結晶化：プロセス、タイプ、例、分離 - 化学 - 2025

結晶化は自然にまたは人工的に結晶性固体、すなわち秩序構造が液体又は気体媒体から形成されている物理的プロセスです。沈殿とは異なり、後者はプロセスパラメータを厳密に制御することなく展開し、アモルファスおよびゼラチン状の固体を生成することができます。

結晶化の目的は、その名前が単純かつ明白に示すように、結晶を生成することです。これらは秩序があることだけでなく、純粋な固体であることによっても特徴付けられます。したがって、固体化合物の合成では、できるだけ純粋な結晶である高純度の生成物を得ることが求められています。

水溶液中の仮想的な紫色の溶質の結晶化。出典：ガブリエルボリバル

上の画像は、水溶液中の紫色の溶質の一般化された仮想結晶化を示しています。

赤いバーは温度計として機能することに注意してください。温度が高い場合、溶液には溶質が含まれ、これらの条件下でも溶けます。しかし、温度が徐々に下がると、最初の紫色の結晶が現れ始めます。

温度が低下し続けると、結晶のサイズが大きくなり、堅牢な紫色の六角形が形成されます。溶液の色の変化は、溶質が溶解から成長している結晶に組み込まれるようになったことを示しています。結晶化が遅いほど、得られる結晶性固体はより純粋になります。

このプロセス中に考慮すべき他の変数があります：決定された溶媒に溶質が溶解する量、溶液を加熱する必要がある温度、冷却を継続する必要がある時間、超音波攪拌に頼る必要があるかどうかなどです。側面。

結晶化プロセスは、分子動力学と熱力学を含む複雑な現象以上のものであり、実験室または業界で完成するまで、一定の学習、試行錯誤を必要とする技術です。

結晶化プロセス

結晶化は本質的に2つのプロセスから成ります：核生成と結晶成長。

どちらの段階も常に結晶化中に発生しますが、最初の段階が急速に起こると、2番目の段階は発達する時間がほとんどなくなります。一方、核生成が遅いと、結晶が成長する時間が長くなるため、結晶が大きくなる傾向があります。後者は、画像で紫色の六角形を使用して想定されている状況です。

核形成

結晶はもともと秩序のある構造を持つ固体であると言われていました。溶質が無秩序に分散している溶液から、その粒子が十分に接近して、それらの相互作用がイオン型であろうとファンデルウォール型であろうと、溶質粒子の最初のグループであるクラスターを沈降させる必要があります。

このクラスターは、安定して結晶性になるまで、必要な回数だけ溶解および再形成できます。その後、最初の核が出現したと言われています。核がどこからともなく出現する場合、つまり、冷却中に媒体が非常に均質であることから、核は均質な核となります。

一方、別の不溶性固体粒子によって提供された表面または容器の不完全さのために上記の核が発生した場合、不均一な核生成が発生します。後者は最も広く使用されており、特に、以前に取得した、結晶化させたい種の小さな結晶が溶液に追加された場合に知られています。

結晶は、最初に核生成がなければ、薄い空気から形成することはできません。

結晶成長

溶液にはまだ溶質がたくさんありますが、これらの核の溶質濃度は周囲よりも高くなっています。核は、より多くの溶質粒子がそれらの成長する構造の間に留まり「フィット」するためのサポートとして機能します。このようにして、それらの形状は維持され、徐々に成長します。

たとえば、画像の最初の核は紫色の六角形です。これがあなたのジオメトリです。溶質粒子が組み込まれると、核は強固な六角形の結晶に成長し、溶液が氷浴に浸された場合、それはさらに成長し続けます。

結晶化のタイプ

これまでに説明したのは、溶媒を冷却することによる結晶化です。

溶媒除去結晶化

他のタイプの結晶化は、蒸発による溶媒の除去に基づいています。そのため、それほど大量の溶媒を使用する必要はありません。つまり、溶質で飽和させ、加熱して過飽和にし、その後さらに静置して、溶質が最終的に結晶化するようにするだけで十分です。

