KRISTALLISATION: PROZESS, TYPEN, BEISPIELE, TRENNUNG - CHEMIE - 2025

Die Kristallisation ist ein physikalischer Prozess, bei dem auf natürliche oder künstliche Weise ein kristalliner Feststoff, dh eine geordnete Struktur, aus einem flüssigen oder gasförmigen Medium gebildet wird. Es unterscheidet sich von der Ausfällung dadurch, dass sich letztere ohne strenge Kontrolle der Prozessparameter entwickelt und auch amorphe und gelatineartige Feststoffe produzieren kann.

Das Ziel der Kristallisation ist, wie der Name einfach und deutlich andeutet, die Erzeugung von Kristallen. Diese zeichnen sich nicht nur durch Ordnung aus, sondern auch durch reine Feststoffe. Daher wird bei der Synthese fester Verbindungen versucht, hochreine Produkte zu erhalten, Kristalle, die so rein wie möglich sind.

Kristallisation eines hypothetischen purpurfarbenen gelösten Stoffes in wässriger Lösung. Quelle: Gabriel Bolívar.

Das obige Bild zeigt eine verallgemeinerte und hypothetische Kristallisation eines violetten gelösten Stoffes in wässriger Lösung.

Beachten Sie, dass der rote Balken als Thermometer dient. Wenn die Temperatur hoch ist, enthält die Lösung den gelösten gelösten Stoff, der unter diesen Bedingungen löslich bleibt. Wenn jedoch die Temperatur allmählich abfällt, beginnen die ersten violetten Kristalle zu erscheinen.

Wenn die Temperatur weiter abnimmt, werden die Kristalle größer und bilden robuste violette Sechsecke. Die Farbänderung der Lösung zeigt an, dass der gelöste Stoff nicht mehr gelöst, sondern in die wachsenden Kristalle eingebaut wurde. Je langsamer die Kristallisation ist, desto reiner ist der erhaltene kristalline Feststoff.

Bei diesem Prozess sind noch andere Variablen zu berücksichtigen: Wie viel gelöster Stoff wird in dem bestimmten Lösungsmittel gelöst, bei welcher Temperatur muss die Lösung erhitzt werden, wie lange muss die Abkühlung dauern, wie muss unter anderem auf Schallbewegung zurückgegriffen werden oder nicht. Aspekte.

Der Kristallisationsprozess, mehr als ein komplexes Phänomen, das Molekulardynamik und Thermodynamik umfasst, ist eine Kunst, die ständiges Lernen, Versuche und Fehler erfordert, bis er im Labor oder in der Industrie perfektioniert wird.

Kristallisationsprozess

Die Kristallisation besteht im Wesentlichen aus zwei Prozessen: Keimbildung und Kristallwachstum.

Beide Stadien finden immer während der Kristallisation statt, aber wenn die erste schnell auftritt, hat die zweite kaum Zeit, sich zu entwickeln. Wenn die Keimbildung langsam ist, haben die Kristalle mehr Zeit zum Wachsen und sind daher tendenziell größer. Letzteres ist die im Bild mit den violetten Sechsecken angenommene Situation.

Keimbildung

Kristalle sollen ursprünglich Feststoffe mit geordneten Strukturen sein. Aus der Lösung, in der der gelöste Stoff in Unordnung dispergiert ist, müssen seine Partikel nahe genug kommen, damit ihre Wechselwirkungen, ob ionisch oder Van-der-Walls-Typ, die Ansiedlung der ersten Gruppe gelöster Partikel ermöglichen: eines Clusters.

Dieser Cluster kann sich so oft wie nötig auflösen und neu bilden, bis er stabil und kristallin ist. Der erste Kern soll dann erschienen sein. Wenn der Kern aus dem Nichts erscheint, dh aufgrund der Homogenität des Mediums während seiner Abkühlung, handelt es sich um eine homogene Keimbildung.

Wenn andererseits der Kern dank der Oberfläche eines anderen unlöslichen festen Partikels oder aufgrund der Unvollkommenheiten des Behälters stattfindet, haben wir eine heterogene Keimbildung. Letzteres ist das am weitesten verbreitete und bekannteste, insbesondere wenn der Lösung ein zuvor erhaltener winziger Kristall der Spezies, die wir kristallisieren möchten, zugesetzt wird.

Kristalle können sich niemals ohne Keimbildung aus dünner Luft bilden.

