Tentunya Anda pernah mendengar tentang kristal, kemungkinan pada titik ini pikiran Anda telah membayangkan berlian besar, batu kecubung atau topas. Dan yang pasti, grup ini juga termasuk banyak kalangan ternama batu berhargaNamun, kristal bukanlah istilah yang secara ketat mencakup bidang perhiasan.
Un cristal Ini adalah produk akhir dari sebuah proses menarik yang dikenal sebagai kristalisasiKristal dicirikan sebagai padatan homogen yang terbentuk dari "bidang", yaitu bagian-bagian yang terletak pada berbagai bidang yang berulang secara teratur di ruang angkasa. Organisasi internal dan eksternal inilah yang membedakan kristal dari padatan amorf seperti kaca.
Sebenarnya apa itu kristal?
Dari sudut pandang fisika dan kimia, sebuah cristal Ini adalah zat padat di mana partikel-partikelnya (atom, ion, atau molekul) tersusun secara teratur. teratur dan berkala dalam tiga dimensi ruang. Susunan berulang ini disebut kisi kristaldan bertanggung jawab atas banyak sifat makroskopis yang dapat diamati, seperti kecerahan, kekerasan, atau bentuk geometris eksternal kristal.
Dalam zat padat kristal, setiap titik dalam ruang yang ditempati oleh material tersebut memiliki pengulangan berkala sesuai dengan arah tertentu. Dalam kristalografi, fenomena pengulangan dalam ruang ini disebut terjemahanBerbeda dengan padatan amorf (seperti beberapa plastik atau kaca), di mana keteraturan hanya dipertahankan dalam jarak yang sangat pendek, kristal menunjukkan keteraturan jarak jauh yang meluas ke seluruh padatan.
Karakteristik padatan dari kristalisasi
Ukuran kristal merupakan karakteristik yang bervariasi, dengan berbagai macam dimensi. Kristal dapat ditemukan banyak sekali yang dapat diukur menggunakan satuan linier "meter", serta kristal yang harus dinyatakan dalam satuan mikro, karena ukurannya yang kecil membuatnya sebanding dengan mikroorganisme seperti bakteri, yang hanya dapat diamati melalui mikroskop.
Seperti yang telah disebutkan, proses kristalin menghasilkan produk dengan kemurnian tinggi, itulah sebabnya definisi tersebut menyatakan demikian. kristal itu homogenArtinya, komposisi produk tetap konstan di setiap titik dalam volume padatan tersebut. Ini menyiratkan bahwa sifat fisika dan kimia Struktur tersebut tetap tidak berubah di seluruh bagian; jika terjadi variasi akibat gangguan, perubahan cenderung terjadi secara koheren di seluruh spesies kristal.
Kualitas ini menjadikan kristal sebagai produk berharga di berbagai bidang, mulai dari apresiasi terhadap kualitas bahan (misalnya, dalam perhiasan dan gemologi), hingga penggunaan proses kristalisasi sebagai teknik untuk memisahkan zat di laboratorium dan industri. Tingkat keteraturan yang tinggi dalam kisi kristal berarti bahwa pengotor dikeluarkan atau tetap dalam proporsi yang lebih kecil daripada dalam fase cair, memungkinkan produksi padatan yang jauh lebih murni.
Produk kristal juga dapat diisolasi di tingkat laboratorium, dengan cara reaksi terkontrol dalam pengaturan yang meniru proses spontan yang terjadi di alam. Salah satu keunggulan utama kristal yang diperoleh dalam proses terkontrol adalah bahwa kristal tersebut menunjukkan bentuk yang lebih teraturyang lebih sesuai dengan bentuk poligonal yang paling akurat. Hal ini sangat penting terutama saat mencari kristal untuk analisis, aplikasi optik, atau pengujian farmasi.
Dalam sebuah kristal, seseorang harus membedakan permukaan yang membentuk bagian dari bentuk kristal sebenarnya (karakteristik morfologi), dan berdasarkan jumlahnya, kita dapat mempertimbangkan bentuk-bentuk dasar dari padatan tersebut. Secara umum, kristal didefinisikan oleh kombinasi beberapa bentuk dasar, yang utama adalah sebagai berikut:
- Pedion: Kristal yang terdiri dari satu permukaan datar tunggal, tanpa permukaan setara yang terkait oleh simetri.
