calore. Al fine di ridurre la probabilità della loro formazione, varie misure sono utilizzate nell'industria: modificano il metallo con cuciture in titanio, ad esempio. Sono in grado di prevenire la crescita del grano.

Per i metalli a grana grossa esistono anche altri requisiti per la presentazione dei campioni. Il loro spessore dovrebbe essere di almeno 1,5 cm Solo in questo caso sarà possibile confrontare i risultati di prove meccaniche e micromeccaniche.

Quindi nella produzione si cerca di ottenere una struttura metallica a grana fine. Per questo, vengono create condizioni speciali - quelle sotto le quali è possibile un piccolo tasso di crescita dei cristalli e il numero massimo di centri noti, attorno ai quali si formano i loro gruppi.

Quanto sono grandi i grani sono ottenuti dipende dal numero di particelle di impurità insolubili. Di solito, questi sono solfuri, nitruri e ossidi: svolgono il ruolo di centri pronti per la cristallizzazione.

La struttura a grana fine può essere ottenuta modificando - aggiungendo sostanze estranee ai metalli. Sono divisi in due tipi:

• Sostanze che non si dissolvono nel metallo liquido. Gioca il ruolo di ulteriori centri di cristallizzazione.
• Ingredienti attivi di superficie Nei metalli si dissolvono. Successivamente, si depositano sulla superficie dei cristalli in crescita e impediscono la loro crescita.

E la qualità del metallo ottenuto è studiata con vari metodi. Effettuare analisi termiche, dilatometriche, magnetiche, strutturali e fisiche. E solo un modo per scoprire informazioni su tutte le proprietà del metallo è impossibile.

acqua

È già stato detto sulla formazione di sali e sulla quantità di calore durante la cristallizzazione e su come procede questo processo nel caso dei metalli. Bene, puoi finalmente parlare dell'acqua: il fenomeno più sorprendente del pianeta.

In natura, ci sono solo tre stati aggregativi: gassosi, solidi e liquidi. L'acqua può risiedere in ognuno di essi, spostandosi da uno all'altro in condizioni naturali.

Quando è liquido, le sue molecole sono collegate liberamente. Sono in costante movimento, cercando di raggrupparsi in un'unica struttura, ma questo non è possibile a causa del caldo. E quando l'acqua è esposta a basse temperature, le molecole diventano più forti. Non interferiscono più con il calore, quindi acquisiscono una struttura cristallina di forma esagonale. Sicuramente tutti, almeno una volta nella sua vita, hanno visto il suo vivido esempio. Il fiocco di neve è un vero esagono.

L'acqua, prendendo una forma solida, può tenerla a lungo - fino a quando non inizia a sciogliersi.

Che dire del "calore" della cristallizzazione? L'acqua, come tutti sanno dall'infanzia, inizia a congelare a 0 ° C. Se Fahrenheit, allora questa cifra sarà di 32 gradi.

Ma con questi marchi il processo è appena iniziato. L'acqua non si cristallizza sempre alle temperature indicate. Il liquido pulito può anche essere raffreddato a -40 ° C e non si congela ancora. Perché? Perché nell'acqua pura non ci sono impurità che sono la base per l'emergere di una struttura cristallina. Questi sono solitamente sali disciolti, particelle di polvere, ecc.

Un'altra caratteristica dell'acqua: si sta espandendo, congelando. Mentre altre sostanze vengono compresse durante la cristallizzazione. Perché così? Perché quando l'acqua si sposta da un liquido a uno stato solido, la distanza tra le sue molecole aumenta.

Paradosso di Mpemba

Va notato attenzione, parlando della cristallizzazione dell'acqua. Un tale fenomeno come il paradosso di Mpemba è interessante almeno con la sua formulazione. La frase suona così: "L'acqua calda si ghiaccia più velocemente del freddo". Intrigge e puzzle. Come è possibile? Dopotutto, l'acqua prima di andare al livello di cristallizzazione deve passare attraverso la fase "fredda" - raffreddarsi!

conflitto primo avvio della termodinamica c'è. Ma è un paradosso: non c'è una spiegazione logica, ma in pratica esiste. Anche se il primo può essere discusso. Ci sono alcune spiegazioni, e qui ce ne sono alcune:

• L'acqua calda inizia il processo di evaporazione. Tuttavia, nell'aria fredda, si trasforma in ghiaccio e cade formando una crosta di ghiaccio.
• Quando l'acqua calda evapora dalla nave, il suo volume diminuisce. Più piccolo è il liquido, più velocemente si cristallizza. Un bicchiere di acqua bollente si cristallizza più velocemente di una bottiglia d'acqua a temperatura ambiente.
• Rivestimento della neve nel congelatore. Una nave con acqua bollente si scioglie, stabilendo un contatto termico con la parete della camera. Ma sotto il contenitore con acqua fredda la neve non si scioglie.
• L'acqua bollente viene raffreddata dal fondo. E acqua fredda - in cima, che impedisce la convezione e la radiazione di calore. Questo si riflette anche nella perdita di calore.
• La distanza tra le molecole nell'acqua calda è maggiore che nel freddo. Ciò si riflette nello stiramento dei legami idrogeno. Pertanto, immagazzinano più energia. Lei, a sua volta, viene rilasciata nel processo di raffreddamento del liquido e le molecole vanno in riavvicinamento. Si ritiene che questo cambi le proprietà dell'acqua bollente e quindi si congeli più velocemente.

Ci sono alcuni tentativi più interessanti per dimostrare il paradosso di Mpemba, ma la ragione inequivocabile è ancora sconosciuta. Forse un giorno gli scienziati condurranno una ricerca approfondita, il cui risultato aiuterà a capire finalmente questo effetto.