تبلور

من وجهة علم المواد والصناعة تدرس وتبتكر طرق لتنمية البلورات :

• لإنتاج بلورات كبيرة الحجم أو إنتاج بلورات على مستوى صناعي كبير ذات نقاوة عالية،
  • منها أنتاج بلورات أيونية،
  • ومنها أنتاج بلورات روابط تساهمية
• إنتاج بلورات صغيرة :
  • إنتاج المساحيق، ومؤخرا مساحيق تقنية النانو،
  • إنتاج عل المستوى الصناعي الكبير في الصناعات الكيماوية مثل إنتاج الملح،
  • إنتاج العينات : إنتاج عينات دقيقة لدراسة خصائصها في علم المواد، وطرق إعادة التبلور، وتبلور بلورات غريبة تدرس عن طريقها بناء الجزيئات ، وقوي ترابط الذرات في البناء البلوري.

تستخدم طرق تعيين البنية البلورية بواسطة أشعة إكس وكذلك مطيافية الرنين المغناطيسي النووي NMR spectroscopy في الكيمياء المعدنية والكيمياء العضوية لمعرفة الهياكل البلورية لأعداد كبيرة من المركبات المعدنية والمركبات العضوية ، ومن ضمنها دراسة بنية الجزيئات العضوية الكبيرة.

• • ترسيب الرقاق الرقيقة.

أمثلة لمنتجات على المستوى الصناعي الكبير:

• إنتاج ملح الطعام
• إنتاج الويفر من السيليكون النقي التي تستخدم في صناعات ميكروبروسيسور
• إنتاج السكروز من قصب السكر والبنجر، حيث يتبلور السكر وينفصل من المحاليل السكرية.
• أنتاج الخلايا الشمسية المستخدمة لإنتاج التيار الكهربائي من الطاقة الشمسية بواسطة التأثير ضوء جهدي.

معدات للعمليات الصناعية الرئيسية للبلورة .

1. بلورات الخزان. يعتبر تبلور الخزان طريقة قديمة لا تزال تستخدم في بعض الحالات المتخصصة. يسمح للمحاليل المشبعة، في تبلور الخزان، بالتبريد في خزانات مفتوحة. بعد فترة من الوقت يتم تصريف المحلول الأم وإزالة البلورات. يصعب التحكم في التنوي وحجم البلورات. عادةً ما تكون تكاليف العمالة مرتفعة جدًا.

التنوي هو بدء تغيير الطور في منطقة صغيرة، مثل تكوين بلورة صلبة من محلول سائل. إنه نتيجة للتقلبات المحلية السريعة على نطاق جزيئي في مرحلة متجانسة تكون في حالة توازن مستقر. التنوي الكلي هو مجموع تأثير فئتين من التنوي - الابتدائية والثانوية.

التنوي الأولي هو التكوين الأولي للبلورة حيث لا توجد بلورات أخرى أو حيث، إذا كانت هناك بلورات موجودة في النظام، فلن يكون لها أي تأثير على العملية. يمكن أن يحدث هذا في حالتين. الأول هو التنوي المتجانس، وهو تنوي لا يتأثر بأي شكل من الأشكال بالمواد الصلبة. تشمل هذه المواد الصلبة جدران وعاء التبلور وجزيئات أي مادة غريبة. الفئة الثانية، إذن، هي النواة غير المتجانسة. يحدث هذا عندما تتسبب الجسيمات الصلبة للمواد الغريبة في زيادة معدل التنوي الذي لا يمكن رؤيته بدون وجود هذه الجسيمات الغريبة. نادرًا ما يحدث التنوي المتجانس في الممارسة العملية بسبب الطاقة العالية اللازمة لبدء التنوي بدون سطح صلب لتحفيز التنوي.

تم نمذجة النواة الأولية (سواء كانت متجانسة أو غير متجانسة) على النحو التالي:

حيث:

B هو عدد النوى المتكونة لكل وحدة حجم لكل وحدة زمنية،

N هو عدد النوى لكل وحدة حجم،

k _n هو معدل ثابت،

ج هو تركيز المذاب الفوري،

ج ^* هو تركيز المذاب عند التشبع،

(ج - ج ^*) يُعرف أيضًا باسم التشبع الفائق،

n هو أس تجريبي يمكن أن يكون كبيرًا مثل 10 ، ولكن بشكل عام يتراوح بين 3 و4.