- Pinacoid: Ini terdiri dari dua sisi yang setara satu sama lain sehubungan dengan suatu sumbu simetriyang biasanya sejajar dan berlawanan.
- Sphenoid: Dua sisi yang setara yang membentuk bangun ruang ini terletak di sekeliling sebuah sumbu binermenghasilkan bentuk baji.
- Prisma: Ia terbentuk oleh bidang-bidang homolog yang membentuk suatu zona. "Zona kristal" didefinisikan sebagai sekumpulan bidang yang sejajar dengan arah yang sama, yang sesuai dengan tepi kristal.
Dari sudut pandang internal, struktur kristal dapat dianggap sebagai sistem periodik yang kurang lebih homogen dan anisotropik, dari suatu bahan (seringkali larut (dalam fase yang kemudian mengeras dalam susunan kristal) yang mengembangkan struktur di berbagai titik dalam ruang. Kristal dikatakan anisotropik karena properti fisik (seperti konduktivitas termal, kecepatan perambatan cahaya, atau kekerasan) dapat bervariasi tergantung pada arah pengukurannya di dalam padatan, justru karena adanya susunan internal tersebut.
Di antara karakteristik kristal, fakta bahwa setiap titik memiliki pengulangan berkala di ruang yang ditempati materi. Dalam kristalografi, fenomena yang mempengaruhi tindakan ini disebut terjemahan dan mendefinisikan bagaimana sel satuan (blok berulang terkecil) bergerak di ruang angkasa untuk membangun seluruh kristal.
Proses kristalisasi dan kapan hal itu terjadi
Agar kristalisasi terjadi, kita harus mulai dari zat yang dapat diklasifikasikan sebagai kristalHal ini didefinisikan oleh fakta bahwa partikel-partikel penyusunnya, baik yang bersifat atom, molekuler, maupun ionik, menunjukkan sifat-sifat homogenitas, periodisitas, dan simetri ketika mereka tersusun dalam keadaan padat.
Dalam konteks pemisahan campuran, hal ini disebut kristalisasi untuk pembentukan senyawa kristal padat dari fase cair (larutan, lelehan, atau uap). Proses ini sangat berguna ketika Anda ingin memurnikan senyawa padatKarena padatan yang mengkristal biasanya jauh lebih murni daripada campuran awalnya. Bahkan, ini dianggap sebagai salah satu teknik paling sederhana dan efektif untuk memurnikan zat di laboratorium.
Kristalisasi terjadi ketika kondisi fisik dan kimia suatu larutan, lelehan, atau uap berubah sedemikian rupa sehingga keadaan padat menjadi cair. lebih stabil dibandingkan dengan keadaan semula. Hal ini terjadi, misalnya, ketika:
- Sebuah solusi cuaca menjadi dingin secara perlahan dan berubah dari konsentrasi normal menjadi konsentrasi lewat jenuh.
- Se menguapkan sebagian pelarut dan larutan menjadi terlalu pekat dibandingkan dengan zat terlarutnya.
- Se tambahkan pelarut baru yang mengubah kelarutan zat tersebut dan mendukung pengendapan kristalnya.
- Uap dengan tekanan uap zat terlarut yang tinggi. menjadi padat langsung (sublimasi terbalik).
Seluruh proses diaktifkan ketika, pada suatu titik dalam zat kristal atau larutan, partikel-partikel mulai mengatur ulang diri mereka sendiri. Tahap ini dikenal sebagai nukleasiNukleasi dapat terjadi spontan (homogen) atau heterogen, yang disebabkan oleh kehadiran partikel kecil, permukaan, atau bahkan pengotor yang bertindak sebagai "benih" kristal.
Seluruh proses ini melibatkan, selain variasi yang jelas dalam urutan partikel, perubahan pada... kondisi termodinamikaProses-proses ini bertujuan untuk mengkompensasi gangguan yang dihasilkan oleh perubahan energi bebas Gibbs. Perubahan ini terutama ditandai oleh tiga peristiwa:
- Perubahan pada energi kimia dari sistem tersebut, yang terkait dengan perpindahan molekul dari fase terlarut ke padatan teratur.
