결정화 : 공정, 유형, 예, 분리 - 화학 - 2026

결정화 자연적 또는 인위적으로 결정질 고체, 즉 정렬 구조는 액체 또는 기체 매질에서 형성되는 물리적 공정이다. 후자가 공정 매개 변수를 엄격하게 제어하지 않고 발전하고 무정형 및 젤라틴 고체를 생성 할 수 있다는 점에서 침전과 다릅니다.

그 이름이 간단하고 분명하게 알 수 있듯이 결정화의 목적은 결정을 생성하는 것입니다. 이것들은 질서 정연 할뿐만 아니라 순수한 고체임을 특징으로합니다. 따라서 고체 화합물의 합성에서 가능한 한 순수한 고순도 결정의 제품을 얻기 위해 노력하고 있습니다.

수용액에서 가상의 자주색 용질의 결정화. 출처 : Gabriel Bolívar.

위의 이미지는 수용액에서 보라색 용질의 일반화 및 가상 결정화를 보여줍니다.

빨간색 막대는 온도계 역할을합니다. 온도가 높으면 용액에 용해 된 용질이 포함되어 이러한 조건에서 용해됩니다. 그러나 온도가 서서히 떨어지면 첫 번째 보라색 결정이 나타나기 시작합니다.

온도가 계속 낮아지면 결정의 크기가 커져 강력한 보라색 육각형이 형성됩니다. 용액의 색상 변화는 용질이 용해 된 상태에서 성장하는 결정에 통합되었음을 나타냅니다. 결정화가 느릴수록 결정질 고체가 더 순수 해집니다.

이 과정에서 고려해야 할 다른 변수가 있습니다. 결정된 용매에 용해 된 용질의 양, 용액을 가열해야하는 온도, 냉각 시간이 얼마나 오래 지속되어야하는지, 음파 교반을 사용하거나 사용하지 않아야하는 정도 등입니다. 상들.

결정화 과정은 분자 역학과 열역학을 수반하는 복잡한 현상 이상으로 실험실이나 산업에서 완벽해질 때까지 지속적인 학습, 시행 착오를 요구하는 예술입니다.

결정화 과정

결정화는 본질적으로 핵형 성과 결정 성장의 두 가지 과정으로 구성됩니다.

두 단계 모두 결정화 과정에서 항상 발생하지만 첫 번째 단계가 빠르게 발생하면 두 번째 단계는 개발할 시간이 거의 없습니다. 한편, 핵 생성이 느리면 결정이 성장하는 데 더 많은 시간이 걸리므로 더 큰 경향이 있습니다. 후자는 보라색 육각형이있는 이미지에서 가정 한 상황입니다.

핵 형성

수정은 원래 구조가 정돈 된 고체라고합니다. 용질이 무질서하게 분산 된 용액에서 입자의 입자는 이온 또는 Van der Walls 유형이든 상관없이 상호 작용이 용질 입자의 첫 번째 그룹 인 클러스터의 침전을 허용 할 수 있도록 충분히 가까워 야합니다.

이 클러스터는 안정되고 결정질이 될 때까지 필요한만큼 여러 번 용해 및 재 형성 될 수 있습니다. 그런 다음 첫 번째 핵이 나타났습니다. 핵이 갑자기 나타나는 경우, 즉 냉각 중에 매체의 매우 균질성으로 인해 균질 한 핵이 생성됩니다.

반면에 다른 불용성 고체 입자가 제공하는 표면 또는 용기의 불완전 성으로 인해 핵이 발생하면 이질적인 핵이 생성됩니다. 후자는 가장 널리 사용되고 알려져 있으며, 특히 우리가 결정화하려는 종의 이전에 얻은 작은 결정이 용액에 첨가 될 때 더욱 그렇습니다.

결정은 먼저 핵 생성 없이는 얇은 공기에서 형성 될 수 없습니다.

크리스탈 성장

용액에는 여전히 많은 용질이 용해되어 있지만이 핵의 용질 농도는 주변보다 높습니다. 핵은 더 많은 용질 입자가 성장하는 구조 사이에 자리 잡고 "적합"하도록 지원하는 역할을합니다. 이러한 방식으로 형상이 유지되고 점진적으로 성장합니다.

예를 들어, 이미지의 첫 번째 핵은 보라색 육각형입니다. 이것이 당신의 기하학입니다. 용질 입자가 통합됨에 따라 핵은 견고한 육각형 결정으로 성장하며 용액을 얼음 욕조에 담그면 계속 성장합니다.

결정화 유형

지금까지 설명 된 것은 용매를 냉각하여 결정화하는 것입니다.

용매 제거 결정화

다른 유형의 결정화는 증발에 의한 용매 제거를 기반으로하므로 많은 양을 사용할 필요가 없습니다. 즉, 용질로 포화시키고 가열하여 과포화시킨 다음 조금 더 안정된 상태로두면 용질이 최종적으로 결정화됩니다.