Kristallwachstum

Es ist immer noch viel gelöster Stoff in Lösung, aber die Konzentration an gelöstem Stoff in diesen Kernen ist höher als in ihrer Umgebung. Die Kerne dienen als Träger dafür, dass sich mehr gelöste Partikel zwischen ihren wachsenden Strukturen festsetzen und "passen". Auf diese Weise bleiben ihre Geometrien erhalten und wachsen allmählich.

Zum Beispiel sind die ersten Kerne im Bild lila Sechsecke; Das ist deine Geometrie. Beim Einbau gelöster Partikel wachsen die Kerne zu robusten hexagonalen Kristallen, die weiter wachsen, wenn die Lösung in ein Eisbad getaucht wird.

Arten der Kristallisation

Was bisher erklärt wurde, besteht in der Kristallisation durch Abkühlen des Lösungsmittels.

Kristallisation zur Lösungsmittelentfernung

Andere Arten der Kristallisation beruhen auf der Entfernung des Lösungsmittels durch Verdampfung, für die nicht so viel Volumen verwendet werden muss; Das heißt, es reicht aus, es nur mit gelöstem Stoff zu sättigen und zu erhitzen, um es zu übersättigen, und dann etwas mehr, dann in Ruhe zu lassen, damit der gelöste Stoff schließlich kristallisiert.

Kristallisation der Lösungsmittelzugabe

Ebenso haben wir die Kristallisation, die durch die Zugabe eines Lösungsmittels zu der Mischung verursacht wird, in der der gelöste Stoff unlöslich ist (Antilösungsmittel). Daher wird die Keimbildung bevorzugt, da es bewegliche und flüssige Bereiche gibt, in denen die gelösten Partikel konzentrierter sind als in solchen, in denen sie sehr löslich sind.

Kristallisation durch Beschallung

Andererseits kommt es zu einer Kristallisation durch Ultraschallbehandlung, bei der Ultraschall kleine Blasen erzeugt und bricht, die wiederum die Keimbildung fördern, und gleichzeitig dazu beiträgt, die Kristallgrößen gleichmäßiger zu verteilen.

Und schließlich kommt es zu einer Kristallisation durch Aufdampfen auf kalten Oberflächen. das heißt, das umgekehrte Phänomen zur Sublimation von Festkörpern.

Kristallisationstrennverfahren

Die Kristallisation ist eine unverzichtbare Technik, um Feststoffe zu erhalten und zu reinigen. Es kommt sehr häufig bei der Synthese organischer Verbindungen vor und stellt eine der letzten Stufen dar, um die Reinheit und Qualität des Produkts zu gewährleisten.

Beispiel für Farbstoff

Nehmen wir zum Beispiel an, dass Kristalle eines Farbstoffs erhalten werden und dass sie bereits filtriert wurden. Da dieser Farbstoff ursprünglich durch Ausfällen in einer Synthese erhalten wurde, zeigt sein Feststoff das Aussehen von amorph, da viele Verunreinigungen zwischen seinen Molekülkristallen absorbiert und eingeschlossen sind.

Daher wird beschlossen, ein Lösungsmittel zu erhitzen, in dem der Farbstoff schwer löslich ist, so dass er sich bei Zugabe relativ leicht löst. Nach dem Auflösen nach Zugabe von etwas mehr Lösungsmittel wird die Lösung von der Wärmequelle getrennt und ruhen gelassen. Wenn die Temperatur sinkt, findet eine Keimbildung statt.

Somit bilden sich die Farbstoffkristalle und erscheinen definierter (für das Auge nicht unbedingt kristallin). Genau in diesem Moment wird der Behälter (normalerweise ein Erlenmeyerkolben oder ein Becherglas) in ein Eisbad getaucht. Die Kälte dieses Bades begünstigt letztendlich das Wachstum der Kristalle über der Keimbildung.

Die Kristalle des Farbstoffs werden dann vakuumfiltriert, mit einem Lösungsmittel gewaschen, in dem es unlöslich ist, und in einem Uhrglas trocknen gelassen.

Kristallisationstemperatur

Die Temperatur, bei der die Kristallisation auftritt, hängt davon ab, wie unlöslich der gelöste Stoff im Lösungsmittelmedium ist. Ebenso hängt es vom Siedepunkt des Lösungsmittels ab, denn wenn sich der gelöste Stoff bei der Siedetemperatur noch nicht gelöst hat, muss ein anderes geeigneteres Lösungsmittel verwendet werden.

