Cristalizarea: din ce constă, metoda de separare, tipuri și exemple

Cristalizarea este un proces în care se formează un solid cu atomi sau molecule în structuri organizate, numite rețele cristaline. Cristalele și rețelele cristaline pot fi formate prin precipitarea unei soluții, prin fuziune și, în unele cazuri, prin depunerea directă a gazului.

Structura și natura acestei rețele cristaline vor depinde de condițiile în care are loc procesul, inclusiv de timpul scurs pentru a ajunge la această nouă stare. Cristalizarea ca proces de separare este extrem de utilă, deoarece permite să se asigure că structurile sunt obținute numai din compusul dorit.

În plus, acest proces garantează că trecerea altor specii nu va fi permisă având în vedere natura ordonată a cristalului, făcând această metodă o alternativă excelentă pentru purificarea soluțiilor. De multe ori în chimie și inginerie chimică este necesar să se utilizeze un proces de separare a amestecurilor.

Această necesitate este generată fie pentru a crește puritatea amestecului, fie pentru a obține o componentă specifică a acestuia, și din acest motiv există diferite metode care pot fi utilizate în funcție de fazele în care se găsește această combinație de substanțe.

Ce este cristalizarea?

Cristalizarea necesită două etape care trebuie să aibă loc înainte de formarea rețelei cristaline: în primul rând, trebuie să existe suficientă acumulare de atomi sau molecule la nivel microscopic pentru a începe să apară nuclearea așa-numită.

Această etapă de cristalizare poate avea loc numai în lichide supraîncălzite (adică, răcite sub punctul lor de congelare fără a le face solide) sau soluții suprasaturate.

După ce au început nuclearea în sistem, nucleele pot fi formate suficient de stabile și suficient de mari pentru a începe a doua etapă de cristalizare: creșterea cristalină.

nucleată

În această primă etapă se determină aranjamentele particulelor care vor forma cristalele și se observă efectele factorilor de mediu asupra cristalelor formate; de exemplu, timpul necesar pentru apariția primului cristal, numit timpul de nucleare.

Există două etape de nucleare: nuclearea primară și secundară. În primul, noi nuclee se formează atunci când nu există alte cristale în mijloc sau când celelalte cristale existente nu au niciun efect asupra formării acestora.

Nuclearea primară poate fi omogenă, în care nu există nici o influență asupra componentelor solide prezente în mediu; sau poate fi eterogenă, unde particulele solide ale substanțelor externe determină o creștere a ratei de nucleare care în mod normal nu ar avea loc.

În nuclearea secundară se formează cristale noi prin influența altor cristale existente; Acest lucru se poate datora forțelor de tăiere care determină ca segmentele cristalelor existente să devină noi cristale care cresc, de asemenea, la rata proprie.

Acest tip de nucleare beneficiază în sisteme de energie sau debit mare, unde fluidul implicat generează coliziuni între cristale.

Creșterea cristalelor

Este procesul în care cristalul își mărește mărimea prin agregarea mai multor molecule sau ioni către pozițiile interstițiale ale rețelei cristaline.

Spre deosebire de fluide, cristalele cresc uniform atunci când molecule sau ioni intră în aceste poziții, deși forma lor va depinde de natura compusului în cauză. Orice aranjament neregulat la această structură se numește defect de cristal.

Creșterea unui cristal depinde de o serie de factori, dintre care se numără tensiunea superficială a soluției, presiunea, temperatura, viteza relativă a cristalelor din soluție și numărul Reynolds, printre altele.

Cea mai simplă modalitate de a asigura că un cristal crește la dimensiuni mai mari și că are o puritate ridicată este printr-o răcire controlată și lentă, care previne formarea cristalelor într-un timp scurt și că substanțele străine sunt prinse în interior. le.

În plus, este important să rețineți că cristalele mici sunt mult mai greu de manipulat, depozitat și mutat, costându-le mai mult să le filtreze de la o soluție decât cele mai mari. În marea majoritate a cazurilor, cele mai mari cristale vor fi cele mai dorite, din aceste și mai multe motive.

Ca metodă de separare

Nevoia de purificare a soluțiilor este obișnuită în chimie și inginerie chimică, deoarece poate fi necesar să se obțină un produs omogen amestecat cu alte substanțe dizolvate.

