KẾT TINH: QUY TRÌNH, CÁC LOẠI, VÍ DỤ, TÁCH - HÓA HỌC - 2025

Kết tinh là một quá trình vật lý trong đó một chất rắn kết tinh một cách tự nhiên hoặc nhân tạo, tức là cấu trúc có trật tự được hình thành từ môi trường lỏng hoặc khí. Nó khác với kết tủa ở chỗ, chất sau phát triển mà không có sự kiểm soát chặt chẽ các thông số của quá trình, và nó cũng có thể tạo ra chất rắn vô định hình và sền sệt.

Mục tiêu của sự kết tinh, như tên gọi của nó chỉ ra một cách đơn giản và dễ hiểu, là tạo ra các tinh thể. Chúng không chỉ có đặc điểm là có trật tự mà còn là chất rắn tinh khiết. Do đó, trong quá trình tổng hợp các hợp chất rắn, người ta tìm cách thu được các sản phẩm có độ tinh khiết cao, tinh thể càng tinh khiết càng tốt.

Sự kết tinh của chất tan có màu tím giả định trong dung dịch nước. Nguồn: Gabriel Bolívar.

Hình ảnh trên cho thấy sự kết tinh khái quát và giả thuyết của một chất tan màu tím trong dung dịch nước.

Lưu ý rằng thanh màu đỏ hoạt động như một nhiệt kế. Khi nhiệt độ cao, dung dịch chứa chất tan không tan, chất này vẫn hòa tan trong điều kiện này. Tuy nhiên, khi nhiệt độ giảm dần, những tinh thể màu tím đầu tiên bắt đầu xuất hiện.

Khi nhiệt độ tiếp tục giảm, các tinh thể sẽ phát triển về kích thước để tạo thành những hình lục giác màu tím chắc chắn. Sự thay đổi màu sắc của dung dịch là dấu hiệu cho thấy chất tan đã từ bị hòa tan để được kết hợp vào các tinh thể đang phát triển. Kết tinh càng chậm thì chất rắn kết tinh thu được càng tinh khiết.

Có những biến số khác cần tính đến trong quá trình này: bao nhiêu chất tan được hòa tan trong dung môi đã xác định, dung dịch phải được đun nóng ở nhiệt độ nào, thời gian làm lạnh phải kéo dài bao lâu, mức độ cần thiết phải sử dụng hay không kích động âm thanh, cùng những yếu tố khác. các khía cạnh.

Quá trình kết tinh, không chỉ là một hiện tượng phức tạp liên quan đến động lực học phân tử và nhiệt động lực học, là một nghệ thuật đòi hỏi sự học hỏi, thử nghiệm và sai sót liên tục, cho đến khi nó được hoàn thiện trong phòng thí nghiệm hoặc trong ngành công nghiệp.

Quá trình kết tinh

Kết tinh thực chất bao gồm hai quá trình: tạo mầm và tăng trưởng tinh thể.

Cả hai giai đoạn luôn diễn ra trong quá trình kết tinh, nhưng khi giai đoạn đầu xảy ra nhanh chóng, giai đoạn thứ hai sẽ khó có thời gian để phát triển. Trong khi đó, nếu quá trình tạo mầm chậm, các tinh thể sẽ có nhiều thời gian để phát triển hơn, và do đó, chúng sẽ có xu hướng lớn hơn. Sau đó là tình huống giả định trong hình ảnh với các hình lục giác màu tím.

Hạt nhân

Pha lê ban đầu được cho là chất rắn với cấu trúc có trật tự. Từ dung dịch mà chất tan bị phân tán không trật tự, các hạt của nó phải đến gần đủ để tương tác của chúng, dù là loại ion hay kiểu Van der Walls, cho phép sự định cư của nhóm hạt chất tan đầu tiên: một đám.

Cụm này có thể hòa tan và hình thành lại nhiều lần nếu cần cho đến khi nó ổn định và kết tinh. Hạt nhân đầu tiên sau đó được cho là đã xuất hiện. Nếu hạt nhân xuất hiện từ hư không, nghĩa là, từ sự đồng nhất của môi trường trong quá trình làm lạnh, nó sẽ là một hạt nhân đồng nhất.

Mặt khác, nếu hạt nhân nói trên xảy ra nhờ bề mặt được cung cấp bởi một hạt rắn không hòa tan khác, hoặc do sự không hoàn hảo của vật chứa, thì chúng ta sẽ có một hạt nhân không đồng nhất. Loại thứ hai được sử dụng rộng rãi và được biết đến nhiều nhất, đặc biệt là khi một tinh thể nhỏ, thu được trước đây, của loài mà chúng ta muốn kết tinh được thêm vào dung dịch.