溶媒添加結晶化

同様に、溶質が不溶性である混合物（貧溶媒）に溶媒を添加することで結晶化します。したがって、溶質粒子が非常に溶けやすい領域よりも溶質粒子が濃縮される可動領域と液体領域があるため、核生成が優先されます。

超音波による結晶化

一方、音波処理による結晶化があります。これは、超音波が小さな泡を生成して破壊し、再び核形成を促進すると同時に、結晶サイズをより均一に分布させるのに役立ちます。

そして最後に、冷たい表面への蒸着による結晶化があります。つまり、固体の昇華とは逆の現象です。

晶析分離法

結晶化は、固体を得てそれらを精製するときに不可欠な技術です。それは有機化合物の合成において非常に反復的であり、製品の純度と品質を保証する最後の段階の1つを表しています。

染料の例

例えば、染料の結晶が得られ、それらが既に濾過されていると仮定する。この染料は最初は合成での沈殿によって得られたため、その分子結晶間に多くの不純物が吸収およびトラップされているため、固体はアモルファスのように見えます。

したがって、染料がわずかに溶解する溶媒を加熱することを決定し、それを添加すると比較的容易に溶解する。もう少し溶媒を加えて溶解したら、溶液を熱源から分離し、静置します。温度が下がると、核生成が起こります。

したがって、色素結晶が形成され、より明確に表示されます（目には結晶質である必要はありません）。容器（通常は三角フラスコまたはビーカー）が氷浴に浸されるのは、この正確な瞬間です。この浴の冷たさは、結局、核生成より上の結晶の成長に有利になる。

次に、染料の結晶を真空濾過し、不溶性の溶媒で洗浄し、時計皿で放置して乾燥させる。

結晶化温度

結晶化が発生する温度は、溶質が溶媒にどれだけ溶けないかによって異なります。同様に、溶質が沸騰温度でまだ溶解していない場合は、より適切な別の溶媒を使用する必要があるため、溶媒の沸点に依存します。

たとえば、水媒体で結晶化できる固体は、水がその温度を下げると（つまり、100から50℃に）、または蒸発するときに結晶化します。蒸発により結晶化が起こる場合、それは室温で起こると言われています。

一方、金属または一部のイオン性固体の結晶化は、融点が非常に高いため非常に高温で行われ、溶融液体は、粒子を核生成するのに十分に冷却されていても白熱します。あなたの結晶を成長させます。

結晶化率

原則として、固体の結晶化速度を制御する2つの直接的な方法があります。過飽和度（または過飽和度）による方法と、温度の急激な変化による方法です。

過飽和度

過飽和度とは、熱を加えることによって過剰な溶質がどれだけ強制的に溶解するかを意味します。したがって、核が形成される可能性が高いため、解が過飽和になるほど、核生成プロセスが速くなります。

このようにして結晶化が加速されますが、得られる結晶は、過飽和度が低い場合に比べて小さくなります。つまり、彼らの成長が支持され、核形成ではないときです。

温度変化

温度が急激に下がると、核は成長する時間がほとんどなくなり、それだけでなく、より高いレベルの不純物も保持されます。その結果、結晶化は徐冷よりも速く発生しますが、結晶の品質、サイズ、および純度が低くなります。

急激な温度低下による急速な結晶化。出典：ガブリエルボリバル

上の画像は最初のものを対比するのに役立ちます。黄色の点は不純物を表しており、核の急激な成長により、その中にトラップされます。

これらの不純物により、紫色の六角形をより多く組み込むことが困難になり、最終的に、大きく純粋な結晶ではなく、多くの小さな不純な結晶ができます。

用途

アイスクリームの結晶化は、その工業的または職人の生産における最も重要な側面の1つです。出典：Pixabay。

結晶化と再結晶は、高品質で純粋な固体を得るために不可欠です。製薬業界では、食品業界で使用される保存料と同様に、製品ができるだけ純粋でなければならないため、これは特に当てはまります。

