การตกผลึก: กระบวนการประเภทตัวอย่างการแยก - เคมี - 2025

การตกผลึกเป็นกระบวนการทางกายภาพที่เป็นผลึกของแข็งตามธรรมชาติหรือเทียมกล่าวคือโครงสร้างที่ได้รับคำสั่งจะเกิดขึ้นจากของเหลวหรือก๊าซ มันแตกต่างจากการตกตะกอนในข้อเท็จจริงที่ว่าการพัฒนาในช่วงหลังโดยไม่มีการควบคุมพารามิเตอร์ของกระบวนการอย่างเข้มงวดและยังสามารถผลิตของแข็งอสัณฐานและเจลาตินัสได้

วัตถุประสงค์ของการตกผลึกตามชื่อที่บ่งบอกอย่างเรียบง่ายและชัดเจนคือการสร้างผลึก สิ่งเหล่านี้ไม่เพียง แต่มีลักษณะเป็นระเบียบเท่านั้น แต่ยังรวมถึงของแข็งที่บริสุทธิ์ด้วย ดังนั้นในการสังเคราะห์สารประกอบของแข็งจึงพยายามหาผลิตภัณฑ์ที่มีความบริสุทธิ์สูงผลึกที่บริสุทธิ์ที่สุด

การตกผลึกของตัวถูกละลายสีม่วงสมมุติในสารละลายในน้ำ ที่มา: Gabriel Bolívar

ภาพด้านบนแสดงการตกผลึกโดยทั่วไปและเชิงสมมุติของตัวถูกละลายสีม่วงในสารละลายในน้ำ

สังเกตว่าแถบสีแดงทำหน้าที่เป็นเทอร์โมมิเตอร์ เมื่ออุณหภูมิสูงสารละลายจะมีตัวถูกละลายซึ่งยังคงละลายได้ภายใต้สภาวะเหล่านี้ อย่างไรก็ตามเมื่ออุณหภูมิลดลงเรื่อย ๆ ผลึกสีม่วงแรกก็เริ่มปรากฏขึ้น

เมื่ออุณหภูมิลดลงเรื่อย ๆ ผลึกจะมีขนาดโตขึ้นจนกลายเป็นรูปหกเหลี่ยมสีม่วงที่แข็งแกร่ง การเปลี่ยนสีของสารละลายบ่งชี้ว่าตัวถูกละลายจากการละลายไปรวมอยู่ในผลึกที่กำลังเติบโต ยิ่งการตกผลึกช้าลงเท่าใดผลึกที่ได้รับก็จะบริสุทธิ์ขึ้น

มีตัวแปรอื่น ๆ ที่ต้องคำนึงถึงในระหว่างกระบวนการนี้: ปริมาณตัวถูกละลายในตัวทำละลายที่กำหนดอุณหภูมิของสารละลายต้องให้ความร้อนเท่าใดการระบายความร้อนจะต้องอยู่นานเพียงใดจำเป็นเพียงใดที่ต้องใช้หรือไม่ในการกวนโซนิค ด้าน

กระบวนการตกผลึกซึ่งเป็นมากกว่าปรากฏการณ์ที่ซับซ้อนซึ่งเกี่ยวข้องกับพลวัตของโมเลกุลและอุณหพลศาสตร์เป็นศิลปะที่ต้องการการเรียนรู้การทดลองและข้อผิดพลาดอย่างต่อเนื่องจนกว่าจะสมบูรณ์แบบภายในห้องปฏิบัติการหรือในอุตสาหกรรม

กระบวนการตกผลึก

โดยพื้นฐานแล้วการตกผลึกประกอบด้วยสองกระบวนการ: นิวเคลียสและการเติบโตของคริสตัล

ทั้งสองขั้นตอนมักเกิดขึ้นในระหว่างการตกผลึก แต่เมื่อครั้งแรกเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วขั้นที่สองแทบจะไม่มีเวลาพัฒนา ในขณะเดียวกันถ้าการเกิดนิวเคลียสช้าผลึกจะมีเวลาเติบโตมากขึ้นดังนั้นจึงมีแนวโน้มที่จะมีขนาดใหญ่ขึ้น อย่างหลังคือสถานการณ์สมมติในภาพด้วยรูปหกเหลี่ยมสีม่วง

