Кратко опишите 2 процесса составляющие суть кристаллизации
Обновлено: 05.07.2024
Кристаллизация — это естественный процесс, который происходит, когда материалы затвердевают из жидкости или осаждаются из жидкости или газа. Этот процесс можно осуществить, вызвав физическое изменение, например изменение температуры, или химическое изменение, например кислотность. Процесс кристаллизации осуществляется на основе размера и формы участвующих молекул, а также их химических свойств. Кристаллы могут состоять из одного вида атомов, разных видов ионов или даже огромных молекул, таких как белки. Некоторые большие молекулы с трудом проходят процесс кристаллизации, поскольку их внутренняя химия несимметрична или взаимодействует сама с собой, чтобы избежать кристаллизации.
Элементарная ячейка известна как наименьшая единица кристалла. Это основная форма атомов или молекул, к которой можно присоединить больше единиц. Думайте об этом как о детском строительном блоке, к которому можно присоединить другие блоки. Кристаллизация происходит так, как будто блоки прикрепляются во всех направлениях. Некоторые материалы образуют кристаллы разной формы, что приводит к большим различиям в форме, размере и цвете различных кристаллов.
Типы кристаллизации
Процесс кристаллизации можно отличить по способу перенасыщения. Типы кристаллизации:
Испарительная кристаллизация
В процессе испарительной кристаллизации кристаллизация извлекается из испарения растворителя. Этот процесс создал пар и суспензию основной жидкости. Основная жидкость по-прежнему будет содержать равновесную концентрацию продукта. Остаточное количество продукта можно собрать, переработав основную жидкость. Примеси могут затруднить рециркуляцию основной жидкости. В какой-то момент концентрация примесей станет настолько высокой, что они могут повлиять на кристаллизацию или чистоту продукта. В этом случае основной поток жидкости больше не может быть рециркулирован, а оставшаяся жидкость должна быть удалена с помощью отводимого или продувочного потока.
Кристаллизация при охлаждении
Кристаллизация происходит хорошо, когда растворимость продукта сильно увеличивается с повышением температуры. В таких случаях холодная кристаллизация обычно более энергоэффективна, чем испарительная кристаллизация. В процессе кристаллизации при охлаждении продукт охлаждается в теплообменнике, который может быть расположен внутри кристаллизатора или во внешнем контуре. Стенка кристаллизатора может использоваться как внутренний теплообменник, но теплообменник также может быть встроен в кристаллизатор в виде охлаждающих трубок или пластин. Кристаллизация может продолжаться, когда жидкость охлаждается до температуры ниже равновесной растворимости. Самая низкая температура в системе находится в нижней части теплообменника, что приведет к образованию корки. В основном меры по предотвращению этого нежелательного явления заключаются в снижении разницы температур между хладагентом и кристаллизующимся раствором, в увеличении скорости жидкости вдоль дна теплообменника для выравнивания разницы температур по длине теплообменника или в использовании скребок для защиты дна теплообменника от твердых частиц. Другой метод охлаждения, который не требует теплообменника, — это методы мгновенного охлаждения, которые включают испарение растворителя или прямое охлаждение путем введения холодного газа или хладагента.
Кристаллизацию расплава можно назвать особой формой процесса кристаллизации при охлаждении. Важным отличием от кристаллизации при охлаждении из раствора является отсутствие растворителей, что показывает, что большинство процессов кристаллизации из расплава протекает вблизи точки плавления исходного продукта. Продуктом процесса кристаллизации расплава является нечистый расплав. Охлаждение этого расплава ниже температуры равновесия в основном приведет к образованию твердой фазы, которая чище, чем продукт, в то время как примеси предпочтительнее присутствовать в нечистой жидкости.
Процесс кристаллизации
Зарождение
Первым шагом в процессе кристаллизации является нуклеация. Первый атом в массе, образующий кристаллическую структуру, становится центром, и вокруг ядра собирается больше атомов. По мере того, как происходит этот процесс, вокруг ядра собирается больше элементарных ячеек, образуется небольшой затравочный кристалл. При кристаллизации очень важен процесс зародышеобразования, поскольку ядро кристалла определяет структуру всего кристалла. Дефекты ядра и затравочного кристалла могут привести к экстремальным перестройкам по мере того, как кристалл продолжает формироваться. Зарождение зародышей происходит в переохлажденной жидкости или перенасыщенном растворителе.
Переохлажденная жидкость — это жидкость, которая находится на грани превращения в твердое тело. Необходимо создать начальное ядро, чтобы превратить жидкость в твердое тело. Вокруг этого ядра будет продолжаться процесс кристаллизации. В охлаждающей жидкости ядро образуется, когда атомы или молекулы больше не имеют кинетической энергии, чтобы отразиться друг от друга. Вместо этого они начинают взаимодействовать друг с другом и образовывать стабильные кристаллические структуры. Чистые элементы в основном образуют кристаллическую структуру, в то время как более крупные молекулы трудно кристаллизовать при нормальной температуре и давлении.
