Кристаллизация и растворение

Кристаллизация представляет собой процесс выделения твердой фазы из растворов, расплавов или паров. Кристаллы – однородные твердые вещества различной геометрической формы, ограниченной плоскими гранями.

Продукт, получаемый в результате кристаллизации, представляет собой сыпучую массу кристаллов различного размера. Внешняя геометрическая форма кристаллов специфична для каждого вещества. Характерной особенностью кристаллического строения вещества является определенное, периодически повторяющееся в трех измерениях расположение ионов, атомов или молекул, образующих кристаллическую решетку.

В основу классификации кристаллов положена их симметрия. Известны 32 вида симметрии кристаллов. Для удобства они сгруппированы в 7 кристаллографических форм, или сингоний (кубическая, тригональная, тетрагональная, гексагональная, ромбическая, моноклинная, триклинная), и в 3 категории: высокую, к ней относится первая форма; среднюю и низкую (относятся следующие формы по три).

Ряд веществ, чаще всего химически однотипных, имеющих подобную кристаллическую решетку и при кристаллизации из растворов выделяющихся совместно, образуют смешанные кристаллы. Такие вещества называются изоморфными. 

В зависимости от условий кристаллизации (температуры, давления и др.), одно и то же вещество может образовывать разные по симметрии и форме кристаллы, называемые полиморфными разновидностями или модификациями. 

Кристаллы, включающие молекулы воды, называют кристаллогидратами.  В зависимости от условий проведения процесса кристаллизации одно и то же вещество может кристаллизоваться с разным числом молекул воды.

 В химической технологии наибольший интерес представляет процесс кристаллизации из растворов для получения различных веществ высокой чистоты. Проведение такого процесса в промышленном масштабе с одновременным получением большого числа кристаллов называется массовой кристаллизацией.

Растворы – однофазные системы переменного состава, образованные не менее чем двумя независимыми компонентами.

В отличие от состава химических соединений, состав растворов может в известных пределах непрерывно изменяться. Растворы бывают газообразными, жидкими и твердыми. Одно из веществ, образующих раствор, называется растворителем, остальные – растворенными веществами. Для жидких растворов, которые будут нами рассматриваться, растворителем принято считать то вещество, которое при образовании раствора находилось в жидком состоянии. Наиболее распространенным растворителем, используемым в химической технологии, является вода. Твердые неорганические вещества (хлориды, сульфаты и т.п.) при растворении в воде распадаются на отдельные ионы, а органические вещества (мочевина, сахар и др.) – на отдельные молекулы.

Наибольшее влияние на растворимость твердых веществ в каком-либо растворителе оказывает температура раствора. На растворимость газов в жидкостях существенное влияние оказывает также внешнее давление.

У большинства веществ растворимость с повышением температуры раствора увеличивается. В таком случае речь идет о прямой, положительной  растворимости (хлориды,  сульфаты натрия, калия, сахар и т.п.). Однако у некоторых веществ растворимость с повышением температуры раствора уменьшается (гипс, сода в воде). Такие вещества имеют обратную, отрицательную  растворимость.

Очень важными в теории процессов растворения и кристаллизации являются понятия о ненасыщенном, насыщенном и пересыщенном растворах.

Ненасыщенным называется такой раствор, который способен в данных условиях растворить в себе некоторое количество содержащегося в нем вещества.

К насыщенным относятся растворы, которые не изменяют своего состава, находясь в контакте с кристаллами растворенных в них веществ. Содержание растворенного вещества в насыщенном растворе соответствует его растворимости при данных условиях. Однако если изменить условия, например повысить температуру раствора, то кристаллы могут снова начать растворяться, а состав раствора при этом будет изменяться. Если этот же раствор охладить, то из него начнут выделяться кристаллы растворенного вещества. Это происходит потому, что в рассматриваемом нами растворе с понижением температуры растворимость соли уменьшается. Кристаллы будут выделяться до тех пор, пока раствор не станет снова насыщенным, но уже при более низкой температуре. В течение всего  этого времени количество вещества, содержащегося в растворе, превышало его растворимость, а раствор находился в пересыщенном состоянии.

Пересыщенным называется раствор, в котором содержание какого-либо вещества в растворенном виде превышает его растворимость в данных условиях.

Растворением называется процесс взаимодействия растворителя с полностью растворяемой твердой фазой, не образующей остаточной пористой структуры (скелета) и шлама ( нерастворимого осадка). При наличии пористого тела процесс перехода растворимого вещества в раствор называют выщелачиванием. Выщелачивание происходит в две стадии: диффузия внутри пор и массоотдача с геометрической поверхности тела. Растворение предполагает взаимодействие растворителя с твердым телом только на его внешней поверхности.

Растворение – это процесс, обратный кристаллизации; в ряде химических  производств он имеет самостоятельное значение. Путем чередования процессов кристаллизации и растворения (перекристаллизации) получают наиболее чистые продукты.