На каком свойстве основана кристаллизация

 кристаллизация это процесс, в котором твердое тело образуется с атомами или молекулами в организованных структурах, которые называются кристаллическими сетями. Кристаллы и кристаллические сети могут образовываться в результате осаждения раствора, путем синтеза и, в некоторых случаях, путем прямого осаждения газа..

Структура и природа этой кристаллической сети будет зависеть от условий, в которых происходит процесс, включая время, прошедшее до достижения этого нового состояния. Кристаллизация как процесс разделения чрезвычайно полезна, поскольку она позволяет гарантировать, что структуры получаются только из желаемого соединения..

Кроме того, этот процесс гарантирует, что прохождение других частиц не будет разрешено, учитывая упорядоченную природу кристалла, что делает этот метод отличной альтернативой для очистки растворов. Много раз в химии и химическом машиностроении необходимо использовать процесс разделения смешения.

Эта потребность возникает либо для повышения чистоты смеси, либо для получения ее конкретного компонента, и по этой причине существует несколько методов, которые можно использовать в зависимости от фаз, в которых обнаружена эта комбинация веществ..

индекс

• 1 Что такое кристаллизация??
  • 1.1 Нуклеация
  • 1.2 Рост кристаллов
• 2 Как метод разделения
  • 2.1 Рекристаллизация
  • 2.2 В промышленной сфере
• 3 типа кристаллизации
  • 3.1 Кристаллизация при охлаждении
  • 3.2 Кристаллизация выпариванием
• 4 примера
• 5 ссылок

Из чего состоит кристаллизация??

Кристаллизация требует двух шагов, которые должны произойти, прежде чем может быть образование кристаллической сети: во-первых, должно быть достаточно накопления атомов или молекул на микроскопическом уровне, чтобы началось так называемое зародышеобразование.

Эта стадия кристаллизации может происходить только в переохлажденных жидкостях (т. Е. Охлажденных ниже точки замерзания, не делая их твердыми) или перенасыщенных растворах..

После начала зародышеобразования в системе ядра могут быть сформированы достаточно стабильными и достаточно большими, чтобы начать второй этап кристаллизации: рост кристаллов.

зарождение

На этом первом этапе определяется расположение частиц, которые будут образовывать кристаллы, и наблюдается влияние факторов окружающей среды на образовавшиеся кристаллы; например, время, необходимое для появления первого кристалла, называется временем зарождения.

Существует две стадии нуклеации: первичная и вторичная нуклеация. В первом случае новые ядра образуются, когда в середине нет других кристаллов или когда другие существующие кристаллы не влияют на их образование..

Первичное зародышеобразование может быть гомогенным, при котором нет влияния на часть твердых веществ, присутствующих в среде; или он может быть гетерогенным, когда твердые частицы внешних веществ вызывают увеличение скорости нуклеации, которое обычно не происходит.

При вторичном зародышеобразовании новые кристаллы образуются под воздействием других существующих кристаллов; это может произойти из-за сил резания, которые делают сегменты существующих кристаллов новыми кристаллами, которые также растут с собственной скоростью.

Этот тип зародышеобразования выгоден в системах с высокой энергией или в потоке, где вовлеченная жидкость вызывает столкновения между кристаллами.

Рост кристаллов

Это процесс, в котором кристалл увеличивает свой размер путем агрегации большего количества молекул или ионов в промежуточные положения своей кристаллической сети..

В отличие от жидкостей, кристаллы растут равномерно только тогда, когда молекулы или ионы входят в эти положения, хотя их форма будет зависеть от природы рассматриваемого соединения. Любое неправильное расположение этой структуры называется дефектом кристалла..

Рост кристалла зависит от ряда факторов, среди которых, среди прочего, поверхностное натяжение раствора, давление, температура, относительная скорость кристаллов в растворе и число Рейнольдса..

Самый простой способ обеспечить рост кристаллов до больших размеров и их высокую чистоту – это контролируемое и медленное охлаждение, которое предотвращает образование кристаллов за короткое время и попадание посторонних веществ внутрь. они.

Кроме того, важно отметить, что с маленькими кристаллами намного сложнее манипулировать, хранить и перемещать, и их фильтрация из раствора стоит дороже, чем более крупные. В подавляющем большинстве случаев самые крупные кристаллы будут наиболее желательными по этим и другим причинам..

Как метод разделения

Необходимость в очистке растворов является общей в химии и химической инженерии, поскольку может возникнуть необходимость в получении продукта, который гомогенно смешан с другими или другими растворенными веществами..

Вот почему было разработано оборудование и методы для проведения кристаллизации как процесса промышленного разделения..

Существуют различные уровни кристаллизации, в зависимости от требований, и могут быть выполнены в небольшом или крупном масштабе. Следовательно, его можно разделить на две основные классификации:

перекристаллизация

Это называется перекристаллизацией в технику, которая используется для очистки химикатов в меньших масштабах, обычно в лаборатории.