さらに、ナノテクノロジーはこのプロセスに大きく依存しているため、堅牢な結晶固体ではなく、ナノ粒子またはナノ結晶を合成できます。

結晶化が大きく関与している日常の例の1つは、アイスクリームの製造です。水に注意しないと、脂質含有量とは別の相（氷）で結晶化し、その食感と風味に影響を与えます。つまり、かき氷やアイスクリームのようになります。

したがって、氷の結晶はできるだけ小さくして、アイスクリームが滑らかに味と触感になるようにします。これらの氷の結晶が少し大きい場合、それらはアイスクリームにつや消しの表面を与えるので、それらは光の中で検出できます。

結晶化の例

最後に、自然と人工の両方の結晶化のいくつかの一般的な例について説明します。

雪片

スノーフレークは、自然な結晶化プロセスによって形成されます。それぞれの雪の結晶はユニークであることが知られています。これは、結晶化の第2フェーズ（成長）中に発生する条件によるものです。

雪の結晶が示すさまざまな幾何学的形状は、結晶の成長時に雪結晶が直面しなければならない条件によるものです。

塩

塩は結晶化の最も一般的な例です。これは自然に（海塩など）と人工的に（食卓塩の場合のように）形成できます。

シュガー

塩の後、砂糖は最も一般的な結晶の1つです。これは、サトウキビ果汁を取り、人工結晶化プロセスにかける一連の複雑な工業プロセスによって形成されます。

ダイヤモンド

ダイヤモンドは、純粋な炭素の結晶化から形成される宝石です。これは地球上で知られている最も硬い材料です。その形成は、鉱山の堆積物で発見されたダイヤモンドの場合のように自然な場合もあれば、合成の場合もあります。

ルビー

ルビーは、酸化アルミニウム（コリドン）の結晶化から形成される赤みを帯びた結晶です。

石筍

石筍は洞窟、特に土壌（上向きに成長する）に見られる構造です。それらはカルシウム化合物で構成されており、洞窟の天井から落ちる水に見られるカルシウム塩の結晶化から形成されます。

鍾乳石

鍾乳石は石筍のようにカルシウムでできており、洞窟で発見されます。天井から吊るされているため、後者とは異なります。それらは、洞窟に浸透する水中に存在するカルシウム塩の結晶化によって形成されます。

石英

水晶は無水ケイ酸の結晶化から形成される宝石です。それは岩石の中で最も豊富な鉱物の一つであり、その色はさまざまです。

ペリドット

かんらん石とも呼ばれるこの宝石は、鉄とマグネシウムの結晶化により形成されます。緑がかった色で、通常は菱形です。

ケイ酸塩

ケイ酸塩は、シリカおよび他の元素（鉄、アルミニウム、カルシウム、マグネシウム）の結晶化によって作成された材料です。それらはすべての岩に存在します。

お菓子

キャンディーは砂糖の結晶で作られているので、2つの結晶化プロセスが介在していると言えます。1つは砂糖の形成、もう1つは糖蜜の形成です。

クリーミーなアイスクリーム

クリーミーなアイスクリームには、最終的な滑らかな質感を与える一連の結晶が含まれています。クリーミーなアイスクリームに含まれる結晶の中で、脂質の結晶（脂肪からなる）と氷の結晶が際立っています。一部のアイスクリームには乳糖結晶も含まれていることに注意してください。

この意味で、アイスクリームはさまざまな人工結晶化プロセス（脂質用、氷用、乳糖用）を通じて得られます。

その他

-糸またはロープと過飽和の甘い溶液の周りの砂糖の結晶の準備

-瓶の底に堆積した蜂蜜からの砂糖の結晶の形成

-シュウ酸カルシウム結晶の本質からなる腎臓結石の成長

-ジェムやダイヤモンドを含む鉱物の結晶化。長年にわたり、その形状とエッジは秩序だった内部構造を反映しています。

-それらの結晶の成長のためのサポートとしての冷たい棒上の熱い金属蒸気の沈着。

参考文献

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