Kristallisation är stelning av atomer eller molekyler till en mycket strukturerad form som kallas a kristall. Vanligtvis hänvisar detta till det långsamma nederbörd av kristaller från en lösning av ett ämne. Emellertid kan kristaller bildas från en ren smälta eller direkt från avsättning från gasfasen. Kristallisation kan också hänvisa till den separata och rena tekniken för fast vätska i vilken massöverföring sker från vätskelösningen till en ren fast kristallin fas.
Även om kristallisation kan inträffa under nederbörd är de två termerna inte utbytbara. Utfällning avser helt enkelt bildandet av ett olösligt (fast ämne) från en kemisk reaktion. En fällning kan vara amorf eller kristallin.
Kristallisationsprocessen
Två händelser måste inträffa för att kristallisation ska ske. Först kluster atomer eller molekyler samman i mikroskopisk skala i en process som kallas kärnbildning. Nästa, om klusterna blir stabila och tillräckligt stora, kristalltillväxt kan inträffa.
Atomer och föreningar kan generellt bilda mer än en kristallstruktur (polymorfism). Arrangemanget av partiklar bestäms under kristallisationsstadiet för kristallisation. Detta kan påverkas av flera faktorer, inklusive temperatur, partiklarnas koncentration, tryck och materialets renhet.
I en lösning i kristalltillväxtfasen upprättas en jämvikt i vilken lösta partiklar upplöses tillbaka i lösningen och fälls ut som ett fast ämne. Om lösningen är övermättad driver detta kristallisation eftersom lösningsmedlet inte kan stödja fortsatt upplösning. Ibland är det inte tillräckligt med en övermättad lösning för att inducera kristallisation. Det kan vara nödvändigt att tillhandahålla en utsäde kristall eller en grov yta för att starta kärnbildning och tillväxt.
Exempel på kristallisation
Ett material kan kristallisera antingen naturligt eller artificiellt och antingen snabbt eller över geologiska tidsskalor. Exempel på naturlig kristallisation inkluderar:
- Snöflingformation
- Kristallisation av honung i en burk
- Stalaktit- och stalagmittbildning
- Ädelsten kristall avsättning
Exempel på artificiell kristallisation inkluderar:
- Växande sockerkristaller i en burk
- Produktion av syntetiska ädelstenar
Kristallisationsmetoder
Det finns många metoder som används för att kristallisera ett ämne. Dessa beror till stor del på om utgångsmaterialet är en jonisk förening (t.ex. salt), kovalent förening (t.ex. socker eller mentol) eller en metall (t.ex. silver eller stål). Sätt att växa kristaller inkluderar:
- Kyler en lösning eller smälter
- Indunstning av ett lösningsmedel
- Tillsättande av ett andra lösningsmedel för att minska lösligheten hos det lösta ämnet
- sublime
- Lösningsmedel
- Lägga till en katjon eller anjon
Den vanligaste kristallisationsprocessen är att lösa upp det lösta ämnet i ett lösningsmedel i vilket det är åtminstone delvis lösligt. Ofta höjs lösningens temperatur för att öka lösligheten så att den maximala mängden lösta ämnen går in i lösningen. Därefter filtreras den varma eller heta blandningen för att ta bort olöst material eller föroreningar. Den återstående lösningen (filtratet) får långsamt svalna för att inducera kristallisation. Kristallerna kan avlägsnas från lösningen och får torka eller kan tvättas med användning av ett lösningsmedel i vilket de är olösliga. Om processen upprepas för att öka provets renhet, kallas det omkristallisation.
Kylningshastigheten för lösningen och mängden av indunstning av lösningsmedlet kan påverka storleken och formen på de resulterande kristallerna. I allmänhet resulterar långsammare förångning i minimal förångning.