- Penciptaan a antarmuka antara zona nukleasi dan bagian fase homogen lainnya (cair, gas, atau leburan).
- La variasi dalam volume dan bentuk Proses ini melibatkan ketegangan dan penyesuaian struktural.
Fase selanjutnya dimulai ketika struktur nukleasi dasar stabil. Langkah selanjutnya logis dan dapat diprediksi: setelah kita memiliki struktur dasar, kita akan memasuki proses pertumbuhan, di mana terjadi perubahan dimensi inti. Secara bertahap, peningkatan ini menghasilkan pembentukan permukaan yang terdefinisi dengan baik, hingga kristal tersebut memperoleh suatu bentuk. kebiasaan kristal terlihat jelas.
Mekanisme pertumbuhan kristal
Teori yang dikembangkan oleh Volmer menjelaskan bagaimana pertumbuhan kristal terjadi, menetapkan bahwa, di sekitar struktur dasar dari nukleasi zat kristal, semacam lapisan penyerapanPermukaan ini bertindak sebagai antarmuka dan, selain itu, mendorong migrasi partikel di sekitarnya yang bergerak sejajar dengan permukaan. Hasil dari proses ini didefinisikan sebagai struktur dalam bidang dua dimensi.
Sementara itu, Kossel dan Stranski menetapkan bahwa sebuah pekerjaan mekanik Untuk mencapai pelekatan ion atau molekul ke permukaan lapisan ini, prosesnya bergantung pada posisinya. Misalnya, situs tepi atau sudut biasanya lebih menguntungkan secara energetik untuk penggabungan partikel baru, sehingga pertumbuhan tidak seragam di seluruh permukaan.
Mengembangkan model yang mendefinisikan pertumbuhan membutuhkan peramalan. zona jenuh di mana laju perubahan yang lebih tinggi diamati (area lokal supersaturasi). Ini menunjukkan bahwa pertumbuhan kristal terjadi melalui lapisan berturut-turutLapisan-lapisan ini ditumpuk di atas jaringan yang sudah terbentuk. Seiring pertumbuhan dan keteraturan lapisan-lapisan ini, pengotor cenderung dikeluarkan dari struktur kristal yang teratur.
Dalam kondisi laboratorium ideal, pendinginan lambat Penggunaan larutan atau pengaturan penguapan yang cermat memungkinkan pertumbuhan bertahap dan teratur, sehingga kisi kristal terbentuk tanpa menjebak terlalu banyak pengotor. Jika pendinginan atau perubahan kondisi terlalu cepat, kisi terbentuk dengan lebih banyak ketidakteraturan, dan pengotor dapat terjebak di dalam kristal, sehingga mengurangi kemurniannya.
Sifat dinamis dari kristalisasi ini menyiratkan bahwa, bahkan ketika kristal sedang tumbuh, menyeimbangkan antara molekul yang dimasukkan ke dalam kisi kristal dan molekul yang kembali ke larutan. Oleh karena itu, kristalisasi dianggap sebagai proses yang sangat bergantung pada suhu, konsentrasi, pengadukan, dan waktu.
Kristalisasi sebagai mekanisme untuk memisahkan campuran
Karena kristal terbentuk dari zat homogen, penggunaannya telah diperluas sebagai metode pemisahan selektif dari zat-zat. Dalam kimia dan industri, metode ini terutama diterapkan untuk memurnikan padatan yang bercampur dengan pengotor, dengan memanfaatkan perbedaan dalam kelarutan dan stabilitas di antara berbagai spesies yang ada.
Secara praktis, kristalisasi sebagai metode pemisahan terdiri dari memperoleh suatu senyawa padat kristalin Dimulai dari larutan atau campuran yang mengandung zat terlarut utama dan pengotornya, pelarut atau campuran pelarut dipilih berdasarkan kelarutan padatan dan pengotorIdealnya, Anda harus menemukan pelarut di mana senyawa yang diinginkan sangat larut saat panas dan hanya sedikit larut saat dingin, sementara pengotor mudah dipisahkan dengan penyaringan atau tetap larut.
Di laboratorium, proses kristalisasi tipikal sebagai suatu pemisahan mencakup beberapa tahapan yang saling terkait:
- melakukan uji kelarutan untuk menemukan pelarut yang tepat.
