التبلور: ما يتكون منه ، طريقة الفصل ، أنواع وأمثلة

التبلور هو عملية يتم فيها تكوين مادة صلبة بالذرات أو الجزيئات في الهياكل المنظمة ، والتي تسمى الشبكات البلورية. يمكن تشكيل البلورات والشبكات البلورية من خلال ترسيب محلول ، عن طريق الاندماج ، وفي بعض الحالات ، عن طريق الترسيب المباشر للغاز.

يعتمد هيكل وطبيعة هذه الشبكة البلورية على الظروف التي تحدث فيها العملية ، بما في ذلك الوقت المنقضي للوصول إلى هذه الحالة الجديدة. يعد التبلور كعملية فصل مفيدًا للغاية ، لأنه يسمح بضمان الحصول على الهياكل فقط من المركب المرغوب.

بالإضافة إلى ذلك ، تضمن هذه العملية عدم السماح بمرور الأنواع الأخرى نظرًا للطبيعة الطبيعية للبلورة ، مما يجعل هذه الطريقة بديلاً ممتازًا لتنقية الحلول. في كثير من الأحيان في الكيمياء والهندسة الكيميائية ، من الضروري استخدام عملية فصل المخاليط.

يتم إنشاء هذه الحاجة إما لزيادة نقاء الخليط أو للحصول على مكون محدد منه ، ولهذا السبب توجد طرق مختلفة يمكن استخدامها اعتمادًا على المراحل التي يوجد بها هذا المزيج من المواد.

ما هو التبلور؟

يتطلب التبلور خطوتين يجب أن يحدثا قبل أن يكون هناك تكوين للشبكة البلورية: أولاً ، يجب أن يكون هناك تراكم كافٍ للذرات أو الجزيئات على المستوى المجهري لبدء ما يسمى بالنوى.

لا يمكن أن تحدث هذه المرحلة من التبلور إلا في السوائل فائقة البرودة (أي ، يتم تبريدها أسفل نقطة التجمد دون جعلها صلبة) أو محلول مفرط التشبع.

بعد بدء النواة في النظام ، يمكن أن تتشكل النوى بشكل مستقر وكبير بدرجة كافية لبدء المرحلة الثانية من التبلور: النمو البلوري.

التنوي

في هذه الخطوة الأولى ، يتم تحديد ترتيبات الجسيمات التي ستشكل البلورات وتأثير العوامل البيئية على البلورات المتشكلة ؛ على سبيل المثال ، الوقت الذي يستغرقه ظهور البلورة الأولى ، ويُسمى وقت النواة.

هناك مرحلتان من النواة: النواة الأولية والثانوية. في الأول ، تتشكل نوى جديدة عندما لا توجد بلورات أخرى في الوسط ، أو عندما لا يكون للبلورات الموجودة الأخرى أي تأثير على تكوينها.

يمكن أن تكون النواة الأولية متجانسة ، حيث لا يوجد أي تأثير على المواد الصلبة الموجودة في الوسط ؛ أو يمكن أن تكون غير متجانسة ، حيث تسبب الجزيئات الصلبة للمواد الخارجية زيادة في معدل النواة التي لا تحدث عادة.

في النواة الثانوية تتشكل بلورات جديدة عن طريق تأثير البلورات الموجودة الأخرى ؛ يمكن أن يحدث هذا بسبب قوى القطع التي تسببت في أن تصبح شرائح البلورات الحالية بلورات جديدة تنمو أيضًا بمعدلها الخاص.

هذا النوع من النواة يفيد في أنظمة الطاقة أو التدفق العالي ، حيث يولد السائل المعني تصادمات بين البلورات.

نمو الكريستال

إنها العملية التي تزيد فيها البلورة من حجمها عن طريق تجميع المزيد من الجزيئات أو الأيونات إلى المواقع الخلالية لشبكتها البلورية.

على عكس السوائل ، لا تنمو البلورات بشكل موحد عندما تدخل الجزيئات أو الأيونات إلى هذه المواضع ، على الرغم من أن شكلها سيعتمد على طبيعة المركب المعني. يسمى أي ترتيب غير منتظم لهذا الهيكل عيب الكريستال.

يعتمد نمو البلورة على سلسلة من العوامل ، من بينها التوتر السطحي للمحلول والضغط ودرجة الحرارة والسرعة النسبية للبلورات في المحلول وعدد رينولدز ، من بين عوامل أخرى.

إن أبسط طريقة للتأكد من أن البلورة تنمو إلى أحجام أكبر وأن تكون ذات نقاوة عالية هي من خلال التبريد البطيء والضبط ، والذي يمنع البلورات من التكوّن في وقت قصير وأن المواد الغريبة محاصرة بالداخل. منهم.

بالإضافة إلى ذلك ، من المهم الإشارة إلى أن البلورات الصغيرة يصعب معالجتها وتخزينها ونقلها ، كما أن ترشيحها من محلول أكبر من تكلفتها. في الغالبية العظمى من الحالات ، ستكون أكبر البلورات هي الأكثر رغبة ، لهذه الأسباب وأكثر.

