Понятие кристаллизации насыщенных растворов и способы получения насыщенных растворов, Понятие кристаллизации - Синтез ацетата натрия ("Горячий лед")
Понятие кристаллизации
Кристаллизамция -- процесс фазового перехода вещества из жидкого состояния в твердое кристаллическое с образованием кристаллов. Фазой называется однородная часть термодинамической системы отделенная 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 твердой 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 незавершенных 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°С и охлажденного затем до 20°С. При 30°С в 100 г воды растворяется 223 г сахара, при 20°С растворяется 205 г. Тогда при охлаждении от 30 до 20°С 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.
Как же происходит образование кристаллов из раствора?
Кристаллы "выпадают" из раствора не в одно какое-то мгновение: кристаллы растут. Не удается обнаружить глазом самые начальные моменты роста. Сначала немногие из беспорядочно движущихся молекул или атомов растворенного вещества собираются в том примерно порядке, который нужен для образования кристаллической решетки. Такую группу атомов или молекул называют зародышем.
Опыт показывает, что зародыши чаще образуются при наличии в растворе каких-либо центров кристаллизации. Центрами кристаллизации могут служить загрязнения на стенках посуды с раствором, пылинки, мелкие кристаллики растворенного вещества. Всего быстрее и легче кристаллизация начинается тогда, когда в насыщенный раствор помещается маленький кристалл - затравка. При этом выделении из раствора твердого вещества будет заключаться не в образовании новых кристалликов, а в росте затравки.
Рост зародыша не отличается от роста затравки. Смысл использования затравки состоит в том, что он "оттягивает" на себя выделяющееся вещество и препятствует, таким образом, одновременному образованию большого числа зародышей. Если же зародышей образуется много, то они будут мешать друг другу при росте и не позволят получить крупные кристаллы.
Как распределяются на поверхности зародыша порции атомов или молекул, выделяющихся из раствора?
Опыт показывает, что рост зародыша или затравки заключается как бы в перемещении граней параллельно самим себе в направлении, перпендикулярном к грани. При этом углы между гранями остаются постоянными - важнейший признак кристалла, вытекающий из его решетчатого строения.
Очень важно отметить, что скорость роста граней, т. е. скорость перемещения их параллельна самим себе, неодинакова у разных граней. При этом "зарастают" - исчезают именно те грани, которые перемещаются всего быстрее. Наоборот, медленно растущие грани оказываются самыми широкими, как говорят, наиболее развитыми.
Бесформенный обломок приобретает ту же форму, что и другие кристаллы, именно из-за анизотропии скорости роста. Вполне определенные грани развиваются за счет других всего сильнее и придают кристаллу форму, свойственную всем образцам этого вещества.
В целом ряде случаев кристаллы образуются из расплавленной массы - из расплава. В природе это совершается в огромных масштабах: из огненной магмы возникли базальты, граниты и многие другие горные породы.
Для примера можно расплавить лед, для этого его надо нагревать, поместив предварительно в сосуд с веществом измеритель температуры. Сначала температура льда увеличивалась до 0°С, потом вещество начинает плавиться, и подъем температуры приостановился. Пока все вещество не превратилось в жидкость, температура не изменится, дальнейший подъем температуры - это уже нагревание жидкости. Все кристаллические вещества имеют определенную температуру плавления. Лед плавится при 0°С, железо - при 1527°С, ртуть - при 39°С и т. д.
В каждом кристаллике атомы или молекулы вещества образуют упорядоченную упаковку и совершают малые колебания около своих средних положений. По мере нагревания тела скорость колеблющихся частиц возрастает вместе с размахом колебаний. Это увеличение скорости движения частиц с возрастанием температуры составляет один из основных законов природы, который относится к веществу в любом состоянии - твердом, жидком или газообразном.