В перенасыщенном растворе растворитель, несущий желаемые кристаллы, находится на максимальном уровне хранения. При понижении температуры или изменении кислотности растворимость атомов или молекул в растворах изменяется, и растворитель может нести их меньше. Таким образом, они выпадают из раствора, наталкиваясь друг на друга. Это также вызывает зародышеобразование и последующую кристаллизацию.
Рост кристаллов
Кристаллы могут принимать гораздо меньшее количество геометрических форм. Они определяются связями и взаимодействиями используемых молекул. Различные формы получены из-за разных валентных углов атомов, основанных на исходном ядре. Примесь в растворе или материале вызовет отклонение от типичного рисунка. Как мы видели на снежинках, даже небольшая примесь в ядре может привести к совершенно новому и уникальному дизайну.
Использование кристаллизации
Кристаллизация обычно используется в лабораториях. Его можно использовать для очистки веществ и объединить с передовыми методами визуализации, чтобы понять природу кристаллизованных веществ. При лабораторной кристаллизации вещество можно смешать с подходящим растворителем. Нагрев и изменение кислотности могут помочь материалу полностью раствориться. При изменении этих условий материалы в растворе выпадают в осадок с разной скоростью. При правильном использовании условий можно получить чистые кристаллы желаемых веществ.
Кристаллография — это передовой метод визуализации. В этом методе пучки высоких энергий или рентгеновские лучи и частицы могут проходить сквозь кристаллическую структуру чистого вещества. Хотя это не формирует видимого изображения, лучи и частицы дифрагируют в определенных узорах. Эти узоры можно увидеть с помощью специальной проявочной бумаги или электронных детекторов. Шаблоны могут быть проанализированы математиками и компьютерами, и может быть сформирована структура кристалла. Дифракционные картины получаются, когда частицы или лучи перенаправляются плотными электронными облаками в кристаллической структуре. Эти плотные области представляют собой атомы и связи в кристалле, образовавшиеся в процессе кристаллизации. Используя этот метод, ученые могут распознать практически любое вещество на основе его кристаллической формы.
Примеры кристаллизации
Человеческая шкала времени
Для образования кристаллов требуется много времени или они могут образоваться быстро. Ученые смогли изучить кристаллизацию, потому что в природе существует множество явлений, в которых кристаллизация происходит быстро. Как мы уже говорили ранее, лед и снежинки — отличный пример кристаллизации воды. Другой пример — кристаллизация меда. Когда пчелы выбрасывают мед в соты, он находится в жидкой форме. Со временем молекулы сахара в меде начинают образовывать кристаллы в процессе кристаллизации, описанном ранее. Заглянув внутрь старой бутылки с медом, вы заметите, что в жидкости образовались маленькие кристаллы сахара.
Шкала геологического времени
Несмотря на то, что процесс похож, время, необходимое для формирования таких вещей, как кварц, рубин и гранит, очень велико. Эти кристаллы образуются под чрезвычайно высоким давлением в коре и магме Земли. Хотя кристаллизация — то же самое, требуется очень много времени для того, чтобы условия объединились и кристаллизовались правильным образом. Лаборатории также выращивают кристаллы кристаллов, которые можно использовать для производства большего количества кристаллов за один раз.
Кристаллизация – это процесс образования участков кристаллической решетки в жидкой фазе и рост кристаллов из образовавшихся центров.
Кристаллизация протекает в условиях, когда система переходит к термодинамически более устойчивому состоянию с минимумом свободной энергии.
Процесс перехода металла из жидкого состояния в кристаллическое можно изобразить кривыми в координатах время – температура. Кривая охлаждения чистого металла представлена на рис. 1.
Рис.1. Кривая охлаждения чистого металла
– теоретическая температура кристаллизации;
. – фактическая температура кристаллизации.
Процесс кристаллизации чистого металла:
До точки 1 охлаждается металл в жидком состоянии, процесс сопровождается плавным понижением температуры. На участке 1 – 2 идет процесс кристаллизации, сопровождающийся выделением тепла, которое называется скрытой теплотой кристаллизации . Оно компенсирует рассеивание теплоты в пространство, и поэтому температура остается постоянной. После окончания кристаллизации в точке 2 температура снова начинает снижаться, металл охлаждается в твердом состоянии.
Механизм кристаллизации металлов.
При соответствующем понижении температуры в жидком металле начинают образовываться кристаллики – центры кристаллизации или зародыши . Для начала их роста необходимо уменьшение свободной энергии металла, в противном случае зародыш растворяется.
Минимальный размер способного к росту зародыша называется критическим размером , а зародыш – устойчивым.
Переход из жидкого состояния в кристаллическое требует затраты энергии на образование поверхности раздела жидкость – кристалл. Процесс кристаллизации будет осуществляться, когда выигрыш от перехода в твердое состояние больше потери энергии на образование поверхности раздела. Зависимость энергии системы от размера зародыша твердой фазы представлена на рис. 2.
Зародыши с размерами равными и большими критического растут с уменьшением энергии и поэтому способны к существованию.