التنوي الثانوي هو تكوين نوى يعزى إلى تأثير البلورات المجهرية الموجودة في الصهارة. وببساطة، فإن التنوي الثانوي يحدث عندما يبدأ نمو البلورات بالتلامس مع بلورات أخرى موجودة أو "بذور".[5] يُعزى النوع الأول من التبلور الثانوي المعروف إلى قص المائع، ويعزى الآخر إلى الاصطدامات بين البلورات الموجودة بالفعل إما مع سطح صلب للمبلور أو مع بلورات أخرى نفسها. يحدث نواة القص المائع عندما ينتقل السائل عبر بلورة بسرعة عالية، مما يزيل النوى التي يمكن دمجها في البلورة، مما يتسبب في أن تصبح النوى المنجرفة بلورات جديدة. تم العثور على تنوي الاتصال هو الطريقة الأكثر فعالية وشائعة للتنوي. تشمل الفوائد ما يلي:

• ترتيب حركي منخفض ومعدل يتناسب مع التشبع الفائق، مما يتيح التحكم السهل دون تشغيل غير مستقر.
• يحدث عند فرط التشبع المنخفض، حيث يكون معدل النمو هو الأمثل للحصول على جودة جيدة.
• الطاقة الضرورية المنخفضة التي تصطدم بها البلورات تمنع تكسير البلورات الموجودة إلى بلورات جديدة.
• تم بالفعل عزل الأساسيات الكمية ويتم دمجها في الممارسة.

النموذج التالي، على الرغم من تبسيطه إلى حد ما، غالبًا ما يستخدم لنمذجة التنوي الثانوي:

أين

ك ₁ هو معدل ثابت،

M _T هي كثافة التعليق،

j هو أس تجريبي يمكن أن يصل إلى 1.5 ، ولكنه بشكل عام 1 ،

ب هو أس تجريبي يمكن أن يصل إلى 5 ، لكنه بشكل عام 2.

نمو البلورات

بمجرد تشكيل أول بلورة صغيرة، النواة، تعمل كنقطة التقاء (إذا كانت غير مستقرة بسبب التشبع الفائق) لجزيئات المذاب التي تلامس - أو بجوار - البلورة بحيث تزيد من أبعادها في الطبقات المتتالية. يشبه نمط النمو حلقات البصل، كما هو موضح في الصورة، حيث يشير كل لون إلى نفس كتلة المذاب ؛ تخلق هذه الكتلة طبقات رقيقة بشكل متزايد بسبب زيادة مساحة سطح البلورة المتنامية.تسمى الكتلة المذابة المفرطة التشبع التي قد تلتقطها النواة الأصلية في وحدة زمنية بمعدل النمو المعبر عنه بالكيلو جرام / (م ² * ساعة) ، وهي ثابتة خاصة بالعملية. يتأثر معدل النمو بعدة عوامل فيزيائية، مثل التوتر السطحيمن الحل، الضغط، درجة الحرارة، وضوح الشمس النسبية سرعة في الحل، رقم رينولدز، وهكذا دواليك.

القيم الرئيسية التي يجب التحكم فيها هي:

• قيمة التشبع الفائق، كمؤشر لكمية المذاب المتاحة لنمو البلورة ؛
• إجمالي السطح البلوري في كتلة سائل الوحدة، كمؤشر لقدرة المذاب على التثبيت على البلورة ؛
• وقت الاستبقاء، كمؤشر لاحتمال تلامس جزيء من المادة المذابة مع بلورة موجودة ؛
• نمط التدفق، مرة أخرى كمؤشر لاحتمال تلامس جزيء من المذاب مع بلورة موجودة (أعلى في التدفق الصفحي، وأقل في التدفق المضطرب، ولكن العكس ينطبق على احتمال التلامس).

القيمة الأولى هي نتيجة للخصائص الفيزيائية للمحلول، بينما تحدد القيم الأخرى الفرق بين بلورة جيدة التصميم وسيئة التصميم.

شكل وحجم المنتج البلوري مهم للغاية في التبلور. إذا كانت هناك حاجة إلى مزيد من المعالجة للبلورات، فإن البلورات الكبيرة ذات الحجم الموحد مهمة للغسيل والتصفية والنقل والتخزين، لأن البلورات الكبيرة أسهل في التصفية من المحلول من البلورات الصغيرة. أيضًا، تحتوي البلورات الأكبر حجمًا على مساحة أصغر من نسبة الحجم، مما يؤدي إلى درجة نقاء أعلى. هذا النقاء العالي يرجع إلى احتباس أقل للخمور الأمالذي يحتوي على شوائب، وخسارة أقل في المحصول عند غسل البلورات لإزالة المحلول الأم. في حالات خاصة، على سبيل المثال أثناء تصنيع الأدوية في صناعة الأدوية، غالبًا ما تكون الأحجام البلورية الصغيرة مرغوبة لتحسين معدل انحلال الدواء والتوافر البيولوجي. يمكن تقدير توزيع الحجم البلوري النظري كدالة لظروف التشغيل مع عملية رياضية معقدة إلى حد ما تسمى نظرية توازن السكان (باستخدام معادلات توازن السكان).