De aceea, au fost elaborate echipamente și metode pentru a efectua cristalizarea ca proces de separare industrială.

Există nivele diferite de cristalizare, în funcție de cerințe, și pot fi efectuate la scară mică sau mare. Prin urmare, ea poate fi împărțită în două clasificări generale:

recristalizare

Se numește recristalizare la tehnica utilizată pentru a purifica substanțele chimice pe o scară mai mică, de obicei într-un laborator.

Aceasta se face cu o soluție a compusului dorit împreună cu impuritățile acestuia într-un solvent adecvat, încercând astfel să precipite unele dintre cele două specii sub formă de cristale și apoi să fie îndepărtate.

Există mai multe modalități de recristalizare a soluțiilor, printre care recristalizarea cu un solvent, cu mai mulți solvenți sau cu filtrare fierbinte.

-Un singur solvent

Atunci când se utilizează un singur solvent, se prepară o soluție de compus "A", impuritatea "B" și cantitatea minimă necesară de solvent (la temperatură ridicată) pentru a forma o soluție saturată.

Soluția este apoi răcită, determinând că solubilitatea ambilor compuși să cadă, iar compusul "A" sau impuritatea "B" să fie recristalizat. Ceea ce este ideal este că cristalele sunt de compus "A" pur. Adăugarea unui nucleu poate fi necesară pentru a începe acest proces, care poate fi chiar un fragment de sticlă.

- Solvenți diferiți

În recristalizarea mai multor solvenți, se folosesc doi sau mai mulți solvenți și același procedeu este realizat ca și cu un solvent. Acest procedeu are avantajul că compusul sau impuritatea vor precipita în timp ce se adaugă al doilea solvent, deoarece acestea nu sunt solubile în el. În această metodă de recristalizare nu este necesar să se încălzească amestecul.

- Filtrarea fierbinte

În cele din urmă, recristalizarea cu filtrare fierbinte se utilizează atunci când există materia insolubilă "C", care este îndepărtată cu un filtru de temperatură înaltă după ce se face aceeași procedură de recristalizare a unui singur solvent.

În domeniul industrial

În domeniul industrial se dorește realizarea unui proces numit cristalizare fracționată, care este o metodă care îmbunătățește substanțele în funcție de diferențele de solubilitate.

Aceste procese se aseamănă cu cele ale recristalizării, dar folosesc tehnologii diferite pentru a manipula cantități mai mari de produs.

Se aplică două metode, care vor fi mai bine explicate în următoarea afirmație: cristalizarea prin răcire și cristalizarea prin evaporare.

Având o scară largă, acest proces generează deșeuri, însă acestea sunt de obicei recirculate de sistem pentru a asigura puritatea absolută a produsului final.

Tipuri de cristalizare

Există două tipuri de cristalizare pe scară largă, după cum sa menționat mai sus: prin răcire și prin evaporare. S-au creat și sisteme hibride, în care ambele fenomene apar simultan.

Cristalizarea prin răcire

În această metodă, soluția este răcită pentru a scădea solubilitatea compusului dorit, determinând începerea precipitării la viteza dorită.

În ingineria chimică (sau proces), cristalizatorii sunt utilizați sub formă de rezervoare cu mixere, care circulă lichide de răcire în compartimentele care înconjoară amestecul astfel încât ambele substanțe să nu intre în contact în timp ce transferul de căldură de la agentul frigorific la soluție are loc.

Pentru a îndepărta cristalele, se folosesc răzuitoare care împing fragmentele solide într-o groapă.

Cristalizarea prin evaporare

Aceasta este cealaltă opțiune pentru realizarea precipitării cristalelor dizolvate, utilizând un procedeu de evaporare a solventului (la o temperatură constantă, spre deosebire de metoda anterioară), pentru a face concentrația de substanță dizolvată să depășească nivelul de solubilitate.

Cele mai comune modele sunt așa-numitele modele de circulație forțată, care mențin lichidul de cristale într-o suspensie omogenă prin rezervor, controlând debitul și viteza lor și generează de obicei cristale medii mai mari decât cele formate în cristalizarea prin răcire.