Условие задачи
Чем отличаются процессы выпаривания и кристаллизации? На чём основаны оба способа выделения твёрдого вещества из раствора?
Решение
Дисциплина: Физическая химия (раздел, связанный с растворами и фазовыми переходами).
Решение:
1. Определение процессов:
• Выпаривание – это процесс, при котором из раствора удаляется растворитель (обычно за счёт нагревания), а оставшийся раствор становится более концентрированным. При длительном выпаривании концентрация растворённого вещества может достичь такой степени, что возникает его осаждение в виде твёрдой фазы.
• Кристаллизация – это процесс, при котором из насыщенного или перенасыщенного раствора выделяется чистое растворённое вещество в форме кристаллов. Обычно инициатором процесса служит охлаждение раствора, изменение условий растворения, добавление инертного вещества или растворителя, в котором данное вещество плохо растворяется.
2. Отличия процессов:
◘ При выпаривании основное действие заключается в удалении растворителя. Температура раствора повышается, что увеличивает скорость испарения. При этом растворённое вещество остаётся в растворе до достижения перенасыщения, а затем может осаждаться на поверхности сосуда или на оставшихся кристаллах, образованных ранее.
◘ При кристаллизации основной механизм – это переход раствора из состояния насыщенного или перенасыщенного в состояние, когда происходит спонтанное образования кристаллической решётки растворённого вещества. Обычно этот процесс происходит благодаря снижению температуры, что приводит к уменьшению растворимости вещества, или изменению состава раствора (например, добавлением второго растворителя).
3. Основа методов выделения твёрдого вещества:
• Выпаривание основано на разнице летучести компонентов раствора. При нагревании растворитель (чаще всего вода) переходит в парообразное состояние, а менее летучее растворённое вещество остаётся в виде концентрированного остатка. Формула можно условно представить как:
Раствор = растворитель + растворённое вещество (1)
После удаления растворителя:
Растворённое вещество → твёрдая фаза (2)
• Кристаллизация основана на изменении растворимости растворённого вещества в зависимости от температуры или состава раствора. При охлаждении насыщенного раствора уменьшается способность растворителя удерживать молекулы вещества, и они начинают упорядоченно собираться в кристаллическую решётку. Так отбор вещества происходит благодаря нарушению равновесия между растворённым состоянием и кристаллическим. Здесь можно привести зависимость растворимости от температуры (S = f(T)), где S – растворимость; уменьшение T приводит к уменьшению S, что и вызывает кристаллизацию.
4. Вывод:
– В обоих случаях метод выделения твёрдого вещества из раствора базируется на использовании различий в физических свойствах растворителя и растворённого вещества: их летучести, растворимости и изменениях этих параметров при нагревании или охлаждении.
– Выпаривание преимущественно используют, когда растворитель имеет значительно более высокую летучесть по сравнению с растворённым веществом. Кристаллизация же применяется в условиях, когда изменение температуры или состава раствора позволяет добиться перенасыщения и последующего формирования кристаллов чистого вещества.
Таким образом, процессы отличаются по принципу осуществления: выпаривание удаляет растворитель (на основе различий в температуре кипения), а кристаллизация – инициирует переход растворённого вещества в кристаллическую фазу за счёт нарушения равновесия растворимости при изменении условий (чаще всего температуры).