Это делается с помощью раствора желаемого соединения вместе с его примесями в подходящем растворителе, стремясь тем самым осаждать в виде кристаллов некоторые из двух частиц, которые впоследствии будут удалены..

Существует несколько способов перекристаллизации растворов, среди которых перекристаллизация с растворителем, с несколькими растворителями или с горячей фильтрацией..

-Единый растворитель

Когда используется один растворитель, для получения насыщенного раствора готовят раствор соединения «А», примеси «В» и минимально необходимого количества растворителя (при высокой температуре)..

Затем раствор охлаждают, что приводит к падению растворимости обоих соединений и перекристаллизации соединения «А» или примеси «В». В идеале желательно, чтобы кристаллы были из чистого соединения “А”. Может быть необходимо добавить ядро, чтобы начать этот процесс, который может даже быть осколком стекла.

-Различные растворители

При перекристаллизации нескольких растворителей используют два или более растворителей, и проводят тот же процесс, что и с растворителем. Преимущество этого процесса состоит в том, что соединение или примесь будут осаждаться при добавлении второго растворителя, поскольку они не растворимы в нем. В этом методе перекристаллизации нет необходимости нагревать смесь.

-Горячая фильтрация

Наконец, рекристаллизация с горячей фильтрацией используется, когда есть нерастворимое вещество «С», которое удаляется с помощью высокотемпературного фильтра после выполнения той же процедуры перекристаллизации одного растворителя..

В промышленной сфере

В промышленной области мы хотим осуществить процесс, называемый фракционной кристаллизацией, который представляет собой метод, который очищает вещества в соответствии с их различиями в растворимости..

Эти процессы напоминают процессы перекристаллизации, но используют разные технологии для обработки больших количеств продукта.

Применяются два метода, которые будут лучше объяснены в следующем утверждении: кристаллизация охлаждением и кристаллизация испарением.

Будучи крупномасштабным, этот процесс генерирует отходы, но они обычно рециркулируются системой для обеспечения абсолютной чистоты конечного продукта..

Типы кристаллизации

Как указано выше, существует два типа крупномасштабной кристаллизации: охлаждение и испарение. Также были созданы гибридные системы, где оба явления происходят одновременно.

Кристаллизация при охлаждении

В этом методе раствор охлаждают, чтобы уменьшить растворимость желаемого соединения, заставляя его начать осаждаться с желаемой скоростью..

В химическом машиностроении (или процессах) кристаллизаторы используются в форме резервуаров со смесителями, которые циркулируют хладагенты в отсеках, которые окружают смесь, так что оба вещества не вступают в контакт, пока происходит теплопередача хладагента в раствор..

Для удаления кристаллов используются скребки, которые толкают твердые фрагменты в яму.

Кристаллизация выпариванием

Это еще один вариант достижения осаждения кристаллов растворенного вещества с использованием процесса испарения растворителя (при постоянной температуре, в отличие от предыдущего метода), чтобы концентрация растворенного вещества превышала уровень растворимости..

Наиболее распространенными моделями являются так называемые модели с принудительной циркуляцией, которые удерживают раствор кристаллов в однородной суспензии через резервуар, управляя их потоком и скоростью, и обычно генерируют кристаллы большего размера, чем те, которые образуются при кристаллизации. охлаждением.

примеров

Кристаллизация – это процесс, часто используемый в промышленности, и можно привести несколько примеров:

– При добыче соли из морской воды.

– В производстве сахара.

– При образовании сульфата натрия (Na2SW4).

– В фармацевтической промышленности.

– При изготовлении шоколада, мороженого, масла и маргарина, в дополнение ко многим другим продуктам.

ссылки

1. Кристаллизация. (Н.Д.). Получено с en.wikipedia.org
2. Anne Marie Helmenstine, P. (s.f.). ThoughtCo. Получено с мысли
3. Boulder, C. (s.f.). Колорадский университет в Боулдере. Получено с сайта orgchemboulder.com
4. Britannica, E. (s.f.). Энциклопедия Британика. Получено с сайта britannica.com

