Кіріспе

Кристалдану – атомдары немесе молекулалары кристалл деп аталатын жоғары ұйымдасқан құрылымға өте жақсы реттелген қатты заттың пайда болу процесі. Кристаллдар ерітіндіден тұндыру, қатыру немесе сирек жағдайларда газ тәрізді тікелей шоғырлану арқылы түзіледі. Пайда болған кристалдың қасиеттері температура, ауа қысымы, салқындату жылдамдығы және сұйық кристалдар жағдайында сұйықтың булану уақыты сияқты факторларға көбінесе байланысты. Кристалдану екі негізгі қадамнан тұрады. Біріншісі – ядро пайда болу, яғни артық суытылған сұйықтықтан немесе артық қаныққан еріткіштен кристалл фазаның пайда болуы. Екінші қадам – кристаллдың өсуі деп аталады, ол бөлшектердің мөлшерінің ұлғаюына және кристалл күйіне әкеледі. Бұл қадамның маңызды ерекшелігі – еріген бөлшектер кристалдың бетінде қабаттар түзеді және тесіктер, жарықтар сияқты ашық кемшіліктерге еніп орналасады. Көптеген минералдар мен органикалық молекулалар оңай кристалданады, ал алынған кристалдар әдетте жақсы сапалы, яғни көзге көрінетін кемшіліктеріз болады. Дегенмен, протеиндер сияқты ірі биохимиялық бөлшектерді кристалдастыру қиынға соғуы мүмкін. Молекулалардың кристалдану оңайлығы атомдық күштердің (минералдық заттар үшін), молекулалық күштердің (органикалық және биохимиялық заттар үшін) немесе ішкі молекулалық күштердің (биохимиялық заттар үшін) қарқындылығына тікелей байланысты. Кристалдану – химиялық қатты-сұйық бөлісу әдісі, онда еріген заттың сұйық ерітіндіден таза қатты кристалдық фазаға массалық ауысуы жүзеге асады. Химиялық инженерияда кристалдану кристалдағышта жүреді. Кристалдану тұнбаланумен байланысты, бірақ нәтижесі аморфты немесе ретсіз емес, кристалл болып табылады.

Процесс

Кристалдану процесі екі негізгі құбылыстан тұрады: нуклеация және кристалл өсу, олар термодинамикалық және химиялық қасиеттермен қозғалады. Нуклеация – еріткіштегі еріген молекулалар немесе атомдардың микроскопиялық деңгейде (шағын аймақта еріген заттың концентрациясын арттыра отырып) кластерлерге жинала бастап, ағымдағы жұмыс жағдайларында тұрақты болатын кезең. Осы тұрақты кластерлер ядроны құрайды. Сондықтан, кластерлер тұрақты ядроларға айналу үшін белгілі бір сын көлемге жетуі керек. Мұндай сын көлем температура, үлкен қанығу сияқты көптеген факторлармен анықталады. Нуклеация кезінде атомдар немесе молекулалар кристалл құрылымын анықтайтын реттелген және периодтық тәртіпте орналасады. "Кристалл құрылымы" – бұл кристаллдың макроскопиялық қасиеттері емес (көлемі мен пішіні), атомдар немесе молекулалардың салыстырмалы орналасуын білдіретін арнайы термин, бірақ олар ішкі кристалл құрылымының нәтижесі болып табылады. Кристалл өсуі – сын кластер көлеміне жеткен ядролардың көлемінің артуы. Кристалл өсуі – еріген молекулалар немесе атомдар ерітіндіден тұнбаланып, қайта ерітіндіге оралатын тепе-теңдік күйінде жүретін динамикалық процесс. Үлкен қанығу кристалданудың қозғаушы күштерінің бірі болып табылады, себебі түрдің ерігіштігі Ksp арқылы өлшенетін тепе-теңдік процесі болып табылады. Жағдайларға байланысты нуклеация немесе өсу басым болуы мүмкін, бұл кристалл көлемін анықтайды. Көптеген қосылыстар кристалдануға қабілетті, ал кейбіреулері әртүрлі кристалл құрылымдарына ие, бұл полиморфизм деп аталатын құбылыс. Кейбір полиморфтар метастабильді болуы мүмкін, яғни термодинамикалық тепе-теңдікте болмаса да, кинетикалық тұрақты және тепе-теңдік фазасына өтуді бастау үшін белгілі бір мөлшерде энергия жұмсау қажет. Әрбір полиморф – әр түрлі термодинамикалық қатты күй және бір қосылыстың кристалл полиморфтары еріту жылдамдығы, пішіні (жақтар арасындағы бұрыштар және жақтың өсу жылдамдығы), балқу температурасы сияқты әртүрлі физикалық қасиеттерді көрсетеді. Осы себепті полиморфизм кристалл өнімдерін өнеркәсіптік өндіруде маңызды рөл атқарады. Сонымен қатар, кристалл фазалары кейде температура сияқты өзгермелі факторлардың әсерінен бір-біріне айналуы мүмкін, мысалы, титан диоксидінің анатазы рутил фазасына айналуы.