Các tinh thể không bao giờ có thể hình thành ngoài không khí loãng mà không tạo mầm trước.

Tăng trưởng tinh thể

Vẫn còn nhiều chất tan trong dung dịch, nhưng nồng độ chất tan trong các hạt nhân này cao hơn môi trường xung quanh chúng. Các hạt nhân hoạt động như những giá đỡ cho nhiều hạt chất tan hơn ở lại và "nằm gọn" giữa các cấu trúc đang phát triển của chúng. Bằng cách này, hình dạng của chúng được duy trì và dần dần phát triển.

Ví dụ, các hạt nhân đầu tiên trong ảnh là hình lục giác màu tím; đây là hình học của bạn. Khi các hạt chất tan được kết hợp với nhau, các hạt nhân phát triển thành các tinh thể hình lục giác mạnh mẽ, các tinh thể này sẽ tiếp tục phát triển hơn nữa nếu ngâm dung dịch trong bồn nước đá.

Các loại kết tinh

Những gì đã được giải thích cho đến nay bao gồm sự kết tinh bằng cách làm lạnh dung môi.

Kết tinh loại bỏ dung môi

Các kiểu kết tinh khác dựa trên việc loại bỏ dung môi bằng cách bay hơi mà không cần thiết phải sử dụng quá nhiều thể tích của nó; có nghĩa là, chỉ cần bão hòa nó với chất tan và đun nóng nó để bão hòa nó và sau đó, thêm một chút, sau đó để yên, để chất tan cuối cùng kết tinh.

Kết tinh thêm dung môi

Tương tự như vậy, chúng ta có sự kết tinh do thêm dung môi vào hỗn hợp trong đó chất tan không hòa tan (phản dung môi). Do đó, quá trình tạo mầm sẽ được ưu tiên vì có những vùng di động và lỏng, nơi các hạt chất tan sẽ tập trung nhiều hơn so với những vùng rất dễ hòa tan.

Kết tinh bằng cách xà phòng hóa

Mặt khác, có sự kết tinh bằng cách phóng đại, nơi sóng siêu âm tạo ra và phá vỡ các bong bóng nhỏ một lần nữa thúc đẩy quá trình tạo mầm, đồng thời giúp phân bố kích thước tinh thể đồng đều hơn.

Và cuối cùng, có sự kết tinh từ sự lắng đọng hơi trên bề mặt lạnh; nghĩa là hiện tượng nghịch đảo đối với sự thăng hoa của chất rắn.

Phương pháp tách kết tinh

Kết tinh là một kỹ thuật không thể thiếu khi lấy chất rắn và tinh chế chúng. Nó rất thường xuyên trong quá trình tổng hợp các hợp chất hữu cơ, và là một trong những công đoạn cuối cùng để đảm bảo độ tinh khiết và chất lượng của sản phẩm.

Ví dụ về thuốc nhuộm

Ví dụ, giả sử thu được các tinh thể của thuốc nhuộm và chúng đã được lọc. Bởi vì thuốc nhuộm này ban đầu thu được bằng cách kết tủa trong một quá trình tổng hợp, chất rắn của nó có vẻ ngoài là chất vô định hình, vì nó có nhiều tạp chất bị hấp thụ và bị giữ lại giữa các tinh thể phân tử của nó.

Do đó, người ta quyết định đun nóng một dung môi mà thuốc nhuộm ít hòa tan, để khi thêm vào nó sẽ hòa tan tương đối dễ dàng. Khi được hòa tan sau khi thêm một ít dung môi, dung dịch được tách khỏi nguồn nhiệt và để yên. Khi nhiệt độ giảm xuống, quá trình tạo mầm diễn ra.

Do đó, các tinh thể thuốc nhuộm sẽ hình thành và có vẻ rõ ràng hơn (không nhất thiết phải kết tinh với mắt). Đó là thời điểm chính xác mà vật chứa (thường là bình Erlenmeyer hoặc cốc có mỏ) được ngâm trong bể nước đá. Hơi lạnh của bể này sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của các tinh thể phía trên sự tạo mầm.

Các tinh thể của thuốc nhuộm sau đó được lọc chân không, rửa sạch bằng dung môi không hòa tan và để khô trong kính đồng hồ.

Nhiệt độ kết tinh

Nhiệt độ xảy ra quá trình kết tinh phụ thuộc vào mức độ khó tan của chất tan trong môi trường dung môi. Nó còn phụ thuộc vào nhiệt độ sôi của dung môi, vì nếu ở nhiệt độ sôi mà chất tan vẫn chưa tan hết là do phải dùng dung môi khác thích hợp hơn.