นิวเคลียส

เดิมทีคริสตัลถูกกล่าวว่าเป็นของแข็งที่มีโครงสร้างตามลำดับ จากสารละลายที่ตัวถูกละลายกระจายอย่างไม่เป็นระเบียบอนุภาคของมันจะต้องเข้ามาใกล้มากพอที่จะเกิดปฏิกิริยาได้ไม่ว่าจะเป็นชนิดไอออนิกหรือแวนเดอร์วอลล์อนุญาตให้มีการตกตะกอนของอนุภาคตัวถูกละลายกลุ่มแรก: คลัสเตอร์

คลัสเตอร์นี้สามารถละลายและก่อตัวขึ้นใหม่ได้หลายครั้งเท่าที่จำเป็นจนกว่าจะมีเสถียรภาพและเป็นผลึก จากนั้นกล่าวว่านิวเคลียสแรกจะปรากฏขึ้น ถ้านิวเคลียสปรากฏขึ้นจากที่ใดนั่นคือจากความเป็นเนื้อเดียวกันของตัวกลางในระหว่างการทำความเย็นมันจะกลายเป็นนิวเคลียสที่เป็นเนื้อเดียวกัน

ในทางกลับกันถ้านิวเคลียสดังกล่าวเกิดขึ้นเนื่องจากพื้นผิวที่ได้รับจากอนุภาคของแข็งอื่นที่ไม่ละลายน้ำหรือจากความไม่สมบูรณ์ของภาชนะเราก็จะมีนิวเคลียสที่แตกต่างกัน ชนิดหลังเป็นสิ่งที่ใช้กันอย่างแพร่หลายและเป็นที่รู้จักมากที่สุดโดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อมีการเพิ่มคริสตัลเล็ก ๆ ที่ได้รับมาก่อนหน้านี้ของสายพันธุ์ที่เราต้องการตกผลึกลงในสารละลาย

คริสตัลไม่สามารถก่อตัวขึ้นจากอากาศบาง ๆ ได้หากไม่มีการแตกตัวก่อน

การเติบโตของคริสตัล

ในสารละลายยังมีตัวถูกละลายอยู่จำนวนมาก แต่ความเข้มข้นของตัวถูกละลายในนิวเคลียสเหล่านี้สูงกว่าสิ่งที่อยู่รอบตัว นิวเคลียสทำหน้าที่รองรับอนุภาคที่ถูกละลายมากขึ้นเพื่อยื่นและ "พอดี" ระหว่างโครงสร้างที่กำลังเติบโต ด้วยวิธีนี้รูปทรงเรขาคณิตของพวกเขาจะได้รับการดูแลและค่อยๆเติบโตขึ้น

ตัวอย่างเช่นนิวเคลียสแรกในภาพคือรูปหกเหลี่ยมสีม่วง นี่คือรูปทรงเรขาคณิตของคุณ เมื่อรวมอนุภาคของตัวถูกละลายนิวเคลียสจะเติบโตเป็นผลึกหกเหลี่ยมที่แข็งแรงซึ่งจะเติบโตต่อไปได้อีกหากสารละลายแช่อยู่ในอ่างน้ำแข็ง

ประเภทของการตกผลึก

สิ่งที่ได้รับการอธิบายจนถึงตอนนี้ประกอบด้วยการตกผลึกโดยการทำให้ตัวทำละลายเย็นลง

การตกผลึกในการกำจัดตัวทำละลาย

การตกผลึกประเภทอื่นขึ้นอยู่กับการกำจัดตัวทำละลายโดยการระเหยซึ่งไม่จำเป็นต้องใช้ในปริมาณมาก นั่นคือเพียงพอที่จะทำให้อิ่มตัวด้วยตัวถูกละลายและให้ความร้อนเพื่อให้อิ่มตัวมากขึ้นจากนั้นอีกเล็กน้อยจากนั้นจึงพักไว้เพื่อให้ตัวถูกละลายตกผลึกในที่สุด