- Larutkan padatan yang tidak murni di dalam jumlah sekecil mungkin dengan pelarut panas, hingga diperoleh larutan jenuh.
- Hilangkan partikel yang tidak larut dengan cara filtrasi dan, jika perlu, gunakan karbon aktif untuk menghilangkan kotoran berwarna atau kekeruhan.
- Izinkan a pendinginan lambat sehingga terjadi supersaturasi dan kristalisasi zat terlarut yang diinginkan dimulai.
- Pisahkan kristal yang terbentuk oleh filtrasi vakum atau dengan cara dekantasi, dan keringkan dengan benar.
Setelah proses selesai, kemurnian kristal yang dihasilkan dapat diperiksa dengan... titik lebur (Zat padat murni biasanya meleleh dalam kisaran suhu yang sangat sempit) atau dengan teknik analitik seperti kromatografi lapis tipis. Jika kemurniannya tidak mencukupi, proses kristalisasi dapat diulang satu atau lebih kali.
Di antara berbagai metode kristalisasi, berikut ini menjelaskan metode-metode yang paling banyak digunakan baik di laboratorium maupun di tingkat industri:
- Penambahan pelarut baru: Jika kita mengetahui sifat produk yang sedang kita kerjakan, kita dapat menerapkan metode ini, yang pada dasarnya terdiri dari menambahkan pelarut baru yang berinteraksi dengan pelarut tempat zat terlarut yang ingin kita kristalkan berada. Ketika pelarut baru secara selektif memodifikasi kelarutan, zat terlarut akan mengendap, memulai proses kristalisasi.
- Pendinginan hingga konsentrasi zat terlarut tinggi: Ketika kita memiliki larutan yang sangat pekat, yang disiapkan pada suhu tinggi, dan kita mendinginkannya, kita memperoleh kondisi supersaturasidi mana jumlah zat terlarut yang dilarutkan lebih besar daripada yang dapat diterima oleh pelarut pada kondisi suhu baru. Jika proses penurunan suhu dilakukan secara terkontrol, kita dapat memengaruhinya. ukuran dan kualitas kaca yang akan kita dapatkan.
- Sublimasi: Teknik ini hanya dapat diterapkan pada senyawa kristal yang menunjukkan tekanan uap tinggiDengan demikian, transformasi dari fase gas ke fase padat tidak memerlukan proses melewati titik leleh. Hal ini berguna untuk memurnikan padatan seperti yodium, naftalena, atau beberapa zat organik aromatik.
Kristalisasi digunakan untuk memisahkan komponen-komponen dari campuran homogenSebagai contoh, air laut dapat diuapkan dan didinginkan secara terkontrol untuk mendapatkan kristal garam dapur yang relatif murni. Proses ini juga diterapkan pada zat-zat seperti tawas, gula, asam benzoat, dan berbagai senyawa organik yang digunakan dalam sintesis kimia dan farmasi.
Dalam banyak kasus, metode ini menawarkan keunggulan yang jelas dibandingkan penguapan sederhana: metode ini memungkinkan... lebih banyak kontrol ukuran partikel, mencapai kemurnian tertinggi dan dapat menghilangkan pengotor terlarut yang akan tetap berada dalam residu jika pelarut dibiarkan menguap begitu saja tanpa terkendali.
Apakah kristalisasi merupakan proses fisik atau kimia?
Kristalisasi dipahami sebagai sebuah proses fisik Proses pengerasan dan penataan selama pembentukan dan pertumbuhan senyawa kristal. Sepanjang seluruh proses, sifat kimia zat terlarut tidak berubah; yang berubah adalah sifat kimianya. keadaan agregasi dan cara partikel tersusun di ruang angkasa.
Kristalisasi tidak menciptakan zat baru; proses ini hanya melibatkan penataan ulang molekul yang sudah ada, disertai perubahan sifat fisik seperti densitas, kekerasan, titik leleh, dan penampilan luar. Karena alasan ini, kristalisasi diklasifikasikan sebagai proses kimia. transformasi fisik, meskipun diatur oleh hukum termodinamika dan kinetika yang spesifik untuk kimia.
