Krystalizace

Krystalizacečirůst krystalů,obecněvytváření pravidelné strukturyje druhfázové přeměny,při které dochází k pravidelnému uspořádání částic dokrystalové mřížky.Krystalizace je sice spojena s pevnou fází látky, avšakamorfní(tedy nekrystalické) látky mohou být za daných podmínek také pevné. Navíc jsou známykapalné krystaly,které jsou v krystalické fázi kapalné. (pojmy kapalina a pevná látka jsou tedy vymezeny dynamickouviskozitou10¹¹[Pa.s], nad touto hodnotou je látka považována za pevnou).

Snadno krystalizují látky s jednoduchou atomovou strukturou (kovy,jednoduchéiontověakovalentněvázané látky), zatímcopolymerya jiné látky smakromolekulárnímiřetězci (napříkladoxidickáachalkogennískla s řetězcikovalentněvázaných mnohostěnů) krystalizují naopak velmi obtížně.

Princip

Krystalizace je založena na zákonechtermodynamiky.Konkrétně vychází ze základní termodynamicképodmínky fázového přechodu:Soustava změní své uspořádání tehdy, je li tato změna doprovázena poklesemvolné energiev systému F.Ta je vázána vztahem:

F = U − T.S,

kde je:

U– vnitřníenergiesoustavy [J]

T–termodynamická teplota[K]

S–entropiesoustavy [J/K]

Další podmínkou růstukrystalůje dostatek času – pokud roztok podchladíme uměle, (okolní teplo snížíme rychlým skokem), struktura „zamrzne “v původním amorfním tvaru taveniny, popř. dojde jen k částečnénukleaci,stačí se vytvořitkrystalizační zárodkya vzniklá struktura bude krystalická jen na malé škále, zatímco na velké budechaotická.Proces krystalizace se také prakticky řídí způsobem odvodu tepla z taveniny.

Ke krystalizaci dochází prostřednictvímkrystalizačních zárodků,což jsou vhomogenním roztokumísta s nižší energií, kde se vykrystalizováním několikaatomů/molekultato energie spotřebovala a dala tak vzniknoutmezifázovému rozhraní– tento proces se nazývá nukleace. V případě homogenního roztoku jde ohomogenní nukleaci,pokud je rozdíl mezi volnou energií kapaliny a pevné fáze dostatečný, následuje proces, kdy se okolní molekuly na tento zárodek začnou „nabalovat “za současného uvolňování energie a vzniku uspořádané periodické struktury – tento proces se nazývá růst. Další spotřebování energie má za následekpodchlazení,které vede ke sníženíkritické velikosti zárodkunutné pro dostatečný rozdíl na mezifázovém rozhraní.

V nehomogenních roztocích (pak jde oheterogenní nukleaci) tomuto procesu napomohoukrystalizační jádra,která jsou buďatomyjinýchprvků,molekulaminebo celými komplexy částic, na které se pak následkem energetické nerovnováhy nabaluje krystalická struktura okolního roztoku.

V roztocíchkovových slitindochází k doprovodnému jevusegregace,při které vznikne nerovnoměrné rozložení vstupních složek – první vznikající krystaly jsou chudší na obsah látky s nižší teplotou tání (toto lze odstranithomogenizačním žíháním,nebo vysokoteplotnídifuzí).

Příklad

Příkladem může být krystalizace vody:

Vodníkapkavydrží vkapalném stavuaž do −42 °C, kdy dojde ke spontánní krystalizaci. V reálnémoblaku vodní kapkykrystalizují při teplotách −15 °C, ve vysokých výškách až −12 °C. Voda krystalizuje hluboko podbodem mrazuproto, že rozdílentalpie(vnitřníenergie)vodyaleduje příliš malý na to, aby se vytvořil povrch ledovéhokrystalu.Prostřednictvím krystalizačních jader lze teplotu krystalizace zvýšit. V atmosféře se může jednat o prachové částice, které na sebe „nabalí “zárodečné molekuly vody, nebo samotné ledové krystaly, unášené vzduchovým prouděním mezi vrstvamiatmosféry.

Využití

Krystalizace (růst krystalické struktury –monokrystalui polykrystalu) je důležitým postupem pro mnoho technologických odvětví.Pěstování monokrystalůse využívá především vpolovodičovétechnice (výrobatranzistorůaintegrovaných obvodů) aoptice(optická vlákna,polarizační filtry,atd.), zatímco polykrystalické struktury, dělené dle hrubosti zrna (jedná se o významný elektrický a technologický parametr), se používají například na výrobu kovových součástí (elektrické vodiče,lamelyturbín,polotovary pro stavební konstrukce, atd.).

Související články

Externí odkazy

Obrázky, zvuky či videa k tématukrystalizacenaWikimedia Commons
KnihaLaboratorní technika/Krystalizaceve Wikiknihách