התגבשות: תהליך, סוגים, דוגמאות, הפרדה - כִּימִיָה - 2025

ההתגבשות היא תהליך פיסי שבו באופן טבעי או מלאכותי גבישים מוצקים, כלומר הורה מבנה נוצר מן מדיום נוזלי או גזים. זה שונה משקעים בעובדה שהאחרון מתפתח ללא בקרה קפדנית על פרמטרי התהליך, ובנוסף לעובדה שהוא יכול לייצר מוצקים אמורפיים וג'לטיניים.

מטרת ההתגבשות, כפי ששמה מעיד בפשטות וברורה, היא לייצר גבישים. אלה לא מתאפיינים רק בכך שהם מסודרים, אלא גם בהיותם מוצקים טהורים. לכן בסינתזה של תרכובות מוצקות מבקשים להשיג מוצרים בעלי טוהר גבוה, גבישים טהורים ככל האפשר.

התגבשות של מומס בצבע סגול היפותטי בתמיסה מימית. מקור: גבריאל בוליבר.

בתמונה למעלה נראה התגבשות כללית והיפותטית של מומס סגול בתמיסה מימית.

שים לב שהמוט האדום משמש מדחום. כאשר הטמפרטורה גבוהה, הפיתרון מכיל את המומס המומס, שנשאר מסיס בתנאים אלה. עם זאת, כאשר הטמפרטורה יורדת בהדרגה, הגבישים הסגולים הראשונים מתחילים להופיע.

ככל שהטמפרטורה ממשיכה לרדת, הגבישים יגדלו בגודל ויצרו משושים סגולים חזקים. השינוי בצבע התמיסה מעיד על כך שהמומס עבר מהמס להמסה לשילובו בגבישים הגדלים. ככל שהתגבשות איטית יותר, כך מוצק המוצק הגבישי טהור יותר.

ישנם משתנים אחרים שיש לקחת בחשבון במהלך תהליך זה: כמה מומסים מומסים בממס הנתון, באיזו טמפרטורה יש לחמם את הפיתרון, כמה זמן הקירור צריך להימשך, עד כמה נחוץ לנקוט או לא להתעוררות קולנית, בין היתר. היבטים.

תהליך ההתגבשות, יותר מתופעה מורכבת המערבת דינמיקה מולקולרית ותרמודינמיקה, היא אמנות הדורשת למידה מתמדת, ניסויים ושגיאות, עד שהיא מושלמת במעבדה או בתעשייה.

תהליך התגבשות

ההתגבשות מורכבת למעשה משני תהליכים: גרעין וגידול גבישים.

שני השלבים מתרחשים תמיד בזמן ההתגבשות, אך כאשר הראשון מתרחש במהירות, השני כמעט ולא יהיה לו זמן להתפתח. בינתיים, אם הגרעין איטי, לגבישים יהיה יותר זמן לצמוח, ולכן הם נוטים להיות גדולים יותר. האחרון הוא המצב שמונח בתמונה עם המשושים הסגולים.

גרעין

במקור נאמר כי גבישים היו מוצקים עם מבנים מסודרים. מהפתרון בו המומס מפוזר בהפרעה, חלקיקיו חייבים להתקרב דיו כך שהאינטראקציות שלהם, בין אם מסוג יונים או מסוג ואן דר וול, מאפשרים התיישבות של הקבוצה הראשונה של חלקיקי המומסים: אשכול.

אשכול זה יכול להתמוסס ולהיווצר מחדש פעמים רבות ככל שיידרש עד שהוא יציב וגביש. אז אומרים שהגרעין הראשון הופיע. אם הגרעין מופיע משום מקום, כלומר מעצם ההומוגניות של המדיום במהלך קירורו, זה יהיה גרעין הומוגני.

מצד שני, אם הגרעין האמור מתרחש הודות למשטח המסופק על ידי חלקיק מוצק אחר בלתי מסיס, או לחוסר השלמות של המיכל, אז תהיה לנו גרעין הטרוגני. האחרון הוא הנפוץ ביותר והידוע ביותר, במיוחד כאשר נוסף לפיתרון גביש זעיר, שהושג בעבר, של המינים שאנו רוצים להתגבש.

גבישים לעולם אינם יכולים להיווצר מאוויר דק ללא גרעין קודם.

