при каких условиях начинается процесс кристаллизации

Кристаллизация

1) Процесс кристаллизации начинается только после охлаждения жидкости к определённой температуре.

2) Во время кристаллизации температура не меняется.

3) Температура кристаллизации равна температуре плавления.

При образовании кристаллов происходит фазовый переход, то есть переход вещества из одной термодинамической фазы в другую. Образование кристаллов из газов, растворов, расплавов или стёкол представляет собой фазовый переход первого рода, а кристаллизация при полиморфных превращениях может быть фазовым переходом второго рода.

Кристаллизация начинается при достижении некоторого предельного условия, например, переохлаждения жидкости или пересыщения пара, когда практически мгновенно возникает множество мелких кристалликов — центров кристаллизации. Кристаллики растут, присоединяя атомы или молекулы из жидкости или пара. Рост граней кристалла происходит послойно, края незавершённых атомных слоев (ступени) при росте движутся вдоль грани. Зависимость скорости роста от условий кристаллизации приводит к разнообразию форм роста и структуры кристаллов (многогранные, пластинчатые, игольчатые, скелетные, дендритные и другие формы, карандашные структуры и т. д.). В процессе кристаллизации неизбежно возникают различные дефекты.

На число центров кристаллизации и скорость роста значительно влияет степень переохлаждения.

Степень переохлаждения — уровень охлаждения жидкого металла ниже температуры перехода его в кристаллическую (твёрдую) модификацию. Переохлаждение необходимо для компенсации энергии скрытой теплоты кристаллизации.

Первичной кристаллизацией называется образование кристаллов в металлах (сплавах и жидкостях) при переходе из жидкого состояния в твёрдое.

Источник

Кристаллизация: определение, процесс, использование, примеры

Определение кристаллизации

Кристаллизация – это естественный процесс, который происходит, когда материалы затвердевают из жидкости или выпадают в осадок из жидкости или газа. Это может быть вызвано физическим изменением, таким как изменение температуры, или химическим изменением, таким как кислотность. Кристаллизация – это процесс, определяемый размером и формой вовлеченных молекул и их химическими свойствами. Кристаллы могут быть сформированы из одного вид атома, различных видов ионов или даже больших молекул, таких как белки. Некоторым крупным молекулам труднее пройти процесс кристаллизации, потому что их внутренняя химия не очень симметрична или взаимодействует сама с собой, чтобы избежать кристаллизации.

Самая маленькая единица кристалла называется единицей клетка, Это базовое образование атомов или молекул, к которому могут быть присоединены дополнительные единицы. Вы можете думать об этом как о детском строительном блоке, к которому можно прикрепить другие блоки. Кристаллизация происходит так, как будто вы прикрепляете эти блоки во всех направлениях. Некоторые материалы образуют кристаллы различной формы, что объясняет большие различия в форме, размере и цвете различных кристаллов.

Процесс кристаллизации

Зарождение

Первый шаг в процессе кристаллизации – зародышеобразование. Первые атомы в массе, которые формируют кристаллическую структуру, становятся центром, и больше атомов организуется вокруг этого ядра. Когда это происходит, вокруг ядра собирается больше элементарных ячеек, образуется маленький затравочный кристалл. Процесс зародышеобразования чрезвычайно важен при кристаллизации, поскольку ядро ​​кристалла будет определять структуру всего кристалла. Несовершенство ядра и затравочного кристалла может привести к резким перестройкам, поскольку кристалл продолжает формироваться. Нуклеация происходит в переохлажденной жидкости или перенасыщенной растворитель.

Переохлажденная жидкость – это любая жидкость на грани превращения в твердое вещество. Для того, чтобы это произошло, должно сформироваться первоначальное ядро. Именно вокруг этого ядра процесс кристаллизации будет продолжаться. В охлаждающей жидкости ядро ​​образуется, когда атомы или молекулы больше не имеют кинетической энергии, чтобы отскакивать друг от друга. Вместо этого они начинают взаимодействовать друг с другом и образуют стабильные кристаллические образования. Чистые элементы обычно образуют кристаллическую структуру, в то время как крупные молекулы могут быть трудно кристаллизоваться при нормальных температурах и давлениях.