Когда достигнута определенная, достаточно высокая температура кристалла, колебания его частиц становятся столь энергичными, что аккуратное расположение частиц становится невозможным - кристалл плавится. С началом плавления подводимое тепло идет уже не на увеличение скорости частиц, а на разрушение кристаллической решетки. Поэтому подъем температуры приостанавливается. Последующее нагревание - это увеличение скорости частиц жидкости.
Так же кристаллизации из расплава вышеописанного явления наблюдаются в обратном порядке: по мере охлаждения жидкости ее частицы замедляют свое хаотическое движение; при достижении определенной, достаточно низкой температуры скорость частиц уже столь мала, что некоторые из них под действием сил притяжения начинают пристраиваться одна к другой, образуя кристаллические зародыши. Пока все вещество не закристаллизируется, температура остается постоянной. Эта температура, как правило, та же, что и температура плавления.
Если не принимать специальных мер, то кристаллизация из расплава начнется сразу во многих местах. Кристаллики будут расти в виде правильных, свойственных им многогранников совершенно так же, как мы описывали выше. Однако свободный рост продолжается недолго: увеличиваясь, кристаллики наталкиваются друг на друга, в местах соприкосновения рост прекращается, и затвердевшее тело получает зернистое строение. Каждое зерно - это определенный кристаллик, которому не удалось принять своей правильной формы.
В зависимости от многих условий, и прежде всего от быстроты охлаждения, твердое тело может обладать более или менее крупными зернами: чем медленнее охлаждение, тем крупнее зерна. Размеры зерен кристаллических тел колеблются от миллионной доли сантиметра до нескольких миллиметров. В большинстве случаев зернистое кристаллическое строение можно наблюдать в микроскоп. Твердые тела обычно имеют именно такое мелкокристаллическое строение.
Чтобы вырастить крупный одиночный кристалл, требуется принять меры к тому, чтобы кристалл рос из одного места. А если уж начало расти несколько кристалликов, то надо сделать так, чтобы условия роста были благоприятны лишь для одного из них.
Вот, например, как поступают при выращивании кристаллов легкоплавких металлов [5]. Металл расплавляют в стеклянной пробирке с оттянутым концом. Пробирку, подвешенную за нить внутри вертикальной цилиндрической печи, медленно опускают вниз. Оттянутый конец постепенно выходит и охлаждается. Начинается кристаллизация. Сначала образуется несколько кристалликов, но те, которые растут вбок, упираются в стенку пробирки и рост их замедляется. В благоприятных условиях окажется лишь тот кристаллик, который растет вдоль оси пробирки, т. е. вглубь расплава. По мере опускания пробирки новые порции расплава, попадающие в область низких температур, будут "питать" этот единственный кристалл. Поэтому из всех кристалликов выживает он один; по мере опускания пробирки он продолжает расти вдоль ее оси. В конце концов, весь расплавленный металл застывает в виде одиночного кристалла.
Та же идея лежит в основе выращивания тугоплавких кристаллов рубина [4]. Мелкий порошок вещества сыплют струей через пламя. Порошинки при этом плавятся; крошечные капли падают на тугоплавкую подставку очень малой площади, образуя множество кристалликов. При дальнейшем падении капель на подставку все кристаллики растут, но опять-таки вырастает лишь тот из них, который находится в наиболее выгодном положении для "приема" падающих капель.
Как было уже сказано в начале, кристаллы могут образовываться также непосредственно из пара или газа. При охлаждении газа электростатические силы притяжения объединяют атомы или молекулы в кристаллическое твердое вещество. Так образуются снежинки; воздух, содержащий влагу, охлаждается, и прямо из него вырастают снежинки той или иной формы.
Похожие статьи
-
Способы получения насыщенных растворов - Синтез ацетата натрия ("Горячий лед")
Простейший способ приготовления насыщенных растворов - длительное настаивание растворителя с избытком растворяемого вещества, лучше всего при...
-
Выводы, Список литературы - Синтез ацетата натрия ("Горячий лед")
Проделав эту работу, я освоил некоторые приемы неорганического синтеза, изучил процесс кристаллизации, научился работать с кислотами. В данной работе...