용매 첨가 결정화

마찬가지로 용질이 불용성 (반 용매) 인 혼합물에 용매를 첨가하여 결정화가 발생합니다. 따라서 용질 입자가 매우 용해되는 곳보다 더 집중되는 이동성 및 액체 영역이 있기 때문에 핵 생성이 선호됩니다.

초음파 화에 의한 결정화

다른 한편으로, 초음파 처리에 의한 결정화가 있습니다. 초음파가 생성하고 다시 핵 생성을 촉진하는 작은 거품을 깨뜨리는 동시에 결정 크기를 더 균등하게 분배하는 데 도움이됩니다.

마지막으로, 차가운 표면에 증착으로 결정화됩니다. 즉, 고체의 승화에 대한 역 현상입니다.

결정화 분리 방법

결정화는 고체를 얻고 정제 할 때 없어서는 안될 기술입니다. 이는 유기 화합물 합성에서 매우 반복적이며 제품의 순도와 품질을 보장하는 마지막 단계 중 하나입니다.

염료의 예

예를 들어, 염료의 결정이 얻어지고 이미 여과되었다고 가정합니다. 이 염료는 처음에는 합성 과정에서 침전에 의해 얻어 졌기 때문에 분자 결정 사이에 많은 불순물이 흡수되어 갇혀 있기 때문에 고체가 무정형으로 보입니다.

따라서 염료가 약간 용해되는 용매를 가열하여 첨가하면 비교적 쉽게 용해되도록 결정합니다. 용매를 조금 더 첨가 한 후 용해되면 용액을 열원에서 분리하고 휴식을 취합니다. 온도가 떨어지면 핵 형성이 발생합니다.

따라서 염료 결정이 형성되고 더 명확하게 나타납니다 (반드시 눈에 결정질이 아님). 용기 (보통 삼각 플라스크 또는 비커)를 얼음 욕조에 담그는 것은 바로이 순간입니다. 이 욕조의 추위는 결국 핵 형성 위의 결정 성장에 유리합니다.

그런 다음 염료의 결정을 진공 여과하고 불용성 용매로 세척 한 다음 시계 유리에서 건조되도록 둡니다.

결정화 온도

결정화가 발생하는 온도는 용질이 용매 매질에 ​​얼마나 불용성인지에 따라 다릅니다. 마찬가지로 용질이 아직 끓는 온도에서 용해되지 않은 경우 더 적절한 다른 용매를 사용해야하기 때문에 용매의 끓는점에 따라 달라집니다.

예를 들어, 수성 매체에서 결정화 될 수있는 고체는 물이 온도를 낮추거나 (즉, 100 ° C에서 50 ° C로) 증발하는 동안 그렇게 할 것입니다. 증발에 의해 결정화가 일어나면 상온에서 일어난다 고합니다.

다른 한편으로, 금속 또는 일부 이온 성 고체의 결정화는 용융점이 매우 높고 용융 된 액체가 입자를 핵을 형성 할 수있을만큼 충분히 냉각 되더라도 백열등이기 때문에 매우 높은 온도에서 발생합니다. 당신의 결정을 키우십시오.

결정화 속도

원칙적으로 고체의 결정화 속도를 제어하는 ​​두 가지 직접적인 방법이 있습니다 : 과포화 (또는 과포화) 정도 또는 급격한 온도 변화에 의해.

과포화 정도

과포화 정도는 과잉 용질이 열을 가하여 용해되는 정도를 의미합니다. 따라서 용액이 과포화 될수록 핵이 형성 될 확률이 더 높기 때문에 핵 생성 과정이 빨라집니다.

이러한 방식으로 결정화가 가속화되지만 얻어진 결정은 낮은 과포화도에서 얻은 결정에 비해 더 작습니다. 즉, 핵 형성이 아닌 성장이 선호 될 때입니다.

온도 변화

온도가 급격히 낮아지면 핵이 성장할 시간이 거의 없을뿐만 아니라 더 높은 수준의 불순물을 보유하게됩니다. 그 결과 결정화가 느린 냉각보다 더 빨리 발생하지만 결정의 품질, 크기 및 순도가 낮아집니다.

급격한 온도 강하로 인한 빠른 결정화. 출처 : Gabriel Bolívar.

위의 이미지는 첫 번째 이미지를 대조하는 역할을합니다. 노란색 점은 핵의 갑작스러운 성장으로 인해 불순물이 내부에 갇혀 있음을 나타냅니다.

이러한 불순물은 더 많은 보라색 육각형을 통합하기 어렵게하여 결국 크고 순수한 결정이 아닌 작고 불순한 결정을 많이 만듭니다.

응용

아이스크림의 결정화는 산업 또는 장인 생산 과정에서 가장 중요한 측면 중 하나입니다. 출처 : Pixabay.