Рис.2. Зависимость энергии системы от размера зародыша твердой фазы
Механизм кристаллизации представлен на рис.3.
Рис.3. Модель процесса кристаллизации
Центры кристаллизации образуются в исходной фазе независимо друг от друга в случайных местах. Сначала кристаллы имеют правильную форму, но по мере столкновения и срастания с другими кристаллами форма нарушается. Рост продолжается в направлениях, где есть свободный доступ питающей среды. После окончания кристаллизации имеем поликристаллическое тело.
Качественная схема процесса кристаллизации может быть представлена количественно кинетической кривой (рис. 4).
Рис. 4. Кинетическая кривая процесса кристаллизации
Процесс вначале ускоряется, пока столкновение кристаллов не начинает препятствовать их росту. Объем жидкой фазы, в которой образуются кристаллы уменьшается. После кристаллизации 50 % объема металла, скорость кристаллизации будет замедляться.
Таким образом, процесс кристаллизации состоит из образования центров кристаллизации и роста кристаллов из этих центров.
В свою очередь, число центров кристаллизации (ч.ц.) и скорость роста кристаллов (с.р.) зависят от степени переохлаждения (рис. 5).
Рис. 5. Зависимость числа центров кристаллизации (а) и скорости роста кристаллов (б) от степени переохлаждения
Размеры образовавшихся кристаллов зависят от соотношения числа образовавшихся центров кристаллизации и скорости роста кристаллов при температуре кристаллизации.
При равновесной температуре кристаллизации Т S число образовавшихся центров кристаллизации и скорость их роста равняются нулю, поэтому процесса кристаллизации не происходит.
Если жидкость переохладить до температуры, соответствующей т. а, то образуются крупные зерна (число образовавшихся центров небольшое, а скорость роста – большая).
При переохлаждении до температуры соответствующей т. в – мелкое зерно (образуется большое число центров кристаллизации, а скорость их роста небольшая).
Если металл очень сильно переохладить, то число центров и скорость роста кристаллов равны нулю, жидкость не кристаллизуется, образуется аморфное тело. Для металлов, обладающих малой склонностью к переохлаждению, экспериментально обнаруживаются только восходящие ветви кривых.
Рекристализационный отжиг (Рекристаллизация) – отжиг I-го рода, процесс зарождения и роста новых недеформированных зерен при нагреве наклепанного металла до определенной температуры.
Нагрев металла до температур рекристаллизации сопровождается резким изменением микроструктуры и свойств. Нагрев приводит к резкому снижению прочности при одновременном возрастании пластичности. Также снижается электросопротивление и повышается теплопроводность.
1 стадия – первичная рекристаллизация (обработки) заключается в образовании центров кристаллизации и росте новых равновесных зерен с неискаженной кристаллической решеткой. Новые зерна возникают у границ старых зерен и блоков, где решетка была наиболее искажена. Количество новых зерен постепенно увеличивается и в структуре не остается старых деформированных зерен.
Движущей силой первичной рекристаллизации является энергия, аккумулированная в наклепанном металле. Система стремится перейти в устойчивое состояние с неискаженной кристаллической решеткой.
2 стадия – собирательная рекристаллизация заключается в росте образовавшихся новых зерен.
Движущей силой является поверхностная энергия зерен. При мелких зернах поверхность раздела большая, поэтому имеется большой запас поверхностной энергии. При укрупнении зерен общая протяженность границ уменьшается, и система переходит в более равновесное состояние.
Температура начала рекристаллизации связана с температурой плавления
,
для металлов
для твердых растворов
для металлов высокой чистоты
На свойства металла большое влияние оказывает размер зерен, получившихся при рекристаллизации. В результате образования крупных зерен при нагреве до температуры t 1 начинает понижаться прочность и, особенно значительно, пластичность металла.
Основными факторами, определяющими величину зерен металла при рекристаллизации, являются температура, продолжительность выдержки при нагреве и степень предварительной деформации (рис. 6).
Рис. 6. Влияние предварительной степени деформации металла на величину зерна после рекристаллизации
С повышением температуры происходит укрупнение зерен, с увеличением времени выдержки зерна также укрупняются. Наиболее крупные зерна образуются после незначительной предварительной деформации 3…10 %. Такую деформацию называют критической. И такая деформация нежелательна перед проведением рекристаллизационного отжига.
Практически рекристаллизационный отжиг проводят для малоуглеродистых сталей при температуре 600…700 o С, для латуней и бронз – 560…700 o С, для алюминиевых сплавов – 350…450 o С, для титановых сплавов – 550…750 o С.
Превращения в железоуглеродистых сплавах
Диаграмма состояния Fe-Fe 3 C (рис. 7) показывает фазовый состав и превращения в сплавах с концентрацией от чистого железа до цементита.
Превращения в железоуглеродистых сплавах происходит как при кристаллизации (затвердевании) жидкой фазы (Ж), так и в твердом состоянии.
Рис. 7. Диаграмма состояния Fe – Fe 3 C (в упрощенном и полном виде).
