Z pewnością kiedykolwiek słyszałeś o kryształach, jest prawdopodobne, że w tym momencie twój umysł wyobraził sobie ogromny diament, ametyst lub topaz. I na pewno w tej grupie jest też wiele znanych "Kamienie szlachetne", ale kryształ nie jest nominałem, który wyraźnie obejmuje dziedzinę biżuterii.
Kryształ jest końcowym produktem interesującego procesu znanego jako krystalizacja, który charakteryzuje się uzyskaniem jednorodnej substancji stałej utworzonej przez „ściany”, czyli części umieszczone w różnych płaszczyznach.
Charakterystyka ciała stałego z krystalizacji
Rozmiar kryształu jest zmienną cechą w szerokim zakresie wymiarów. Można znaleźć „ogromne” kryształy, które można zmierzyć za pomocą jednostki liniowej „metr”, jak również możemy znajdź kryształy to musi być wyrażona w „mikronach”, ponieważ ich mały rozmiar sprawia, że są porównywalne z mikroorganizmami, takimi jak bakterie, które można obserwować tylko przez mikroskop.
Jak wspomniano, procesy krystaliczne dają produkty o wysokiej czystości, dlatego już wcześniej w definicji ustaliliśmy, że kryształy są jednorodne: to znaczy skład produktu pozostaje na stałym poziomie w każdym punkcie objętości ciała stałego, co również oznacza, że właściwości fizyczne i chemiczne pozostają niezmienione w całej sztuce oraz w przypadku zaobserwowania zmian spowodowanych zakłóceniem, zmiana nastąpi w całym gatunku. Ta jakość sprawia, że kryształy są cennymi produktami w różnych dziedzinach, od docenienia jakości materiału, po wykorzystanie procesu krystalizacji jako techniki rozdzielania substancji.
Produkty krystaliczne można również izolować na poziomie laboratoryjnym, poprzez kontrolowane reakcje w zespołach, które naśladują spontaniczne procesy zachodzące w przyrodzie. Jedną z głównych zalet kryształów otrzymywanych w kontrolowanych procesach jest to, że mają one bardziej regularne kształty, które z większą dokładnością doskonale pasują do figur wielokątnych.
W krysztale musimy rozróżnić twarze, które są częścią prawdziwego pokroju krystalicznego (cechy morfologiczne) i na podstawie ich liczby możemy rozważyć podstawowe kształty ciała stałego. Zwykle w kryształ jest definiowany przez połączenie kilku podstawowych kształtówz których najważniejsze to:
- Pedion: Szkło składające się z jednej płaskiej powierzchni, bez odpowiedników.
- Pinakoid: Składa się z dwóch ścian równoważnych sobie względem osi symetrii.
- Klinowy: Dwie równoważne ściany, które tworzą tę bryłę, leżą wokół osi binarnej.
- Pryzmat: Składa się z homologicznych twarzy, które tworzą strefę. Będąc „obszarem kryształu” zdefiniowanym jako zbiór ścian równoległych do tego samego kierunku, odpowiadających jego krawędzi.
Strukturę kryształów z wewnętrznego punktu widzenia można uznać za utworzoną przez mniej lub bardziej jednorodny, okresowy i anizotropowy układ rozpuszczonego materiału, który tworzy strukturę w różnych punktach przestrzeni. Wśród cech kryształów jest to, że każdy punkt regularnie powtarzać w przestrzeni zajmowanej przez materiał. W krystalografii nazywa się zjawisko, które wpływa na to działanie tłumaczenie.
Proces krystalizacji
Aby doszło do krystalizacji, musimy zacząć od substancji, którą można sklasyfikować jako "Krystaliczny", a jest to zdefiniowane, ponieważ cząstki, z których się składa, niezależnie od tego, czy mają charakter atomowy, molekularny czy jonowy, mają właściwości jednorodności, okresowości i symetrii.
Cały proces jest aktywowany, gdy w pewnym punkcie substancji krystalicznej cząsteczki zaczynają się reorganizować, na etapie znanym jako zarodkowanie. Cały ten proces obejmuje, oprócz wyraźnej zmiany kolejności cząstek, proces zmiany warunków termodynamicznych, które są zorientowane na kompensację zakłóceń generowanych przez zmianę energii swobodnej Gibbsa, która jest oznaczona przez trzy wydarzenia:
- Zmiana energii chemicznej.
- Utworzenie granicy między strefą zarodkowania a resztą fazy jednorodnej.
- Różnice w objętości i kształcie, z którymi wiąże się ten proces, wyzwalają napięcia.
Następna faza rozpoczyna się, gdy struktura podstawy zarodkowania ustabilizuje się. Następnym krokiem jest coś logicznego i przewidywalnego, kiedy już będziemy mieli podstawową strukturę, w którą wejdziemy wzrost, w którym obserwuje się zmianę wymiarów jądra. Stopniowo wzrost ten będzie skutkował powstawaniem ścian, aż kryształ uzyska dobrze zdefiniowany pokrój.
Mechanizm wzrostu kryształów
Teoria opracowana przez Volmera wyjaśnia, w jaki sposób zachodzi wzrost kryształu, ustalając, że wokół podstawowej struktury z zarodkowania substancji krystalicznej istnieje rodzaj warstwa chłonna, który działa jako interfejs, a ponadto sprzyja migracji cząstek wokół niego, które poruszają się równolegle do powierzchni. Rezultatem tego procesu jest struktura zdefiniowana na dwuwymiarowej płaszczyźnie.
Ze swojej strony Kossel i Straski zdecydowali o tym wymagana jest praca mechaniczna aby osiągnąć wiązanie jonu na powierzchni tej warstwy i zależy to od jego położenia.
Opracowanie modelu definiującego wzrost wymaga prognozy stref nasycenia, w których obserwuje się wyższe tempo zmian (lokalne strefy przesycenia). To pokazuje, że wzrost kryształów zachodzi w warstwach.
Krystalizacja jako mechanizm separacji
Ponieważ kryształ jest tworzony z jednorodnej substancji, jego zastosowanie jako metody selektywnego oddzielania substancji, spośród kilku metod, poniżej, wyjaśnimy poniżej, z czego składają się te, których zastosowanie jest bardziej rozpowszechnione:
- Dodanie nowego rozpuszczalnika: Jeśli znamy naturę produktów, z którymi mamy do czynienia, możemy zastosować tę metodę, która w zasadzie polega na dodaniu nowego rozpuszczalnika, który oddziałuje z rozpuszczalnikiem, w którym zanurzona jest substancja rozpuszczona, którą chcemy skrystalizować. Kiedy nowy rozpuszczalnik zaczyna selektywnie oddziaływać ze swoim homologiem, substancja rozpuszczona wytrąca się, inicjując proces krystalizacji.
- Chłodzenie do wysokich stężeń substancji rozpuszczonych: Kiedy mamy roztwór o wysokim stężeniu, który został wykonany w wysokich temperaturach i poddamy go procesowi chłodzenia, uzyskujemy stan przesycenia, w którym rozpuszcza się większa ilość substancji rozpuszczonej, niż może przyjąć rozpuszczalnik, w tych nowych warunki temperaturowe. Jeśli proces obniżania temperatury przebiega w sposób kontrolowany, możemy wpływać na wielkość kryształu, który otrzymamy.
- Sublimacja: Technika ta może być stosowana tylko w przypadku związków krystalicznych, które mają wysoką prężność par, w taki sposób, że przemiana z fazy gazowej w stałą nie wymaga przejścia przez temperaturę topnienia.