结晶：过程，类型，实例，分离 - 化学 - 2024

该结晶是在其中天然或人工的结晶固体，即有序的结构是由液态或气态介质形成的物理过程。它与沉淀的不同之处在于，在不严格控制工艺参数的情况下，沉淀会发展，而且还会产生无定形和凝胶状固体。

顾名思义，结晶的目的是生成晶体。这些不仅以有序为特征，而且以纯固体为特征。因此，在固体化合物的合成中，寻求获得高纯度，尽可能纯的晶体的产物。

假定的紫色溶质在水溶液中的结晶。资料来源：加布里埃尔·玻利瓦尔（GabrielBolívar）。

上图显示了紫色溶质在水溶液中的一般性和假设性结晶。

请注意，红色条充当温度计。当温度高时，溶液中含有溶解的溶质，这些溶质在这些条件下保持可溶。但是，随着温度逐渐下降，最初的紫色晶体开始出现。

随着温度持续降低，晶体尺寸会增大，形成坚固的紫色六边形。溶液颜色的变化表明溶质从溶解变为掺入正在生长的晶体中。结晶越慢，获得的结晶固体越纯。

在此过程中还需要考虑其他变量：在给定的溶剂中溶解了多少溶质，必须在什么温度下加热溶液，必须持续多长时间的冷却，是否需要进行声波搅拌等等。方面。

结晶过程不仅仅是涉及分子和热力学动力学的复杂现象，它是一门需要不断学习，不断试验和不断出错的技术，直到在实验室或行业内得到完善为止。

结晶过程

结晶基本上包括两个过程：成核和晶体生长。

这两个阶段总是在结晶过程中发生，但是当第一阶段快速发生时，第二阶段几乎没有时间发展。同时，如果成核缓慢，则晶体将具有更多的生长时间，因此，它们倾向于更大。后者是图像中带有紫色六边形的情况。

成核

最初，晶体是具有规则结构的固体。从溶质无序分散的溶液中，其颗粒必须足够接近，以使它们的相互作用（无论是离子型还是范德华尔型）都可以使第一组溶质颗粒沉降：簇。

该簇可以根据需要溶解并重整多次，直到它稳定并结晶。据说第一个核已经出现。如果核无处不在，也就是说，从介质在冷却过程中的非常均匀性来看，它将是均匀的核。

另一方面，如果所述核是由于另一种不溶性固体颗粒提供的表面或容器的缺陷而发生的，那么我们将具有异质成核。后者是最广泛使用和已知的，尤其是当将要结晶的物种中先前获得的微小晶体添加到溶液中时。

没有先成核，晶体就不可能在稀薄的空气中形成。

晶体生长

溶液中仍然有很多溶解的溶质，但是这些核中的溶质浓度高于周围的溶质。原子核可作为更多溶质粒子在其生长结构之间沉积和“适配”的支持物。这样，它们的几何形状得以维持并逐渐增长。

例如，图像中的第一个核是紫色六边形；这是你的几何。随着溶质颗粒的掺入，原子核长成坚固的六角形晶体，如果将溶液浸入冰浴中，它将继续进一步生长。

结晶类型

到目前为止，已经解释了通过冷却溶剂的结晶。

去除溶剂结晶

其他类型的结晶是基于通过蒸发除去溶剂，因此不需要使用大量的溶剂。也就是说，仅用溶质饱和并加热使其过饱和就足够了，然后再加一点，然后静置，以使溶质最终结晶。

溶剂加成结晶

同样，由于向溶质不溶的混合物（反溶剂）中加入溶剂而导致结晶。因此，成核将是有利的，因为在流动和液体区域，溶质颗粒比在非常溶解的区域更集中。

超声波结晶

另一方面，通过超声波发生结晶，超声波会产生并破坏小气泡，从而再次促进成核，同时有助于更均匀地分布晶体尺寸。

最后，在冷表面上的气相沉积会产生结晶。也就是说，与固体升华相反的现象。

结晶分离方法

当获得固体并将其纯化时，结晶是必不可少的技术。它在有机化合物的合成中非常常见，是保证产品纯度和质量的最后阶段之一。

染料实例

例如，假设获得了染料晶体，并且已经将它们过滤。因为这种染料最初是通过合成中的沉淀获得的，所以它的固体显示为无定形的外观，因为它的分子晶体之间吸收并捕获了许多杂质。