Первичная кристаллизация идет в интервале температур, ограни-ченных линиями ликвидус (ACD) и солидус (AECF).
Вторичная кристаллизация происходит за счет превращения железа одной аллотропической модификации в другую и за счет изменения растворимости углерода в аустените и феррите, которая уменьшается с понижением температуры. Избыток углерода выделяется из твердых растворов в виде цементита. В сплавах системы Fe-Fe 3 C происходят следующие изотермические превращения:
Эвтектическое превращение на линии ECF (1147 °C)
Эвтектоидное превращение на линии PSK (727 °C)
Эвтектическая смесь аустенита и цементита называется ледебуритом (Л), а эвтектоидная смесь феррита и цементита – перлитом (П). Ледебурит содержит 4,3 % углерода. При охлаждении ледебурита ниже линий PSK входящий в него аустенит превращается в перлит и при нормальной температуре ледебурит представляет собой смесь перлита и цементита и называется ледебуритом превращенным (Л пр). Цементит в этой структурной составляющей образует сплошную матрицу, в которой размещены колонии перлита. Такое строение ледебурита объясняет его большую твердость (HB 700) и хрупкость.
Перлит содержит 0,8 % углерода. В зависимости от формы частичек цементит бывает пластинчатый и зернистый. Является прочной структурной составляющей с твердостью (HB210).
Линии диаграммы состояния Fе – Fе 3 C
Линии диаграммы представляют собой совокупность критических точек сплавов с различным составом, характеризующих превращения в этих сплавах при соответствующих температурах.
Рассмотрим значение линий диаграммы при медленном охлаждении.
ACD – линия ликвидус. Выше этой линии все сплавы находятся в жидком состоянии.
AECF – линия солидус. Ниже этой линии все сплавы находятся в твердом состоянии.
АС – из жидкого раствора выпадают кристаллы аустенита.
CD – линия выделения первичного цементита.
AE – заканчивается кристаллизация аустенита.
ECF – линия эвтектического превращения.
GS – определяет температуру начала выделения феррита из аустенита (910-727 °C).
GP – определяет температуру окончания выделения феррита из аустенита.
PSK – линия эвтектоидного превращения.
ES – линия выделения вторичного цементита.
PQ – линия выделения третичного цементита.
Области диаграммы состояния Fe – Fe 3 C
Линии диаграммы: делят все поле диаграммы на области равновесного существования фаз. Каждой области диаграммы соответствует определенное структурное состояние, сформированное в результате происходящих в сплавах превращений.
I – Жидкий раствор (Ж).
II –Жидкий раствор (Ж) и кристаллы аустенита (А).
III – Жидкий раствор (Ж) и кристаллы цементита первичного (Ц I ).
IV – Кристаллы аустенита (А).
V – Кристаллы аустенита (А) и феррита (Ф).
VI – Кристаллы феррита (Ф).
VII – Кристаллы аустенита (А) и цементита вторичного (Ц II ).
VIII – Кристаллы феррита (Ф) и цементита третичного (Ц III ).
IX – Кристаллы феррита (Ф) и перлита (П).
X – Кристаллы перлита (П) и цементита вторичного (Ц II ).
XI – Кристаллы аустенита (А), ледебурита (Л) и цементита вторичного (Ц II ).
XII – Кристаллы перлита (П), цементита вторичного (Ц II ) и ледебурита превращенного (Л пр).
XIII –Кристаллы ледебурита и цементита первичного (Ц I ).
XIV – Кристаллы цементита первичного (Ц I ) перлита (П) и ледебурита превращенного (Л пр).
Сталь эвтектоидного состава – содержание углерода 0,8 % (рис.8, сплав Ш).
В этом случае при охлаждении аустенита имеется только одна критическая точка А s , отвечающая температуре 727 С. При этой температуре аустенит находится в равновесии с ферритом и цементитом:
А s Ф p + Ц
Эвтектоидный распад аустенита состава точки S (0,8 %С) на феррит состава точки Р (0,025 %С) и цементит происходит при некотором переохлаждении, т.е. ниже 727 С. Эвтектоидная смесь феррита с цементитом называется перлитом . Соотношение феррита и цементита в перлите составляет примерно 7,3 : 1.
Подсчет ведется по правилу рычага, несколько ниже эвтектоидной линии:
При комнатной температуре – состав феррит и перлит
Рис. 8. Левый нижний участок диаграммы состояния железо-цементит. Вторичная кристаллизация сплавов:
а) диаграмма, б), в), г), д), е) кривые охлаждения сплавов
Похожие документы:
Методические указания и контрольные задания для студентов-заочников машиностроительных специальностей вузов москва "высшая школа" 1988
. при нагреве и охлаждении. Вариант 4 1.Опишите физическую сущность и механизм процесса кристаллизации. 2.Для чего проводится . влияют модификаторы на процесс кристаллизации? Приведите примеры практического использования процесса модифицирования. 2. Как .
