Кристализација
Кристализација је настајање кристала у којем се основне честице (атоми, иони или молекуле) правилно слажу у простору стварајући кристалну решетку. У природи кристали могу настати на различите начине: из водене и других отопина при обичној температури (на примјер камена сол, гипс и низ других соли из мора или језера), из врућих отопина, хидротерми (на примјер рудни минерали сулфидне скупине), из силикатне талине, магме, из које кристализира главнина такозваних примарних петрогених минерала као што су силикати, кремен и неки рудни минерали, из плиновитога стања (на примјер сњежне пахуље из водене паре, сумпор из вулканских плинова), из чврстога стања (на примјер старењем или загријавањем нестабилнога стакла), из густих агрегата каткад код високих температура, нижих од талишта, када полако настају крупнијезрнати агрегати (на примјер мрамор из густога вапненца, зрнате метаморфне стијене из густих седимената).
Кристализација започиње када се досегне презасићено стање, то јест када концентрација твари постане већа од равнотежне, што се најчешће постиже хлађењем отопине, талине, паре или плина или смањењем количине отапала у отопини. Процес овиси о физикалним и кемијским својствима твари, о средини у којој кристал расте, о примјесама и температури. Ако за кристализацију има довољно простора и ако она тече полагано, без примјеса које би отежавале раст кристала, обликоват ће се јединични кристал (монокристал) као правилно геометријско тијело. Ако нема увјета за несметану кристализацију, мјесто јединичних кристала развит ће се кристални агрегати, накупине ситних кристала које као цјелина немају правилан облик. Тако, на примјер, већ према увјетима, твари могу кристализирати у облику иглица (вискери), разгранати се попут биљке (дендрити) или расти у облику танких слојева. Без обзира на различитост облика, унутарња грађа свакога појединога кристалнога тијела задржат ће исти просторни поредак основних честица као и у идеалноме јединичноме кристалу. Природне твари, минерали, најчешће расту у облику агрегата и других посебних облика, а рјеђе као правилни јединични кристали. [1]
Врсте кристализације
[уреди | уреди извор]Развојем инструменталних техника развиле су се и лабораторијске и творничке методе за раст јединичних кристала потребних у знаности и техници, посебно у електроници. Кристализацијом из талине могу се добити јединични кристали масе и неколико килограма. Према методи Ј. Цзоцхралскога (пољски кемичар, 1885. – 1953.), полирана кристална плоха малога кристалнога зрна додирује талину основног материјала из којега треба добити јединични кристал. Полаганим једноликим подизањем зрна, каткад брзином мањом од 1 милиметар на сат, постиже се континуирани раст јединичнога кристала исте кристалне оријентације као и у почетноме зрну. Та је метода најповољнија за кристализацију већине метала и слитина те за неке полуводичке материјале (германиј, силициј).
Бридгманова метода (Перцy Wиллиамс Бридгман, амерички физичар, 1882. – 1961.) служи углавном за кристализацију твари које се рабе као двокомпонентни и вишекомпонентни полуводичи. Талина основнога материјала спушта се полагано из топлијег у хладнији дио пећи и притом кристализира. Температура топлијега дијела треба бити само неколико ступњева виша од талишта материјала, а хладнијега дијела нижа од талишта.
Вернеуиловом методом (Аугусте Вернеуил, француски кемичар, 1856. – 1913.) додаје се фини прашак на растаљену површину малог исходнога кристала, који затим расте у облику стожастога јединичнога кристала. Метода се примјењује за материјале високих талишта као што су ферити, гранати и умјетни рубини. За раст великих кристала из водених отопина служе посуде са засићеном отопином твари која кристализира, уз додатак малих кристалних језгара. Малом промјеном температуре, најчешће снижавањем, повећава се презасићеност отопине, па кристалне језгре контролирано расту. Тако се могу приредити велики монокристали технички важних пироелектричних и пиезоелектричних твари. Посебно је важна кристализација силицијева диоксида, то јест приређивање умјетних јединичних кристала кремена, из алкалне водене отопине у аутоклавима с температурним градијентом. У почетку се поликристални материјал налази у засићеној отопини у врућем дијелу аутоклава, а кристалне језгре у његову хладном дијелу, па пренос материјала и раст кристала настаје због температурне разлике. Највећа температура у аутоклаву износи до 400 °Ц, а тлак око 100 MПа.
Настанак кристалног зрна метала
[уреди | уреди извор]Када се чисти метал охлади испод своје критичне температуре топљења (талиште),стварају се многобројне клице међусобним везивањем спорокрећућих атома (центри кристализације). Центром кристализације назива се група атома који формирају најмању честицу фазе способну даље да расте. [2]
Појава пријелаза из текућег у чврсто стање назива се кристализација. За разлику од аморфних тијела, која се поступно стврдњавају током наглог хлађења, метали кристализирају при константној температури, која се назива критична температура фазне претворбе. Опћа теорија кристализације текућина допушта могућност јаког потхлађења раствора, при којем број клица и брзина раста кристала постају једнаки нули, тако да се текућина згусне, претварајући се у стакласти материјал, тј. не подлијежући кристализацији.
Облик кристалног зрна овиси од стварним условима кристализације: брзине и смјера одвођења топлине, постојања нерастворљивих честица, ступња подхлађења, брзине појаве кристализације, струјања отопине итд. Да би кристал имао правилан облик потребно је лагано хлађење, мали број центара кристализације, неометан раст у свим правцима итд. Како се ово веома ријетко остварује, кристал обично има неправилан облик и равни кристала расту неједнаким брзинама. Одвођење топлине при хлађењу се одвија кроз чврсту и текућу (талина) фазу. Како одвођење топлине није једнако у свим правцима, раст кристала ће бити бржи на оним граничним површинама које имају нижу температуру од температуре текуће фазе. На брзину раста кристала утичу и примјесе. Најме, оне се могу апсорбирати на површини одређених равнина и успорити њихов раст изазивајући неправилан облик кристала. Посљедица свега овога је да се из центра кристализације развијају у правцима најбржег раста гране кристала. Из њих се такођер развијају нове гране под одређеним углом. Овакав раст кристала назива се дендритски, а кристали дендрити. [3]
Примјена
[уреди | уреди извор]У кемијској процесној индустрији кристализација је топлински сепарацијски процес у којем се чврста фаза хлађењем издваја из капљевите или паровите фазе, или из талине. У пракси је најчешћа кристализација из капљевите фазе, из отопине. Због тога се индустријска кристализација проводи у кристализаторима, а то су испаривачи с уређајима за скупљање и издвајање излучених кристала, или су то велике посуде у којима се отопина мијеша и зраком или водом хлади. Добивени сирови кристали издвајају се из отопине таложењем, филтрацијом или центрифугирањем, испиру се отапалом и суше. Величина, облик и чистоћа кристала овисе о увјетима проведбе процеса (температура, тлак, ступањ презасићења, брзина хлађења).
Извори
[уреди | уреди извор]- ↑ кристализација, [1] "Хрватска енциклопедија", Лексикографски завод Мирослав Крлежа, www.енциклопедија.хр, 2016.
- ↑ "Стројарски приручник", Бојан Краут, Техничка књига Загреб 2009.
- ↑ [2] Архивирано 2014-07-04 на Wаyбацк Мацхине-у "Физикална металургија I", др.сц. Тања Матковић, др.сц. Проспер Матковић, www.симет.унизг.хр, 2011.