結晶

結晶

在化學裏面,熱的飽和溶液冷卻後,溶質以晶體的形式析出,這一過程叫結晶。

  • 中文名稱
    結晶
  • 繁體
    結晶
  • 註音
     ㄐㄧㄝˊㄐㄧㄥ
  • 拼音
    jiéjīng
  • 形狀
    晶體狀

字詞詮釋

詞目                                                                  

結晶

結晶

拼音:jié jīng

結晶結晶

基本解釋 

1.物質液態(溶液或熔融狀態)或氣態形成晶體

2.晶體,即原子、離子或分子按一定的空間次序排列而形成的固體。也叫結晶體。

3.比喻珍貴的成果。例如:勞動的結晶。

4。遊戲道具

詳細解釋 

1.熱結晶的飽和溶液冷卻後,溶質以晶體的形式析出這一過程叫結晶。

2.即結晶體。

3.比喻珍貴的成果。

艾青《給烏蘭諾娃》詩:不是天上的仙女,卻是人間的女神,比夢更美,比幻想更動人--是勞動創造的結晶。王朝聞《藝術創作有特殊規律》:這是形象思維方法的卓越成就,是想像與思考的結晶。

純金屬的結晶過程

純金屬的結晶過程是在冷卻曲線上的水準線段內發生的。實驗證明:金屬結晶時,首先從液體金屬中自發形成一批結晶核心,與此同時,某些外來的難熔質點也可以充當晶核,形成非自發晶核;隨著時間的推移,已形成的晶核不斷長大,並繼續產生新的晶核,直到液體金屬全部消失,晶體彼此接觸為止。所以結晶過程就是不斷地形核和晶核不斷長大的過程。

專業解釋

結晶首先是一個地球物理概念,通過結晶形成的自然金、自然銀、自然銅其價值遠遠高出通過冶煉獲得的金、銀、銅。

發育良好的礦物結晶體均價值連城。

由于中國工業文明較晚,大部分人對礦物結晶體不了解,上海市打造國際城市名片,已連續三年舉辦礦物結晶體展覽,爭取早日成為國際有影響力的大展,向美國圖森礦物結晶展、德國慕尼黑礦物結晶展、法國聖瑪麗礦物結晶展看齊。

結晶的原理

溶質從溶液中析出的過程,可分為晶核生成(成核)和晶體生長兩個階段,兩個階段的推動力都是溶液的過飽和度(結晶溶液中溶質的濃度超過其飽和溶解度之值)。晶核的生成有三種形式:即初級均相成核、初級非均相成核及二次成核。在高過飽和度下,溶液自發地生成晶核的過程,稱為初級均相成核;溶液在外來物(如大氣中的微塵)的誘導下生成晶核的過程,稱為初級非均相成核;而在含有溶質晶體的溶液中的成核過程,稱為二次成核。二次成核也屬于非均相成核過程,它是在晶體之間或晶體與其他固體(器壁、攪拌器等)碰撞時所產生的微小晶粒的誘導下發生的。

對結晶操作的要求是製取純凈而又有一定粒度分布的晶體。晶體產品的粒度及其分布,主要取決于晶核生成速率(單位時間內單位體積溶液中產生的晶核數)、晶體生長速率(單位時間內晶體某線性尺寸的增加量)及晶體在結晶器中的平均停留時間。溶液的過飽和度,與晶核生成速率和晶體生長速率都有關系,因而對結晶產品的粒度及其分布有重要影響。在低過飽和度的溶液中,晶體生長速率與晶核生成速率之比值較大(見圖),因而所得晶體較大,晶形也較完整,但結晶速率很慢。在工業結晶器內,過飽和度通常控製在介穩區內,此時結晶器具有較高的生產能力,又可得到一定大小的晶體產品。

晶導流筒結晶設備體在一定條件下所形成的特定晶形,稱為晶習。向溶液增加或自溶液中除去某種物質(稱為晶習改變劑)可以改變晶習,使所得晶體具有另一種形狀。這對工業結晶有一定的意義。晶習改變劑通常是一些表面活性物質以及金屬或非金屬離子。