-
Диспергированием называют тонкое измельчение твердых мате-риалов или жидкостей и распределение их частиц в жидкой или газообразной среде, в результате...
-
Методы неорганического синтеза - Синтез ацетата натрия ("Горячий лед")
НЕОРГАНИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ, получение неорганических соединений. Как правило, состоит из нескольких последовательных или параллельных процессов -...
-
Конденсационные методы получения коллоидных систем - Методы очистки и получения коллоидных растворов
Из классификации дисперсных систем по размеру частиц следует, что коллоидные растворы (золи) занимают промежуточное положе-ние между молекулярными и...
-
Другие способы производства - Тиосульфат натрия
Среди других способов получения тиосульфата прежде всего следует обратить внимание на сероводородный способ, так как он. в отличие от описанных выше, не...
-
Эксперементальная часть, Список реагентов и оборудования. - Синтез ацетата натрия ("Горячий лед")
Список реагентов и оборудования. CH3COOH - 70% 200 мл. NaHCO3 210 гр. Мерный цилиндр на 500 мл. Аналитические электронные весы. Химические стаканы....
-
Целью данной курсовой работы является проведение синтеза ацетата натрия (CH3COONa). Задачами курсовой работы являются: изучение методики неорганического...
-
Процессы окисления. - Методы очистки и получения коллоидных растворов
Наряду с серой в реакциях окисления обычно образуются политио-новые кислоты, главным образом пентатионовая кислота H2S5O6 Реакции двойного обмена....
-
Способы получения и химические свойства оксидов - Основы химии
Оксиды - это сложные вещества, состоящие из двух химических элементов, один из которых кислород, со степенью окисления -2. Окисление кислородом простых...
-
Органические кислоты в различных условиях могут разлагаться с образованием предельного углеводорода по общей схеме O R-C RH + CO2 Кислота OH Углеводород...
-
С кислородом большинство металлов образует оксиды - амфотерные и основные: 4Li + O2 = 2Li2O, 4Al + 3O2 = 2Al2O3. Щелочные металлы, за исключением лития,...
-
КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ ВОДЫ И ВОДНЫХ РАСТВОРОВ В РАЛИЧНЫХ УСЛОВИЯХ - Химические свойства и строение воды
Для осуществления процесса кристаллизации в растворе необходимо создать пересыщение. По способам его создания различают два основных метода...
-
Получение продукта конденсации карбамида и формальдегида холодным способом - Поликонденсация
Реактивы: Карбамид - 60 г (1 моль); формальдегид 40%-ный - 130 г (1,75 моля); уротропин - 3-4 г, щавелевая кислота - 0,3 г. Оборудование: Трехгорлая...
-
Производство высококонцентрированных кормовых препаратов - Этапы получения лизина
При получении высококонцентрированных кормовых препаратов лизина готовую культуральную жидкость предварительно подкисляют серной кислотой до pH 1,6-2,0....
-
Скорость разложения "мокрым" способом определяется концентрацией реагирующих веществ и температурой. Скорость разложения зависит от величины пробы,...
-
Полисульфидный способ - Тиосульфат натрия
Проводят за уравнением: Для приготовления раствора полисульфида Na2S2 используют горячий раствор сернистого натрия (70?С), обычно щелок, получае-мый...
-
Основы технологии получения хлорида калия - Производство хлорида калия галургическим способом
В основе получения хлорида калия галургическим методом лежат закономерности растворения в системе KCl-NaCl-. Обе соли относятся к числу хорошо...
-
Растворы - термодинамические устойчивые системы переменного состава, состоят не менее чем из двух компонентов и продуктов их взаимодействия. Это...
-
1. Спирты реагируют со щелочными металлами (Na, K и т. д.) с образованием алкоголятов: 2R--OH + 2Na 2R--ONa + H2 Реакция протекает не так бурно, как при...
