Кристалізація

Кристалізацією називають процес вилучення речовини з роз­чину, розплаву або пари у вигляді кристалів. У промисловості пе­реважно мають справу з кристалізацією з розчинів.

Кристалічна будова твердої фази найстійкіша, оскільки структурні елементи (атоми, іони або молекули), утворюючи кристалічні решітки, розташовуються найбільш компактно і ма­ють мінімум вільної енергії. Тому аморфні речовини поступово кристалізуються (наприклад, кристалізація сахарози в карамелі та інших кондитерських масах під час тривалого зберігання). Зовні кристали являють собою багатогранники різної форми, з певною симетрією. Саме властивість симетрії і покладено в осно­ву класифікації кристалів.

У випадку масової кристалізації (за умов промислового ви­робництва) кристали однієї й тієї самої речовини відрізняються між собою розмірами і зовнішнім виглядом (габітусом). Проте ку­ти між відповідними гранями у всіх кристалів цієї речовини лиша­ються однаковими. Ця властивість, пов'язана з особливостями внутрішньої будови, називається законом сталості кутів (закон Гюї). Деякі речовини мають кілька кристалічних форм, стійких у певних інтервалах тиску і температури (явище поліморфізму). Пе­рехід з однієї кристалічної форми в іншу супроводжується тепло­вим ефектом у зв'язку з перебудовою кристалічних решіток. Бага­то речовин кристалізується з включенням у кристалічні решітки молекул води, утворюючи так звані кристалогідрати.

Кристалографія, спираючись на симетрію, зводить усю різно­манітність форм кристалів до 230 груп, які, в свою чергу, об'єдну­ються в 7 кристалічних систем (сингоній): триклинну, моноклин-ну, ромбічну, тригональну, тетрагональну, гексагональну і кубічну. Наприклад, кристали поширеної — сахарози — відно­сять до моноклинної сингонії. Вони характеризуються трьома кристалографічними осями з нерівними відрізками, причому дві

осі розташовані під прямими кутами, а третя — похило ( °)

У промисловості за допомогою кристалізації одержують речо­вини (сіль, цукор, глюкозу, лактозу) у чистому і зручному для ви­користання вигляді. Щоб дістати надчисті речовини, вдаються до багаторазової перекристалізації (наприклад, при виробництві цу­кру). Крім чистоти, важливою характеристикою є розмір.крис­талів та їх однорідність. Звичайно прагнуть одержати крупнокри-сталічний однорідний продукт, що добре фільтрується і сушиться.

У процесі виготовлення карамелі вживають усіх заходів, щоб запобігти кристалізації (зцукрюванню) — додають крохмальну патоку, інвертний цукор та інші антикристалізатори. Крис­талізація — небажане явище і під час зберігання багатьох конди­терських мас. А при виробництві кристалічного ірису, навпаки, прагнуть прискорити процес кристалізації. У виробництві мар­меладу і пастили цей процес регулюють так, щоб утворилася то­ненька кристалічна кірочка, яка надає виробам товарного вигля­ду. Процес кристалізації використовують також під час згущу­вання виморожуванням термонестійких рідких продуктів. При цьому зберігаються їх поживні властивості.

Зворотний кристалізації процес переходу твердої фази в рідкий стан, коли молекули твердої речовини розподіляються між молекулами розчинника, називають розчиненням. Розчинен­ня супроводжує процес кристалізації в промислових умовах при коливаннях температури і концентрації. Поряд з цим він має са­мостійне значення у більшості виробництв, де використовують цукор, сіль та інші розчинні продукти.

Процеси кристалізації і розчинення не є суворо зворотними. Часто за однакових значень рушійної сили (різниці концент­рацій) розчинення відбувається значно швидше, ніж крис­талізація. Зазначимо, що процес кристалізації набагато складніший. Кристалізація, як і будь-який фізико-хімічний про­цес, характеризується статикою, кінетикою і динамікою.

Статика кристалізації визначає умови рівноваги між криста­лами і розчином, з якого вони утворювались, а також зв'язок між початковими і кінцевими параметрами процесу.

Кінетика встановлює величину швидкості переходу речовини з однієї фази в іншу при заданих умовах.

Динаміка кристалізації визначає характер зміни параметрів системи в часі при зміні керованих параметрів (температури, кон­центрації).

На основі статики складають матеріальні і теплові баланси,

потрібні для розрахунку виходу кристалічного продукту, а також витрати теплоти. Кінетичний розрахунок застосовують для ви­бору конструкції та визначення розмірів кристалізатора. Ди­намічні характеристики кристалізаторів потрібні для автоматич­ного керування і оптимізацїі процесу.

Фізичні основи процесу. Кристалізація відбувається в резуль­таті обмеженої розчинності речовин. Якщо в розчинник ввести достатню кількість кристалів розчинної речовини, то процес роз­чинення через деякий час припиниться і встановиться динамічна рівновага між розчином, що утворився, і твердою фазою, яка не розчинилася. Такий розчин називають насиченим, а його концен­трацію — розчинністю. Розчин, концентрація якого менша від рівноважної, називають ненасиченим, а більша—перенасиченим.

Як ненасичені, так і насичені розчини перебувають у сталому стані і можуть зберігатись у незмінному вигляді необмежений час. При цьому в насиченому розчині міститься стала максималь­но можлива за даних умов кількість розчиненої речовини. На відміну від них, перенасичений розчин нестійкий. Надлишкова (порівняно з рівноважною) кількість розчиненої речовини в ньо­му може випасти в осад у вигляді кристалів, і розчин перетво­риться на насичений. Отже, процес кристалізації — це перехід не­сталого перенасиченого розчину в сталий насичений.

Перевищення концентрації перенасиченого розчину С над

Розчинністю Co називають перенасиченням (П=С – Со), а їх відношення — коефіцієнтом перенасичення а=С/Со

Розчинність Со що характеризує стан динамічної рівноваги

між кристалами і розчином, залежить від властивостей системи, температури і наявності домішок.