晶體在溶液中形成的過程稱為結晶。結晶的方法一般有2種:一種是蒸發溶劑法,它適用于溫度對溶解度影響不大的物質。沿海地區“曬鹽”就是利用的這種方法。另一種是冷卻熱飽和溶液法[2]。此法適用于溫度升高,溶解度也增加的物質。如北方地區的鹽湖,夏天溫度高,湖面上無晶體出現;每到冬季,氣溫降低,石鹼(Na2CO3·10H2O)、芒硝(Na2SO4·10H2O)等物質就從鹽湖裏析出來。在實驗室裏為獲得較大的完整晶體,常使用緩慢降低溫度,減慢結晶速率的方法。

人們不能同時看到物質在溶液中溶解和結晶的巨觀現象,但是溶液中實際上同時存在著組成物質的微粒在溶液中溶解與結晶的兩種可逆的運動。通過改變溫度或減少溶劑的辦法,可以使某一溫度下溶質微粒的結晶速率大于溶解的速率,這樣溶質便會從溶液中結晶析出。

結晶的知識

在結晶結晶學和重結晶純化化學試劑的操作中,溶劑的選擇是關系到純化質量和回收率的關鍵問題。選擇適宜的溶劑時應註意以下幾個問題:

選擇的溶劑應不與欲純化的化學試劑發生化學反應。例如脂肪族鹵代烴類化合物不宜用作鹼性化合物結晶和重結晶的溶劑;醇類化合物不宜用作酯類化合物結晶和重結晶的溶劑,也不宜用作氨基酸鹽酸鹽結晶和重結晶的溶劑。

選擇的溶劑對欲純化的化學試劑在熱時應具有較大的溶解能力,而在較低溫度時對欲純化的化學試劑的溶解能力大大減小。

選擇的溶劑結晶機製對欲純化的化學試劑中可能存在的雜質或是溶解度甚大,以便能使雜質在欲純化的化學試劑結晶和重結晶時留在母液中,在結晶和重結晶時不隨晶體一同析出;或是溶解度甚小,以便能使雜質在欲純化的化學試劑加熱溶解時,很少在熱溶劑溶解,在熱過濾時被除去。

選擇的溶劑沸點不宜過于高,以免該溶劑在結晶和重結晶時附著在晶體表面不容易除盡。

用于結晶和重結晶的常用溶劑有:水、甲醇、乙醇、異丙醇、丙酮、乙酸乙酯、氯仿、冰醋酸、二氧六環、四氯化碳、苯、石油醚等。此外,甲苯、硝基甲烷、乙醚、二甲基甲酰胺、二甲亞碸等也常使用。二甲基甲酰胺和二甲亞碸的溶解能力大,當找不到其它適用的溶劑時,可以試用。但往往不易從溶劑中析出結晶,且沸點較高,晶體上吸附的溶劑不易除去,是其缺點。乙醚雖是常用的溶劑,但是若有其它適用的溶劑時,最好不用乙醚,因為一方面由于乙醚易燃、易爆,使用時危險性特別大,應特別小心;另一方面由于乙醚易沿壁爬行揮發而使欲純化的化學試劑在瓶壁上析出,以致影響結晶的純度。

在選擇溶劑時必須了解欲純化的化學試劑的結構,因為溶質往往易溶于與其結構相近的溶劑中―“相似相溶”原理。極性物質易溶于極性溶劑,而難溶于非極性溶劑中;相反,非極性物質易溶于非極性溶劑,而難溶于極性溶劑中。這個溶解度的規律對實驗工作有一定的指導作用。如:欲純化的化學試劑是個非極性化合物,實驗中已知其在異丙醇中的溶解度太小,異丙醇不宜作其結晶和重結晶的溶劑,這時一般不必再實驗極性更強的溶劑,如甲醇、水等,應實驗極性較小的溶劑,如丙酮、二氧六環、苯、石油醚等。適用溶劑的最終選擇,隻能用試驗的方法來決定。

關于晶體的析出過濾得到的濾液冷卻後,晶體就會析出。用冷水或冰水迅速冷卻並劇烈攪動溶液時,可得到顆粒很小的晶體,將熱溶液在常溫條件下靜置使之緩緩冷卻,則可得到均勻而較大的晶體。

