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Kristallisation von Eiskristallen an einem Busch nach einem Nachtfrost in der Höhe Feuchtigkeit.

Kristallisation oder Kristallwachstum ist ein Bestellvorgang, bei dem a FestPhase mit Translationssymmetrie (ein Kristall) entsteht.

Kristallwachstum kann unter verschiedenen Bedingungen erfolgen:

1. Aus der Flüssigkeit desselben chemische Verbindung (Schmelze). Ein gutes Beispiel ist die Eisbildung aus Wasser beim Gefrieren;
2. von einem Lösung wenn das übersättigt berührt. Ein Beispiel sind die Kristalle von Weinsäure manchmal auf dem Korken einer Weinflasche gefunden;
3. Von dem DampfPhase wenn es übersättigt ist. Die Formation der reif aus feuchter Luft ist ein gutes Beispiel.
4. Von einem anderen kristalline Substanz. Zinnpest ist ein gutes Beispiel.

Treibende Kraft

Charakteristisch für alle diese Prozesse ist, dass ein bestimmter kritischer Parameter (Temperatur, Konzentration oder Dampfdruck) muss überschritten werden, um den Kristallisationsprozess zu ermöglichen thermodynamisch zu ermöglichen. Kristallisation wandelt eine Flüssigkeit (Lösung oder Schmelze) in einen Feststoff mit einer geordneten Kristallstruktur gebildet. Die treibende Kraft für diesen Phasenübergang und damit die treibende Kraft für die Kristallisation ist ein Unterschied in Chemisches Potential der flüssigen Phase und der festen Phase:

${Anzeigestil Delta mu =mu _{flüssig}-mu _{fest,Substanz}}$

Vor dem ${Anzeigestil Delta }$μ, dem Unterschied des chemischen Potentials zwischen fester und flüssiger Phase, gibt es drei Möglichkeiten:

• ${Anzeigestil Delta }$μ${Anzeigestil >0}$: Das chemische Potential der festen Phase ist kleiner als das der flüssigen Phase: es gibt a übersättigte Lösung und Kristallisation findet statt.
• ${Anzeigestil Delta }$μ${Anzeigestil =0}$: Die chemischen Potentiale von fester und flüssiger Phase sind gleich, es besteht also eine Thermodynamik Balance. Man spricht von a gesättigte Lösung, μ_Flüssigkeit${Anzeigestil -}$μ_solide.
• ${Anzeigestil Delta }$μ${Anzeigestil <0}$: Das chemische Potential der flüssigen Phase ist kleiner als das der festen Phase, man spricht von a untersättigte Lösung und es findet keine Kristallisation statt. Die feste Phase löst sich einfach auf.

Obwohl die ${Anzeigestil Delta mu }$ ist das einzig richtige Maß für die treibende Kraft der Kristallisation, in der Praxis oft die Übersättigung verwendet, ausgedrückt in einer Konzentrationsdifferenz oder einer Temperaturdifferenz zur gesättigten Lösung.

Bei der Bildung und dem Wachstum von Kristallen sind verschiedene Flussmittel wichtig. Das viskoser Fluss des Materials entlang des Kristalls und der Diffusion geeigneter Partikel (in einem System mit mehreren Komponenten) zum Kristall bestimmen die Zufuhr neuer Teilchen. Darüber hinaus ist die Zu- und Abfuhr von Energie in Form von Wärme (ein Wärmefluss) von Interesse.

Nukleation

Der Sequenzierungsprozess, bei dem sich Moleküle oder Atome anordnen, verläuft im Allgemeinen in zwei Phasen. Zuerst muss a Wachstumskern oder Kern gebildet werden (Keimbildung). Ist dieser Kern erst einmal da, können sich immer mehr Teilchen geordnet auf dem Kern absetzen und so wird der Kristall größer (Wachstum).

Der Nukleationsprozess kann in zwei separate Prozesse unterteilt werden: primäre (homogene und heterogene) Nukleation und sekundäre Nukleation. Bei der Primärkeimbildung erfolgt die Keimbildung aus einer klaren Lösung, in der noch keine Kristalle vorhanden sind. Bei der primären homogenen Nukleation findet eine spontane Nukleation statt, während bei der heterogenen Nukleation ein äußerer Einfluss (zB ein Staubpartikel) zur Nukleation führt. Sekundäre Keimbildung ist der Prozess, bei dem bereits vorhandene Kristalle als Keime wirken. Dies geschieht durch Kollisionen von Kristallen untereinander oder mit der Behälterwand, wobei Partikel der Kristalle abbrechen und zu neuen Kristallen wachsen. Ein weiterer möglicher Auslöser für die Sekundärkeimbildung ist das Lösen hervorstehender Kristallteile durch Scherbeanspruchung der die Kristalle enthaltenden Flüssigkeit. In einer stationären Lösung kann keine sekundäre Nukleation stattfinden.