КРИСТАЛЛИЗА́ЦИЯ, об­ра­зо­ва­ние кри­стал­лов из рас­пла­вов, рас­тво­ров, га­зо­вой фа­зы или плаз­мы, а так­же из аморф­ных ве­ществ или кри­стал­лов др. струк­ту­ры. В про­цес­се К. ато­мы, мо­ле­ку­лы или ио­ны ве­ще­ст­ва вы­страи­ва­ют­ся в кри­стал­ли­че­скую ре­шёт­ку. К. яв­ля­ет­ся не­рав­но­вес­ным фа­зо­вым пе­ре­хо­дом 1-го ро­да. Ус­ло­вия рав­но­ве­сия кри­стал­ла со сре­дой (рас­пла­вом, па­ром, рас­тво­ром и др.) оп­ре­де­ля­ют­ся как фа­зо­вое рав­но­ве­сие аг­ре­гат­ных со­стоя­ний ве­ще­ст­ва при фа­зо­вых пе­ре­хо­дах 1-го ро­да: ра­вен­ст­во темп-ры, дав­ле­ния и хи­мич. по­тен­циа­ла. Не­об­хо­ди­мое ус­ло­вие рос­та кри­стал­ла – от­кло­не­ние от рав­но­ве­сия, оп­ре­деля­емое пе­ре­ох­ла­ж­де­ни­ем (от­ли­чи­ем темп-ры от рав­но­вес­ной) и пе­ре­сы­ще­ни­ем (от­ли­чи­ем дав­ле­ния или кон­цен­тра­ции от рав­но­вес­ных зна­че­ний). Тер­мо­ди­на­мич. дви­жу­щая си­ла фа­зо­во­го пе­ре­хо­да тем вы­ше, чем боль­ше от­кло­не­ние от рав­но­ве­сия. Пе­ре­ход ве­ще­ст­ва в кри­стал­лич. фа­зу со­про­во­ж­да­ет­ся вы­де­ле­ни­ем скры­той те­п­ло­ты К., и при не­пол­ном от­во­де этой те­п­ло­ты воз­мож­но умень­ше­ние от­кло­не­ния от рав­но­ве­сия и за­мед­ле­ние про­цес­са. Как фа­зо­вый пе­ре­ход 1-го ро­да К. со­про­во­ж­да­ет­ся скач­ком удель­но­го объ­ё­ма по от­но­ше­нию к ис­ход­ной фа­зе, и это мо­жет при­во­дить к из­ме­не­нию дав­ле­ния в кри­стал­ли­зую­щей­ся сис­те­ме. Та­ким об­ра­зом, К. – это слож­ный про­цесс те­п­ло­мас­со­пе­ре­но­са, ко­то­рый управ­ля­ет­ся тер­мо­ди­на­мич. и ки­не­тич. фак­то­ра­ми. Мно­гие из них труд­но кон­тро­ли­ро­вать. Уро­вень чис­то­ты, темп-ра и кон­цен­тра­ция ком­по­нен­тов в не­по­сред­ст­вен­ной бли­зо­сти к фа­зо­вой гра­ни­це, пе­ре­ме­ши­ва­ние, те­п­ло­об­мен мо­гут быть гл. фак­то­ра­ми, оп­ре­де­ляю­щи­ми раз­мер, чис­ло и фор­му воз­ни­каю­щих кри­стал­лов.

Центры кристаллизации

Про­цесс К. со­сто­ит из двух ста­дий: за­ро­ж­де­ние цен­тров К. и рост кри­стал­лов. На­чаль­ная ста­дия – за­ро­ж­де­ние цен­тров К. – пред­став­ля­ет со­бой об­ра­зо­ва­ние кла­сте­ров с ха­рак­тер­ной для кри­стал­ла упо­ря­до­чен­но­стью. Но ино­гда их струк­ту­ра мо­жет от­ли­чать­ся от струк­ту­ры ус­той­чи­во­го мак­ро­ско­пич. кри­стал­ла. Об­ра­зо­ва­ние та­ких кла­сте­ров в чис­тых жид­ко­стях или га­зах про­ис­хо­дит ни­же темп-ры плав­ления мас­сив­но­го кри­стал­ла в ре­зуль­та­те слу­чай­ных столк­но­ве­ний при те­п­ло­вом дви­же­нии ато­мов или мо­ле­кул. При темп-рах ни­же рав­но­вес­ной объ­е­ди­не­ние час­тиц в кри­стал­лич. кла­стер тер­мо­ди­на­ми­че­ски вы­год­но, но по­яв­ле­ние его но­вой по­верх­но­сти тре­бу­ет за­тра­ты энер­гии, что яв­ля­ет­ся пре­пят­ст­вую­щим фак­то­ром при за­ро­ж­де­нии цен­тров К. Чем мень­ше кла­стер, тем бóльшая до­ля час­тиц со­став­ля­ет его по­верх­ность. По­это­му при ма­лых раз­ме­рах боль­шин­ст­во кла­сте­ров рас­па­да­ет­ся вслед­ст­вие флук­туа­ций ко­ле­ба­тель­ной энер­гии час­тиц. С рос­том кла­сте­ра до­ля по­верх­но­ст­ной энер­гии умень­ша­ет­ся по от­но­ше­нию к объ­ём­ной энергии объ­е­ди­не­ния час­тиц, что по­вы­ша­ет ус­той­чи­вость кла­сте­ра. При за­дан­ном пе­ре­сы­ще­нии су­ще­ст­ву­ет кри­тич. раз­мер, при пре­вы­ше­нии ко­то­ро­го кла­сте­ры спо­соб­ны к даль­ней­ше­му рос­ту и ста­но­вят­ся цен­тра­ми кри­стал­ли­за­ции. 