การตกผลึกนอกจากนี้ตัวทำละลาย

ในทำนองเดียวกันเรามีการตกผลึกที่เกิดจากการเติมตัวทำละลายลงในส่วนผสมซึ่งตัวถูกละลายไม่ละลายน้ำ (antisolvent) ดังนั้นการสร้างนิวเคลียสจะได้รับการสนับสนุนเนื่องจากมีบริเวณเคลื่อนที่และของเหลวซึ่งอนุภาคของตัวถูกละลายจะมีความเข้มข้นมากกว่าในบริเวณที่ละลายได้มาก

การตกผลึกโดย sonification

ในทางกลับกันมีการตกผลึกโดยการโซนิฟิเคชั่นซึ่งอัลตราซาวนด์จะสร้างและแตกฟองอากาศขนาดเล็กที่ส่งเสริมการเกิดนิวเคลียสอีกครั้งในขณะเดียวกันก็ช่วยกระจายขนาดคริสตัลอย่างเท่าเทียมกันมากขึ้น

และในที่สุดก็มีการตกผลึกจากการสะสมของไอบนพื้นผิวเย็น นั่นคือปรากฏการณ์ผกผันกับการระเหิดของของแข็ง

วิธีการแยกการตกผลึก

การตกผลึกเป็นเทคนิคที่ขาดไม่ได้เมื่อได้รับของแข็งและทำให้บริสุทธิ์ การสังเคราะห์สารประกอบอินทรีย์เกิดขึ้นซ้ำซากมากและเป็นหนึ่งในขั้นตอนสุดท้ายเพื่อรับประกันความบริสุทธิ์และคุณภาพของผลิตภัณฑ์

ตัวอย่างสีย้อม

ตัวอย่างเช่นสมมติว่าได้ผลึกของสีย้อมและได้รับการกรองแล้ว เนื่องจากสีย้อมนี้ได้มาจากการตกตะกอนในการสังเคราะห์ในขั้นต้นของแข็งจึงแสดงลักษณะของการเป็นอสัณฐานเนื่องจากมีสิ่งสกปรกจำนวนมากดูดซับและติดอยู่ระหว่างผลึกโมเลกุลของมัน

ดังนั้นจึงตัดสินใจที่จะให้ความร้อนกับตัวทำละลายที่สีย้อมละลายได้เล็กน้อยเพื่อที่ว่าเมื่อเติมเข้าไปแล้วจะละลายได้ค่อนข้างง่าย เมื่อละลายหลังจากเติมตัวทำละลายอีกเล็กน้อยสารละลายจะถูกแยกออกจากแหล่งความร้อนและพักไว้ เมื่ออุณหภูมิลดลงการเกิดนิวเคลียสจะเกิดขึ้น

ดังนั้นผลึกสีย้อมจะก่อตัวและดูชัดเจนมากขึ้น (ไม่จำเป็นต้องเป็นผลึกที่ตา) เป็นช่วงเวลาที่แม่นยำนี้เองที่ภาชนะ (โดยปกติคือขวด Erlenmeyer หรือบีกเกอร์) จะแช่อยู่ในอ่างน้ำแข็ง ความเย็นของการอาบน้ำนี้ทำให้เกิดการเติบโตของผลึกที่อยู่เหนือนิวเคลียส

จากนั้นผลึกของสีย้อมจะถูกกรองด้วยสุญญากาศล้างด้วยตัวทำละลายซึ่งไม่ละลายน้ำและทิ้งไว้ให้แห้งในแก้วนาฬิกา

อุณหภูมิการตกผลึก

อุณหภูมิที่เกิดการตกผลึกขึ้นอยู่กับว่าตัวถูกละลายที่ไม่ละลายน้ำอยู่ในตัวกลางของตัวทำละลายอย่างไร ในทำนองเดียวกันก็ขึ้นอยู่กับจุดเดือดของตัวทำละลายเนื่องจากถ้าตัวถูกละลายยังไม่ละลายที่อุณหภูมิเดือดก็เป็นเพราะต้องใช้ตัวทำละลายอื่นที่เหมาะสมกว่า

