Ещё языки
Дополнительные действия
Основная статья: Кристаллизация.
Кристаллизация - процесс перехода вещества в кристаллическое состояние. Обычно под этим подразумевается образование кристаллов из растворов, расплавов, газов, аморфных веществ и нестабильных кристаллических структур.
Образование затравки
Рассмотрим вещества, охлажденный до температуры кристаллизации и ниже, на молекулярном уровне.
Из-за огромного количества молекул/атомов вещества (к примеру, в 12 граммах углерода находится около 6,02 · 1023 (!) атомов), в любой момент времени можно найти группы находящихся рядом молекул, выстроившихся в правильную для этого вещества кристаллическую решетку. Из-за частых столкновений с другими молекулами, такие группы постоянно разрушаются или деформируются. Но если достаточное количество молекул выстроится в правильную решетку (достигнет критического размера), негативный эффект от столкновения с какой-либо другой свободной молекулой сводится на нет, т.к. вся ее энергия легко поглощается решеткой. В свою очередь, свободная молекула замедляется и присоединяется к решетке.
Этот набирающий размеры правильный "кусочек" решетки называется затравкой или затравочным кристаллом, а процесс ее образования - нуклеацией.
Зачастую затравки образуются на различных дефектах поверхностей и крупных примесях. Также процессу нуклеации способствуют механические колебания среды (звук, удары) - они кратковременно уменьшают расстояния между частицами, позволяя им выстроиться в затравочный кристалл.
При отсутствии дефектов и возмущений кристаллизация может не начинаться очень долго даже после прохождения всем веществом точки кристаллизации и охлаждением до более низких температур. Такие переохлажденные или пересыщенные состояния метастабильны, вещество может начать лавинообразно кристаллизоваться при малейшей деформации емкости или колебаниях.
Рост кристалла
Вместе с охлаждением расплава, стремительно увеличивается число потерявших молекул частиц, они все больше стремятся выстроиться в кристалл.
После появления в растворе затравки (не имеет значения, образовалась она самостоятельно или же была внесена извне), осаждение молекул начинает происходить в основном на этой затравке.
В зависимости от скорости роста, направление роста затравки может отличаться.
Если она ниже некоторого предела, то новые частицы будут успевать встраиваться в узлы решетки и образовывать правильную структуру, придавая затравке форму многогранника. Это так называемый тангенциальный или нормальный рост кристалла, именно при такой скорости осаждения выращивают монокристаллы с большой прозрачностью, малым количеством дефектов и правильностью формы.
Если же кристаллизация идет слишком быстро, частицы начнут в основном образовывать новые затравки то тут, то там, комкуясь во все более крупные и неровные образования.
Когда рост идет только с одного направления, то эти образования приобретают вид веточек. Их называют дендритами, они являются поликристаллами с довольно крупными затравками.
Если же рост идет во всех направлениях, то образования представляют собой бесформенные комки, состоящие из затравок различного размера. Это так называемый скелетный рост, а получившееся образование представляет собой типичный поликристалл с большим количеством дефектов и включений примесей.
Факторы роста
Скорость оседания молекул на затравке, а значит и скорость кристаллизации сложным образом зависят от множества факторов:
- Концентрация молекул
- Наличие затравок
- Скорость охлаждения вещества
- Скорость испарения растворителя (при выращивании из раствора)
- Наличие конвекционных потоков
- Перемешивание вещества или перемещение затравки
- Наличие сильных магнитных и электрических полей, вызывающих переориентирование молекул/атомов в пространстве и движение частиц
Перекристаллизация
Основная статья: Методы очистки веществ.
Перекристаллизация - процедура химической очистки вещества путем многократного проведения его кристаллизации.
Вещества во время кристаллизации могут захватывать различные примеси, как растворимые, так и нерастворимые, но в очень малых количествах по отношению к массе всего вещества, гораздо меньших, чем достигается при очистке многими химическими методами.
Благодаря этому свойству, кристаллизация вещества и использование его кристаллов как источник вещества для следующей стадии кристаллизации приводит его к значительной очистке от примесей - при медленном росте монокристаллов проведение двух-трех перекристаллизаций может снизить количество даже растворимых примесей до 10-5%!
К минусам данного метода относят большие потери вещества и высокие требования к скорости кристаллизации.
Рекомендуемые материалы
Навигация
| Теория | |
|---|---|