تبلور مواد به عنوان فرآیندی تعریف می شود که طی آن ماده شیمیایی از محلول مایع به حالت بلوری یا جامد تبدیل می شود. استفاده گسترده از تبلور در صنعت تا حدودی به این دلیل است که تبلور به عنوان یک مرحله جداسازی و تصفیه عمل می کند. تقریباً تمام فرایندهای شیمیایی حداقل از یک مرحله تبلور استفاده می کنند.
توسعه فرآیندهای تبلور یک مسئله پیچیده و چالش برانگیز است و نیاز به کنترل همزمان خواص مختلف محصول ، از جمله خلوص ، اندازه ، شکل کریستال و ساختار مولکولی دارد. کنترل مرحله هسته سازی دشوار است اما کلید کنترل فرآیند تبلور است.
شیمیدانان تبلور معمولاً تنها با استفاده از تکنیک های کنترل شده تبلور و با استفاده از خنک سازی به اهداف خاص خود یعنی خلوص و بازدهی بالا می رسند. در ادامه مقاله در نشریه جهان شیمی فیزیک توضیحات بیشتری در این رابطه ارائه می شود.
فرآیند تبلور مواد چگونه اتفاق می افتد؟
فرایند تبلور متشکل از دو رویداد مهم است:
هسته سازی – طی این فرآیند مولکول ها به صورت مشخص به شکل خوشه ای جمع می شوند. خوشه ها باید در شرایط فعلی پایدار باشند تا به ” سایزخوشه بحرانی” برسند در غیر این صورت دوباره حل می شوند. این نقطه در فرآیند تبلور، ساختار بلوری را تعریف می کند.
رشد کریستال – هسته هایی که “سایز خوشه بحرانی” را با موفقیت به دست آورده اند ، شروع به افزایش اندازه می کنند. رشد کریستال یک فرآیند پویا است که باعث رسوب مواد جامد در محلول می شود. اشباع بیش از حد و خنک سازی بیش از حد رایج ترین نیروهای محرک تشکیل بلور هستند.
بسیاری از ترکیبات می توانند در ساختارهای کریستالی متعدد وجود داشته باشند – پدیده ای که به عنوان “چند شکلی” شناخته می شود – و می توانند خصوصیات فیزیکی مختلفی داشته باشند (نقطه ذوب ، شکل ، میزان انحلال و غیره). بسته به شرایط استفاده شده ، ممکن است هسته سازی یا رشد کریستال نسبت به دیگری غالب باشد و منجر به بلورهایی با اشکال و اندازه های مختلف شود. بنابراین ، کنترل چند شکلی بودن در تولید مواد شیمیایی مورد توجه است.
یک نمونه معمول از اهمیت اندازه کریستال را می توان در بستنی یافت. بلورهای کوچک یخ که از طریق خنک سازی سریع ایجاد می شوند در مقایسه با بلورهای یخ بزرگ ، بافت و طعم بستنی را بهبود می بخشند.
روش های تبلور مواد
تبلور یکی از قدیمی ترین روش ها در مهندسی شیمی است. به عنوان مثال ، سدیم کلراید یا نمک از طلوع تمدن به این روش تولید می شود. روش های سنتی مختلفی برای تبلور وجود دارد که هر تکنیک مزایا و معایب منحصر به فردی دارد. روش انتخاب شده باید براساس خصوصیات ماده متبلور انتخاب شود.
تبخیر حلال – تنظیم آن آسان است و به نمونه های پایدار هوا نیاز دارد ، برای بازدهی موثر به حداقل حجم حلال نیاز دارد. بطورکلی مقدار زیادی از مواد مورد نیاز است.
خنک سازی آهسته – به حلال هایی با نقطه جوش کمتر از ۱۰۰ درجه سانتی گراد و قابلیت انحلال متوسط نیاز دارد. مقدار زیادی از مواد مورد نیاز است.
انتشار حلال / بخار – با مقادیر کمی از مواد به خوبی کار می کند ، اما یافتن دو حلال مناسب می تواند چالش برانگیز باشد.