ตัวอย่างเช่นของแข็งที่สามารถตกผลึกในสื่อที่เป็นน้ำจะทำเช่นนั้นเมื่อน้ำลดอุณหภูมิ (นั่นคือจาก 100 ถึง 50 ºC) หรือในขณะที่มันระเหย หากการตกผลึกเกิดขึ้นโดยการระเหยจะมีการกล่าวว่าเกิดขึ้นที่อุณหภูมิห้อง

ในทางกลับกันการตกผลึกของโลหะหรือของแข็งไอออนิกบางชนิดเกิดขึ้นที่อุณหภูมิสูงมากเนื่องจากจุดหลอมเหลวสูงมากและของเหลวที่หลอมเหลวจะมีลักษณะเป็นหลอดแม้ว่ามันจะถูกทำให้เย็นลงมากพอที่จะทำให้อนุภาคแตกเป็นนิวเคลียสและ ปลูกคริสตัลของคุณ

อัตราการตกผลึก

โดยหลักการแล้วมีสองวิธีโดยตรงในการควบคุมอัตราการตกผลึกของของแข็ง: โดยระดับของความอิ่มตัวของความอิ่มตัวสูง (หรือความอิ่มตัวของอิ่มตัวสูง) หรือโดยการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างกะทันหัน

ระดับความอิ่มตัวของสาร

ระดับความอิ่มตัวของความอิ่มตัวสูงหมายถึงปริมาณตัวถูกละลายส่วนเกินที่ถูกบังคับให้ละลายโดยการใช้ความร้อน ดังนั้นยิ่งสารละลายอิ่มตัวมากเท่าใดกระบวนการนิวคลีเอชั่นก็จะเร็วขึ้นเท่านั้นเนื่องจากมีความเป็นไปได้ที่นิวเคลียสจะก่อตัวมากขึ้น

แม้ว่าการตกผลึกจะถูกเร่งด้วยวิธีนี้ แต่ผลึกที่ได้จะมีขนาดเล็กกว่าเมื่อเทียบกับที่ได้รับที่มีระดับความอิ่มตัวต่ำกว่า นั่นคือเมื่อการเติบโตของพวกมันเป็นที่ชื่นชอบและไม่ใช่การรวมตัวกัน

การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ

ถ้าอุณหภูมิลดลงอย่างรวดเร็วนิวเคลียสแทบจะไม่มีเวลาในการเจริญเติบโตและไม่เพียงแค่นั้น แต่จะยังคงรักษาสิ่งสกปรกในระดับที่สูงขึ้นด้วย ผลที่ได้คือแม้ว่าการตกผลึกจะเกิดขึ้นเร็วกว่าการทำให้เย็นลงอย่างช้าๆ แต่คุณภาพขนาดและความบริสุทธิ์ของผลึกก็ต่ำลง

การตกผลึกอย่างรวดเร็วเนื่องจากอุณหภูมิลดลงอย่างกะทันหัน ที่มา: Gabriel Bolívar

ภาพด้านบนทำหน้าที่ตัดกันภาพแรก จุดสีเหลืองแสดงถึงสิ่งสกปรกซึ่งเกิดจากการเติบโตอย่างกะทันหันของนิวเคลียสจึงติดอยู่ภายใน

สิ่งสกปรกเหล่านี้ทำให้ยากที่จะรวมรูปหกเหลี่ยมสีม่วงเข้าด้วยกันมากขึ้นส่งผลให้มีผลึกขนาดเล็กและไม่บริสุทธิ์จำนวนมากในที่สุดแทนที่จะเป็นผลึกบริสุทธิ์ขนาดใหญ่

การประยุกต์ใช้งาน

การตกผลึกของไอศกรีมเป็นสิ่งที่สำคัญที่สุดอย่างหนึ่งในระหว่างการผลิตทางอุตสาหกรรมหรือโดยช่างฝีมือ ที่มา: Pixabay