Feststoffe, die in wässrigen Medien kristallisieren können, tun dies beispielsweise, wenn das Wasser seine Temperatur senkt (dh von 100 auf 50 ° C) oder während es verdampft. Wenn die Kristallisation durch Verdampfung erfolgt, soll sie bei Raumtemperatur stattfinden.

Andererseits findet die Kristallisation von Metallen oder einigen ionischen Feststoffen bei sehr hohen Temperaturen statt, da ihre Schmelzpunkte sehr hoch sind und die geschmolzene Flüssigkeit weißglühend ist, selbst wenn sie ausreichend abgekühlt ist, um ihre Partikel und zu bilden Wachsen Sie Ihre Kristalle.

Kristallisationsrate

Im Prinzip gibt es zwei direkte Möglichkeiten, die Kristallisationsgeschwindigkeit eines Feststoffs zu steuern: durch den Grad der Übersättigung (oder Übersättigung) oder durch plötzliche Temperaturänderungen.

Übersättigungsgrad

Der Übersättigungsgrad bedeutet, wie viel überschüssiger gelöster Stoff durch Anwendung von Wärme zum Auflösen gezwungen wird. Je übersättigter die Lösung ist, desto schneller ist der Keimbildungsprozess, da die Wahrscheinlichkeit größer ist, dass sich Kerne bilden.

Obwohl die Kristallisation auf diese Weise beschleunigt wird, sind die erhaltenen Kristalle kleiner als diejenigen, die mit einem geringeren Übersättigungsgrad erhalten werden; das heißt, wenn ihr Wachstum begünstigt wird und nicht die Keimbildung.

Temperaturänderungen

Wenn die Temperatur stark gesenkt wird, haben die Kerne kaum Zeit zum Wachsen und nicht nur das, sondern sie behalten auch höhere Mengen an Verunreinigungen. Das Ergebnis ist, dass die Kristallisation zwar schneller erfolgt als das langsame Abkühlen, die Qualität, Größe und Reinheit der Kristalle jedoch geringer ist.

Schnelle Kristallisation durch plötzlichen Temperaturabfall. Quelle: Gabriel Bolívar.

Das obige Bild dient als Kontrast zum ersten. Die gelben Punkte stellen die Verunreinigungen dar, die aufgrund des abrupten Wachstums der Kerne in ihnen eingeschlossen sind.

Diese Verunreinigungen machen es schwierig, mehr violette Sechsecke einzubauen, was am Ende zu vielen kleinen, unreinen Kristallen führt, anstatt zu großen, reinen.

Anwendungen

Die Kristallisation von Eiscreme ist einer der wichtigsten Aspekte bei der industriellen oder handwerklichen Herstellung. Quelle: Pixabay.

Die Kristallisation sowie die Rekristallisation sind entscheidend, um qualitativ hochwertige, reine Feststoffe zu erhalten. Für die Pharmaindustrie gilt dies insbesondere, weil ihre Produkte so rein wie möglich sein müssen, genau wie die in der Lebensmittelindustrie verwendeten Konservierungsmittel.

Darüber hinaus ist die Nanotechnologie stark von diesem Prozess abhängig, sodass sie Nanopartikel oder Nanokristalle anstelle robuster Kristallfeststoffe synthetisieren kann.

Eines der alltäglichen Beispiele, an denen die Kristallisation eine große Rolle spielt, ist die Herstellung von Eiscreme. Wenn Sie mit Wasser nicht vorsichtig sind, kristallisiert es in einer vom Lipidgehalt getrennten Phase (Eis) und beeinflusst so seine Textur und seinen Geschmack. Mit anderen Worten, es wird eher wie ein rasiertes Eis oder Eis sein.

Daher sollten die Eiskristalle so klein wie möglich sein, damit sich das Eis glatt anfühlt und anfühlt. Wenn diese Eiskristalle etwas groß sind, können sie im Licht nachgewiesen werden, da sie dem Eis eine mattierte Oberfläche verleihen.

Beispiele für die Kristallisation

Abschließend werden einige gängige Beispiele für natürliche und künstliche Kristallisation erwähnt:

Schneeflocken

Schneeflocken entstehen durch einen natürlichen Kristallisationsprozess. Es ist bekannt, dass jeder Schneekristall ein Unikat ist. Dies ist auf die Bedingungen zurückzuführen, die während der zweiten Phase der Kristallisation (Wachstum) auftreten.