גידול גבישים

עדיין יש הרבה מומסים מומסים בתמיסה, אך ריכוז המומסים בגרעינים האלה הוא גבוה יותר מאשר בסביבתם. הגרעינים פועלים כתומכים בכדי לחלקיקים מומסים יותר לשקע ו"התאימו "בין המבנים הגדלים שלהם. באופן זה, הגיאומטריות שלהם נשמרות וגוברות בהדרגה.

לדוגמא, הגרעינים הראשונים בתמונה הם משושים סגולים; זו הגיאומטריה שלך. כאשר משולבים חלקיקים מומסים, הגרעינים צומחים לגבישים משושים חזקים, אשר ימשיכו לצמוח עוד יותר אם התמיסה טבולה באמבטיית קרח.

סוגי התגבשות

מה שהוסבר עד כה מורכב מהתגבשות על ידי קירור הממס.

התגבשות של הסרת ממסים

התגבשות מסוגים אחרים מבוססת על סילוק ממס באמצעות אידוי, שלגביו אין צורך להשתמש בכמות כה גדולה ממנו; כלומר, די פשוט להרוות אותו במומסים ולחמם אותו כדי להמיס אותו מחדש, ואז, עוד קצת, ואז להשאיר אותו במנוחה, כך שהמומס יתגבש לבסוף.

התגבשות תוספת ממסים

בדומה, יש לנו את ההתגבשות הנגרמת כתוצאה מתוספת ממס לתערובת שבה המומס אינו מסיס (אנטי-ממיס). לפיכך, תועדף גרעין שכן ישנם אזורים ניידים ונוזלים שבהם חלקיקי המומסים יהיו מרוכזים יותר מאשר באזורים שבהם הם מסיסים מאוד.

התגבשות באמצעות sonification

מצד שני, קיימת התגבשות על ידי sonification, שם אולטרסאונד מחולל ושובר בועות קטנות שמעודדות שוב גרעין, במקביל שהוא מסייע בהפצת גדלי גביש באופן שווה יותר.

ולבסוף, יש התגבשות מתצהיר אדים על משטחים קרים; כלומר התופעה ההפוכה לסובלימציה של מוצקים.

שיטת הפרדת התגבשות

התגבשות היא טכניקה הכרחית בעת קבלת מוצקים ומטהרתם. זה חוזר מאוד בסינתזה של תרכובות אורגניות, והוא מייצג את אחד השלבים האחרונים להבטיח טוהר ואיכות המוצר.

דוגמא לצבע

נניח, למשל, כי מתקבלים גבישים של צבע ושהם כבר סוננו. מכיוון שצבע זה הושג בתחילה על ידי משקעים בסינתזה, מוצק שלו מראה את היותו אמורפי, מכיוון שיש בו הרבה זיהומים שנקלטו ונלכדים בין הגבישים המולקולריים שלו.

לכן, הוחלט לחמם ממס במקום בו הצבע מסיס מעט, כך שכאשר הוא מתווסף הוא מתמוסס יחסית יחסית. לאחר מומס לאחר הוספת מעט יותר ממס, מופרד הפתרון ממקור החום ומניח לנוח. עם ירידת הטמפרטורה מתרחשת גרעין.

כך, גבישי הצבע יצרו ויופיעו מוגדרים יותר (לאו דווקא גבישיים לעין). ברגע המדויק הזה הטבילה המכולה (בדרך כלל בקבוק ארלנמאייר או כוס) בכלי אמבטיה קרח. הקור של אמבטיה זו בסופו של דבר מעדיף את צמיחת הגבישים מעל הגרעין.

הגבישים של הצבע מסוננים לאחר מכן ואקום, נשטפים בממס שבו הוא אינו מסיס, ומשאירים לייבוש בכוס שעון.

טמפרטורת התגבשות

הטמפרטורה בה מתרחשת התגבשות תלויה עד כמה המומסים לא מסיסים במדיום הממס. כמו כן, זה תלוי בנקודת הרתיחה של הממס, מכיוון שאם המומס טרם מומס בטמפרטורת הרתיחה, זה מכיוון שיש להשתמש בממיס אחר מתאים יותר.

