Общие сведения. Кристаллы представляют собой однородные твердые тела различной геометрической формы, ограниченные плоскими гранями

КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ

Лекция 19

Кристаллы представляют собой однородные твердые тела различной геометрической формы, ограниченные плоскими гранями. Особенностью кристаллов является строго определенное, периодически повторяющееся в трех измерениях расположение ионов, атомов или молекул, образующих кристаллическую решетку.

Кристаллической решеткой определяется форма кристаллов. В зависимости от природы вещества кристаллы могут быть простой (куб, параллелепипед т.д.) или более сложной формы. При массовой кристаллизации реально получаемые кристаллы одного и того же вещества отличаются друг от друга внешним видом. Однако несмотря на это углы между соответствующими гранями во всех кристаллах данного вещества остаются постоянными.

Ряд веществ, обычно химически однотипных, которые имеют подобную кристаллическую решетку, при кристаллизации из растворов выделяются совместно. Они образуют объединенные или смешанные кристаллы переменного состава. Такие вещества называются изоморфными, а явление - изоморфизмом. Типичными представителями таких веществ являются кристаллы КСl и KBr; KH₂PO₄, KH₂AsO₄ и NH₄H₂PO₄ и др.

Для некоторых веществ характерно, что в зависимости от термодинамических условий процесса (температуры, давления) одно и тоже вещество образует разные по форме кристаллы. Такое явление называется полиморфизмом и различные формы кристаллов при этом принято обозначать a, b, и т.д. Так азотнокислый аммоний (NH₄NO₃) имеет пять полиморфных модификаций.

Кристаллизацией называется процесс выделения из растворов, расплавов и газов твердой фазы в виде кристаллов. В химической технологии наибольшее распространение получила кристаллизация из растворов. Остановимся на рассмотрении кристаллизации из растворов. Получение одновременно большого числа кристаллов в промышленных масштабах называется массовой кристаллизацией. Появление термина массовая кристаллизация связано с теми особенностями, которые присущи массовому одновременному зарождению и росту большого числа кристаллов. Этими особенностями являются: образование большого числа центров кристаллизации, рост кристаллов в условиях конкуренции, соударений, сложных концентрационных и температурных полей, перекристаллизация и т.п. Целью кристаллизации является получение различных веществ в чистом виде, получение кристаллов заданного размера. Процесс кристаллизации используется при производстве минеральных удобрений, соды, химических реактивов, каучуков, резины, фотоэмульсии, полимеров, пластмасс, витаминов, строительных материалов, взрывчатых веществ и т.д.

Одновременное зарождение и рост большого числа кристаллов подчиняется общим законам фазовых превращений и в этом смысле массовая кристаллизация не отличается от роста и зарождения монокристалла. Процесс кристаллизации состоит из следующих стадий: образование пересыщенного раствора, появление зародышей кристаллов, рост кристаллов, промывка и сушка кристаллов. Очередность отдельных стадий может быть различной и протекать они могут последовательно друг за другом или одновременно.

Перекристаллизация заключается в следующем. При низкой пересыщенности раствора или в насыщенном растворе происходит исчезновение мелких и увеличение за счет этого размеров крупных кристаллов, кроме того происходит некоторое изменение формы кристаллов.

Пересыщение приводит к появлению движущей силы процесса кристаллизации. Пересыщенными называются растворы, концентрация которых превышает равновесную концентрацию С^* (растворимость) для данных условий. Движущая сила (пересыщение) характеризуется выражением:

, (К.1)

где С - концентрация пересыщенного раствора.

Кристаллизация, как всякий массообменный процесс, характеризуется статикой и кинетикой. Статика определяет равновесные характеристики между кристаллами и раствором, т.е. движущую силу процесса. Кинетика определяет скорость протекания процесса, т.е. описывает рост и качество получаемых кристаллов (их размер, фракционный состав, наличие примесей). Проектирование кристаллизационного оборудования строится на основе статических и кинетических характеристик. По балансовым соотношениям определяется общий выход кристаллического продукта, количество тепла, подводимое или отводимое в процессе. Этот расчет строится на основе термодинамических статических характеристиках: растворимости, теплоемкости, теплоте растворения, испарения. Такой расчет позволяет предварительно оптимизировать граничные параметры процесса (химический состав кристаллов, затраты тепла) и выбрать аппаратуру для проведения кристаллизации.

В результате расчета кинетики процесса определяется конкретные размеры аппарата для проведения кристаллизации и фракционный состав получаемых кристаллов.

Дата добавления: 2014-01-04