Чис­лен­ной ха­рак­те­ри­сти­кой ин­тен­сив­но­сти за­ро­ж­де­ния цен­тров К. яв­ля­ет­ся час­то­та за­ро­ды­ше­об­ра­зо­ва­ния (нук­леа­ции) – чис­ло цен­тров, воз­ни­каю­щих в еди­ни­цу вре­ме­ни в еди­ни­це объ­ё­ма сре­ды. Су­ще­ст­вую­щая тео­рия объ­яс­ня­ет тем­пе­ра­тур­ную за­ви­си­мость час­то­ты нук­леа­ции и свя­зы­ва­ет её с па­ра­мет­ра­ми сре­ды, в ко­то­рой идёт об­ра­зо­ва­ние цен­тров К. Для жид­ко­стей с ма­лой вяз­ко­стью, напр. для боль­шин­ст­ва рас­плав­лен­ных ме­тал­лов, тео­рия пред­ска­зы­ва­ет боль­шие пе­ре­ох­ла­ж­де­ния, при ко­то­рых долж­но на­блю­дать­ся спон­тан­ное за­ро­ж­де­ние цен­тров К. При даль­ней­шем уве­ли­че­нии пе­ре­ох­ла­ж­де­ния час­то­та ну­кле­ации бы­ст­ро воз­рас­та­ет, дос­ти­гая мак­си­му­ма при темп-ре, при­бли­зи­тель­но рав­ной од­ной тре­ти темп-ры рав­но­ве­сия кри­стал­ла с рас­пла­вом. Бы­ст­рый спад час­то­ты за­ро­ж­де­ния цен­тров К. при ещё бо­лее низ­ких темп-рах обу­слов­лен за­мед­ле­ни­ем те­п­ло­во­го дви­же­ния и силь­ным воз­рас­та­ни­ем вяз­ко­сти. Для бо­лее вяз­ких жид­ко­стей мак­си­мум час­то­ты сдви­нут в сто­ро­ну бо­лее низ­ких пе­ре­ох­ла­ж­де­ний и са­ми зна­че­ния час­то­ты зна­чи­тель­но ни­же.

По­сколь­ку мн. па­ра­мет­ры тео­рии из­вест­ны с не­дос­та­точ­ной для рас­чё­тов точ­но­стью, важ­ную роль иг­ра­ют экс­пе­рим. дан­ные. При­бли­же­ние к иде­аль­ным ус­ло­ви­ям дос­ти­га­ет­ся ис­поль­зо­ва­ни­ем в опы­тах ма­лых ка­пель жид­ко­стей диа­мет­ром от не­сколь­ких мик­ро­мет­ров до на­но­мет­ров. При спон­тан­ном за­ро­ж­де­нии тре­бу­ют­ся боль­шие от­кло­не­ния от рав­но­ве­сия, а цен­тры К. ха­рак­те­ри­зу­ют­ся кри­тич. раз­ме­ром по­ряд­ка од­но­го на­но­мет­ра. Напр., для рас­пла­вов чис­тых ме­тал­лов на­блю­дае­мая в опы­тах темп-ра спон­тан­но­го за­ро­ж­де­ния цен­тров К. со­став­ля­ет 30–50% от темп-ры плав­ле­ния. Мн. си­ли­кат­ные рас­пла­вы при ох­ла­ж­де­нии во­об­ще за­твер­де­ва­ют без К., об­ра­зуя стёк­ла. Экс­пе­ри­мен­таль­но по­ка­за­но, что в вяз­ких жид­ко­стях про­цесс за­ро­ж­де­ния цен­тров К. не­ста­цио­на­рен. Это оз­на­ча­ет, что ха­рак­тер­ная для за­дан­но­го от­кло­не­ния от рав­но­ве­сия час­то­та за­ро­ж­де­ния цен­тров К. по­яв­ля­ет­ся толь­ко по ис­те­че­нии вре­ме­ни за­паз­ды­ва­ния, ко­то­рое мо­жет быть дос­та­точ­но боль­шим, срав­ни­мым или да­же пре­вы­шаю­щим вре­мя ох­ла­ж­де­ния об­раз­ца. Ме­тал­лич. рас­пла­вы ха­рак­те­ри­зу­ют­ся зна­чи­тель­но мень­шей вяз­ко­стью, и по­дав­ле­ние спон­тан­но­го за­ро­ж­де­ния цен­тров К. для не­ко­то­рых спла­вов воз­мож­но лишь при очень бы­ст­ром ох­ла­ж­де­нии (со ско­ро­стью св. 106 К/c). Это ле­жит в ос­но­ве тех­но­ло­гии по­лу­че­ния аморф­ных ме­тал­лов. Ста­биль­ность аморф­но­го со­стоя­ния обес­пе­чи­ва­ет­ся силь­ным за­мед­ле­ни­ем об­ме­на ато­ма­ми ме­ж­ду кри­стал­лом и сре­дой при низ­ких темп-рах. На­блю­дать К. по­лу­чен­но­го та­ким об­ра­зом аморф­но­го со­стоя­ния мож­но при на­гре­ва­нии, уве­ли­чи­вая ин­тен­сив­ность те­п­ло­во­го дви­же­ния, а вы­де­ляю­щая­ся при этом скры­тая те­п­ло­та фа­зо­во­го пе­ре­хо­да мо­жет су­ще­ст­вен­но ин­тен­си­фи­ци­ро­вать про­цесс, до­пол­ни­тель­но по­вы­шая темп-ру. Для не­ко­то­рых ве­ществ (гер­ма­ний, крем­ний, аморф­ный лёд) на­блю­да­ет­ся взрыв­ная К. аморф­но­го со­стоя­ния.

