Определение кристаллизации
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.
В перенасыщенном решение растворитель, несущий желаемый кристалл, находится на емкости. По мере того, как температура охлаждается или изменяется кислотность, растворимость атомов или молекул в растворе изменяется, и растворитель может удерживать их меньше. Как таковые, они «выпадают» из решения, сталкиваясь друг с другом. Это также вызывает зарождение и последующую кристаллизацию.
Рост кристаллов
Поскольку другие молекулы и атомы окружают ядро, они отходят от уже установленной симметрии, добавляя к затравочному кристаллу. Этот процесс может происходить очень быстро или очень медленно, в зависимости от условий. Вода может кристаллизоваться в лед за считанные минуты, в то время как для формирования «типичных» геологических кристаллов, таких как кварц и алмазы, требуются тысячелетия. Основное образование вокруг ядра определяет всю кристаллическую структуру. Это различие в формации объясняет различия в кристаллах от уникальности снежинки до прозрачности алмаза.
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.
Ссылки
- Брюс, П. Ю. (2011). Органическая химия (6-е изд.). Бостон: Прентис Холл.
- Мур, Дж. Т. (2010). Основы химии для чайников. Индианаполис: Wiley Publishing, Inc.
- Зильберберг М.С. (2009). Химия: Молекулярная природа материи и изменения (5-е изд.). Бостон: Высшее образование МакГроу-Хилл.