Ein Kern ist nur wenige Atome groß, aber diese Atome befinden sich bereits in der Struktur der zu bildenden Kristallphase. Beim Aufbau eines Kristallgitters haben die äußersten Atome, die noch nicht allseitig verbunden sind, eine höhere freie Energie besitzen. Atome, die sich an den Grenzflächen von Kristallen befinden, sind deshalb weniger stabil als Atome in einem Kristall, ein Phänomen, das freie Oberflächenenergie wird genannt. Je größer die Oberfläche eines Kristalls im Verhältnis zu seinem Volumen ist, desto höher ist die gesamte freie Energie des Kristalls. Kleinere Kristalle haben im Verhältnis zu ihrem Volumen eine relativ große Oberfläche und sind daher weniger stabil als größere. Ein Kern ist daher ein sehr instabiles Phänomen. Auch wenn die Kristallphase selbst thermodynamisch stabil ist, kann es vorkommen, dass keine Kristallisation stattfindet, da die freie Oberflächenenergie der Keimbildungskeime noch zu hoch ist. So ist es beispielsweise möglich, dass Wasser unter den Schmelzpunkt von 0 °C unterkühlt.

Wann zu einem homogenen unterkühlt Flüssigkeit, in der keine Kristallisation auftritt, wird ein Wachstumskern hinzugefügt (a Impfkristall) tritt das Kristallwachstum im Allgemeinen plötzlich auf. EIN Natriumacetat-Heizung arbeitet nach diesem Prinzip.

Industrielle Kristallisation

In industriellen Kristallisationsprozessen wird die Kristallgrößenverteilung (Crystal Size Distribution oder CSD) und die Reinheit des Produkts sind wichtige Prozessparameter. Da die Kristallgröße Einfluss auf die Weiterverarbeitung (Filtration, Waschen und Trocknen) hat, ist es von großer Bedeutung, dass die Kristallgrößenverteilung vorhersagbar und reproduzierbar ist.Der Sequenzierungsprozess, bei dem sich Moleküle oder Atome anordnen, verläuft im Allgemeinen in zwei Phasen. Zunächst muss ein Wachstumskern oder Keim gebildet werden (Nukleation). Ist dieser Keim einmal da, können sich immer mehr Partikel geordnet auf dem Keim absetzen und der Kristall wird dadurch größer (Wachstum) Der Keimbildungsprozess lässt sich in zwei getrennte Prozesse unterteilen: primäre oder homogene Keimbildung und sekundäre oder heterogene Keimbildung. Bei der Primärkeimbildung erfolgt die Keimbildung aus einer klaren Lösung. Sekundärnukleation ist der Vorgang, bei dem vorhandene Grenzflächen zu anderen Phasen, beispielsweise vorhandene Kristalle anderer Stoffe oder der Rand eines Behälters, in dem sich das System befindet, als Kern wirken.Ein Kern ist nur wenige Atome groß, aber diese Atome sind bereits in der Struktur der zu bildenden Kristallphase. Beim Aufbau eines Kristallgitters haben die äußersten Atome, die noch nicht allseitig verbunden sind, eine höhere freie Energie. Atome, die sich an den Grenzflächen von Kristallen befinden, sind daher weniger stabil als Atome innerhalb eines Kristalls, ein Phänomen, das als freie Oberflächenenergie bezeichnet wird. Je größer die Oberfläche eines Kristalls im Verhältnis zu seinem Volumen ist, desto höher ist die gesamte freie Energie des Kristalls. Kleinere Kristalle haben im Verhältnis zu ihrem Volumen eine relativ große Oberfläche und sind daher weniger stabil als größere. Ein Kern ist daher ein sehr instabiles Phänomen. Auch wenn die Kristallphase selbst thermodynamisch stabil ist, kann es vorkommen, dass keine Kristallisation stattfindet, da die freie Oberflächenenergie der Keimbildungskeime noch zu hoch ist. Beispielsweise ist es möglich, dass Wasser unter den Schmelzpunkt von 0 °C unterkühlt.Wenn ein Wachstumskern (ein Impfkristall) zu einer homogenen unterkühlten Flüssigkeit zugegeben wird, in der keine Kristallisation auftritt, tritt das Kristallwachstum im Allgemeinen plötzlich auf. Ein Natriumacetat-Heizgerät funktioniert nach diesem Prinzip. Der Sequenzierungsprozess, bei dem sich Moleküle oder Atome anordnen, verläuft im Allgemeinen in zwei Phasen. Zunächst muss ein Wachstumskern oder Keim gebildet werden (Nukleation). Ist dieser Kern erst einmal da, können sich immer mehr Teilchen geordnet auf dem Kern absetzen und so wird der Kristall größer (Wachstum).

Reinigung

Als Reinigungsverfahren wird unter anderem die Kristallisation eingesetzt: Rekristallisation.