В за­гряз­нён­ных сре­дах цен­тры К. воз­ни­ка­ют на по­сто­рон­них кри­стал­лич. час­ти­цах при го­раз­до мень­ших от­кло­не­ни­ях от рав­но­ве­сия. Час­то­та за­ро­ж­де­ния цен­тров К. в та­ких слу­ча­ях за­ви­сит так­же от ма­те­риа­ла сте­нок со­су­да, дей­ст­вия из­лу­че­ний. За­ро­ды­ше­вые кри­стал­лы на хо­ро­шо сма­чи­ваю­щей­ся ори­ен­ти­рую­щей по­верх­но­сти име­ют при­бли­зи­тель­но ку­по­ло­об­раз­ную фор­му, за­трат­ная до­ля по­верх­но­ст­ной энер­гии у них мень­ше по срав­не­нию с объ­ём­ным вы­иг­ры­шем при аг­ре­ги­ро­ва­нии час­тиц в та­кой кри­стал­лик. По­это­му та­кое ге­те­ро­ген­ное за­ро­ж­де­ние цен­тров К. про­ис­хо­дит при мень­ших пе­ре­ох­ла­ж­де­ни­ях. Кон­тро­ли­руе­мое ге­те­ро­ген­ное за­ро­ж­де­ние цен­тров К. ис­поль­зу­ет­ся, напр., при эпи­так­си­аль­ном по­лу­че­нии мо­но­кри­стал­лич. плё­нок. При вы­ра­щи­ва­нии на за­тра­воч­ном цен­тре К. круп­ных со­вер­шен­ных мо­но­кри­стал­лов, со­дер­жа­щих ми­ни­маль­но воз­мож­ное чис­ло де­фек­тов, не­об­хо­ди­мо из­бе­гать по­яв­ле­ния спон­тан­ных за­ро­ды­шей. Для это­го ис­поль­зу­ют не­боль­шое от­кло­не­ние от ус­ло­вий рав­но­ве­сия. В ме­тал­лур­гии при по­лу­че­нии кри­стал­лич. ма­те­риа­лов стре­мят­ся по­лу­чить макс. чис­ло цен­тров К., для че­го соз­да­ют глу­бо­кое пе­ре­ох­ла­ж­де­ние рас­пла­вов.