В перенасыщенном решение растворитель, несущий желаемый кристалл, находится на емкости. По мере того, как температура охлаждается или изменяется кислотность, растворимость атомов или молекул в растворе изменяется, и растворитель может удерживать их меньше. Как таковые, они «выпадают» из решения, сталкиваясь друг с другом. Это также вызывает зарождение и последующую кристаллизацию.

Рост кристаллов

Поскольку другие молекулы и атомы окружают ядро, они отходят от уже установленной симметрии, добавляя к затравочному кристаллу. Этот процесс может происходить очень быстро или очень медленно, в зависимости от условий. Вода может кристаллизоваться в лед за считанные минуты, в то время как для формирования «типичных» геологических кристаллов, таких как кварц и алмазы, требуются тысячелетия. Основное образование вокруг ядра определяет всю кристаллическую структуру. Это различие в формации объясняет различия в кристаллах от уникальности снежинки до прозрачности алмаза.

Есть только несколько геометрических фигур, которые могут принимать кристаллы. Они определяются связями и взаимодействиями участвующих молекул. Разные формы обусловлены разными углами связи атомов в зависимости от исходного ядра. Примеси в растворе или материале приведут к отклонению от типичного рисунка. Как видно из снежинок, даже крошечные примеси в ядре приводят к совершенно новым и уникальным конструкциям.

Лабораторное использование кристаллизации

Кристаллизация является распространенным и полезным лабораторным методом. Он может быть использован для очистки веществ и может быть объединен с передовыми методами визуализации для понимания природы кристаллизованных веществ. При лабораторной кристаллизации вещество может быть растворено в подходящем растворителе. Тепло и изменения кислотности могут помочь материалу раствориться. Когда эти условия меняются местами, материалы в растворе осаждаются с разными скоростями. Если условия контролируются должным образом, могут быть получены чистые кристаллы желаемого вещества.

Продвинутая техника визуализации, называемая кристаллографией, рентгеновскими лучами или другими высокоэнергетическими пучками и частицами, может быть пронизана через кристаллическую структуру чистого вещества. Хотя это не создает видимого изображения, лучи и частицы дифрагируют в определенных образцах. Эти шаблоны могут быть обнаружены с помощью специальной проявочной бумаги или электронных детекторов. Образец может затем быть проанализирован математикой и компьютерами, и модель кристалла может быть сформирована. Дифракционные картины создаются, когда частицы или лучи перенаправляются плотными электронными облаками внутри кристаллической структуры. Эти плотные области представляют атомы и связи, присутствующие в кристалле, образовавшемся во время кристаллизации. Используя этот метод, ученые могут распознать практически любое вещество по его кристаллической форме.

Примеры кристаллизации

Шкала времени человека

Кристаллам может потребоваться огромное количество времени, чтобы сформироваться, или они могут сформироваться быстро. Ученые смогли изучить кристаллизацию, потому что в природе существует много событий, в которых кристаллизация происходит быстро. Как уже обсуждалось, лед и снежинки являются отличными примерами кристаллизации воды. Другой интересный пример – кристаллизация меда. Когда пчелы срыгивают мед в соты, это жидкость. Со временем молекулы сахара внутри меда начинают образовывать кристаллы в процессе кристаллизации, описанном выше. Если у вас есть старая бутылка меда, загляните внутрь. Скорее всего, в жидкости будет мало кристаллов сахара. Если вы хотите ускорить процесс, положите мед в холодильник. Охлаждение жидкости снижает растворимость сахара в жидкости, и он быстро образует кристаллы.