. Дисциплина «Физическое материаловедение . Кристаллизация Энергетические условия процесса кристаллизации. Механизм процесса кристаллизации. Самопроизвольная и несамопроизвлольная кристаллизация . механизму и механизму образования и роста зародышей. Сущность .
Физическая химия
. и фильтрация, конденсация, кристаллизация и вообще процесс образования новых фаз – . ограничивающего эту поверхность. Физическая сущность поверхностного натяжения в этом . необходимо использование представлений о механизме адсорбции и конкретных моделей .
. веществ нет горизонтального участка? Каков механизм процесса кристаллизации? При каком строении металлов . ? 14. В чем заключается физическая сущность процессов плавления и кристаллизации? 15. Объясните сущность и цели модифицирования. 16. .
1. Сварка. Сущность, принципиальная схема, особенности, преимущества, недостатки, область практического применения, классификация видов сварки
. разряд. Сущность процесса – При сварке . стадия процесса кристаллизации: образование центров кристаллизации, . Специфическими особенностями физических свойств . 3-кассета; 4-механизм подачи проволоки; 5-6-механизмы вертикального и поперечного .
Теоретические основы кристаллизации. Измерение и анализ параметров кристаллизации и осаждения
Пожалуйста, расскажите о вашей задаче. Узнать больше Позвонить специалисту Запросить информацию Запросить цены
Что такое кристаллизация?
Кристаллизация — процесс выстраивания атомов и молекул в жесткую кристаллическую решетку с хорошо определенной энергетически устойчивой структурой. Мельчайший структурный элемент кристаллической решетки — ячейка. Она способна принимать атомы и молекулы, и благодаря этому свойству формируется макроскопический кристалл. В процессе кристаллизации атомы и молекулы соединяются между собой под определенными углами, образуя характерную форму кристалла с гладкими поверхностями и гранями. Хотя кристаллизация происходит в природе, у нее также есть широкое промышленное применение. Она используется на этапе разделения и очистки при производстве фармацевтических и химических продуктов.
Условия процесса кристаллизации напрямую влияют на размер и форму кристаллов и чистоту кристаллического продукта. Важно понимать сущность процесса кристаллизации и правильно подбирать его параметры. Это позволит получать однородные кристаллы нужного размера, формы и чистоты, а также предотвратить проблемы на последующих этапах, такие как слишком долгое время фильтрации или недостаточная сушка.
Почему кристаллизация так важна?
Кристаллизация широко применяется для производства различных необходимых нам продуктов — начиная от пищи и лекарств и заканчивая топливом. Большинство продуктов агрохимической и фармацевтической промышленности в ходе разработки и производства подвергается нескольким этапам кристаллизации. С помощью этого процесса получают такие ключевые пищевые ингредиенты, как лактоза и лизин. Однако нежелательная кристаллизация может быть опасна — например, кристаллизация газовых гидратов в глубоководных трубопроводах.
Основные понятия кристаллизации
Кристаллизация
— это процесс образования твердой фазы в виде кристаллов из растворов или расплавов.
Кристалл
— тело, частицы которого (атомы, ионы или молекулы) расположены в трехмерной периодической структуре, принимающей естественную форму многогранника.
Осаждение
— синоним кристаллизации, однако этот термин чаще всего употребляется в отношении кристаллизации, которая происходит очень быстро в результате химической реакции.
Растворимость
— свойство вещества, его количество, которое способно раствориться в данном растворителе при данной температуре.
Насыщенный раствор
— раствор, содержащий максимальное количество вещества, которое способно раствориться в данном растворителе при данной температуре. Кристаллизация происходит в насыщенном растворе. Количество растворенного на тот момент вещества определяется его растворимостью.
Пересыщение
— разница между реальной и равновесной концентрациями растворенного вещества при данной температуре.
Виды кристаллизации
Кристаллизация происходит, когда растворимость вещества в растворе понижается каким-либо способом. Стандартные методы снижения растворимости:
b) добавление антирастворителя;
d) реакция (осаждение).
Выбор метода кристаллизации зависит от имеющегося оборудования, целей процесса кристаллизации, растворимости и стабильности растворенного вещества в выбранном растворителе.
Типичные сложности при кристаллизации
Кристаллизация происходит за счет нескольких взаимосвязанных процессов, на протекание которых влияют выбранные параметры. Основные этапы:
- образование активных центров (нуклеация);
- рост;
- образование новой жидкой фазы;
- агломерация;
- распад агломератов;
Данные процессы, которые часто протекают в скрытом виде, оказывают ключевое влияние на результат кристаллизации.
Этапы кристаллизации
- Выберите подходящий растворитель. Ключевые моменты, на которые нужно обратить внимание, — количество вещества, которое можно в нем растворить (растворимость), и безопасность работы с растворителем.
- Повышая температуру, полностью растворите продукт в растворителе. Нерастворенные примеси можно удалить из горячего раствора с помощью фильтрования.
- Чтобы уменьшить растворимость, используйте охлаждение, добавление антирастворителя, испарение или реакцию осаждения. Раствор станет пересыщенным.