결정화와 재결정 화는 고품질의 순수한 고체를 얻기 위해 필수적입니다. 제약 산업의 경우 제품이 식품 산업에서 사용되는 방부제처럼 가능한 한 순수해야하기 때문에 특히 그렇습니다.

더욱이 나노 기술은이 공정에 크게 의존하여 견고한 결정 고체보다는 나노 입자 또는 나노 결정을 합성 할 수 있습니다.

결정화가 큰 참여를 보이는 일상적인 예 중 하나는 아이스크림 생산에 있습니다. 물에주의하지 않으면 지질 함량과 별도의 단계 (얼음)에서 결정화되어 질감과 풍미에 영향을 미칩니다. 즉, 빙수 나 아이스크림과 비슷할 것입니다.

따라서 얼음 결정은 가능한 한 작아야 아이스크림이 맛과 촉감이 부드럽습니다. 이 얼음 결정이 약간 크면 아이스크림 표면이 서리로 덥기 때문에 빛에서 감지 할 수 있습니다.

결정화의 예

마지막으로 자연 및 인공 결정화의 몇 가지 일반적인 예를 언급합니다.

설화

눈송이는 자연적인 결정화 과정을 통해 형성됩니다. 각 스노우 크리스탈은 고유 한 것으로 알려져 있습니다. 이는 결정화 (성장)의 두 번째 단계에서 발생하는 조건 때문입니다.

눈 결정이 존재하는 다양한 기하학적 모양은 결정 성장 중에 직면해야하는 조건 때문입니다.

소금

소금은 결정화의 가장 일반적인 예입니다. 이것은 자연적으로 (예 : 바다 소금) 및 인공적으로 (식용 소금의 경우와 같이) 형성 될 수 있습니다.

설탕

소금 다음으로 설탕은 가장 일반적인 결정 중 하나입니다. 사탕 수수 주스를 가져와 인공 결정화 과정을 거치는 일련의 복잡한 산업 공정을 통해 형성됩니다.

다이아몬드

다이아몬드는 순수한 탄소의 결정화로 형성된 보석입니다. 이것은 지구상에서 가장 단단한 물질입니다. 그 형성은 광산 매장지에서 발견되는 다이아몬드의 경우와 같이 자연적 일 수 있습니다.

루비

루비는 산화 알루미늄 (코리 돈)의 결정화로 형성된 붉은 색 결정입니다.

석순

석순은 동굴, 특히 토양 (위쪽으로 뻗어 있음)에서 발견 할 수있는 구조물입니다. 그들은 칼슘 화합물로 구성되어 있으며 동굴 천장에서 떨어지는 물에서 발견되는 칼슘 염의 결정화로 형성됩니다.

종유석

석순과 같은 종유석은 칼슘으로 만들어져 동굴에서 발견됩니다. 그들은 천장에 매달려 있기 때문에 후자와 다릅니다. 그들은 동굴에 침투하는 물에 존재하는 칼슘 염의 결정화에 의해 형성됩니다.

석영

석영은 무수 규산의 결정화로 형성된 보석입니다. 암석에서 가장 풍부한 광물 중 하나이며 색상이 다양합니다.

감람석

감람석이라고도 불리는이 보석은 철과 마그네슘의 결정화로 인해 형성됩니다. 녹색을 띠며 보통 다이아몬드 모양입니다.

규산염

규산염은 실리카 및 기타 원소 (철, 알루미늄, 칼슘, 마그네슘)의 결정화에 의해 생성되는 물질입니다. 그들은 모든 암석에 존재합니다.

사탕

사탕은 설탕 결정으로 만들어지기 때문에 두 가지 결정화 과정이 개입한다고 할 수 있습니다 : 첫 번째는 설탕 형성을위한 것이고 두 번째는 당밀 형성을위한 것입니다.

크리미 한 아이스크림

크리미 한 아이스크림에는 최종적으로 매끄러운 질감을주는 일련의 결정이 포함되어 있습니다. 크리미 한 아이스크림에 포함 된 결정 중 지질 결정 (지방으로 형성된)과 얼음 결정이 두드러집니다. 일부 아이스크림에는 유당 결정이 포함되어 있습니다.

이런 의미에서 아이스크림은 다양한 인공 결정화 과정 (하나는 지질, 얼음, 하나는 유당)을 통해 얻어집니다.

기타

-실 또는 로프 주변의 설탕 결정 및 과포화 달콤한 용액 준비

-항아리 바닥에 쌓인 꿀에서 설탕 결정 형성

-칼슘 옥살산 결정의 에센스로 구성된 신장 결석의 성장

-수년에 걸쳐 보석과 다이아몬드를 포함한 미네랄의 결정화. 모양과 가장자리는 질서 정연한 내부 구조를 반영합니다.

-결정의 성장을위한 지지체로 차가운 막대에 뜨거운 금속 증기를 증착합니다.

참고 문헌

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