結晶的相關概念
結晶是固體物質以晶體狀入態從蒸氣、溶液或熔融物中析出的過程,在工業生產中主要用于實現混合物的分離。結晶是一個重要的化工單元操作。本文講一下與結晶相關的幾個基本概念:
一、晶體:晶體是內部結構中的溶質元素(分子、原子或離子)作三維有序排列的固態物質,化學組成和物理性質均一。晶體的溶質元素按一定的幾何規則排列,由此形成的小單元稱為晶格。
二、晶系和晶習
晶體可按晶格空間結構的區別分為不同的晶系。同一種物質在不同的條件下可形成不同的單一晶系,或為兩種晶系的混合物。例如,熔融的硝酸銨在冷卻過程中可由立方晶系變成斜棱晶系、長方晶系等。
微觀粒子的規則排列可以按不同方向發展,即各晶面以不同的速率生長,從而形成不同外形的晶體,這種習性以及終形成的晶體外形稱為晶習。
同一晶系的晶體在不同結晶條件下的晶習不同,改變結晶溫度、溶劑種類、pH以及少量雜質或添加劑的存在往往因改變晶習而得到不同的晶體外形。例如,因結晶溫度不同,碘化汞的晶體可以是黃色或紅色;NaCl 從純水溶液中結晶時為立方晶體,但若水溶液中含有少許尿素,則NaCl形成八面體的結晶。此外,若物質結晶時有水合作用,結晶水的含量不僅影響晶體的形狀,也影響晶體的性質。如無水硫酸銅在240℃以上結晶時,是白色的三棱形針狀晶體,但在常溫下結晶時,則是含5個結晶水的大顆粒藍色晶體水合物。
控制結晶操作的條件以改善晶習,獲得理想的晶體外形,是結晶操作區別于其他分離操作的重要特點。
三、晶核
溶質從溶液中結晶出來,首先要產生微觀的晶粒作為結晶的核心,這個核心稱為晶核。因此,晶核是過飽和溶液中初始生成的微小晶體粒子,是晶體生長過程中必不可少的核心。
四、晶漿和母液
溶液在結晶器中結晶出來的晶體和剩余的溶液構成的懸混物稱為晶漿,去除晶體后所剩的溶液稱為母液。通常只有同類分子或離子才能進行有規律的排列,故結晶過程有高度的選擇性,通過結晶溶液中的大部分雜質會留在母液中,但含有雜質的母液會以表面黏附或晶間包藏的方夾帶在固體產品中,因此,工業上通常在對晶漿進行固液分離以后,再用適當的溶劑對固體進行洗滌,以盡量除去雜質,得到純度高的晶體。但是結晶過程是復雜的,有時會出現晶體大小不一,形狀各異,甚至形成晶簇等現象,因此附著在晶體表面及空隙中的母液難以完全除去,有時需要重結晶,否則將直接影響產品質量。