- Кристаллизируйте продукт. При уменьшении растворимости до определенной точки начинается нуклеация и рост кристаллов. В ходе этого процесса формируются кристаллы продукта высокой степени чистоты. Примеси останутся в растворе.
- Позвольте системе достигнуть равновесия после охлаждения (или применения другого метода кристаллизации).
- Проведите фильтрацию и сушку готового продукта.
Публикации по теме кристаллизации
Ознакомьтесь с подборкой статей по теме кристаллизации:
Классическая работа по нуклеации кристаллов из растворов
Jaroslav Nývlt, Kinetics of nucleation in solutions, Journal of Crystal Growth, Volumes 3–4, 1968.
Исследование механизмов выращивания кристаллов из раствора
Crystal Growth Kinetics, Material Science and Engineering, Volume 65, Issue 1, July 1984.
Подробное исследование причин агломерации кристаллов в процессе кристаллизации
Brunsteiner et al., Toward a Molecular Understanding of Crystal Agglomeration, Crystal Growth & Design, 2005, 5 (1), pp 3–16.
Исследование механизмов распада агломератов в процессе кристаллизации
Fasoli & Conti, Crystal breakage in a mixed suspension crystallizer, Volume 8, Issue 8, 1973, Pages 931–946.
Обзор алгоритмов разработки эффективных процессов кристаллизации в высокотехнологичных сегментах химической промышленности
Paul et al., Organic Crystallization Processes, Powder Technology, Volume 150, Issue 2, 2005.
Технологии, которые гарантируют получение нужной полиморфной формы в процессе кристаллизации
Kitamura, Strategies for Control of Crystallization of Polymorphs, CrystEngComm, 2009,11, 949–964.
Основные параметры и превращения в процессе кристаллизации
Кристаллы обладают множеством характеристик, но, пожалуй, важнейшая из них — это распределение кристаллов по размерам. От этого параметра в значительной степени зависят качество конечного продукта и эффективность процесса его получения. Размер и форма кристаллов непосредственно влияют на основные технологические этапы, следующие за кристаллизацией, — фильтрацию и сушку. Конечный размер кристаллов также определяет качество кристаллического продукта. Например, биологическая доступность и эффективность фармацевтических составов тем выше, чем мельче получаемые кристаллы, так как они лучше растворяются.
Оптимизировать дисперсность кристаллов можно путем тщательного подбора условий и параметров процесса кристаллизации. Чтобы кристаллический продукт приобрел нужные свойства, важно понимать, как параметры процесса влияют на основные превращения в ходе кристаллизации — образование зародышей (нуклеацию), рост и распад кристаллов.
Практический пример: значение скорости охлаждения для кристаллизации
В этом примере охлаждение в конце цикла вызывает вторичную нуклеацию, которая приводит к образованию множества мелких частиц. Исследование проведено с использованием анализаторов размера частиц.
Увеличение скорости охлаждения раствора ведет к более быстрому пересыщению, в результате скорость образования зародышей кристаллов будет выше скорости их роста. Следовательно, чтобы получить нужное распределение кристаллов по размеру, чрезвычайно важно контролировать скорость охлаждения.
Дисперсность кристаллов льда, например, влияет на вкус и консистенцию мороженого: так, кристаллы размером менее 50 мкм предпочтительнее кристаллов, которые больше 100 мкм. Она влияет и на технологические свойства распыляемых агрохимикатов: их частицы должны быть малы настолько, чтобы не засорять сопла при распылении, но при этом достаточно большими, чтобы их не уносило на соседние поля.
При масштабировании получить кристаллический продукт нужного размера и формы с наименьшими издержками возможно лишь в случае понимания всех нюансов кристаллизации.
Оборудование для кристаллизации
Процессно-аналитическая технология для разработки процессов кристаллизации
Рабочая станция кристаллизации позволяет ученым получать максимум информации из каждого эксперимента с помощью централизованного программного решения. Средства процессно-аналитической технологии (PAT):
-
Автоматизированные реакторы EasyMax, OptiMax и RX-10, а также реакционный калориметр RC1 обеспечивают непрерывное (24/7) и точное регулирование и регистрацию параметров процесса, включая значения энтальпии кристаллизации, благодаря чему ученые могут точно определять критические параметры процесса (CPP).
— это зондовый прибор для получения изображений с высоким разрешением и их анализа. EasyViewer рассчитывает характеристики дисперсий кристаллов, частиц и капель в том естественном виде, в каком они находятся в технологической среде.
— анализатор размера и количества частиц. Полученная с его помощью статистически достоверная характеристика свойств дисперсных систем способствует успешному масштабированию процесса от лаборатории до производства при полном соблюдении требований ATEX.
— рамановская спектроскопия in situ позволяет получать информацию химического и структурного характера, которая необходима для комплексного изучения полиморфных систем и выбора параметров процесса, обеспечивающих получение кристаллов требуемой формы.