Ví dụ, chất rắn có thể kết tinh trong môi trường nước sẽ làm như vậy khi nước giảm nhiệt độ của nó (nghĩa là, từ 100 đến 50 ºC), hoặc trong khi nó bay hơi. Nếu sự kết tinh xảy ra bằng cách bay hơi, thì nó được cho là diễn ra ở nhiệt độ phòng.

Mặt khác, sự kết tinh của kim loại hoặc của một số chất rắn ion diễn ra ở nhiệt độ rất cao, vì điểm nóng chảy của chúng rất cao, và chất lỏng nóng chảy nóng chảy, ngay cả khi nó được làm lạnh đủ để tạo hạt nhân của nó và phát triển tinh thể của bạn.

Tỷ lệ kết tinh

Về nguyên tắc, có hai cách trực tiếp để kiểm soát tốc độ kết tinh của chất rắn: bằng mức độ siêu bão hòa (hoặc quá bão hòa), hoặc bằng sự thay đổi đột ngột của nhiệt độ.

Mức độ siêu bão hòa

Mức độ siêu bão hòa có nghĩa là lượng chất tan dư bị buộc phải hòa tan bằng cách tác dụng nhiệt. Do đó, dung dịch càng bão hòa thì quá trình tạo mầm càng nhanh, do có xác suất hình thành hạt nhân càng lớn.

Mặc dù quá trình kết tinh được tăng tốc theo cách này, các tinh thể thu được sẽ nhỏ hơn so với những tinh thể thu được với mức độ siêu bão hòa thấp hơn; nghĩa là, khi sự phát triển của chúng được ưu tiên và không tạo mầm.

Thay đổi nhiệt độ

Nếu nhiệt độ giảm mạnh, các hạt nhân sẽ khó có thời gian để phát triển và không chỉ vậy, chúng còn giữ lại hàm lượng tạp chất cao hơn. Kết quả là mặc dù quá trình kết tinh xảy ra nhanh hơn so với làm nguội chậm, chất lượng, kích thước và độ tinh khiết của các tinh thể cuối cùng lại thấp hơn.

Kết tinh nhanh do nhiệt độ giảm đột ngột. Nguồn: Gabriel Bolívar.

Hình ảnh trên dùng để tương phản hình ảnh đầu tiên. Các chấm màu vàng đại diện cho các tạp chất, do sự phát triển đột ngột của các hạt nhân bị giữ lại bên trong chúng.

Những tạp chất này khiến cho việc kết hợp các hình lục giác màu tím trở nên khó khăn hơn, dẫn đến cuối cùng sẽ tạo ra nhiều tinh thể nhỏ, không tinh khiết, thay vì những tinh thể lớn, tinh khiết.

Các ứng dụng

Sự kết tinh của kem là một trong những khía cạnh quan trọng nhất trong quá trình sản xuất công nghiệp hoặc thủ công. Nguồn: Pixabay.

Kết tinh, cũng như kết tinh lại, rất quan trọng để thu được chất rắn tinh khiết, chất lượng cao. Đối với ngành dược phẩm, điều này đặc biệt đúng vì sản phẩm của họ phải càng tinh khiết càng tốt, giống như chất bảo quản được sử dụng trong ngành thực phẩm.

Hơn nữa, công nghệ nano phụ thuộc rất nhiều vào quá trình này để chúng có thể tổng hợp các hạt nano hoặc tinh thể nano, chứ không phải chất rắn tinh thể mạnh mẽ.

Một trong những ví dụ hàng ngày mà sự kết tinh có sự tham gia rất lớn là trong quá trình sản xuất kem. Nếu bạn không cẩn thận với nước, nó sẽ kết tinh trong một giai đoạn riêng biệt (đá) từ thành phần lipid của nó, do đó ảnh hưởng đến kết cấu và hương vị của nó; Nói cách khác, nó sẽ giống một món kem đá bào hoặc kem tươi hơn.

Vì vậy, các tinh thể đá nên càng nhỏ càng tốt, để kem mịn và khi chạm vào. Khi những tinh thể đá này lớn một chút, chúng có thể được phát hiện dưới ánh sáng vì chúng tạo cho kem một bề mặt mờ.

Ví dụ về kết tinh

Cuối cùng, sẽ đề cập đến một số ví dụ phổ biến về kết tinh, cả tự nhiên và nhân tạo:

bông tuyết

Bông tuyết được hình thành thông qua một quá trình kết tinh tự nhiên. Được biết, mỗi tinh thể tuyết là duy nhất. Điều này là do các điều kiện xảy ra trong giai đoạn thứ hai của quá trình kết tinh (tăng trưởng).

