Krystalizace

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 dochází prostřednictvím 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 – tento proces se nazývá nukleace. V případě homogenního roztoku jde o 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 – tento proces se nazývá 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 (pak jde o heterogenní nukleaci) tomuto procesu napomohou krystalizační jádra, která jsou buď atomy jiných prvků, molekulami 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 homogenizačním žíháním, nebo vysokoteplotní difuzí).

Příkladem může být krystalizace vody:

Vodní kapka vydrží v kapalném stavu až do −42 °C, kdy dojde ke spontánní krystalizaci. V reálném oblaku vodní kapky krystalizují při teplotách −15 °C, ve vysokých výškách až −12 °C. Voda krystalizuje hluboko pod bodem mrazu proto, že rozdíl entalpie (vnitřní energie) vody a ledu je příliš 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.

Krystalizace (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), se používají například na výrobu kovových součástí (elektrické vodiče, lamely turbín, polotovary pro stavební konstrukce, atd.).

• Krystal
• Krystalová mřížka
• Krystalografie
• Krystalografická soustava

• Obrázky, zvuky či videa k tématu krystalizace na Wikimedia Commons
• Kniha Laboratorní technika/Krystalizace ve Wikiknihách