Әдістер

Кристалл түзілуді екі түрге бөлуге болады, мұнда кристаллдардың бірінші түрі катион мен анионнан тұрады, бұл натрий ацетаты сияқты тұз ретінде де белгілі. Екінші кристаллдар зарядталмаған молекулалардан тұрады, мысалы, ментол. Кристалл түзілуіне әртүрлі әдістер арқылы қол жеткізуге болады, мысалы: салқындату, булану, еріген заттың ерігіштігін азайту үшін екінші еріткіш қосу (бұл әдіс антиеріткіш немесе шөгу деп аталады), еріткіштерді қабаттастыру, сублимация, катионды немесе анионды өзгерту, сондай-ақ басқа да әдістер. Қайнатылған ерітіндінің пайда болуы кристалл түзілуіне кепілдік бермейді, көбінесе жаңа кристалл ядросының пайда болуы үшін тұқым кристалл қажет немесе ыдыстың қабырғасын сызып алу керек. Кристалл түзілуінің зертханадағы әдеттегі әдісі – қатты затты ішінара ерітілетін ерітіндіде еріту, әдетте қаныққан ерітінді алу үшін жоғары температурада. Содан кейін ыстық қоспаны ерімейтін қоспаларды жою үшін сүзіп алады. Сүзіндіні баяу салқындатуға рұқсат етіледі. Түзілген кристалдар сүзіліп, аналық ерітіндімен жақсы араласатын, бірақ оларда ерімейтін еріткішпен жуылады. Тазалау деңгейін арттыру үшін бұл процесс қайталанады. Биологиялық молекулалар үшін, олардың үш өлшемді құрылымын сақтау үшін еріткіш каналдары сақталған жағдайда, майда тамшылы кристалдану және бу тарату әдістері жиі қолданылады.

Типтік жабдықтар

Кристалданудың негізгі өндірістік процестеріне арналған жабдықтар. Танк кристалдағыштары. Танк кристалдануы – кейбір арнайы жағдайларда әлі де қолданылып жүрген көне әдіс. Танк кристалдануында толысқан ерітінділер ашық резервуарларда салқындатылады. Біршама уақыт өткен соң аналық ерітінді төгіліп, кристалдар алынып тасталады. Кристаллдардың түзілуі мен мөлшерін бақылау қиын. Көбінесе, еңбек ақына кететін шығын өте жоғары.

Термодинамикалық көрініс

Кристалдану процесі термодинамиканың екінші қағидасын бұзуға көрінеді. Көптеген процестер көбінесе жылу беру арқылы реттелген нәтижелерге қол жеткізеді, ал кристаллдар әдетте төмен температурада, әсіресе суыту арқылы пайда болады. Дегенмен, кристалдану кезінде балқу жылуының бөлінуіне байланысты ғаламның энтропиясы артады, осылайша бұл қағида өзгеріссіз қалады. Таза, мінсіз кристаллдың молекулалары сыртқы көзден қызғанда сұйыққа айналады. Бұл әрбір кристалл түрі үшін өзгеше болатын нақты анықталған температурада жүреді. Сұйықтану кезінде кристаллдың күрделі құрылымы күйрейді. Балқу, жүйедегі молекулалардың кеңістіктік ретсіздігінен туындаған энтропияның (S) артуы, кристалл байланыс күштерін бұзуға байланысты энталпияның (H) жоғалуын басып өтетіндіктен пайда болады: кристаллдарға қатысты, бұл ережеге ешқандай ерекшелік жоқ. Сол сияқты, балқыған кристалл суытылғанда, температура бұрылыс нүктесінен төмен түскенде молекулалар өздерінің кристаллдық түріне оралады. Себебі, қоршаған ортаның жылулық ретсіздігі жүйедегі молекулалардың қайта реттелгенінен туындаған энтропияның жоғалуын толықтырады. Суығанда кристалданатын сұйықтықтар көбінесе ереже емес, ерекшелік болып табылады. Кристалдану процесінің мәні термодинамикалық және кинетикалық факторлармен анықталады, бұл оны өте өзгермелі және бақылауды қиындатады. Лас болу деңгейі, араластыру режимі, ыдыстың дизайны және салқындату профилі сияқты факторлар өндірілген кристалдардың мөлшеріне, санына және пішініне маңызды әсер етеді.