Các hình dạng hình học khác nhau mà tinh thể tuyết có được là do các điều kiện mà chúng phải đối mặt trong quá trình phát triển của tinh thể.

Muối

Muối là ví dụ phổ biến nhất của sự kết tinh. Chất này có thể được hình thành cả tự nhiên (chẳng hạn như muối biển) và nhân tạo (như trường hợp muối ăn).

Đường

Sau muối, đường là một trong những tinh thể phổ biến nhất. Nó được hình thành thông qua một loạt các quy trình công nghiệp phức tạp, trong đó nước mía được lấy và trải qua quá trình kết tinh nhân tạo.

Kim cương

Kim cương là loại đá quý được hình thành từ sự kết tinh của cacbon nguyên chất. Đây là vật liệu cứng nhất được biết đến trên hành tinh. Sự hình thành của nó có thể là tự nhiên, như trường hợp của kim cương được tìm thấy trong các mỏ khai thác, hoặc tổng hợp.

Ruby

Ruby là một tinh thể màu đỏ được hình thành từ sự kết tinh của nhôm oxit (coridon).

Măng đá

Măng đá là cấu trúc có thể được tìm thấy trong hang động, đặc biệt là trong đất (mọc nhọn lên trên). Chúng bao gồm các hợp chất canxi và được hình thành từ sự kết tinh của muối canxi có trong nước rơi từ trần hang động.

Thạch nhũ

Các nhũ đá, giống như măng đá, được làm bằng canxi và được tìm thấy trong các hang động. Chúng khác với loại sau vì chúng treo trên trần nhà. Chúng được hình thành do sự kết tinh của các muối canxi có trong nước ngấm vào các hang động.

Thạch anh

Thạch anh là một loại đá quý được hình thành từ sự kết tinh của anhydrit silicic. Nó là một trong những khoáng chất phong phú nhất trong đá và màu sắc của nó có thể thay đổi.

Peridot

Còn được gọi là olivin, loại đá quý này được hình thành nhờ sự kết tinh của sắt và magiê. Nó có màu xanh lục và thường có hình kim cương.

Silicat

Silicat là vật liệu được tạo ra bởi sự kết tinh của silica và các nguyên tố khác (sắt, nhôm, canxi, magiê). Chúng có mặt trong tất cả các loại đá.

Kẹo

Kẹo được tạo ra từ các tinh thể đường, vì vậy có thể nói rằng hai quá trình kết tinh can thiệp: thứ nhất để hình thành đường và thứ hai để hình thành mật đường.

Kem kem

Kem có chứa một loạt các tinh thể tạo nên kết cấu mịn cuối cùng. Trong số các tinh thể mà kem kem có chứa, tinh thể lipid (hình thành từ chất béo) và tinh thể đá là nổi bật. Cần lưu ý rằng một số loại kem cũng chứa các tinh thể đường lactose.

Theo nghĩa này, kem thu được thông qua các quá trình kết tinh nhân tạo khác nhau (một cho lipid, một cho đá và một cho lactose).

Khác

-Chuẩn bị tinh thể đường xung quanh một sợi chỉ hoặc sợi dây và một dung dịch ngọt siêu bão hòa

-Hình thành các tinh thể đường từ mật ong lắng đọng dưới đáy lọ của chúng

- Sự phát triển của sỏi thận, bao gồm tinh thể canxi oxalat

-Sự kết tinh của các khoáng chất, bao gồm cả đá quý và kim cương, qua nhiều năm, có hình dạng và cạnh là sự phản ánh cấu trúc bên trong có trật tự của chúng

- Sự lắng đọng của hơi kim loại nóng trên thanh lạnh như hỗ trợ cho sự phát triển của các tinh thể của chúng.

Người giới thiệu

1. Day, R., & Underwood, A. (1989). Hóa phân tích định lượng. (ấn bản thứ năm). Sảnh Prentice của PEARSON.
2. Wikipedia. (2019). Sự kết tinh. Khôi phục từ: en.wikipedia.org
3. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (Ngày 23 tháng 5 năm 2019). Định nghĩa kết tinh. Phục hồi từ: thinkco.com
4. Đại học Colorado. (sf). Sự kết tinh. Hóa học hữu cơ. Khôi phục từ: orgchemboulder.com
5. Syrris. (2019). Kết tinh là gì? Phục hồi từ: syrris.com