Геологическая шкала времени

Хотя процесс схожий, время, необходимое для формирования таких вещей, как кварц, рубин и гранит, намного больше. Эти кристаллы образуются при очень высоких давлениях в коре и магме Земли. Несмотря на то, что процесс кристаллизации одинаков, условия и атомы долго соединяются, чтобы правильно кристаллизоваться. Эти процессы могут быть воспроизведены в лаборатории в более короткие сроки путем создания идеальных условий для кристаллизации. Лаборатории также могут выращивать затравочные кристаллы, которые могут быть введены, чтобы значительно ускорить производство больших партий кристаллов одновременно.

В несколько более короткие сроки в процессе кристаллизации также образуются минеральные отложения, такие как сталактиты и сталагмиты. Когда на эти кристаллы падают небольшие капли воды, содержащиеся в них минералы интегрируются в уже имеющуюся кристаллическую структуру, и вода стекает.

викторина

1. Некоторые ученые утверждают, что кристаллы – это форма жизни. Какое из следующих утверждений поддерживает эту идею?A. Кристаллы могут свободно перемещатьсяB. Благодаря кристаллизации, кристаллы собираются и растут естественным путемC. Кристаллы – живые существа с нервной системой

Ответ на вопрос № 1

В верно. Кристаллизация – это процесс, который происходит естественным путем и во многом напоминает растущую клетку. Хотя рост кристаллов намного проще, он связан с набором правил, вытекающих из химических свойств участвующих молекул.

2. Что из перечисленного НЕ является кристаллом?A. Рубиновый каменьB. Слиток золотаC. Гелий Газ

Ответ на вопрос № 2

С верно. Очевидно, что газ не может образовывать кристалл. На самом деле, гелий должен быть переохлажден до того, как он станет жидким. Молекулы движутся слишком быстро, чтобы сформировать стабильную и правильную структуру. Большинство других веществ в твердой форме представляют собой кристаллы, за исключением нескольких исключений. К ним относятся такие вещи, как стекло, которое не образует регулярную структуру. Вместо кристаллизации такие материалы, как стекло и прозрачный пластик, замерзают, прежде чем можно будет создать структуру.

3. Вы берете немного морской воды из океана. Вы наливаете его в плоскую кастрюлю и оставляете на солнце. Когда вода испаряется, вы начинаете видеть маленькие кристаллы, формирующиеся на дне кастрюли. Что происходит?A. Ничего, они были там раньшеB. По мере испарения воды присутствующие кристаллы становятся просто более заметнымиC. Когда вода испаряется, соли кристаллизуются из раствора

Ответ на вопрос № 3

С верно. Меньше воды в кастрюле означает более высокую концентрацию соли. Когда уровень соли превышает уровень воды, она начинает выпадать из раствора и начинается процесс кристаллизации. Если оставить на несколько дней, вода полностью испарится, оставив только кристаллизованную соль. Не ешьте это все же! Существует много видов соли, и это не хлорид натрия, который вы найдете на своем столе.

Источник

Учебные материалы

Твердые металлы имеют кристаллическое строение. Для кристаллов характерно наличие дальнего порядка в расположении атомов, т.е. в кристаллах существует строго определенное геометрически правильное расположение атомов, которое наблюдается на любом расстоянии от произвольно выбранного атома.

При плавлении кристаллов дальний порядок нарушается и образуется ближний порядок в расположении атомов, т.е. в расплаве сохраняется некоторая упорядоченность лишь вблизи произвольно выбранного атома, по мере удаления от данного атома степень упорядоченности быстро падает. Поэтому переход кристаллического вещества из жидкого состояния в твердое заключается в установлении дальнего порядка в расположении атомов.

Переход из жидкого состояния в твердое с образованием кристаллической структуры называется первичной кристаллизацией.

Изменение свободной энергии металла в жидком и твердом состоянии в зависимости от температуры показано на рисунке 8.

Система, состоящая из большого числа атомов, стремится к такому состоянию, которому в данных условиях соответствует минимальное значение величины свободной энергии. Если вещество может существовать в жидком и твердом кристаллическом видах, то устойчивой в данных условиях будет та фаза, которая обладает меньшей величиной свободной энергии.