Динамикасы

Жоғарыда айтылғандай, кристалл молекулалық деңгейде әрекет ететін күштермен анықталатын белгілі бір үлгі немесе құрылым бойынша қалыптасады. Осының салдарынан, қалыптасу процесінде кристалл еріген заттың концентрациясы белгілі бір шекті мәнге жеткен ортада болады, содан кейін күйі өзгереді. Берілген температура және қысым жағдайында ерігіштік шегінен төмен қатты заттардың пайда болуы мүмкін емес, бірақ кристалдану теориялық ерігіштік деңгейінен жоғары концентрацияда жүзеге асуы мүмкін. Кристалдану шегіндегі еріген заттың нақты концентрациясы мен теориялық (статикалық) ерігіштік шегі арасындағы айырмашылық суперқанығу деп аталады және кристалдану процесіндегі маңызды фактор болып табылады.

Ядролық

Нуклеация – сұйық ерітіндіде қатты кристаллдың пайда болуы сияқты, шағын аймақта фазалық өзгерістің басталуы. Бұл, метатұрақ тепе-теңдік күйдегі біртекті фазадағы молекулалық деңгейдегі жылдам жергілікті құбылыстардың нәтижесі. Жалпы нуклеация – бастапқы және екіншілік нуклеацияның екі түрінің жиынтық әсері.

Екіншілік ядролық

Екіншілік ядролану – магмадағы бар микроскопиялық кристалдардың әсерінен пайда болатын ядролардың қалыптасуы. Басқаша айтқанда, екіншілік ядролану – бұл кристалл өсуінің басқа да бар кристалдармен немесе "тұқымдармен" жанасу арқылы басталуы. Екіншілік кристалданудың бірінші түрі сұйықтықтың серпілісіне байланысты, ал екіншісі – кристалдаушының қатты бетімен немесе басқа кристалдармен соқтығысуларға байланысты. Сұйықтық серпілісінен болатын ядролану кезінде сұйықтық кристалл арқылы жоғары жылдамдықпен өтеді, кристаллға қосылатын ядроларды жойып, алынған ядроларды жаңа кристалдарға айналдырады. Контактілік ядролану – ядроланудың ең тиімді және көп таралған әдісі болып табылады. Оның артықшылықтары мыналар:

DTB кристалдағышы

Кристаллизатордың түрі қандай болмасын, тиімді процесті басқару үшін кристаллдың нақты бетіндегі оптималды жағдайларды және ең жылдам өсуді қамтамасыз ету үшін ұсталу уақытын және кристалл массасын бақылау маңызды. Бұл, қарапайым тілмен айтқанда, екі ағынды әртүрлі басқару үшін сұйық массадан кристалдарды бөлу арқылы жүзеге асырылады. Практикалық жолы – кристалдарды (мүмкін жеке қайта өңдеу үшін) алу және кристалдағыш айналасындағы массалық ағынды басқару арқылы басқа жерде нақты шлам тығыздығын алу үшін ауырлық күшімен тұндыруды орындау. Типикалық мысал – 1950 жылдардың соңында Ричард Чисум Беннетт (Swenson инженері, кейін Swenson президенті) ұсынған DTB (Draft Tube and Baffle) кристалдағышы. DTB кристалдағышы (суреттерді қараңыз) ішкі циркуляторға ие, әдетте, осьтік ағынды аралағыш – сары түсті – жоғары қарай тартқыш түтікшеде жылдам қозғалады, ал кристалдағыштың сыртында жылтыр тұнату аймағы бар; онда шығарылатын ерітінді өте төмен жылдамдықпен жоғары көтеріледі, сондықтан ірі кристалдар тұнып, негізгі айналымға қайта оралады, ал белгілі бір дән мөлшерінен кішкентай кристалдар ғана шығарылып, температураны көтеріп немесе төмендетіп жойлады, осылайша қосымша қанығу тудырады. DTB кристалдағыштары кристаллдың мөлшері мен қасиеттерін жақсырақ бақылауға мүмкіндік беретіндіктен, барлық параметрлерді дерлік толық бақылауға қол жеткізіледі. Бұл кристалдағыш және оның туынды үлгілері (Krystal, CSC және т.б.) бу басқышының диаметрі шектеулі болғандықтан және жүйеге көп мөлшерде энергия беруге мүмкіндік бермейтін салыстырмалы түрде төмен сыртқы айналым болғандықтан, буландыру қабілетінің шектеуі болмаса, толыққанды шешім болуы мүмкін.