كوسيلة فصل

إن الحاجة إلى تنقية المحاليل شائعة في الكيمياء والهندسة الكيميائية ، حيث قد يكون من الضروري الحصول على منتج مخلوط بشكل متجانس مع مواد أخرى أو مذابة أخرى.

لهذا السبب تم تطوير المعدات والطرق لتنفيذ عملية التبلور كعملية فصل صناعي.

هناك مستويات مختلفة من التبلور ، اعتمادًا على المتطلبات ، ويمكن تنفيذها على نطاق صغير أو كبير. لذلك ، يمكن تقسيمها إلى تصنيفين عامين:

التبلور

يُطلق عليه إعادة التبلور إلى التقنية المستخدمة لتنقية المواد الكيميائية على نطاق أصغر عادةً في المختبر.

يتم ذلك باستخدام محلول من المركب المرغوب مع شوائبه في مذيب مناسب ، وبالتالي السعي لترسيب بعض الأنواع في شكل بلورات ثم إزالتها.

هناك عدة طرق لإعادة بلورة الحلول ، من بينها إعادة التبلور بمذيب ، مع عدة مذيبات أو بترشيح حار.

واحد المذيبات

عند استخدام مذيب واحد ، يتم إعداد محلول مركب "أ" ، شوائب "ب" والحد الأدنى المطلوب من المذيب (عند درجة حرارة عالية) لتشكيل محلول مشبع.

ثم يتم تبريد المحلول ، مما يتسبب في انخفاض قابلية ذوبان كلا المركبين ، ثم إعادة بلورة المركب "A" أو الشوائب "B". المطلوب بشكل مثالي هو أن تكون البلورات من مركب "أ" نقي. قد يكون من الضروري إضافة نواة لبدء هذه العملية ، والتي قد تكون حتى جزءًا من الزجاج.

المذيبات المختلفة

في إعادة تبلور العديد من المذيبات ، يتم استخدام مذيبين أو أكثر ويتم تنفيذ نفس العملية كما هو الحال مع المذيب. تتمتع هذه العملية بميزة أن المركب أو الشوائب سوف يترسبان أثناء إضافة المذيب الثاني ، حيث إنهما لا يذوبان فيه. في طريقة إعادة التبلور هذه ، ليس من الضروري تسخين الخليط.

التصفية الساخنة

أخيرًا ، يتم استخدام إعادة التبلور باستخدام الترشيح الساخن عند وجود مادة غير قابلة للذوبان "C" ، والتي تتم إزالتها باستخدام مرشح درجة حرارة عالية بعد القيام بنفس الإجراء المتمثل في إعادة بلورة مذيب واحد.

في المجال الصناعي

في المجال الصناعي ، من المرغوب فيه تنفيذ عملية تسمى بلورة التجزيء ، وهي طريقة تنقي المواد وفقًا لاختلافات قابلية الذوبان.

تشبه هذه العمليات عمليات إعادة التبلور ، ولكنها تستخدم تقنيات مختلفة للتعامل مع كميات أكبر من المنتجات.

يتم تطبيق طريقتين ، والتي سيتم شرحها بشكل أفضل في العبارة التالية: التبلور بالتبريد والتبلور بالتبخر.

كونه على نطاق واسع هذه العملية تولد النفايات ، ولكن عادة ما يعاد تدويرها من قبل النظام لضمان النقاء المطلق للمنتج النهائي.

أنواع التبلور

هناك نوعان من التبلور واسع النطاق ، كما هو مذكور أعلاه: عن طريق التبريد والتبخر. كما تم إنشاء أنظمة مختلطة ، حيث تحدث كلتا الظاهرتين في وقت واحد.

التبلور عن طريق التبريد

في هذه الطريقة ، يتم تبريد المحلول لتقليل قابلية ذوبان المركب المرغوب ، مما يؤدي إلى بدء التعجيل بالمعدل المرغوب.

في الهندسة الكيميائية (أو العملية) ، تُستخدم البلورات في شكل صهاريج ذات خلاطات ، تقوم بتدوير سوائل سائل التبريد في حجرات تحيط بالخليط بحيث لا تتلامس كلتا المادتين أثناء انتقال الحرارة من مادة التبريد إلى المحلول.

لإزالة البلورات ، يتم استخدام الكاشطات ، والتي تدفع الشظايا الصلبة إلى حفرة.

التبلور بالتبخر

هذا هو الخيار الآخر لتحقيق ترسيب البلورات الذائبة ، باستخدام عملية تبخر المذيبات (في درجة حرارة ثابتة ، على عكس الطريقة السابقة) ، لجعل تركيز المادة المذابة يتجاوز مستوى الذوبان.

النماذج الأكثر شيوعًا هي ما يسمى نماذج الدوران القسري ، والتي تحافظ على سائل البلورات في نظام تعليق متجانس من خلال الخزان ، والتحكم في تدفقها وسرعتها ، وعادة ما تولد بلورات متوسطة أكبر من تلك التي تتشكل في البلورة عن طريق التبريد.