Рисунок 8 — Изменение свободной энергии металла в жидком G_ж и твердом G_т состоянии в зависимости от температуры

При температурах выше равновесной температуры плавления Т_п меньшей свободной энергией обладает жидкая фаза, а ниже этой температуры — твердая фаза. При температуре Т_п обе фазы могут существовать одновременно. Процесс кристаллизации при этой температуре еще не начинается. Он может протекать только при переохлаждении металла ниже равновесной температуры Т_п, когда возникает разность свободных энергий DG (при температуре кристаллизации Т_к).

Разность между температурами Т_п и Т_к называется степенью переохлаждения:

Чем больше степень переохлаждения DТ, тем больше разность свободных энергий DG и больше скорость кристаллизации. При температурах, близких к температуре плавления, в жидком металле возможно образование небольших группировок, в которых атомы упакованы так же, как в твердом металле. Такие группировки называются фазовыми флуктуациями.

Фазовые флуктуации, имеющие размер выше критического, способные расти путем присоединения к себе атомов из жидкого расплава, называются зародышами, или центрами кристаллизации.

Флуктуации, имеющие размер меньше критического, расти не могут, они нестабильны и растворяются в жидкой фазе.

Если принять, что зародыш имеет форму куба с ребром А, то его критический размер, способный к росту, определяется:

где s — поверхностное натяжение.

Чем ниже температура кристаллизации, тем меньше критический размер зародыша, тем больше число центров кристаллизации (ч.ц.) образуется в единицу времени, тем больше скорость кристаллизации (с.к.).

Процесс кристаллизации начинается с образования кристаллических зародышей и продолжается в процессе роста их числа и размеров.

Пока образовавшиеся кристаллы растут свободно, они имеют более или менее правильную геометрическую форму. Однако при столкновении их правильная форма нарушается, так как в этих участках рост граней прекращается. Рост продолжается только в тех направлениях, где есть свободный доступ ”питающей” жидкости. В результате образуется структура с кристаллами неправильной формы — зернами или кристаллитами.

Рисунок 9 — Схема кристаллизации металла

Г. Тамман установил зависимость числа центров кристаллизации и скорости роста кристаллов от степени переохлаждения (рисунок 10).

При DТ = 0 процесс кристаллизации не идет, скорости образования зародышей и их роста равны нулю. При DТ = а число центров кристаллизации небольшое, а скорость их роста максимальна. В этом случае структура металла будет крупнозернистой. При DТ = в число центров — максимально, а скорость их роста мала. Структура металла — мелкозернистая. При больших степенях переохлаждения DТ = с скорость кристаллизации и число центров равны нулю. Подвижность атомов уже недостаточна для того, чтобы осуществлялась их перестройка из хаотического расположения в жидкости в правильное в кристалле. Структура металла — аморфная. Для получения аморфных металлов (металлические стекла) нужны скорости охлаждения порядка миллионов градусов в секунду.

Такие скорости охлаждения достигаются при разбрызгивании мелких капель жидкого металла на хорошо отполированную поверхность быстро вращающегося холодного медного диска. Толщина пленки аморфного металла достигает нескольких микрометров (до 60 мкм) и ширины 200 мм, или проволоки диаметром 0,5…20 мкм. Другой вариант — прокатка тонкой струи расплава между двумя массивными медными валками, расплющивающие капли жидкого металла. При нагреве аморфный металл может реализовать свое стремление к кристаллизации и при достаточной подвижности атомов образуется кристаллическое строение.

