Krystalizace

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie

Krystalizace či růst krystalů, obecně vytváření pravidelné struktury je druh fázové přeměny, při které dochází k pravidelnému uspořádání částic do krystalové mříže. Krystalizace je sice spojena s pevnou fází látky, avšak amorfní (tj. nekrystalické) látky mohou být za daných podmínek stejně tak pevné. Navíc známe tekuté krystaly, které jsou v krystalické fázi kapalné. (Pojmy kapalina&pevná látka jsou tedy vymezeny dynamickou viskozitou 10¹¹ [Pa.s], nad její hodnotou považujeme látku za pevnou).

Snadno krystalizují látky s jednoduchou atomovou strukturou (kovy, jednoduché iontově a kovalentně vázané látky), zatímco polymery a jiné látky s makromolekulárními řetězci(například oxidická a chalkogenní skla s řetězci kovalentně vázaných mnohostěnů) krystalizují naopak velmi obtížně.

[editovat] Princip

Krystalizace je založena na zákonech termodynamiky. Konkrétně vychází ze základní termodynamické podmínky fázového přechodu: Soustava změní své uspořádání tehdy, je li tato změna doprovázena poklesem volné energie v systému F. Ta je vázána vztahem:

F = U - T.S,

kde je:

U - vnitřní energie soustavy [J]

T - termodynamická teplota [K]

S - entropie soustavy [J/K]

Další podmínkou růstu krystalů je dostatek času - pokud roztok podchladíme uměle, (okolní teplo snížíme rychlým skokem), struktura „zamrzne“ v původním amorfním tvaru taveniny, popř. dojde jen k částečné nukleaci, stačí se vytvořit krystalizační zárodky a vzniklá struktura bude krystalická jen na malé škále, zatímco na velké bude chaotická. Proces krystalizace se také prakticky řídí způsobem odvodu tepla z taveniny.

Ke krystalizaci dochazí prostřednictvím tzv. krystalizačních zárodků, což jsou v homogenním roztoku místa s nižší energií, kde se vykrystalizováním několika atomů/molekul tato energie spotřebovala a dala tak vzniknout mezifázovému rozhraní - tomuto procesu říkáme nukleace. V případě homogenního roztoku mluvíme o tzv. homogenní nukleaci Pokud je rozdíl mezi volnou energií kapaliny a pevné fáze dostatečný, následuje proces, kdy se okolní molekuly na tento zárodek začnou „nabalovat“ za současného uvolňování energie a vzniku uspořádané periodické struktury - tomuto procesu říkáme růst. Další spotřebování energie má za následek podchlazení, které vede ke snížení kritické velikosti zárodku nutné pro dostatečný rozdíl na mezifázovém rozhraní.

V nehomogenních roztocích (mluvíme o tzv. heterogenní nukleaci) tomuto procesu napomohou tzv. krystalizační jádra, která jsou buďto atomy jiných prvků, molekulamy nebo celými komplexy částic na které se pak následkem energetické nerovnováhy nabaluje krystalická struktura okolního roztoku.

V roztocích kovových slitin dochází k doprovodnému jevu segregace, při které vznikne nerovnoměrné rozložení vstupních složek - první vznikající krystaly jsou chudší na obsah látky s nižší teplotou tání (toto lze odstranit tzv. homogenizačním žíháním, nebo vysokoteplotní difuzí).

[editovat] Příklad

Příkladem může být krystalizace vody:

Vodní kapka vydrží v kapalném stavu až do -42°C, kdy dojde ke spontání krystalizaci. V reálném oblaku vodní kapky krystalizují při teplotách -15°C, ve vysokém patru až -12°C. Voda krystalizuje hloboko pod bodem mrazu proto, že rozdíl entalpie (vnitřní energie) vody a ledu je moc malý na to, aby se vytvořil povrch ledového krystalu. Prostřednictvím krystalizačních jader lze teplotu krystalizace zvýšit. V atmosféře se může jednat o prachové částice, které na sebe „nabalí“ zárodečné molekuly vody, nebo samotné ledové krystaly, unášené vzduchovým prouděním mezi vrstvami atmosféry.

[editovat] Využití

Krystalizace (míněn růst krystalické struktury - monokrystalu i polykrystalu) je důležitým postupem pro mnoho technologických odvětví. Pěstování monokrystalů se využívá především v polovodičové technice (výroba tranzistorů a integrovaných obvodů) a optice (optická vlákna, polarizační filtry, atd.), zatímco polykrystalické struktury, dělené dle hrubosti zrna (jedná se o významný elektrický a technologický parametr), jsou využívány například na výrobu kovových součástí (elektrické vodiče, lamely turbín, polotovary pro stavební konstrukce, atd.).