6 Кристаллизация растворов. Общие сведения.

Кристаллизация растворов представляет собой процесс выделения твердого растворенного вещества из его раствора. Кристаллизация применяется при производстве солей и ряда других веществ, а также для получения твердых веществ в чистом виде путем их перекристаллизации (растворение с последующей кристаллизацией). Кристаллизация из растворов основана на ограниченной растворимости твердых веществ. Раствор, содержащий максимальное количество растворенного вещества в данном количестве растворителя при определенной температуре, называется насыщенным; если раствор содержит большее количество растворенного вещества, то он является пересыщенным; если же он содержит меньшее количество растворенного вещества, то называется ненасыщенным.

Пересыщенные растворы неустойчивы: из них выделяется избыточное количество растворенного вещества, т. е. происходит процесс кристаллизации. После выделения кристаллов раствор становится насыщенным. Этот насыщенный раствор, полученный в результате выделения кристаллов, называется маточным раствором, или маточником. Отделение маточного раствора от кристаллов производится центрифугированием и другими методами. Ненасыщенные растворы сами по себе устойчивы, но при добавлении в такой раствор твердого вещества оно будет растворяться до тех пор, пока раствор не станет насыщенным. Твердое вещество находится в равновесии с насыщенным раствором.

Растворимость равна концентрации насыщенного раствора и зависит от температуры, а также от свойств растворяемого вещества и растворителя.

Способы создания пересыщенных растворов для проведения процессов кристаллизации:

1. Охлаждение растворов применяют для кристаллизации веществ, растворимость которых заметно уменьшается с понижением температуры, а также для кристаллизации из расплавов.

2 Испарение части растворителя применяют для кристаллизации веществ, растворимость которых увеличивается или незначительно уменьшается с понижением температуры; испарение производится при кипении раствора в выпарном аппарате или путем испарения при температуре ниже точки кипения.

3. Комбинированный способ заключается в одновременном охлаждении и испарении части растворителя.

Кристаллизация может производиться также путем высаливания, т е. добавления в раствор веществ, понижающих растворимость выделяемой соли.

Две стадии процесса кристаллизации: образования зародышей кристаллов и рост кристаллов.

Образование зародышей может происходить путем самопроизвольной кристаллизации. При этом оба процесса (образование зародышей и рост кристаллов) протекают одновременно. Если скорость образования зародышей больше скорости их роста, получается1 большое количество мелких кристаллов. Если же скорость роста больше скорости образования зародышей, получается меньшее количество крупных кристаллов. Изменяя факторы, влияющие на скорость образования зародышей и скорость их роста, можно регулировать размеры кристаллов.

Быстрое охлаждение, перемешивание раствора, высокая температура и низкий молекулярный вес кристаллов способствуют образованию зародышей и получению мелких кристаллов. Наоборот, медленное охлаждение, неподвижность раствора, низкая температура и высокий молекулярный вес способствуют процессу роста и получению крупных кристаллов.

Кристаллизация может быть ускорена внесением затравки — мелких частиц кристаллизующегося вещества, которые и являются зародышами кристаллов. В этом случае кристаллизация происходит в основном за счет роста внесенных в раствор затравочных кристаллов. Для получения крупных кристаллов число затравочных кристаллов должно быть невелико.

Размеры кристаллов имеют значение для последующей их обработки. Крупные кристаллы легче высушиваются, отстаиваются, отфильтровываются, промываются и удерживают меньше влаги при фильтровании и промывке. Мелкие кристаллы легче растворяются и обычно чище, чем крупные, так как последние часто содержат маточник с находящимися в нем примесями.