Механизмы роста кристаллов

В за­ви­си­мо­сти от то­го, ка­кой яв­ля­ет­ся по­верх­ность кри­стал­ла в атом­ном мас­шта­бе – глад­кой или ше­ро­хо­ва­той, раз­ли­ча­ют два ме­ха­низ­ма рос­та кри­стал­лов: по­слой­ный и нор­маль­ный. Атом­но-глад­ким по­верх­но­стям обыч­но от­ве­ча­ют наи­бо­лее раз­ви­тые гра­ни с про­сты­ми кри­стал­ло­гра­фич. ин­дек­са­ми. Они со­дер­жат срав­ни­тель­но не­боль­шое чис­ло де­фек­тов: ва­кан­сий и ад­сор­би­ро­ван­ных ато­мов. Края не­за­вер­шён­ных атом­ных плос­ко­стей об­ра­зу­ют сту­пе­ни (рис. 1), ко­то­рые, в свою оче­редь, име­ют не­боль­шое чис­ло из­ло­мов. Эле­мен­тар­ный акт рос­та кри­стал­ла со­сто­ит в при­сое­ди­не­нии но­вой час­ти­цы к из­ло­му и не ме­ня­ет по­верх­но­ст­ную энер­гию. По­сле­до­ва­тель­ное при­сое­ди­не­ние час­тиц к из­ло­му при­во­дит к его дви­же­нию вдоль сту­пе­ни, а сту­пени по по­верх­но­сти – та­кой рост на­зы­ва­ет­ся по­слой­ным. Плот­ность сту­пе­ней при по­слой­ном рос­те за­ви­сит от ме­ха­низ­ма их ге­не­ра­ции. Сту­пе­ни мо­гут воз­ни­кать в ре­зуль­та­те об­ра­зо­ва­ния и рос­та дву­мер­ных за­ро­ды­шей. Про­цесс об­ра­зо­ва­ния дву­мер­ных за­ро­ды­шей, спо­соб­ных к даль­ней­ше­му рос­ту на атом­но-глад­кой по­верх­но­сти, име­ет не­ко­то­рую ана­ло­гию с об­ра­зо­ва­ни­ем цен­тров К. в жид­ко­сти. Дву­мер­ный за­ро­дыш так­же име­ет кри­тич. раз­мер, на­чи­ная с ко­то­ро­го он спо­со­бен к даль­ней­ше­му рос­ту. При аг­ре­ги­ро­ва­нии дву­мер­но­го за­ро­ды­ша пре­пят­ст­вую­щим фак­то­ром его раз­ви­тия при ма­лых раз­ме­рах яв­ля­ет­ся за­тра­та ра­бо­ты на ли­ней­ную энер­гию его пе­ри­мет­ра. Но с рос­том раз­ме­ра до­ля ли­ней­ной энер­гии пе­ри­мет­ра ста­но­вит­ся всё мень­ше, и, на­чи­ная с не­ко­то­ро­го кри­тич. раз­ме­ра, дву­мер­ный за­ро­дыш ста­но­вит­ся цен­тром рос­та но­вой сту­пе­ни. Час­то­та об­ра­зо­ва­ния дву­мер­ных за­ро­ды­шей очень ма­ла при ма­лых от­кло­не­ни­ях от рав­но­ве­сия, со­от­вет­ст­вен­но ма­ла и ско­рость рос­та, оп­ре­де­ляе­мая дву­мер­ным за­ро­ды­ше­об­ра­зо­ва­ни­ем. За­мет­ные ско­ро­сти рос­та при та­ком ме­ха­низ­ме обра­зо­ва­ния сту­пе­ней на­чи­на­ют­ся при ощу­ти­мом пе­ре­ох­ла­ж­де­нии и очень силь­но (экс­по­нен­ци­аль­но) воз­рас­та­ют при его уве­ли­че­нии. Др. ме­ха­низм ге­не­ра­ции сту­пе­ней свя­зан с вин­то­вы­ми дис­ло­ка­ция­ми. Ес­ли кри­сталл со­дер­жит вин­то­вую дис­ло­ка­цию, то его рост про­ис­хо­дит пу­тём при­сое­ди­не­ния ато­мов к тор­цу сту­пе­ни, окан­чи­ваю­щей­ся на дис­ло­ка­ции (рис. 2,а). При рос­те на вин­то­вой дис­ло­ка­ции сту­пень при­об­ре­та­ет спи­раль­ную фор­му (рис. 2,б), а за­мет­ная ско­рость рос­та увеличивается с пе­ре­ох­ла­ж­де­нием по квадратичному закону и на­блю­да­ет­ся уже при ма­лых от­кло­не­ни­ях от рав­но­ве­сия.

На атом­но-ше­ро­хо­ва­тых по­верх­но­стях (рис. 3) плот­ность из­ло­мов ве­ли­ка и при­сое­ди­не­ние но­вых час­тиц к кри­стал­лу про­исхо­дит прак­ти­че­ски в лю­бой точ­ке его по­верх­но­сти. Та­кой рост на­зы­ва­ет­ся нор­маль­ным. Его ско­рость ли­ней­но уве­ли­чи­ва­ет­ся с пе­ре­ох­ла­ж­де­ни­ем. Тео­рия рос­та кри­стал­ла свя­зы­ва­ет плот­ность упа­ков­ки по­верх­но­сти кри­стал­ла с энер­ги­ей свя­зи ме­ж­ду час­ти­ца­ми по­верх­но­сти кри­стал­ла и те­п­ло­той К. Счи­та­ет­ся, что если энер­гия свя­зи дос­та­точ­но ве­ли­ка, все плот­но­упа­ко­ван­ные гра­ни – глад­кие. Это ха­рак­тер­но для кри­стал­лов, рас­ту­щих из па­ра. Те­п­ло­та К. рас­пла­вов, как пра­ви­ло, зна­чи­тель­но ни­же, чем теп­ло­та К. из па­ра, по­это­му и энер­гия свя­зи час­тиц в кри­стал­ле по срав­не­нию с рас­пла­вом мень­ше, чем по срав­не­нию с па­ром. В свя­зи с этим по­верх­ность кри­стал­ла, рас­ту­ще­го из рас­пла­ва, обыч­но ше­ро­хо­ва­тая, что оп­ре­де­ля­ет нор­маль­ный рост и фор­ми­ро­ва­ние ок­руг­лён­ных гра­ней. Пе­ре­ход от ше­ро­хо­ва­то­сти к ог­ра­не­нию воз­мо­жен при из­ме­не­нии кон­цен­тра­ции в двух­ком­по­нент­ных сис­те­мах при рос­те кри­стал­ла из рас­тво­ра. В кри­стал­лах гер­ма­ния и крем­ния, рас­ту­щих из рас­пла­ва, мож­но на­блю­дать со­су­ще­ст­во­ва­ние пло­ских и ок­руг­лён­ных гра­ней.