Die unterschiedlichen geometrischen Formen der Schneekristalle sind auf die Bedingungen zurückzuführen, denen sie während des Kristallwachstums ausgesetzt sein müssen.

Salz

Salz ist das häufigste Beispiel für Kristallisation. Dies kann sowohl natürlich (wie Meersalz) als auch künstlich (wie bei Speisesalz) erfolgen.

Zucker

Zucker ist nach Salz einer der häufigsten Kristalle. Es entsteht durch eine Reihe komplexer industrieller Prozesse, bei denen Zuckerrohrsaft entnommen und einem künstlichen Kristallisationsprozess unterzogen wird.

Diamant

Diamant ist ein Edelstein, der aus der Kristallisation von reinem Kohlenstoff entsteht. Dies ist das härteste bekannte Material auf dem Planeten. Seine Bildung kann natürlich sein, wie es bei Diamanten in Bergbauvorkommen der Fall ist, oder synthetisch.

Rubin

Rubin ist ein rötlicher Kristall, der durch Kristallisation von Aluminiumoxid (Coridon) entsteht.

Stalagmiten

Stalagmiten sind Strukturen, die in Höhlen zu finden sind, insbesondere in Böden (die nach oben zeigen). Sie bestehen aus Kalziumverbindungen und entstehen durch die Kristallisation von Kalziumsalzen im Wasser, das von den Decken der Höhlen fällt.

Stalaktiten

Stalaktiten bestehen wie Stalagmiten aus Kalzium und kommen in Höhlen vor. Sie unterscheiden sich von letzteren, weil sie an den Decken hängen. Sie entstehen durch die Kristallisation der Kalziumsalze im Wasser, das die Höhlen infiltriert.

Quarz

Quarz ist ein Edelstein, der aus der Kristallisation von Kieselsäureanhydrid entsteht. Es ist eines der am häufigsten vorkommenden Mineralien in Gesteinen und seine Farbe ist variabel.

Peridot

Dieser Edelstein, auch Olivin genannt, entsteht durch die Kristallisation von Eisen und Magnesium. Es hat eine grünliche Farbe und ist normalerweise rautenförmig.

Silikate

Silikate sind Materialien, die durch Kristallisation von Kieselsäure und anderen Elementen (Eisen, Aluminium, Calcium, Magnesium) entstehen. Sie sind in allen Felsen vorhanden.

Süßigkeiten

Süßigkeiten werden aus Zuckerkristallen hergestellt, so dass gesagt werden kann, dass zwei Kristallisationsprozesse eingreifen: der erste für die Bildung von Zucker und der zweite für die Bildung von Melasse.

Cremiges Eis

Cremiges Eis enthält eine Reihe von Kristallen, die ihm die endgültige glatte Textur verleihen. Unter den Kristallen, die cremiges Eis enthält, stechen Lipidkristalle (aus Fett gebildet) und Eiskristalle hervor. Es ist zu beachten, dass einige Eiscremes auch Laktosekristalle enthalten.

In diesem Sinne wird Eis durch verschiedene künstliche Kristallisationsverfahren erhalten (eines für Lipide, eines für Eis und eines für Laktose).

Andere

-Vorbereitung von Zuckerkristallen um einen Faden oder ein Seil und eine übersättigte süße Lösung

-Formation von Zuckerkristallen aus Honigen, die sich am Boden ihrer Gläser ablagern

-Das Wachstum von Nierensteinen, die aus der Essenz von Calciumoxalatkristallen bestehen

-Die Kristallisation von Mineralien, einschließlich Edelsteinen und Diamanten, im Laufe der Jahre, deren Formen und Kanten ihre geordneten inneren Strukturen widerspiegeln

-Deposition heißer Metalldämpfe auf kalten Stäben als Träger für das Wachstum ihrer Kristalle.

Verweise

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2. Wikipedia. (2019). Kristallisation. Wiederhergestellt von: en.wikipedia.org
3. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (23. Mai 2019). Kristallisationsdefinition. Wiederhergestellt von :oughtco.com
4. Universität von Colorado. (sf). Kristallisation. Organische Chemie. Wiederhergestellt von: orgchemboulder.com
5. Syrris. (2019). Was ist Kristallisation? Wiederhergestellt von: syrris.com