לדוגמא, מוצקים שיכולים להתגבש בתקשורת מימית יעשו זאת כשהמים יורדים את הטמפרטורה שלהם (כלומר מ- 100 ל- 50 מעלות צלזיוס), או בזמן שהם מתאדים. אם התגבשות מתרחשת על ידי אידוי, אז אומרים שהיא מתרחשת בטמפרטורת החדר.

מצד שני, התגבשות מתכות או מוצקים יוניים מסוימים מתרחשת בטמפרטורות גבוהות מאוד, מכיוון שנקודות ההתכה שלהן גבוהות מאוד, והנוזל המותך הוא ליבון, גם כשהוא מקורר מספיק בכדי לגרעין את חלקיקיו ו תגדל את הקריסטלים שלך.

קצב התגבשות

באופן עקרוני ישנן שתי דרכים ישירות לשליטה על קצב ההתגבשות של מוצק: לפי מידת העל-רוויה (או העל-רוויה), או על ידי שינויים פתאומיים בטמפרטורה.

דרגת העל-רוויה

מידת העל-רווחה פירושה כמה עודף מומסים נאלצים להתמוסס על ידי יישום חום. לפיכך, ככל שהפתרון רב-רווי יותר, כך תהליך הגרעין מהיר יותר, מכיוון שיש סבירות גבוהה יותר שייווצרו גרעינים.

למרות שהתגבשות מואצת בדרך זו, הגבישים המתקבלים יהיו קטנים יותר בהשוואה לאלה המתקבלים בדרגה גבוהה יותר של רוויה; כלומר, כאשר צמיחתם מועדפת ולא גרעין.

שינויי טמפרטורה

אם הטמפרטורה תיפול בצורה חדה, הגרעינים כמעט ולא יספיקו לצמוח, ולא רק זה, אלא שהם גם ישמרו על רמות גבוהות יותר של זיהומים. התוצאה היא שלמרות שהתגבשות מתרחשת במהירות רבה יותר מאשר קירור איטי, האיכות, הגודל והטוהר של הגבישים בסופו של דבר נמוכים יותר.

התגבשות מהירה בגלל ירידה פתאומית בטמפרטורה. מקור: גבריאל בוליבר.

התמונה למעלה משמשת בניגוד לראשון. הנקודות הצהובות מייצגות את הזיהומים, אשר כתוצאה מגידול פתאומי של הגרעינים כלואים בתוכם.

זיהומים אלה מקשים על שילוב משושים סגולים יותר, וכתוצאה מכך נוצרים בסופו של דבר הרבה גבישים קטנים וטמאים, ולא גדולים וטהורים.

יישומים

התגבשות הגלידה היא אחד ההיבטים החשובים ביותר במהלך ייצורה התעשייתי או האומני. מקור: Pixabay.

התגבשות, כמו גם התגבשות מחדש, חיוניים להשגת מוצקים טהורים ואיכותיים. לתעשיית התרופות הדבר נכון במיוחד מכיוון שמוצריהם חייבים להיות טהורים ככל האפשר, ממש כמו חומרים משמרים המשמשים בתעשיית המזון.

יתר על כן, ננוטכנולוגיה תלויה מאוד בתהליך זה כך שהם יכולים לסנתז חלקיקים או ננו-קריסטלים, במקום מוצקים גבישיים חזקים.

אחת הדוגמאות היומיומיות בהן יש לגיבוש השתתפות רבה היא ייצור הגלידה. אם לא נזהרים במים, הם מתגבשים בשלב נפרד (קרח) מתכולת השומנים שלהם, ובכך משפיעים על מרקמם וטעמו; במילים אחרות, זה יהיה יותר כמו גלידה מגולדת או גלידה.

לכן גבישי הגלידה צריכים להיות קטנים ככל האפשר, כך שהגלידה תהיה חלקה לטעם ולמגע. כשגבישי הקרח הללו גדולים מעט, ניתן לאתר אותם באור מכיוון שהם נותנים לגלידה משטח חלבית.

דוגמאות להתגבשות

לבסוף, יוזכר כמה דוגמאות נפוצות להתגבשות, טבעיות ומלאכותיות כאחד:

פתיתי שלג

פתיתי שלג נוצרים בתהליך התגבשות טבעי. ידוע שכל גביש שלג הוא ייחודי. זה נובע מהתנאים המתרחשים בשלב השני של ההתגבשות (צמיחה).