تصعید – روش انتخابی برای بلورهای با کیفیت پراش نیست. به طور معمول تصعید در دماهای بالا انجام می شود و باعث رشد سریع کریستال ها خواهد شد.
انواع تبلور مواد
تبلور هنگامی اتفاق می افتد که از خاصیت حلالیت حل شونده در محلول کاسته شود. روش های معمول برای کاهش حلالیت عبارتند از:
- خنک سازی
- افزودن ماده ضد انحلال
- تبخیر
- رسوب
انتخاب روش تبلور بستگی به تجهیزات موجود برای تبلور ، اهداف فرایند تبلور ، حلالیت و پایداری املاح در حلال انتخاب شده دارد.
چالش های متداول تبلور مواد
تبلور از طریق مجموعه ای از مکانیسم های وابسته که هر یک به طور منحصر به فردی تحت تأثیر انتخاب پارامترهای فرآیند قرار می گیرند ، ادامه می یابد که شامل موارد زیر است:
- هسته زایی
- رشد کریستال
- روغن زدایی در تبلور
- تراکم
- تجزیه
- شیمی پلی مورفیسم
این سازوکارها ، که اغلب از دید دانشمندان پنهان هستند ، نقش غالب را در تعریف نتیجه فرآیند تبلور دارند.
اکثر مواد معدنی و مولکول های آلی به راحتی متبلور می شوند و کریستال های بدست آمده معمولاً از کیفیت خوبی برخوردار هستند ، یعنی بدون نقص قابل مشاهده هستند. با این حال ، متبلور شدن ذرات بیوشیمیایی بزرگتر ، مانند پروتئین ها اغلب دشوار است. سهولت تبلور مولکول ها به نیروهای اتمی (در مورد مواد معدنی) ، نیروهای بین مولکولی (مواد آلی و بیوشیمیایی) یا نیروهای درون مولکولی (مواد بیوشیمیایی) بستگی دارد.
چرا تبلور مواد مهم است؟
تبلور تمام جنبه های زندگی ما از غذاها و داروهایی که می خوریم گرفته تا سوخت هایی که برای تأمین انرژی جوامع خود استفاده می کنیم را تحت تاثیر قرار می دهد. اکثر محصولات شیمیایی و دارویی در طول توسعه و ساخت خود مراحل تبلور زیادی را طی می کنند. مکمل هایی مانند لاکتوز و لیزین با استفاده از تبلور تولید می شوند و تبلور ناخواسته هیدرات های گازی در خطوط لوله در عمق دریا یک نگرانی عمده در صنعت پتروشیمی است.
اندازه گیری تبلور با استفاده از کدورت
پروب های کدورت به دلیل سهولت استفاده ، حساسیت و مقرون به صرفه بودن برای دهه ها جهت نظارت بر تبلور استفاده شده اند. پروب های کدورت با اندازه گیری نوری که توسط جامدات معلق در یک مایع پراکنده می شود ، کار می کنند. با افزایش کل مواد جامد معلق ، میزان کدورت افزایش می یابد و همین آن را به ابزاری مفید برای محاسبه منطقه متغیر سیستم و نظارت بر تشکیل بلورها تبدیل می کند.
برای ایجاد یک منحنی حلالیت ، غلظت های مختلف حل شونده در دما بالا و پایین شده و اجازه می دهد نقاط هسته سازی / انحلال محاسبه شود. به عنوان مثال ، اطلاعات کدورت برای تبلور و انحلال اسید آدیپیک در زیر نشان داده شده است:
همانطور که در نمودار مشاهده می شود در یک غلظت مشخص اسید آدیپیک به طور خود به خود در دمای ۵۹ درجه سانتی گراد هسته سازی کرده و محلول در دمای ۶۴ درجه سانتی گراد پاک می شود و یک منطقه پایدار با پهنای ۵ درجه سانتی گراد را نشان می دهد.
