結晶化
結晶化とは、原子が集まって強固に結合したグループや連結したグループを作る方法です。これにより、固体を液体から分離したり、時には気体から分離したりします。結晶化は、融液や溶液からのものであり、自然のものでも人工的なものでもあります。結晶化を早くすると玄武岩のように小さなサイズの結晶ができ、遅くすると花崗岩のように大きな結晶ができます。
人工結晶化は、均質な溶液から固体結晶を形成する技術です。結晶化を行うためには、手元の溶液が過飽和状態である必要があります。簡単に言えば、溶液には通常の状態よりも多くの溶質分子が含まれていなければなりません。これには、溶媒の蒸発、冷却、化学反応、「溺死」などの様々な方法があります。
物事を明確にするために、簡単な例を使うことができます。私達は砂糖の結晶を加える水のボールを取ります。これ以上の結晶が溶解できない段階に達するまで、砂糖を加え続けます。このようにして得られた溶液は飽和したものです。興味深いことに、この飽和溶液を加熱することで、より多くの結晶を溶解させることができます（溶質の溶解度は温度の上昇とともに上昇するので、例外的なケースもありますが）。このように温度を上げると、より多くの糖の結晶が溶解し（過飽和溶液を形成する）、溶液の温度が周囲と平衡になると、溶質の溶解度が低下し（溶液の温度が低下したため）、添加された「余分な」糖が結晶化して出てくる。このプロセスは、本質的に最も単純な過飽和技術を示しています。
溺死」とは、固体の溶解度を低下させる非溶媒を溶液中に添加することである。また、化学反応を用いて溶媒中の固体の溶解度を低下させ、過飽和状態にすることもできます。
結晶化はいくつかの段階に分けることができます。これは新しい結晶の成長であり、最終段階である二次核生成を引き起こします（結晶の除去が問題でなければ）。二次核生成は、結晶の成長を永続させるために既存の結晶を必要とします。私たちの砂糖の例では、「余分な」砂糖がちょうど結晶化して、さらなる結晶形成を助けるときに、そのような核を得ていました。二次核生成は結晶化の主要な段階であり、これが結晶の「大量生産」の原因となります。
結晶化していく雪。
質問と回答
Q:結晶化とは何ですか?
A:結晶化とは、原子が規則正しい構造でつながり、化学結合や連結基によって保持されることです。融液、溶液、気体からであり、自然なものと人工的なものがあります。
Q: 結晶化の2大ステップとは何ですか?
A: 結晶化の2つの主要なステップは、核生成と結晶成長です。核生成は過冷却液体や過飽和溶媒から結晶相が出現することで、結晶成長は粒径が大きくなり、結晶状態になることです。
Q:人工晶析の仕組みは?
A:人工的な結晶化は、通常の条件下よりも多くの溶質分子が存在する過飽和溶液を作ることによって行われます。溶媒の蒸発、冷却、化学反応などの方法によって実現されます。
Q:一次核生成では何が起こるのですか?
A: 一次核生成は、結晶化の最初の段階で、新しい結晶を成長させることです。
Q:二次核生成はどのように起こるのですか?
A:二次核生成は、既存の結晶が除去の問題から成長し続けることで起こります。また、そのためには既存の結晶が必要です。
Q: 過飽和度の関係で、「溺れ」はどのように作用するのですか?A: 「溺れる」とは、溶液中に非溶媒を加えて溶解度を低下させ、溶質分子で過飽和状態にすることです。