การตกผลึกเช่นเดียวกับการตกผลึกซ้ำมีความสำคัญต่อการได้รับของแข็งบริสุทธิ์คุณภาพสูง สำหรับอุตสาหกรรมยาโดยเฉพาะอย่างยิ่งเนื่องจากผลิตภัณฑ์ของพวกเขาต้องบริสุทธิ์มากที่สุดเช่นเดียวกับสารกันบูดที่ใช้ในอุตสาหกรรมอาหาร

นอกจากนี้นาโนเทคโนโลยียังขึ้นอยู่กับกระบวนการนี้อย่างมากเพื่อให้สามารถสังเคราะห์อนุภาคนาโนหรือนาโนคริสตัลแทนที่จะเป็นของแข็งคริสตัลที่แข็งแกร่ง

หนึ่งในตัวอย่างประจำวันที่การตกผลึกมีส่วนร่วมอย่างมากคือการผลิตไอศกรีม หากคุณไม่ระมัดระวังน้ำมันจะตกผลึกในระยะที่แยกจากกัน (น้ำแข็ง) จากปริมาณไขมันจึงส่งผลต่อเนื้อสัมผัสและรสชาติ อีกอย่างมันจะเหมือนไอติมไสหรือไอติมมากกว่า

ดังนั้นเกล็ดน้ำแข็งควรมีขนาดเล็กที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้เพื่อให้ไอศกรีมมีรสชาติและสัมผัสที่นุ่มนวล เมื่อเกล็ดน้ำแข็งเหล่านี้มีขนาดใหญ่หน่อยก็สามารถตรวจจับได้ด้วยแสงเนื่องจากทำให้ไอศกรีมมีพื้นผิวที่เป็นฝ้า

ตัวอย่างของการตกผลึก

สุดท้ายการกล่าวถึงจะเป็นตัวอย่างทั่วไปของการตกผลึกทั้งแบบธรรมชาติและแบบประดิษฐ์:

เกล็ดหิมะ

เกล็ดหิมะเกิดจากกระบวนการตกผลึกตามธรรมชาติ เป็นที่ทราบกันดีว่าผลึกหิมะแต่ละอันมีเอกลักษณ์เฉพาะตัว นี่เป็นเพราะเงื่อนไขที่เกิดขึ้นในช่วงที่สองของการตกผลึก (การเจริญเติบโต)

รูปทรงเรขาคณิตที่แตกต่างกันของผลึกหิมะเกิดจากสภาวะที่พวกมันต้องเผชิญระหว่างการเติบโตของคริสตัล

เกลือ

เกลือเป็นตัวอย่างที่พบบ่อยที่สุดของการตกผลึก สิ่งนี้สามารถเกิดขึ้นได้ทั้งตามธรรมชาติ (เช่นเกลือทะเล) และเทียม (เช่นเดียวกับเกลือแกง)

น้ำตาล

หลังจากเกลือน้ำตาลเป็นหนึ่งในผลึกที่พบบ่อยที่สุด มันถูกสร้างขึ้นจากกระบวนการทางอุตสาหกรรมที่ซับซ้อนซึ่งนำน้ำอ้อยมาและผ่านกระบวนการตกผลึกเทียม

เพชร

เพชรเป็นพลอยที่เกิดจากการตกผลึกของคาร์บอนบริสุทธิ์ นี่เป็นวัสดุที่แข็งที่สุดที่รู้จักกันในโลก การก่อตัวของมันอาจเป็นไปตามธรรมชาติเช่นเดียวกับกรณีของเพชรที่พบในแหล่งขุดหรือวัสดุสังเคราะห์

ทับทิม

ทับทิมเป็นผลึกสีแดงที่เกิดจากการตกผลึกของอลูมิเนียมออกไซด์ (โคริดอน)