Аморфный металл обладает рядом уникальных свойств из-за отсутствия границ зерен и дефектов кристаллического строения (например, дислокаций). Прочность их превосходит самые лучшие легированные стали (

3000 МПа). Высокая твердость определяет их великолепную износостойкость. Правда, пластичность аморфных металлов низка, но выше, чем у обычного стекла. Их можно, например, прокатывать при комнатной температуре. Другое важнейшее преимущество — их исключительно высокая коррозионная стойкость. Во многих весьма агрессивных средах (морской воде, кислотах) они вообще не корродируют. Аморфные сплавы на основе ферромагнитных металлов (железа, никеля) также ферромагнитны, электросопротивление их гораздо выше, чем кристаллических (обычно в 2…3 раза). Получение аморфной структуры в принципе возможно для всех металлов. Наиболее легко аморфное состояние достигается в сплавах Аl, Рb, Sn и др. Для получения металлических стекол на базе Ni, Co, Fe, Mn, Cr к ним добавляют неметаллы или полуметаллические элементы С, Р, Si, B, As, S и др.

Перспективы практического использования аморфного состояния металлов выглядит очень внушительно еще и потому, что уже создана аморфизация тонких поверхностных слоев массивных изделий. При воздействии на поверхность изделия мощного лазерного или электронного луча удается в короткое время расплавить очень тонкий наружный слой, который после прекращения воздействия остывает с огромной скоростью за счет отвода тепла в толщу холодного металла. Таким образом, обычный кристаллический металл, вероятно, можно будет надежно защитить от износа и коррозии.

Источник

Что такое кристаллизация в физике: формула

Содержание:

Рассмотрим, в чём заключается физическая суть, условия протекания, особенности процесса кристаллизации. Также разберёмся, как изменяется внутренняя энергия вещества при кристаллизации.

Что такое кристаллизация в физике

Представьте морозный зимний день. Если подышать на стекло c узорами, те растают. Вскоре на этом месте вырастет новый ледяной кристалл. Он начнёт формироваться из уже готового, не полностью растаявшего. В процессе образования появляются ответвления под одним углом. При столкновении друг с другом они образуют так называемые узоры, рисунки.

При понижении температуры жидкости (иногда газа) в определённых условиях она начинает превращаться в твёрдое вещество: вода – в лёд, расплав – в металл. Этот процесс и есть кристаллизация в физике – переход вещества из жидкого (расплав, раствор) или газообразного состояния в твёрдое с образованием кристаллов. Сюда относят преобразование структуры кристаллов: из одной вырисовывается другая. Благодаря её существованию образуются минералы, сплавы металлов, кости и эмаль живых организмов. Химики прибегают к процессу для получения веществ без примесей, отсюда и выражение «кристально чистый».

Для протекания процедуры необходимы центры кристаллизации – зародыши. Ими могут быть как кристаллики вещества, например, нерастаявшие льдинки, так и разнообразные примеси: сажа, пыль. При отсутствии этих центров образуется переохлаждённая жидкость. При переохлаждении вещество может долго находиться в метастабильном состоянии. С достижением определённых условий зародыши или центры появляются спонтанно, и кристаллизация протекает в ускоренном темпе.

Значительно переохлаждённые жидкости называются аморфными: текучесть они теряют, но кристаллическую структуру не приобретают. Это смола, сургуч, воск.

Скорость, степень переохлаждения жидкости и условия роста кристаллов определяют их структуру, форму.

Кристаллы образуются не только из жидкостей, но из газов, например, те же «морозные рисунки» на стекле появляются путём присоединения атомов и молекул воды (паров) из воздуха. Йод при нагревании из твёрдого состояния переходит в газообразное – сублимируется, а при охлаждении, минуя жидкое, кристаллизуется.

Формула процесса

Кристаллизации воды в физике описывается формулой:

Q = λm, где:

Для воды/льда удельная теплота кристаллизации (плавления) =330 (кДж/кг). После подстановки получим выражение: Q = 330m.

В процессе кристаллизации внутренняя энергия вещества снижается за счёт выделения тепловой энергии в окружающую среду в виде скрытой теплоты. Её часть способна превратиться в механическую работу. Например, кристалл во время образования поднимает получаемое вещество над своей массой, на что затрачивается энергия. При создании гипса или льда его частички могут выдавать давление в несколько килограмм.

Известно, что замерзающая в полной бутылке или банке вода разрывает ёмкость; их разрушает лёд, образующийся в полостях и трещинах бетонных конструкций.

Источник