הצורות הגיאומטריות השונות שקריסטלי השלג מציגים נובעות מהתנאים שעליהם להתמודד במהלך צמיחת הגבישים.

מלח

המלח הוא הדוגמא הנפוצה ביותר להתגבשות. זה יכול להיווצר הן באופן טבעי (כמו מלח ים) והן באופן מלאכותי (כמו שקורה במלח שולחן).

סוכר

לאחר המלח, הסוכר הוא אחד הגבישים הנפוצים ביותר. הוא נוצר באמצעות סדרה של תהליכים תעשייתיים מורכבים בהם נלקח מיץ קנה סוכר ומופעל לתהליך התגבשות מלאכותית.

יהלום

יהלום הוא אבן חן הנוצרת מהתגבשות פחמן טהור. זהו החומר הקשה ביותר הידוע על פני כדור הארץ. היווצרותו יכולה להיות טבעית, כמו שקורה ביהלומים הנמצאים בפיקדונות כרייה, או סינתטיים.

אוֹדֶם

אודם הוא גביש אדמדם הנוצר מהתגבשות תחמוצת אלומיניום (קורידון).

נטיפים

נטיפים הם מבנים שניתן למצוא במערות, במיוחד בקרקעות (הצומחות כלפי מעלה). הם מורכבים מתרכובות סידן ונוצרים מהתגבשות מלחי סידן שנמצאים במים הנופלים מתקרות המערות.

נטיפים

נטיפים, כמו נטיפים, עשויים סידן ונמצאים במערות. הם נבדלים מהאחרונים מכיוון שהם תלויים מהתקרות. הם נוצרים על ידי התגבשות מלחי הסידן הקיימים במים החודרים למערות.

קְוָרץ

קוורץ הוא פנינה הנוצרת מהתגבשותה של אנהידריד סיליק. זהו אחד המינרלים השופעים ביותר בסלעים וצבעו משתנה.

פרידות

נקרא גם אוליבין, אבן חן זו נוצרת בזכות התגבשות ברזל ומגנזיום. צבעו ירקרק ובדרך כלל בצורת יהלום.

סיליקטים

סיליקטים הם חומרים הנוצרים על ידי התגבשות סיליקה ואלמנטים אחרים (ברזל, אלומיניום, סידן, מגנזיום). הם קיימים בכל הסלעים.

סוכריות

סוכריות מיוצרות עם גבישי סוכר, ולכן ניתן לומר כי מדובר בשני תהליכי התגבשות: הראשון להיווצרות סוכר והשני להיווצרות מולסה.

גלידה שמנת

גלידה שמנת מכילה סדרת קריסטלים המעניקים לה את המרקם החלק הסופי. בין הגבישים שגלידה שמנת מכילה, בולטים גבישי שומנים (הנוצרים משומן) וגבישים. יש לציין כי חלק מהגלידות מכילות גם גבישי לקטוז.

במובן זה, גלידה מתקבלת באמצעות תהליכי התגבשות מלאכותית שונים (אחד לליפידים, אחד לקרח ואחד לקטוז).

אחרים

הכנת גבישי סוכר סביב חוט או חבל ופתרון מתוק רווי-על

- תצורה של גבישי סוכר מכפירות שהופקדו בתחתית הצנצנות שלהם

-גידול באבני כליה, המורכבות מתמצית גבישים סידן אוקסלט

התגבשות המינרלים, כולל אבני חן ויהלומים, לאורך השנים, שצורותיהם וקצוותיהם משקפים את המבנים הפנימיים המסודרים שלהם

- הצבת אדי מתכת חמים על מוטות קרים כתומכים בגידול גבישיהם.

הפניות

1. Day, R., & Underwood, A. (1989). כימיה אנליטית כמותית. (מהדורה חמישית). פרסון הול פרנסיס.
2. ויקיפדיה. (2019). הִתגַבְּשׁוּת. התאושש מ: en.wikipedia.org
3. הלמנסטין, אן מארי, דוקטורט. (23 במאי 2019). הגדרת התגבשות. התאושש מ: thoughtco.com
4. אוניברסיטת קולורדו. (sf). הִתגַבְּשׁוּת. כימיה אורגנית. התאושש מ: orgchemboulder.com
5. סיריס. (2019). מה זה התגבשות? התאושש מ: syrris.com