หินงอก

หินงอกเป็นโครงสร้างที่พบได้ในถ้ำโดยเฉพาะในดิน (ชี้ขึ้นไปข้างบน) ประกอบด้วยสารประกอบแคลเซียมและเกิดจากการตกผลึกของเกลือแคลเซียมที่พบในน้ำที่ตกลงมาจากเพดานถ้ำ

หินย้อย

หินงอกหินย้อยทำจากแคลเซียมและพบได้ในถ้ำ แตกต่างจากหลังเพราะแขวนจากเพดาน เกิดจากการตกผลึกของเกลือแคลเซียมที่มีอยู่ในน้ำที่แทรกซึมเข้าไปในถ้ำ

ผลึก

ควอตซ์เป็นอัญมณีที่เกิดจากการตกผลึกของซิลิซิคแอนไฮไดรด์ เป็นหนึ่งในแร่ธาตุที่อุดมสมบูรณ์ที่สุดในหินและสีของมันก็แปรผัน

Peridot

เรียกอีกอย่างว่าโอลิวีนพลอยนี้เกิดจากการตกผลึกของเหล็กและแมกนีเซียม มีสีเขียวและมักเป็นรูปเพชร

ซิลิเกต

ซิลิเกตเป็นวัสดุที่สร้างขึ้นจากการตกผลึกของซิลิกาและองค์ประกอบอื่น ๆ (เหล็กอลูมิเนียมแคลเซียมแมกนีเซียม) มีอยู่ในหินทั้งหมด

ลูกอม

ขนมทำด้วยผลึกน้ำตาลดังนั้นจึงสามารถกล่าวได้ว่ากระบวนการตกผลึกมีสองกระบวนการที่เกี่ยวข้อง: ขั้นแรกสำหรับการสร้างน้ำตาลและกระบวนการที่สองสำหรับการสร้างกากน้ำตาล

ไอศกรีมครีม

ไอศกรีมครีมประกอบด้วยชุดของผลึกที่ให้เนื้อเนียนในขั้นสุดท้าย ในบรรดาคริสตัลที่ไอศกรีมครีมประกอบด้วยผลึกไขมัน (เกิดจากไขมัน) และผลึกน้ำแข็งที่โดดเด่น ควรสังเกตว่าไอศกรีมบางชนิดมีผลึกแลคโตสด้วย

ในแง่นี้ไอศกรีมจะได้รับจากกระบวนการตกผลึกเทียมต่างๆ (หนึ่งสำหรับไขมันหนึ่งสำหรับน้ำแข็งและอีกอันสำหรับแลคโตส)

คนอื่น ๆ

- การเตรียมผลึกน้ำตาลรอบ ๆ ด้ายหรือเชือกและสารละลายหวานอิ่มตัว

- การก่อตัวของผลึกน้ำตาลจากน้ำผึ้งที่ฝากไว้ที่ด้านล่างของขวดโหล

- การเจริญเติบโตของนิ่วในไตซึ่งประกอบด้วยสาระสำคัญของผลึกแคลเซียมออกซาเลต

- การตกผลึกของแร่ธาตุรวมถึงอัญมณีและเพชรในช่วงหลายปีที่ผ่านมาซึ่งรูปร่างและขอบเป็นภาพสะท้อนของโครงสร้างภายในที่เป็นระเบียบ

- การสะสมไอระเหยของโลหะร้อนบนแท่งเย็นเพื่อรองรับการเติบโตของผลึก

อ้างอิง

1. Day, R. , & Underwood, A. (1989). เคมีวิเคราะห์เชิงปริมาณ. (ฉบับที่ห้า) PEARSON Prentice Hall.
2. วิกิพีเดีย (2019) การตกผลึก สืบค้นจาก: en.wikipedia.org
3. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (23 พ.ค. 2019). นิยามการตกผลึก ดึงมาจาก: thoughtco.com
4. มหาวิทยาลัยโคโลราโด (เอสเอฟ) การตกผลึก เคมีอินทรีย์. สืบค้นจาก: orgchemboulder.com
5. Syrris (2019) การตกผลึกคืออะไร? สืบค้นจาก: syrris.com