— спектроскопия ИКФС в режиме реального времени предоставляет важные сведения о концентрации и уровне пересыщения, ширине зоны метастабильности, кинетике снятия пересыщения и конечной точке кристаллизации. Эти данные необходимы для обеспечения повторяемости процесса кристаллизации и гарантированного достижения заданной конечной точки.
Автоматизированные реакторы
Точное регулирование критических параметров процесса
В дисперсных системах такие параметры, как температура, интенсивность перемешивания или режим дозирования, непосредственно влияют на качество процесса и конечного продукта. Приборы EasyMax, OptiMax, RC1 и RX-10 обеспечивают точное регулирование и регистрацию условий процесса для гибкого конструирования дисперсных систем.
-
Регистрируются все данные: начиная от порядка добавления ингредиентов, программы дозирования и подъема температуры до регулирующих воздействий в ходе процесса.
Определение характеристик частиц
Изучение частиц в технологической среде
Размер, форма и концентрация — это важнейшие свойства частиц на каждой стадии процесса кристаллизации и на всех этапах масштабирования, поэтому они считаются критическими показателями качества (CQA). Анализаторы размера частиц оперативно отображают и количественно характеризуют частицы и важнейшие механизмы их формирования, что существенно облегчает разработку процессов кристаллизации.
-
Свойства частиц и механизмы их формирования регистрируются автоматически для последующего анализа.
Химический и структурный анализ
Достижение заданной конечной точки — в каждом эксперименте
Такие характеристики среды, как концентрация раствора, степень пересыщения и кристаллическая (полиморфная) модификация, часто связаны между собой и в совокупности определяют успех разработки технологического процесса кристаллизации. Системы ReactIR и ReactRaman анализируют состояние раствора и дисперсии для безошибочного достижения заданной конечной точки процесса.
-
Они непрерывно контролируют состав раствора и форму отдельных частиц, регистрируют и отображают результаты в режиме реального времени.
Как разработать процесс кристаллизации
Разработка процесса кристаллизации для получения чистого продукта с оптимальным выходом и размером частиц включает в себя ряд важных элементов:
Кристаллизация – это естественный процесс, который происходит, когда материалы затвердевают из жидкости или выпадают в осадок из жидкости или газа. Это может быть вызвано физическим изменением, таким как изменение температуры, или химическим изменением, таким как кислотность. Кристаллизация – это процесс, определяемый размером и формой вовлеченных молекул и их химическими свойствами. Кристаллы могут быть сформированы из одного вид атома, различных видов ионов или даже больших молекул, таких как белки. Некоторым крупным молекулам труднее пройти процесс кристаллизации, потому что их внутренняя химия не очень симметрична или взаимодействует сама с собой, чтобы избежать кристаллизации.
Самая маленькая единица кристалла называется единицей клетка, Это базовое образование атомов или молекул, к которому могут быть присоединены дополнительные единицы. Вы можете думать об этом как о детском строительном блоке, к которому можно прикрепить другие блоки. Кристаллизация происходит так, как будто вы прикрепляете эти блоки во всех направлениях. Некоторые материалы образуют кристаллы различной формы, что объясняет большие различия в форме, размере и цвете различных кристаллов.
Процесс кристаллизации
Зарождение
Первый шаг в процессе кристаллизации – зародышеобразование. Первые атомы в массе, которые формируют кристаллическую структуру, становятся центром, и больше атомов организуется вокруг этого ядра. Когда это происходит, вокруг ядра собирается больше элементарных ячеек, образуется маленький затравочный кристалл. Процесс зародышеобразования чрезвычайно важен при кристаллизации, поскольку ядро кристалла будет определять структуру всего кристалла. Несовершенство ядра и затравочного кристалла может привести к резким перестройкам, поскольку кристалл продолжает формироваться. Нуклеация происходит в переохлажденной жидкости или перенасыщенной растворитель.
Переохлажденная жидкость – это любая жидкость на грани превращения в твердое вещество. Для того, чтобы это произошло, должно сформироваться первоначальное ядро. Именно вокруг этого ядра процесс кристаллизации будет продолжаться. В охлаждающей жидкости ядро образуется, когда атомы или молекулы больше не имеют кинетической энергии, чтобы отскакивать друг от друга. Вместо этого они начинают взаимодействовать друг с другом и образуют стабильные кристаллические образования. Чистые элементы обычно образуют кристаллическую структуру, в то время как крупные молекулы могут быть трудно кристаллизоваться при нормальных температурах и давлениях.
Рост кристаллов
Есть только несколько геометрических фигур, которые могут принимать кристаллы. Они определяются связями и взаимодействиями участвующих молекул. Разные формы обусловлены разными углами связи атомов в зависимости от исходного ядра. Примеси в растворе или материале приведут к отклонению от типичного рисунка. Как видно из снежинок, даже крошечные примеси в ядре приводят к совершенно новым и уникальным конструкциям.