مثال هایی از تبلور مواد
تبلور از نظر مقیاس زمانی
تشکیل کریستال ها از نظر زمانی ، زمان زیادی را می طلبد و یا به سرعت تشکیل می شود. دانشمندان می توانند تبلور را مطالعه کنند زیرا وقایع زیادی در طبیعت وجود دارد که تبلور به سرعت در آنها اتفاق می افتد. مثلا یخ و دانه های برف نمونه های عالی تبلور آب هستند.
مثال جالب دیگر تبلور عسل است زیرا وقتی زنبورها عسل را در کندو تخلیه می کنند هنوز مایع است. با گذشت زمان مولکول های قند در داخل عسل شروع به تشکیل بلور می کنند. اگر یک بطری قدیمی عسل دارید ، به داخل آن نگاه کنید. به احتمال زیاد کریستال های قند کمی در داخل مایع وجود دارد. اگر می خواهید سرعت عمل را بالا ببرید ، عسل را در یخچال قرار دهید. خنک شدن باعث کاهش حلالیت قند در مایع می شود و به سرعت بلور تشکیل می شود.
تبلور در مقیاس زمین شناسی
زمان لازم برای تشکیل موادی مانند کوارتز ، یاقوت و گرانیت بسیار بیشتر از فرآیندهای ذکر شده است. این بلورها تحت فشارهای بسیار زیاد در داخل پوسته و ماگمای زمین تشکیل می شوند. در حالی که روند تبلور یکسان است اما مدت زیادی طول می کشد تا شرایط و اتم ها به روش صحیح و به شکل متبلور به هم متصل شوند.
با ایجاد شرایط ایده آل برای تبلور می توان این فرآیندها را در آزمایشگاه ، در زمان کوتاه تر ، تکرار کرد. آزمایشگاه ها همچنین می توانند بذر بلور پرورش دهند که می تواند با تولید یک سری کریستال بزرگ به یک باره سرعت بیشتری به روند تبلور ببخشد.
در مقیاس زمانی کمی کوتاهتر ، تجمع مواد معدنی مانند استالاکتیت ها و استالاگمیت ها نیز از طریق فرایند تبلور تشکیل می شوند. همانطور که قطره های کوچک آب روی این بلورها ریخته می شود ، مواد معدنی موجود در ساختار بلوری که از قبل موجود است ادغام می شوند و آب تخلیه می شود.
چرا ترکیبات متبلور می شوند؟
با کاهش دما ، ظرفیت انحلال یک حلال نیز کاهش می یابد (به این روند فوق اشباع می گویند) طی این روند برخی از مولکول ها از محلول جدا می شوند و به یکدیگر متصل شده و یک کریستال ایجاد می کنند. به طور کلی ، کریستال نسبتاً خالص خواهد بود زیرا مولکول هایی که از مایع جدا می شوند هم شکل هستند و به تدریج اندازه بلور را افزایش می دهند.
مولکولهایی که دارای هندسه متفاوت هستند به محلول برمی گردند. موارد استثنایی زمانی اتفاق می افتد که روند خنک سازی خیلی سریع پیش می رود و اجازه نمی دهد مولکول هایی با هندسه متفاوت بتوانند کریستال را ترک کرده و به حلال برگردند.
کاربرد تبلور چیست؟
گسترده ترین کاربرد تبلوراحتمالا تبلور نمک است که امروزه نیز به عنوان مقرون به صرفه ترین روش تولید نمک مورد استفاده قرار می گیرد. از دیگر کاربردهای این فناوری می توان به تصفیه ترکیبات و تولید بلور اشاره کرد. تولید مواد توسط کریستالیزاسیون ، به ویژه برای مواد شیمیایی پودری کاملاً معمول است. همچنین برای محصولات در مقیاس بزرگ مانند مواد افزودنی غذایی نیز از این روش استفاده می شود.
آزمایش تبلور مواد
یک حلال مناسب انتخاب کنید. ملاحظات معمول شامل مقدار انحلال حل شونده در حلال (محلول بودن) و ایمنی کار با محلول است.
با افزایش دما تا از بین رفتن آخرین مولکول حل شونده را در حلال حل کنید. در این شرایط می توانید ناخالصی های نامحلول را از محلول داغ فیلتر کنید.
