Krystallisation er størkning af atomer eller molekyler til en meget struktureret form kaldet a krystal. Normalt refererer dette til det langsomme nedbør af krystaller fra en opløsning af et stof. Imidlertid kan krystaller dannes fra en ren smelte eller direkte fra afsætning fra gasfasen. Krystallisation kan også henvise til fast-væske-separations- og oprensningsteknikken, hvor masseoverførsel finder sted fra den flydende opløsning til en ren fast krystallinsk fase.
Selvom krystallisation kan forekomme under nedbør, er de to udtryk ikke udskiftelige. Udfældning henviser ganske enkelt til dannelsen af et uopløseligt (fast stof) fra en kemisk reaktion. Et bundfald kan være amorft eller krystallinsk.
Crystallisationsprocessen
To hændelser skal forekomme for at krystallisation skal finde sted. Først klynger atomer eller molekyler sig sammen i mikroskopisk skala i en kaldet proces kimdannelse. Dernæst, hvis klyngerne bliver stabile og tilstrækkeligt store, krystal vækst kan ske.
Atomer og forbindelser kan generelt danne mere end en krystalstruktur (polymorfisme). Arrangementet af partikler bestemmes under nukleationstrinnet i krystallisation. Dette kan påvirkes af flere faktorer, herunder temperatur, koncentrationen af partiklerne, tryk og materialets renhed.
I en opløsning i krystalvækstfasen etableres en ligevægt, hvori opløste partikler opløses tilbage i opløsningen og udfældes som et fast stof. Hvis opløsningen er overmættet, driver dette krystallisation, fordi opløsningsmidlet ikke kan understøtte fortsat opløsning. Undertiden er det ikke nok at have en overmættet opløsning til at inducere krystallisation. Det kan være nødvendigt at give en frø krystal eller en ru overflade for at starte nucleation og vækst.
Eksempler på krystallisation
Et materiale kan krystallisere enten naturligt eller kunstigt og enten hurtigt eller over geologiske tidsskalaer. Eksempler på naturlig krystallisation inkluderer:
- Snefnug dannelse
- Krystallisering af honning i en krukke
- Stalaktit- og stalagmittdannelse
- Gemstone krystal afsætning
Eksempler på kunstig krystallisation inkluderer:
- Voksende sukkerkrystaller i en krukke
- Produktion af syntetiske ædelstene
Krystalliseringsmetoder
Der er mange metoder, der anvendes til at krystallisere et stof. I høj grad afhænger disse af, om udgangsmaterialet er en ionisk forbindelse (f.eks. Salt), kovalent forbindelse (f.eks. Sukker eller menthol) eller et metal (f.eks. Sølv eller stål). Måder til voksende krystaller inkluderer:
- Afkøling af en opløsning eller smelt
- Inddampning af et opløsningsmiddel
- Tilsætning af et andet opløsningsmiddel for at reducere opløseligheden af opløst stof
- sublimation
- Opløsningsmiddellager
- Tilføjelse af en kation eller anion
Den mest almindelige krystallisationsproces er at opløse opløsningen i et opløsningsmiddel, hvori det i det mindste er delvis opløseligt. Ofte øges opløsningens temperatur for at øge opløseligheden, så den maksimale mængde opløst stof går i opløsning. Dernæst filtreres den varme eller varme blanding for at fjerne uopløst materiale eller urenheder. Den resterende opløsning (filtratet) lodes langsomt afkøle for at inducere krystallisation. Krystallerne kan fjernes fra opløsningen og lade tørre eller kan vaskes ved anvendelse af et opløsningsmiddel, hvori de er uopløselige. Hvis processen gentages for at øge prøveens renhed, kaldes den omkrystallisering.
Kølehastigheden af opløsningen og mængden af fordampning af opløsningsmidlet kan i høj grad påvirke størrelsen og formen af de resulterende krystaller. Generelt resulterer langsommere fordampning i minimal fordampning.