Sifat fisik dan dinamis ini, bersama dengan kesederhanaan pengaturan yang diperlukan, menjadikan kristalisasi sebagai salah satu metode yang paling efektif. teknik yang lebih mudah diakses dan efektif untuk memurnikan senyawa padat di laboratorium, tetapi juga merupakan alat fundamental dalam proses industri skala besar.
Kegunaan, keunggulan, dan contoh kristalisasi
Kristalisasi terutama digunakan untuk memperoleh kristal murni pemisahan zat-zat tertentu dari campuran yang tidak murni. Di antara aplikasi yang paling relevan adalah:
- Pemurnian garam dan mineral: Kasus klasiknya adalah mendapatkan garam dapur dari air laut atau air garam. Melalui penguapan dan kristalisasi, natrium klorida dipisahkan dari pengotor lainnya.
- Industri makanan: Gula, garam, dan padatan lainnya dikristalkan untuk meningkatkan kualitasnya. stabilitas, penanganan, dan konservasiSebagai contoh, madu dapat mengkristal saat disimpan, sehingga memiliki tekstur yang padat tanpa kehilangan khasiatnya.
- Industri farmasi: Kristalisasi digunakan sebagai metode pemisahan dan pemurnian ketika bekerja di bidang... sintesis dan isolasi dari bahan aktif farmasi (API), kokristal, bentuk polimorfik, atau pemisahan isomer kiral. Bentuk kristal yang diperoleh dapat memengaruhi kelarutan dan bioavailabilitas obat.
- Pembentukan mineral dan batuan: Banyak batuan beku dan metamorf terbentuk dari kristalisasi lambat dari magma atau larutan hidrotermal, yang menghasilkan mineral dan batu mulia yang memiliki nilai estetika dan ilmiah yang tinggi.
- Fenomena alam: Los kepingan salju Kristal-kristal es ini memiliki struktur heksagonal. Meskipun semuanya memiliki dasar geometris yang sama, kondisi suhu dan kelembapan menyebabkan setiap kristal salju tumbuh secara unik, sehingga menghasilkan struktur yang tidak dapat diulang.
- Pembentukan speleothem: Stalaktit dan stalagmit di dalam gua terbentuk melalui kristalisasi mineral (seperti kalsit) dari tetesan air yang mengandung garam yang mengendap secara perlahan.
Di antara yang utama keuntungan Di antara metode kristalisasi yang digunakan untuk pemisahan, berikut ini beberapa yang menonjol:
- Ini memungkinkan Anda untuk mendapatkan produk dari kemurnian tinggi, karena penolakan terhadap pengotor dalam kisi kristal yang teratur.
- Kristal yang terbentuk biasanya barang kering yang dapat dikemas dan disimpan langsung untuk dikonsumsi atau untuk diproses lebih lanjut.
- Membutuhkan a penggunaan energi moderat dan tidak selalu membutuhkan suhu yang sangat tinggi, yang membuatnya efisien dan berkelanjutan.
- Ini adalah sebuah prosedur. serba guna, dapat diterapkan pada berbagai macam zat dengan rentang kelarutan dan titik leleh yang berbeda.
Contoh hasil dari proses kristalisasi dalam kehidupan sehari-hari meliputi: pembentukan es batu dan salju dari air; kristalisasi madu yang disimpan; munculnya kristal gula dalam permen atau manisan; pembentukan mineral dan speleotem; dan tentu saja, penciptaan batu berharga dan permata di dalam kerak bumi.
Kristalisasi juga dapat diamati dalam percobaan sederhana di rumah atau di kelas, seperti pertumbuhan kristal garam pada pembersih pipa atau karton yang direndam dalam larutan garam jenuh super. Dengan membiarkan larutan tidak terganggu dan membiarkan air menguap perlahan, ion garam akan mengatur diri sendiri dan membentuk struktur kristal yang terlihat, secara visual menunjukkan bagaimana suhu, konsentrasi, dan waktu memengaruhi proses tersebut.
Memahami bagaimana dan kapan proses kristalisasi terjadi memungkinkan kita untuk memanfaatkannya dalam konteks teknologi dan industri, serta dalam kegiatan pendidikan dan penyebaran ilmu pengetahuan, dan membantu untuk menafsirkan berbagai fenomena alam yang mengelilingi kita setiap hari dengan lebih baik.