因此，决定加热在染料稍易溶解的溶剂，以便当加入染料时，它相对容易溶解。加入更多溶剂后溶解后，将溶液与热源分离并静置。随着温度下降，发生成核。

因此，染料晶体将形成并显得更加清晰（眼睛不一定是晶体）。正是在这一时刻，将容器（通常是锥形瓶或烧杯）浸入冰浴中。该浴的冷度最终有利于成核上方晶体的生长。

然后将染料的晶体真空过滤，用不溶于该溶剂的溶剂洗涤，然后在表玻璃中干燥。

结晶温度

发生结晶的温度取决于溶质在溶剂介质中的不溶性。它还取决于溶剂的沸点，因为如果溶质在沸腾温度下尚未溶解，则是因为必须使用其他更合适的溶剂。

例如，在水介质中会结晶的固体会在水降低温度（即从100到50℃）时或在蒸发时这样做。如果结晶通过蒸发发生，则据说发生在室温下。

另一方面，金属或某些离子固体的结晶发生在非常高的温度下，因为它们的熔点非常高，并且即使冷却到足以使它的颗粒成核，熔融的液体也会炽热地发光。长出你的水晶。

结晶速度

原则上，有两种直接控制固体结晶速率的方法：通过过饱和度（或过饱和度）或通过温度突然变化来控制。

过饱和度

过饱和度是指通过加热迫使过量的溶质溶解。因此，溶液越饱和，成核过程就越快，因为形成核的可能性更大。

尽管以这种方式加速了结晶，但是与具有较低过饱和度的晶体相比，所得的晶体将更小。也就是说，当它们的生长受到青睐而不是成核时。

温度变化

如果温度急剧降低，核几乎没有时间生长，不仅如此，而且它们还将保留更高水平的杂质。结果是，尽管结晶的发生比缓慢冷却的发生更快，但晶体的质量，尺寸和纯度最终较低。

由于温度突然下降而迅速结晶。资料来源：加布里埃尔·玻利瓦尔（GabrielBolívar）。

上面的图像用来对比第一个图像。黄点表示杂质，由于原子核的突然生长，杂质被捕获在杂质内部。

这些杂质使得难以掺入更多的紫色六边形，最终导致许多小的不纯晶体，而不是大的纯净晶体。

应用领域

冰淇淋的结晶是其工业或手工生产过程中最重要的方面之一。资料来源：

结晶以及重结晶对于获得高质量的纯固体至关重要。对于制药行业来说尤其如此，因为它们的产品必须尽可能纯净，就像食品工业中使用的防腐剂一样。

此外，纳米技术高度依赖此过程，因此它们可以合成纳米颗粒或纳米晶体，而不是坚固的晶体固体。

结晶的大量参与的日常实例之一是冰淇淋的生产。如果您不小心用水，它会从脂质含量中分离出一个相（冰）结晶，从而影响其质地和风味。换句话说，它更像是剃过的冰淇淋或冰淇淋。

因此，冰晶应尽可能小，以使冰淇淋的口感和触感光滑。当这些冰晶太大时，可以在光线下检测到它们，因为它们会使冰淇淋表面结霜。

结晶的例子

最后，将提及自然和人工结晶的一些常见示例：

雪花

雪花是通过自然结晶过程形成的。众所周知，每种雪晶都是独特的。这是由于在结晶第二阶段（生长）期间发生的条件所致。

雪晶存在的不同几何形状是由于雪晶在生长过程中必须面对的条件。

盐

盐是最常见的结晶实例。它既可以自然形成（例如海盐），也可以人工形成（与食盐一样）。

糖

除盐之外，糖是最常见的晶体之一。它是通过一系列复杂的工业过程形成的，在其中采用了甘蔗汁并进行了人工结晶过程。

钻石

钻石是由纯碳结晶形成的宝石。这是地球上已知的最坚硬的材料。它的形成可以是自然的，如在采矿矿床中发现的钻石一样，也可以是合成的。

红宝石

红宝石是由氧化铝（子午线）的结晶形成的微红色晶体。

石笋

石笋是可以在洞穴中发现的结构，特别是在土壤中（向上生长）。它们由钙化合物组成，是由从洞穴顶部掉落的水中发现的钙盐结晶形成的。

钟乳石

像石笋一样，钟乳石是钙制成的，并且存在于洞穴中。它们与后者不同，因为它们悬挂在天花板上。它们是由渗入洞穴的水中存在的钙盐结晶形成的。

石英

石英是由硅酸酐结晶形成的宝石。它是岩石中含量最高的矿物之一，其颜色可变。

橄榄石

这种宝石也称为橄榄石，是由于铁和镁的结晶而形成的。它是绿色的，通常是菱形的。

硅酸盐

硅酸盐是通过二氧化硅和其他元素（铁，铝，钙，镁）的结晶产生的材料。它们存在于所有岩石中。

糖果

糖果是用糖晶体制成的，因此可以说有两个结晶过程介入：第一个过程是糖的形成，第二个过程是糖蜜的形成。

奶油冰淇淋

奶油冰淇淋包含一系列晶体，可赋予其最终光滑的质感。在奶油状冰淇淋所含的晶体中，脂质晶体（由脂肪形成）和冰晶体脱颖而出。应该注意的是，一些冰淇淋也含有乳糖晶体。

从这个意义上讲，冰淇淋是通过各种人工结晶过程获得的（一种用于脂质，一种用于冰，另一种用于乳糖）。

其他

-制备围绕线或绳的糖晶体和过饱和的甜溶液

-从罐子底部的蜂蜜中形成糖晶体

-肾结石的生长，其中包括草酸钙晶体的本质

-多年来，包括宝石和钻石在内的矿物的结晶，其形状和边缘反映了其有序的内部结构

-在冷棒上沉积热金属蒸气，以支持其晶体的生长。

参考文献

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