kristalizacija

ilustracija
KRISTALIZACIJA – a) metoda Czochralskoga, b) Bridgmanova, c) Verneuilova metoda; 1. kristalno zrno, 2. jedinični kristal, 3. talina, 4. grijač, 5. topliji dio, 6. hladniji dio peći, 7. sirovina, 8. vodikov plamen

kristalizacija, nastajanje kristala u kojem se osnovne čestice (atomi, ioni ili molekule) pravilno slažu u prostoru stvarajući kristalnu rešetku (→ kristali). U prirodi kristali mogu nastati na različite načine: iz vodene i drugih otopina pri običnoj temperaturi (npr. kamena sol, gips i niz drugih soli iz mora ili jezera), iz vrućih otopina, hidrotermi (npr. rudni minerali sulfidne skupine), iz silikatne taline, magme, iz koje kristalizira glavnina tzv. primarnih petrogenih minerala kao što su silikati, kremen i neki rudni minerali, iz plinovitoga stanja (npr. snježne pahulje iz vodene pare, sumpor iz vulkanskih plinova), iz čvrstoga stanja (npr. starenjem ili zagrijavanjem nestabilnoga stakla), iz gustih agregata katkad kod visokih temperatura, nižih od tališta, kada polako nastaju krupnijezrnati agregati (npr. mramor iz gustoga vapnenca, zrnate metamorfne stijene iz gustih sedimenata).

Kristalizacija započinje kada se dosegne prezasićeno stanje, tj. kada koncentracija tvari postane veća od ravnotežne, što se najčešće postiže hlađenjem otopine, taline, pare ili plina ili smanjenjem količine otapala u otopini. Proces ovisi o fizikalnim i kemijskim svojstvima tvari, o sredini u kojoj kristal raste, o primjesama i temperaturi. Ako za kristalizaciju ima dovoljno prostora i ako ona teče polagano, bez primjesa koje bi otežavale rast kristala, oblikovat će se jedinični kristal (monokristal) kao pravilno geometrijsko tijelo. Ako nema uvjeta za nesmetanu kristalizaciju, mjesto jediničnih kristala razvit će se kristalni agregati, nakupine sitnih kristala koje kao cjelina nemaju pravilan oblik. Tako, npr., već prema uvjetima, tvari mogu kristalizirati u obliku iglica (viskeri), razgranati se poput biljke (dendriti) ili rasti u obliku tankih slojeva. Bez obzira na različitost oblika, unutarnja građa svakoga pojedinoga kristalnoga tijela zadržat će isti prostorni poredak osnovnih čestica kao i u idealnome jediničnome kristalu. Prirodne tvari, minerali, najčešće rastu u obliku agregata i drugih posebnih oblika, a rjeđe kao pravilni jedinični kristali.

Razvojem instrumentalnih tehnika razvile su se i laboratorijske i tvorničke metode za rast jediničnih kristala potrebnih u znanosti i tehnici, posebno u elektronici. Kristalizacijom iz taline mogu se dobiti jedinični kristali mase i nekoliko kilograma. Prema metodi J. Czochralskoga (Jan Czochralski, poljski kemičar, 1885–1953), polirana kristalna ploha maloga kristalnoga zrna dodiruje talinu osnovnog materijala iz kojega treba dobiti jedinični kristal. Polaganim jednolikim podizanjem zrna, katkad brzinom manjom od 1 mm/h, postiže se kontinuirani rast jediničnoga kristala iste kristalne orijentacije kao i u početnome zrnu. Ta je metoda najpovoljnija za kristalizaciju većine metala i slitina te za neke poluvodičke materijale (germanij, silicij). Bridgmanova metoda (Percy Williams Bridgman, američki fizičar, 1882–1961) služi uglavnom za kristalizaciju tvari koje se rabe kao dvokomponentni i višekomponentni poluvodiči. Talina osnovnoga materijala spušta se polagano iz toplijeg u hladniji dio peći i pritom kristalizira. Temperatura toplijega dijela treba biti samo nekoliko stupnjeva viša od tališta materijala, a hladnijega dijela niža od tališta. Verneuilovom metodom (Auguste Verneuil, francuski kemičar, 1856–1913) dodaje se fini prašak na rastaljenu površinu malog ishodnoga kristala, koji zatim raste u obliku stožastoga jediničnoga kristala. Metoda se primjenjuje za materijale visokih tališta kao što su feriti, granati i umjetni rubini. Za rast velikih kristala iz vodenih otopina služe posude sa zasićenom otopinom tvari koja kristalizira, uz dodatak malih kristalnih jezgara. Malom promjenom temperature, najčešće snižavanjem, povećava se prezasićenost otopine, pa kristalne jezgre kontrolirano rastu. Tako se mogu prirediti veliki monokristali tehnički važnih piroelektričnih i piezoelektričnih tvari. Posebno je važna kristalizacija silicijeva dioksida, tj. priređivanje umjetnih jediničnih kristala kremena, iz alkalne vodene otopine u autoklavima s temperaturnim gradijentom. U početku se polikristalni materijal nalazi u zasićenoj otopini u vrućem dijelu autoklava, a kristalne jezgre u njegovu hladnom dijelu, pa transport materijala i rast kristala nastaje zbog temperaturne razlike. Najveća temperatura u autoklavu iznosi do 400 °C, a tlak oko 100 MPa.

U kemijskoj procesnoj industriji kristalizacija je toplinski separacijski proces u kojem se čvrsta faza hlađenjem izdvaja iz kapljevite ili parovite faze, ili iz taline. U praksi je najčešća kristalizacija iz kapljevite faze, iz otopine. Zbog toga se industrijska kristalizacija provodi u kristalizatorima, a to su isparivači s uređajima za skupljanje i izdvajanje izlučenih kristala, ili su to velike posude u kojima se otopina miješa i zrakom ili vodom hladi. Dobiveni sirovi kristali izdvajaju se iz otopine sedimentacijom, filtracijom ili centrifugiranjem, ispiru se otapalom i suše. Veličina, oblik i čistoća kristala ovise o uvjetima provedbe procesa (temperatura, tlak, stupanj prezasićenja, brzina hlađenja).

kristalizacija. Hrvatska enciklopedija, mrežno izdanje. Leksikografski zavod Miroslav Krleža, 2018. Pristupljeno 13.12.2018. <http://www.enciklopedija.hr/Natuknica.aspx?ID=34006>.