Формы роста кристаллов

оп­ре­де­ля­ют­ся ани­зо­тро­пи­ей их свойств и ус­ло­вия­ми те­п­ло­мас­со­пе­ре­но­са в про­цес­се К. Кри­стал­лы с ше­ро­хо­ва­ты­ми по­верх­но­стя­ми име­ют обыч­но ок­руг­лую фор­му. При вы­ра­щи­ва­нии та­ких кри­стал­лов из-за боль­шой ско­ро­сти по­верх­но­ст­ных про­цес­сов пе­ре­ох­ла­ж­де­ние на гра­ни­це с рас­пла­вом малó и рас­ту­щая по­верх­ность по­вто­ря­ет фор­му изо­тер­мы тем­пе­ра­тур­но­го по­ля в сис­те­ме при темп-ре рав­но­ве­сия. Атом­но-глад­кие по­верх­но­сти про­яв­ля­ют­ся в ви­де гра­ней. Рав­но­вес­ная фор­ма кри­стал­лич. мно­го­гран­ни­ка та­ко­ва, что рас­стоя­ние от цен­тра до ка­ж­дой гра­ни про­пор­цио­наль­но ве­ли­чи­не её по­верх­но­ст­ной энер­гии. Рав­но­вес­ная фор­ма яв­ля­ет­ся и ста­цио­нар­ной фор­мой рос­та, но в ре­аль­ном про­цес­се рос­та она мо­жет быть силь­но ис­ка­же­на из-за не­ус­той­чи­во­сти по­верх­но­сти рос­та при ко­неч­ном (а не бес­ко­неч­но ма­лом) пе­ре­ох­ла­ж­де­нии, влия­нии при­ме­сей. 

Ес­ли рас­плав силь­но пе­ре­ох­ла­ж­дён и темп-ра в рас­пла­ве убы­ва­ет по ме­ре уда­ле­ния от фрон­та рос­та, то рост не­ус­той­чив: слу­чай­но воз­ник­ший на по­верх­но­сти кри­стал­ла вы­ступ по­па­да­ет в об­ласть боль­ше­го пе­ре­ох­ла­ж­де­ния, и ско­рость его рос­та уве­ли­чи­ва­ет­ся. Та­кая не­ус­той­чи­вость для плос­ко­го фрон­та К. ве­дёт к об­ра­зо­ва­нию по­лос­ча­той или ячеи­стой струк­ту­ры кри­стал­ла (рис. 4). При рос­те ма­лень­ко­го кри­стал­ла эта не­ус­той­чи­вость про­яв­ля­ет­ся на­чи­ная с не­ко­то­ро­го раз­ме­ра кри­стал­ла. На нём раз­ви­вают­ся вы­сту­пы, и он при­об­ре­та­ет ске­лет­ную или ден­д­рит­ную фор­му, ко­то­рая ха­рак­те­ри­зу­ет­ся по­яв­ле­ни­ем вто­рич­ных вет­вей по­сле дос­ти­же­ния пер­вич­ным вы­сту­пом кри­тич. дли­ны (рис. 5). Рост боль­ших ог­ра­нён­ных кри­стал­лов из не­под­виж­но­го рас­тво­ра мо­жет быть так­же не­ус­той­чив. Пе­ре­сы­ще­ние в этом слу­чае вы­ше у вер­шин и рё­бер кри­стал­ла и мень­ше в центр. час­тях гра­ни. По­это­му вер­ши­ны ста­но­вят­ся ве­ду­щи­ми ис­точ­ни­ка­ми рос­та сло­ёв. При боль­шой раз­но­сти пе­ре­сы­ще­ний на вер­ши­нах и в цен­трах гра­ней вер­ши­ны об­го­ня­ют цен­тры гра­ней и воз­ни­ка­ет ске­лет­ная фор­ма кри­стал­ла (рис. 6). При за­дан­ной темп-ре в двух­ком­по­нент­ной сис­те­ме рав­но­ве­сие мо­жет су­ще­ст­во­вать при раз­ных со­ста­вах кри­стал­ла и рас­пла­ва. При рос­те кри­стал­ла один из ком­по­нен­тов ска­п­ли­ва­ет­ся пе­ред фрон­том, вы­зы­вая кон­цен­тра­ци­он­ное пе­ре­ох­ла­ж­де­ние, и это час­то при­во­дит к не­ус­той­чи­во­сти фрон­та рос­та.