-
Одно дерево бразильской гевеи в среднем, до недавнего времени, было способно давать лишь 2-3 кг каучука в год; годовая производительность одного гектара...
-
Способы получения элемента. - Галлий
Даже такая, казалось бы, ничтожная концентрация этого элемента, как в золе каменных углей, считается вполне достаточной для его промышленного извлечения....
-
Газов в гомологическом ряду нет. Это жидкости. Начиная с С12Н25ОН до С20Н41ОН - маслообразные и с С21Н43ОН -- твердые вещества. Ткип СН3ОН=65 °С, Ткип...
-
ПРОИЗВЕДЕНИЕ РАСТВОРИМОСТИ - Характеристика основных видов растворов
В насыщенном растворе малорастворимого сильного электролита устанав-ливается равновесие между твердой фазой (осадком) и ионами электролита: ВaSO4 (в...
-
При пропускании смеси окиси углерода (СО) и водорода (Н2) над нагретым до 2000С катализатором, содержащим восстановленное железо, образуются смеси...
-
Таблица 2 - Структура сырья в производстве метанола, %. Сырье В мире Беларусь и Россия Природный газ 73,8 70,7 Нефть и нефтепродукты 24,4 4,0 Отходы...
-
Свойства дисперсии и пленок - Синтез полиуретанов
В отличие от ПУ на основе растворителей, частицы должны сначала вернуться в непрерывной органической фазе, прежде чем отдельные полимерные цепи могут...
-
Полимер мембрана наполнитель пластификатор "Смешение твердых порообразователей с раствором или расплавом полимера, последующая экструзия и затвердевание...
-
Схема реакции: Реактивы: Тимолфталеин, триэтиламин, хлороформ, дихлоангидрид терефталевой кислоты, гексан. Оборудование: Прибор для поликонденсации при...
-
Бромистый этил представляет бесцветную прозрачную жидкость, обладающую эфирным запахом и сначала сладким, потом жгучим вкусом. Кипит при 38,4°С. В воде...
-
Результаты исследования, Характеристика загрязнителей - Этапы получения лизина
Характеристика загрязнителей Как указывалось ранее, агаризованная среда LB, на которой рекомендовано поддерживать активность культуры Corynebacterium...
-
Кинетическая теория вещества - Строение и превращение веществ
Движением атомов и молекул с давних пор уже пытались объяснить тепловые явления. Параллельно с развитием этого, несомненно, существовавшего общего...
-
Органические кислоты применяются при разложении минерального сырья лишь в единичных случаях, главным образом в фазовом анализе. Наиболее часто для...
-
Определение галоида по методу Кариуса. Навеску вещества при нагревании окисляют дымящей азотной кислотой в присутствии нитрата серебра. При этом галоид...
-
Минеральные кислоты, используемые для переведения анализируемой пробы в раствор, разделяют на две основные группы. 1) Кислоты, не оказывающие...
-
Задача количественного химического анализа состоит в определении содержания тех или иных элементов в анализируемом материале; при этом главное требование...
-
В технике в большинстве случаев инженер имеет дело с дисперсными системами, которые состоят из дисперсной фазы и дисперсионной среды. Дисперсная фаза -...
-
Сравнение методов получения хлорида калия - Производство хлорида калия галургическим способом
Флотационный метод обогащения по сравнению с галургическим (растворение и кристаллизация) имеет следующие преимущества: - флотация проходит при...
-
Металлические стекла - Металлы и сплавы в химии и технике
В самом начале этого реферата мы выяснили, что при обычных условиях затвердевания жидкого металла его атомы образуют кристаллическую решетку того или...
-
Сушки (температура материала 100...200 °C - здесь происходит частичное испарение воды); подогрева (200...650 °C - выгорают органические примеси и...
Понятие кристаллизации насыщенных растворов и способы получения насыщенных растворов, Понятие кристаллизации - Синтез ацетата натрия ("Горячий лед")