از طریق خنک سازی ، افزودن مواد ضد حلال ، تبخیر یا رسوب ، حلالیت را کاهش دهید تا محلول فوق اشباع شود.
محصول را متبلور کنید. با کاهش حلالیت ، به نقطه ای می رسیم که بلورها هسته سازی می کنند و سپس رشد می کنند. بلورهای محصول کاملاً خالص بوده و ناخالصی ها در محلول باقی می مانند.اجازه دهید سیستم پس از خنک شدن به تعادل برسد سپس محصول تصفیه شده را فیلتر و خشک کنید.
کدام فناوری از تبلور مواد استفاده می کند؟
از آنجا که تبلور یک روش مهم برای تولید بسیاری از مواد شناخته شده و ناشناخته است کریستالوگرافی اشعه ایکس یک فناوری پیشرفته برای تجزیه و تحلیل بلورها است که توسط آن می توان ویژگی های شیمیایی یک ماده شیمیایی را مشخص کرد. علاوه بر این ، ساختار سه بعدی ماده شیمیایی را می توان با کریستالوگرافی اشعه ایکس شناخت. این فناوری برای کمک به روند کشف دارو بسیار مهم است.
تبلور را می توان به عنوان تجلی زیبایی علم در نظر گرفت و روند خارق العاده آن می تواند منبع خوبی باشد تا دانش آموز مبتدی را در اولین نگاه عاشق علم شیمی کند.
بلور چیست
امروزه بلور یا کریستال به صورت مصنوعی برای رفع نیازهای علم، فناوری و جواهرات تولید می شوند. توانایی رشد کریستال های با کیفیت بالا به یک معیار اساسی برای رقابت پذیری کشورها تبدیل شده است. کریستال های طبیعی اغلب در دماهای نسبتاً پایین بوسیله تبلور از محلول ها، گاهی در طول صدها و هزاران سال، تشکیل شده اند. آزمایشگاه‌های کریستال در تعداد زیادی کار می‌کنند تا نیازهای تحقیقاتی و فناوری را برای انواع کریستال‌های با کیفیت بالا و سفارشی برآورده کنند.
کریستال ها جامداتی هستند که در آنها بلوک های ساختمانی اولیه، اتم ها، به طور منظم در یک شبکه فضایی با عناصر تقارن هندسی خاص قرار گرفته اند. هیچ شبکه اتمی ایده آلی در طبیعت وجود ندارد و همچنین چندان مفید نخواهد بود. برخی از عیوب آرایش شیمیایی و ساختاری اتمی برای سودمندی و ارزش کریستال ها ضروری است.
کریستال های مصنوعی معمولاً با تبدیل فاز کنترل شده از یک فاز “سیال” نامنظم با تحرک اتمی بالا رشد می کنند. اگر مواد خام به سیال، گاز یا مایع تبدیل شوند، به حالتی بکر می رسد که در آن تمام خاطرات گذشته خاموش می شود و اجزای اتمی را می توان به طور کامل با همرفت حرارتی یا اجباری مخلوط کرد.
فرآیند رشد کریستال را می توان با استفاده از یک کریستال بذر کوچک از همان ماده برای تعیین جهت کریستالوگرافی مناسب و جلوگیری از ابرسرد شدن زیاد فاز سیال که می تواند هسته سازی کنترل نشده ایجاد کند، آغاز کرد. درجات آزادی که کریستال در حال رشد در مقیاس میکروسکوپی و ماکروسکوپی دارد باید با طراحی مناسب سیستم رشد تا حد امکان کاهش یابد.
در بیشتر موارد، کریستال ها در یک گرادیان دما با سیال فوق گرم و کریستال فوق خنک رشد می کنند تا موقعیت و هندسه سطح مشترک رشد را مشخص کنند. فقط ناحیه کوچکی از سیال در نزدیکی سطح مشترک رشد فوق خنک می شود تا نیروی محرکه اتمی لازم برای تبلور فراهم شود.