如果溶液冷卻後晶體仍不析出,可用玻璃抹摩控液面下的容器壁,也可加入晶種,或進一步降低溶液溫度(用冰水或其它冷凍溶液冷卻)。如果溶液冷卻後不析出晶體而得到油狀物時,可重新加熱,至形成澄清的熱溶液後,任其自行冷卻,並不斷用玻璃棒攪拌溶液,摩擦器壁或投人晶種,以加速晶體的析出。若仍有油狀物開始析出,應立即劇烈攪拌使油滴分散。

製作 結晶的方法

結晶方法一般為兩種,一種是蒸發結晶,一種是降溫結晶

蒸發結晶

原理

蒸發結晶:蒸發溶劑,使溶液由不飽和變為飽和,繼續蒸發,過剩的溶質就會呈晶體析出,叫蒸發結晶。例如:當NaCl和KNO3的混合物中NaCl多而KNO3少時,即可採用此法,先分離出NaCl,再分離出KNO3。

可以觀察溶解度曲線,溶解度隨溫度升高而升高得很明顯時,這個溶質叫陡升型,反之叫緩升型。

當陡升型溶液中混有緩升型時,若要分離出陡升型,可以用降溫結晶的方法分離,若要分離出緩升型的溶質,可以用蒸發結晶的方法,也就是說,蒸發結晶適合溶解度隨溫度變化不大的物質,如:氯化鈉。

硝酸鉀就屬于陡升型,氯化鈉屬于緩升型,所以可以用蒸發結晶來分離出氯化鈉,也可以用降溫結晶分離出硝酸鉀。

實驗過程

蒸發皿中進行,蒸發皿放于鐵架台的鐵圈上,倒入液體不超過蒸發皿容積的2/3,蒸發過程中不斷用玻璃棒攪拌液體,防止受熱不均,液體飛濺。看到有大量固體析出,或者僅餘少量液體時,停止加熱,利用餘熱將液體蒸幹

過濾

與蒸發相伴隨的往往有過濾。這裏介紹幾種常見的過濾方法:

1 常壓過濾,所用儀器有:玻璃漏鬥、小燒杯、玻璃棒、鐵架台等。要註意的問題有:在疊濾紙的時候要盡量讓其與玻璃漏鬥內壁貼近,這樣會形成連續水珠而使過濾速度加快。這在一般的過濾中與速度慢的區別還不太明顯,當要求用熱過濾時就有很大的區別了。比如說在製備KNO3時,如果你的速度太慢,會使其在漏鬥中就因冷卻而使部分KNO3析出堵住漏鬥口,這樣實驗效果就會不太理想。

2 減壓過濾,所用儀器有:布氏漏鬥、抽濾瓶、濾紙、洗瓶、玻璃棒、迴圈真空泵等。要註意的問題有:選擇濾紙的時候要適中,當抽濾瓶與迴圈真空泵連線好後用洗瓶將濾紙周邊潤濕,後將要過濾的產品轉移至其中(若有溶液部分要用玻璃棒引流)。降溫結晶

降溫結晶

蒸發濃縮冷卻結晶

簡介

先加熱溶液,蒸發溶劑成飽和溶液,此時降低熱飽和溶液的溫度,溶解度隨溫度變化較大的溶質就會呈晶體析出,叫降溫結晶。例如:當NaCl和KNO3的混合物中KNO3多而NaCl少時,即可採用此法,先分離出KNO3,再分離出NaCl。

降溫結晶後,溶質的質量變小

溶劑的質量不變 溶液的質量變小

溶質質量分數變小

溶液的狀態是飽和狀態

與結晶相伴隨的往往有過濾。這裏介紹幾種常見的過濾方法:1 常壓過濾,所用儀器有:玻璃漏鬥、小燒杯、玻璃棒、鐵架台等。要註意的問題有:在疊濾紙的時候要盡量讓其與玻璃漏鬥內壁貼近,這樣會形成連續水珠而使過濾速度加快。這在一般的過濾中與速度慢的區別還不太明顯,當要求用熱過濾時就有很大的區別了。比如說在製備KNO3時,如果你的速度太慢,會使其在漏鬥中就因冷卻而使部分KNO3析出堵住漏鬥口,這樣實驗效果就會不太理想。2 減壓過濾,所用儀器有:布氏漏鬥、抽濾瓶、濾紙、洗瓶、玻璃棒、迴圈真空泵等。要註意的問題有:選擇濾紙的時候要適中,當抽濾瓶與迴圈真空泵連線好後用洗瓶將濾紙周邊潤濕,後將要過濾的產品轉移至其中(若有溶液部分要用玻璃棒引流)。