Раз­ные гра­ни кри­стал­ла при рос­те за­хва­ты­ва­ют раз­ные ко­ли­че­ст­ва при­ме­сей, со­дер­жа­щих­ся в сре­де. Так воз­ни­ка­ет его сек­то­ри­аль­ное строе­ние. Ес­ли кри­сталл пло­хо за­хва­ты­ва­ет при­месь, про­ис­хо­дит её на­ко­п­ле­ние пе­ред фрон­том рос­та. Пе­рио­дич. за­хват это­го по­гра­нич­но­го слоя рас­ту­щим кри­стал­лом при­во­дит к фор­ми­ро­ва­нию зо­нар­ной струк­ту­ры (рис. 7). За­хват при­ме­сей при­во­дит к из­ме­не­нию па­ра­мет­ров кри­стал­лич. ре­шёт­ки, и на гра­ни­цах об­лас­тей раз­но­го со­ста­ва воз­ни­ка­ют внутр. на­пря­же­ния, что при­во­дит к об­ра­зо­ва­нию дис­ло­ка­ций и тре­щин. Дис­ло­ка­ции воз­ни­ка­ют в ре­зуль­та­те ре­лак­са­ции уп­ру­гих на­пря­же­ний в не­рав­но­мер­но на­гре­том кри­стал­ле или мо­гут пе­ре­хо­дить из за­трав­ки в вы­ра­щи­вае­мый кри­сталл.

Массовая кристаллизация –

од­но­времен­ный рост мно­же­ст­ва кри­стал­лов, ши­ро­ко ис­поль­зуе­мый в пром-сти. Свой­ст­ва слит­ков и от­ли­вок при К. ме­тал­лур­гич. рас­пла­вов в силь­ной сте­пе­ни за­ви­сят от ко­ли­че­ст­ва цен­тров К. и ус­ло­вий их рос­та. При за­твер­де­ва­нии от­ли­вок ме­тал­лов цен­тры К. по­яв­ля­ют­ся вна­ча­ле на ох­ла­ж­дае­мых стен­ках из­лож­ни­цы, ку­да за­ли­ва­ют рас­плав­лен­ный ме­талл. Из хао­ти­че­ски ори­ен­ти­ро­ван­ных кри­стал­лов вы­жи­ва­ют те, ко­то­рые рас­тут пер­пен­ди­ку­ляр­но стен­ке. Они фор­ми­ру­ют столб­ча­тую зо­ну вбли­зи стен­ки. Кон­век­ци­он­ные по­то­ки в рас­пла­ве мо­гут об­ла­мы­вать вет­ви ден­д­ри­тов, по­став­ляя в рас­плав вто­рич­ные цен­тры К. Мас­совая К. в рас­тво­рах на­чи­на­ет­ся на ге­те­ро­ген­ных цен­трах К. или на спе­ци­аль­но вве­дён­ных за­тра­воч­ных кри­стал­лах. Столк­но­ве­ния этих кри­стал­ли­ков ме­ж­ду со­бой и со стен­ка­ми со­су­да в пе­ре­ме­ши­вае­мом рас­тво­ре да­ют на­ча­ло вто­рич­ным цен­трам К. Для соз­да­ния до­пол­нит. цен­тров К. ис­поль­зу­ют УЗ-дроб­ле­ние рас­ту­щих кри­стал­лов или до­бав­ки по­верх­но­ст­но-ак­тив­ных ве­ществ. Мас­со­вая К. ис­поль­зу­ет­ся так­же для очи­ст­ки ве­ществ от при­ме­сей. 

Применение кристаллизации

В при­ро­де К. при­во­дит к об­ра­зо­ва­нию ми­не­ра­лов, льда, иг­ра­ет важ­ную роль во мно­гих био­ло­гич. про­цес­сах. К. про­ис­хо­дит так­же при не­ко­то­рых хи­мич. ре­ак­ци­ях, в про­цес­се элек­тро­ли­за. Она ле­жит в ос­но­ве мн. тех­но­ло­гич. про­цес­сов: в ме­тал­лур­гии, при по­лу­че­нии ма­те­риа­лов для элек­тро­ни­ки, оп­ти­ки. Пу­тём К. по­лу­ча­ют мас­сив­ные мо­но­кри­стал­лы и тон­кие плён­ки. К. ши­ро­ко ис­поль­зу­ет­ся в хи­мич., пи­ще­вой, мед. пром-сти: в тех­но­ло­гии очи­ст­ки ве­ществ, при про­из-ве со­ли, са­ха­ра, ле­карств.