Понятие кристаллизации насыщенных растворов и способы получения насыщенных растворов

Понятие кристаллизации

Кристаллизамция — процесс фазового перехода вещества из жидкого состояния в твёрдое кристаллическое с образованием кристаллов. Фазой называется однородная часть термодинамической системы отделённая от других частей системы (других фаз) поверхностью раздела, при переходе через которую химический состав, структура и свойства вещества изменяются скачками [6].

Кристаллизация — это процесс выделения твёрдой фазы в виде кристаллов из растворов или расплавов, в химической промышленности процесс кристаллизации используется для получения веществ в чистом виде [1].

Кристаллизация начинается при достижении некоторого предельного условия, например, переохлаждения жидкости или пересыщения пара, когда практически мгновенно возникает множество мелких кристалликов — центров кристаллизации. Кристаллики растут, присоединяя атомы или молекулы из жидкости или пара. Рост граней кристалла происходит послойно, края незавершённых атомных слоев (ступени) при росте движутся вдоль грани. Зависимость скорости роста от условий кристаллизации приводит к разнообразию форм роста и структуры кристаллов (многогранные, пластинчатые, игольчатые, скелетные, дендритные и другие формы, карандашные структуры и т. д.). В процессе кристаллизации неизбежно возникают различные дефекты.

На число центров кристаллизации и скорость роста значительно влияет степень переохлаждения.

Степень переохлаждения — уровень охлаждения жидкого металла ниже температуры перехода его в кристаллическую (твердую) модификацию. Степень переохлаждения необходима для компенсации энергии скрытой теплоты кристаллизации. Первичной кристаллизацией называется образование кристаллов в металлах (и сплавах) при переходе из жидкого состояния в твердое [10].

Почти любое вещество может при известных условиях дать кристаллы. Кристаллы можно получить из раствора или из расплава данного вещества, а также из его паров.

Известно, что растворимость веществ зависит от температуры. Обычно с повышением температуры растворимость увеличивается, а с понижением — уменьшается. Одни вещества растворяются хорошо, другие — плохо. При растворении веществ образуются насыщенные и ненасыщенные растворы. Насыщенный раствор — это раствор, который содержит максимальное количество растворяемого вещества при данной температуре. Ненасыщенный раствор — это раствор, который содержит меньше растворяемого вещества, чем насыщенный при данной температуре.

Рассмотрим это на примере насыщенного раствора сахара, приготовленного при температуре 30 °C и охлажденного затем до 20 °C. При 30 °C в 100 г воды растворяется 223 г сахара, при 20 °C растворяется 205 г. Тогда при охлаждении от 30 до 20 °C 18 г окажутся «лишними» и, как говорят, выпадут из раствора. Итак, один из возможных способов получения кристаллов состоит в охлаждении насыщенного раствора.

Можно поступить иначе. Если приготовить насыщенный раствор соли и оставить его в открытом стакане, через некоторое время мы обнаружим появление кристалликов. Почему они образовались? Внимательное наблюдение покажет, что одновременно с образованием кристаллов произошло еще одно изменение — уменьшилось количество воды. Вода испарилась, и в растворе оказалось «лишнее» вещество. Итак, другой возможный способ образования кристаллов — это испарение раствора.

Иногда при приготовлении раствора в особых условиях (осторожное охлаждение горячего насыщенного раствора в замкнутом сосуде) вещество образует не раствор (насыщенный) и осадок, а только раствор, называемый пересыщенным. Такие растворы обычно неустойчивы — при введении центра кристаллизации избыточное количество растворяемого вещества выпадает в осадок и образуется насыщенный раствор. Опыты по выращиванию кристалла из пересыщенного раствора более эффективны.