原理

1.降溫結晶的原理是溫度降低,物質的溶解度減小,溶液達到飽和了,多餘的即不能溶解的溶質就會析出。蒸發結晶的原理是恆溫情況下或蒸發前後的溫度不變,溶解度不變,水分減少,溶液達到飽和了即多餘的溶質就會析出。例如鹽鹼湖夏天曬鹽,冬天撈鹼,就是這個道理。

2.如果兩種可溶物質混合後的分離或提純,誰多容易達到飽和,就用誰的結晶方法,如氯化鈉中含有少量的碳酸鈉雜質,就要用到氯化鈉的結晶方法即蒸發結晶,反之則用降溫結晶。

3.當然有關了。溶解度曲線呈明顯上升趨勢的物質,其溶解度隨溫度變化較大,一般用降溫結晶,溶解度曲線略平的物質,其溶解隨溫度變化不大,一般用蒸發結晶。

4.補充說明:“誰容易達到飽和”就是說兩種可溶物質中的哪一種物質的含量較大,那麽它就先達到飽和。這時它就容易析出,我們就採用它的結晶方法。

5.氫氧化鈣和氣體除外,因為其溶解度曲線為隨溫度升高而降低,所以採用冷卻熱飽和溶液時,應降溫,其餘方法相同。

製作 結晶的過程

結晶的確是一門學問,國內在結晶方面專家首推天津大學化工學院的王靜康院士。關于這方面的理論書籍不青海茶卡鹽湖鹵水結晶成石鹽[3]少,但是真正具體到每一類物質或每個物質,他們又不完全相同。共性的東西可能是理論上的,具體到每一類化合物的結晶過程的討論可能對大家最有幫助。溶劑的選擇(單一或復合)、結晶溫度,攪拌速度,攪拌方式,過飽和度的選擇,養晶的時間,溶媒滴加的方式和速率等等,另外,在溶解、析晶、養晶這些過程中,上述溫度、攪拌速度、時間多少、加入方式和速度還不完全一樣。所以諸多因素疊加在一起,更是覺得難度大。一般說來,先應該選擇主要的條件,使結晶過程能夠進行下去,得到晶體,然後再最佳化上述條件。條件成熟後,才能進行中試和生產。如果是進行理論研究可能著重點就不一樣了。如果是搞套用研究,那麽溶劑相對來說不難選擇,關鍵點茶卡鹽湖石鹽結晶在于使用這種溶劑能否找到過飽和點,過飽和點區間是不是好控製。如果過飽和點不好選,或過飽和度不夠,很難析晶,更別提養晶了。這時可能要考慮復合溶媒,調整過飽和區間。所以我認為結晶過程最主要的是析晶過程,這時候各個條件的控製最為重要。控製好析晶過程,結晶過程大概完成60%。

養晶過程相對來說好控製一些,主要是按照最佳化參數,控製好條件,一般問題不大,放大過程中也基本不會出問題。 如果搞基礎研究,物性還不是很清楚,結晶過程的研究可能花費的時間,精力較大。但一旦把整個過程搞明白,還是很有價值的。

結晶的性能

從液態(溶液或熔融物)或氣態原料中析出晶體物質,是一種屬于熱、質傳遞過程的單元操作。從熔融體析出晶體的過程用于單晶製備,從氣體析出晶體的過程用于真空鍍膜,而化工生產中常遇到的是從溶液中析出晶體。根據液固平衡的特點,結晶操作不僅能夠從溶液中取得固體溶質,而且能夠實現溶質與雜質的分離,借以提高產品的純度。早在5000多年前,人們已開始利用太陽能蒸濃海水製取食鹽。現在結晶已發展成為從不純的溶液裏製取純凈固體產品的經濟而有效的操作。許多化工產品(如染料、塗料、醫葯品及各種鹽類等)都可用結晶法製取,得到的晶體產品不僅有一定純度,而且外形美觀,便于包裝、運輸、貯存和套用。

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