Лабораторное использование кристаллизации
Кристаллизация является распространенным и полезным лабораторным методом. Он может быть использован для очистки веществ и может быть объединен с передовыми методами визуализации для понимания природы кристаллизованных веществ. При лабораторной кристаллизации вещество может быть растворено в подходящем растворителе. Тепло и изменения кислотности могут помочь материалу раствориться. Когда эти условия меняются местами, материалы в растворе осаждаются с разными скоростями. Если условия контролируются должным образом, могут быть получены чистые кристаллы желаемого вещества.
Продвинутая техника визуализации, называемая кристаллографией, рентгеновскими лучами или другими высокоэнергетическими пучками и частицами, может быть пронизана через кристаллическую структуру чистого вещества. Хотя это не создает видимого изображения, лучи и частицы дифрагируют в определенных образцах. Эти шаблоны могут быть обнаружены с помощью специальной проявочной бумаги или электронных детекторов. Образец может затем быть проанализирован математикой и компьютерами, и модель кристалла может быть сформирована. Дифракционные картины создаются, когда частицы или лучи перенаправляются плотными электронными облаками внутри кристаллической структуры. Эти плотные области представляют атомы и связи, присутствующие в кристалле, образовавшемся во время кристаллизации. Используя этот метод, ученые могут распознать практически любое вещество по его кристаллической форме.
Примеры кристаллизации
Шкала времени человека
Кристаллам может потребоваться огромное количество времени, чтобы сформироваться, или они могут сформироваться быстро. Ученые смогли изучить кристаллизацию, потому что в природе существует много событий, в которых кристаллизация происходит быстро. Как уже обсуждалось, лед и снежинки являются отличными примерами кристаллизации воды. Другой интересный пример – кристаллизация меда. Когда пчелы срыгивают мед в соты, это жидкость. Со временем молекулы сахара внутри меда начинают образовывать кристаллы в процессе кристаллизации, описанном выше. Если у вас есть старая бутылка меда, загляните внутрь. Скорее всего, в жидкости будет мало кристаллов сахара. Если вы хотите ускорить процесс, положите мед в холодильник. Охлаждение жидкости снижает растворимость сахара в жидкости, и он быстро образует кристаллы.
Геологическая шкала времени
Хотя процесс схожий, время, необходимое для формирования таких вещей, как кварц, рубин и гранит, намного больше. Эти кристаллы образуются при очень высоких давлениях в коре и магме Земли. Несмотря на то, что процесс кристаллизации одинаков, условия и атомы долго соединяются, чтобы правильно кристаллизоваться. Эти процессы могут быть воспроизведены в лаборатории в более короткие сроки путем создания идеальных условий для кристаллизации. Лаборатории также могут выращивать затравочные кристаллы, которые могут быть введены, чтобы значительно ускорить производство больших партий кристаллов одновременно.
В несколько более короткие сроки в процессе кристаллизации также образуются минеральные отложения, такие как сталактиты и сталагмиты. Когда на эти кристаллы падают небольшие капли воды, содержащиеся в них минералы интегрируются в уже имеющуюся кристаллическую структуру, и вода стекает.
викторина
1. Некоторые ученые утверждают, что кристаллы – это форма жизни. Какое из следующих утверждений поддерживает эту идею?A. Кристаллы могут свободно перемещатьсяB. Благодаря кристаллизации, кристаллы собираются и растут естественным путемC. Кристаллы – живые существа с нервной системой
Ответ на вопрос № 1
В верно. Кристаллизация – это процесс, который происходит естественным путем и во многом напоминает растущую клетку. Хотя рост кристаллов намного проще, он связан с набором правил, вытекающих из химических свойств участвующих молекул.
2. Что из перечисленного НЕ является кристаллом?A. Рубиновый каменьB. Слиток золотаC. Гелий Газ
Ответ на вопрос № 2
С верно. Очевидно, что газ не может образовывать кристалл. На самом деле, гелий должен быть переохлажден до того, как он станет жидким. Молекулы движутся слишком быстро, чтобы сформировать стабильную и правильную структуру. Большинство других веществ в твердой форме представляют собой кристаллы, за исключением нескольких исключений. К ним относятся такие вещи, как стекло, которое не образует регулярную структуру. Вместо кристаллизации такие материалы, как стекло и прозрачный пластик, замерзают, прежде чем можно будет создать структуру.
3. Вы берете немного морской воды из океана. Вы наливаете его в плоскую кастрюлю и оставляете на солнце. Когда вода испаряется, вы начинаете видеть маленькие кристаллы, формирующиеся на дне кастрюли. Что происходит?A. Ничего, они были там раньшеB. По мере испарения воды присутствующие кристаллы становятся просто более заметнымиC. Когда вода испаряется, соли кристаллизуются из раствора
Ответ на вопрос № 3
С верно. Меньше воды в кастрюле означает более высокую концентрацию соли. Когда уровень соли превышает уровень воды, она начинает выпадать из раствора и начинается процесс кристаллизации. Если оставить на несколько дней, вода полностью испарится, оставив только кристаллизованную соль. Не ешьте это все же! Существует много видов соли, и это не хлорид натрия, который вы найдете на своем столе.
Читайте также: