结晶的概念
晶体和结晶的概念与现象
初中化学：晶体和结晶的概念与现象
晶体是指具有规则的几何外形的固体．结晶是指把固态溶质的水溶液加热蒸发（或慢慢挥发），溶液达到饱和后，如果继续蒸发，过剩的溶质就以晶体的形式而析出的过程．在这一过程中析出晶体的现象就称为结晶现象．
【命题方向】该考点的命题方向主要是通过设置相关的实验、问题情景或图表信息等，来考查学生对晶体和结晶的概念与现象的理解和掌握情况，以及对结晶的原理、方法及其应用等相关问题的分析、推断、表达的能力和对知识的迁移能力等．并且，经常将其与“物质的溶解性及影响溶解性的因素”、“固体溶解度曲线及其变化的规律”等关联起来考查．当然，有时也单独考查之．题型有选择题、填空题．中考重点是考查学生阅读、分析实验、问题情景或图表信息的能力，对晶体和结晶的概念与现象，结晶的原理、方法及其应用和固体溶解度曲线及其变化的规律等相关知识的理解和掌握情况，以及运用它们来解决实际问题的能力等．特别是，对结晶的概念、现象、方法及其选用和固体溶解度曲线及其变化的规律的综合考查，是近几年中考的重中之重．
【解题方法点拨】要想解答好这类题目，首先，要熟记晶体和结晶的概念与现象，结晶的方法、原理等，以及固体溶解度曲线及其变化的规律等相关知识；然后，结合所给的实验、问题情景或图表信息，联系溶解度曲线及其变化的规律等，根据所学的相关知识和技能，细致地阅读、分析题意等，联系着生活实际，细心地进行探究、推理，最后，按照题目的要求，认真地进行选择或解答即可．
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结晶现象知识点总结
结晶现象知识点总结结晶是物质从溶解状态向固态状态转变的过程，在自然界和生活中都是非常常见的现象。
从雪花到盐晶，从钻石到岩石，结晶现象无处不在。
结晶现象的基本原理和规律对于化学、地质、物理等领域的研究有着重要的意义。
本文将结合化学、物理等多个领域的知识，对结晶现象进行深入的总结和探讨。
一、结晶现象的基本概念1. 结晶的概念结晶是指物质由溶解状态转变为具有有序结构的固态状态的过程。
在结晶过程中，原子、离子或分子以一定的方式排列成晶格，形成晶体的结构。
结晶是物质从液态或气态到固态的一种相变过程，也是物质从高能状态向低能状态转变的过程。
2. 结晶的特征结晶具有以下几个特征：（1）有序性：结晶物质中的原子、离子或分子按规则排列成晶格，具有一定的空间有序性；（2）周期性：晶格具有周期性，即晶体中的相邻晶胞之间存在一定的周期性相互关系；（3）绝对整体性：结晶物质具有一定的整体性，不同晶体之间存在显著的差异，晶体的结构和性质在一定程度上能够确定其是何种物质。
3. 结晶的分类根据结晶物质的化学性质和形态特征，结晶可以分为无机结晶和有机结晶、单晶和多晶等不同类型。
同时，根据结晶形态的差异，结晶可以分为板状晶体、柱状晶体、粒状晶体等不同形态。
二、结晶现象的基本原理1. 结晶的热力学基础热力学是研究物质的热现象与能量转化关系的科学，热力学定律对于解释结晶现象具有重要的意义。
结晶是物质从高能状态向低能状态转变的过程，在热力学上属于放热过程。
2. 结晶的动力学基础动力学是研究物质在不同条件下的变化规律的科学，动力学理论对于揭示结晶过程的热力学条件具有重要的意义。
结晶过程是一个动力学过程，受温度、压力、溶液浓度等外界条件的影响。
3. 结晶的晶体学基础晶体学是研究晶体结构和性质的科学，晶体学的理论对于揭示结晶现象的内在原理具有重要的意义。
晶体学理论揭示了晶体内部的空间有序性和周期性相互关系，为研究结晶现象提供了重要的理论基础。
结晶的概念
●结晶的概念
●一切物质从液态到固态的转变过程统称为凝固，如果通过凝固能形成晶体结构，则可
称为结晶。
凡纯元素的结晶都具有一个严格的“平衡结晶温度，高于此温度便发生融化，低于此温度才能结晶。
在平衡结晶温度，液体与晶体同时共存，达到可逆平衡。
而一切非晶体物质则无此明显的结晶温度，凝固总是在某一温度范围内逐渐完成。
●为什么纯元素的结晶都有一个严格不变的平衡结晶温度呢？这是因为他们的液体与
晶体间的能量在该温度下能够达到平衡的缘故。
例如，两个不同温度的物体相接触时，具有较高温度的物体便会把他多余的热能传至低温物体，直至两者的温度相同，即达到两者的平衡温度为止。
物体中能够自动向外界释放多余的或能够对外做功的这一部分能量叫做自由能。
同一物质的的液体与晶体，由于其结构不同，在不同温度下的自由能变化也不相同，因此便会在一定的温度下出现一个平衡点，即理论结晶温度。
●低于理论结晶温度时，由于液相的自由能高于固相晶体的自由能。
液体需使其温度低
于理论结晶温度，造成液体与晶体间的自由能差。
这一自由能差即为洁净的动力。
只有具有了一定的驱动力，结晶才能进行。
实际结晶温度与理论结晶温度之间的温度差叫做过冷度，金属液体的冷却速度越大，过冷度越大，过冷度越大则自由能差越大，即所具结晶驱动力越大，结晶趋向越大。
●由于结晶时总伴有一定的能量释放，即所谓结晶潜热，因而利用这一热效应，便可以
进行实际结晶温度的测定，这种测定结晶温度的方法叫做热分析法。
此法是将预测定的金属首先加热熔化，而后以缓慢的速度进行冷却，冷速越慢，测的的实际结晶温度便越接近理论结晶温度。
结晶技术
过饱和溶液
让我们再以谷氨酸一钠过饱和 溶解度曲线为例说明过饱和溶 液现象。
对处于60℃、70℃、80℃时， 对几种浓度谷氨酸钠饱和溶液 进行降温，使之进入过饱和状 态，仔细观察（借助放大镜） 降温过程中溶液微观变化（测 定结果见表1）。
第一节 物理与机械分离----结晶
一、结晶的基本概念
1、结晶定义：凡是Байду номын сангаас匀相中形成固体 颗粒者，统称为结晶
结晶是制备纯品的有效方法，由于晶体外 观好，易于被消费者喜爱，一般生产中常 以结晶作为最后一步的精制操作。
比如在食品配料和添加剂都是通过结晶获 得的。如葡萄糖酸，蔗糖、谷氨酸钠等。
➢2、结晶的过程：结晶是指从均匀相中形成 固体颗粒的过程。主要有以下过程：
相反要想使溶质从溶液中析出。则要反方向 来破坏这个动态平衡，使结晶速度大于溶解 速度。
溶液中的溶质含量超过它饱和溶液中溶质含 量时，溶质质点间的引力起着主导作用，它 们彼此靠拢、碰撞、聚集放出能量，并按一 定规律排列而析出，这就是结晶过程。
工业生产上可采用蒸发浓缩，冷却或其他降 低溶解度的方法来破坏溶液的动态平衡，使 溶质结晶。
根据结晶过程中液相与固相即溶液与溶质晶 体之间的关系，
从图7可以看到：曲线α0和曲线α2将图分成三 个区域，即稳定区、不稳定区和介稳区。
不饱和区（溶解区）
曲线α0下方为不饱和溶液，无晶体析出现 象，外加晶体溶解
亚稳区
曲线α0和α2之间为略过饱和溶液，晶核不 会自动形成，但诱导可以产生，若有晶体 存在可以长大
过饱和溶液
通过实验而给出的各种物质溶解度与温度关 系的曲线称为溶解度曲线。
第五章 结晶法
那么，过饱和溶液达到什么程度才会出现结晶呢？ 溶液过饱和的程度用过饱和度α表示 设过饱和度 α=cs/c 式2 α又称过饱和系数。 根据式(1) lncs/c=2σVm/RTrc 可以推导出rc=2σVm/Rtlnα 式3 式3表示与某一过饱和溶液呈相平衡的微小晶体半径，为 此过饱和度下的临界晶体半径。α越大，对应的rc越小 。
1.3 结晶过程的实质
结晶是溶质自动从过饱和溶液中析出，形成新 相的过程。 结晶过程是一个表面化学反应过程。 这一过程不仅包括溶质分子凝聚成固体，还包 括这些分子有规律地排列在一定晶格中，过程 与表面分子化学键力变化有关。
1.4 结晶历史和应用
结晶是一种历史悠久的分离技术，5000年前中 国人已开始利用结晶原理制造食盐。广泛用于 化学工业，在氨基酸、有机酸、抗生素生产过 程中已成为重要的分离纯化手段。 大多数固体产品都是以结晶的形式出售的，因 此，在产品的制造过程中一般都要利用结晶技 术。
因此，调节pH、离子强度和有机溶剂或水浓度是氨基 酸、抗生素等生物产物结晶操作的重要手段。 在物性不同的溶剂中溶质的温度-溶解度曲线是结晶操 作设计的基础。 以上溶解度情况是指大颗粒晶体即普通晶体溶质的饱 和浓度。
从热力学理论可知，与微小液滴的饱和蒸汽压高于正常液 体的饱和蒸汽压等现象的原理一样，微小晶体的溶解度高 于普遍大颗粒晶体的溶解度。这一现象可用下述热力学公 式表达： 凯 尔 文 （
由式3知，即使因溶质分子的碰撞有微小晶体析出，如 果晶体半径rc< r ，根据式(1)可知，此微小晶体的溶解度 cs>c，即该微小晶体会自动溶解。 换句话说，虽然此时溶质的浓度对普通晶体是过饱和的 (cs>c)，但对于半径为rc (<r)的微小晶体仍是不饱和的。 宏观上表现为晶体并未形成。 由式3 ： rc=2σVm/Rtlnα可看出，rc随α的增大而降低。 临界晶体半径r表示： 在某一饱和度下，rc<r的晶体溶解度大于c，自动溶解； rc>r的晶体溶解度小于c，自动生长。
结晶和再结晶的名词解释
结晶和再结晶的名词解释结晶和再结晶是物质在固态下发生的两个重要过程，它们在化学、地质和材料科学等领域中具有广泛的应用。
本文将从理论和实践的角度解释结晶和再结晶的概念、过程和意义。
一、结晶的概念和过程解释结晶是指从溶液、气体或高温状态等其他形式的物态中，通过凝固形成具有有序排列的周期性晶体的过程。
结晶是新相的形成，其中晶体中的原子、离子或分子按照一定的顺序排列，形成了具有规则外形和内部结构的固体。
结晶过程通常是由于物质的过饱和度增加或温度降低而发生的。
在结晶过程中，液相物质逐渐从无序状态向有序状态转变，各个分子、离子或原子按照一定的排列方式重新组合，形成晶体。
结晶过程包括核形成、晶体生长和结晶固体的形成三个阶段。
首先，由于物质的过饱和度增加，形成原始团簇或核，其为各向异性的、小颗粒的无定形物体。
然后，核与液相中的溶质进行结合，逐渐生长并形成晶体。
最后，在合适的环境条件下，成长的晶体之间能够聚合并形成整体结晶固体。
二、再结晶的概念和过程解释再结晶是指已存在的晶体在固态下由于外界条件发生变化而引起的晶体内部重新排列，形成新的晶体结构的过程。
与结晶不同，再结晶过程不需要物质从无序到有序的转变，而是现有晶体内各个原子或晶粒的重新排列。
再结晶通常在比较高的温度下进行，以利于原子或晶粒的迁移。
再结晶的过程主要分为几个阶段。
首先是胚胎形成，此阶段包括界面扩散、固溶体溶解和扩散等过程，以形成能够提供再结晶原子或晶粒的胚胎。
然后是胚胎长大，这个过程中，原有晶体内的晶粒或晶界之间的原子逐渐重排，形成更大的晶粒。
最后是成长与全消失，新晶粒逐渐长大并完全替代原有晶体，实现再结晶的全消失。
三、结晶和再结晶的意义和应用结晶和再结晶过程在科学研究和工业应用中有着重要的意义和丰富的应用。
首先，通过结晶和再结晶可以获得高纯度的物质。
在实际应用中，许多杂质随着结晶的进行被排除，从而得到高纯度的晶体材料。
例如，电子元件中的半导体材料、药物中的纯化过程等都依赖于结晶技术。
45095第九章食品分离技术
2、不纯糖液中蔗糖溶解度用饱和系数表示 不纯糖液中蔗糖溶解度用饱和系数表示
3、过饱和系数：过饱和程度的大小用过饱和 过饱和系数： 系数来表示，符号： 系数来表示，符号： 。
4、溶液的过饱和度与结晶的关系
图中的 AB 线为平衡溶解度曲线 (Solubility Equilibrium curve)或溶解度曲线 或溶解度曲线 CD线代表溶液过饱和而能自发地产生晶核的浓度曲线， 线代表溶液过饱和而能自发地产生晶核的浓度曲线， 线代表溶液过饱和而能自发地产生晶核的浓度曲线 也称过饱和曲线 (Supersolubility curve)或过溶解度 或过溶解度 曲线，它与平衡溶解度曲线大致平行。 曲线，它与平衡溶解度曲线大致平行。这两根曲线将浓 温度图分割为3个区域 度-温度图分割为 个区域。 温度图分割为 个区域。 1、在AB曲线以下是稳定区，在此区中溶液尚末达到饱 曲线以下是稳定区， 、 曲线以下是稳定区 因此没有结晶的可能。 和，因此没有结晶的可能。
稀溶液中水的冻结：这种情形主要用以浓缩溶质， 稀溶液中水的冻结：这种情形主要用以浓缩溶质， 称为冷冻浓缩。 称为冷冻浓缩。 控制结晶操作使制品获得一些流变学特性，例如： 控制结晶操作使制品获得一些流变学特性，例如： 人造奶油中脂肪的结晶控制等。 人造奶油中脂肪的结晶控制等。
二、结晶的基本原理
(一)、晶体的基本概念 1、晶体：是质点（分子、原子或离子）在 晶体：是质点（分子、原子或离子） 空间有规则地排列的固体物质。 空间有规则地排列的固体物质。
(1)食品工业中的结晶过程 (1)食品工业中的结晶过程
从水溶液中结晶：包括两种情况。 从水溶液中结晶：包括两种情况。
一是结晶操作作为获得纯净固体的一种物理分离手段。 一是结晶操作作为获得纯净固体的一种物理分离手段。 例如制造葡萄糖； 例如制造葡萄糖； 另一种是结晶必须加以控制的场合，如蜂蜜中的糖分， 另一种是结晶必须加以控制的场合，如蜂蜜中的糖分， 冰淇淋中的乳糖等。 冰淇淋中的乳糖等。
九年级化学结晶知识点
九年级化学结晶知识点化学是自然科学的一门重要学科，它研究物质的组成、性质和变化规律。
在九年级的化学学习中，结晶是一个重要的知识点。
本文将详细介绍九年级化学结晶知识点，帮助同学们更好地理解和掌握这一内容。
一、结晶的概念与原理结晶是指溶液中溶质由于溶质与溶剂之间的相互作用变得不稳定而析出的过程。
它是物质从溶液或熔融状态由无定形转变为有定形晶体的过程。
结晶的原理主要包括溶质在溶剂中的离解、扩散、溶质与溶剂之间的化学反应和晶体的生长等。
溶液在适当条件下冷却、蒸发或添加其他物质时，溶质随着时间的推移会逐渐从溶液中析出结晶。
二、结晶的条件要使物质成功结晶，在实验操作中需要满足一定的条件。
主要包括：1. 温度条件：通过调节温度来控制溶液中溶质的溶解度，从而实现结晶的过程。
2. 浓度条件：溶液的浓度对结晶过程有直接的影响，不同的浓度有不同的结晶行为。
3. 操作条件：如搅拌、蒸发速率等，对结晶的效果也有影响。
三、结晶的分类根据物质的构成和结晶形式的不同，结晶可以分为无机盐类结晶和有机物结晶两种。
1. 无机盐类结晶：无机盐类结晶是指由金属和非金属组成的化合物在适当条件下从溶液中结晶出来的过程。
常见的无机盐类结晶有硫酸铜、硫酸钠等。
2. 有机物结晶：有机物结晶是指有机化合物在适当条件下从溶液中结晶出来的过程。
有机物结晶多为有机溶剂中进行，如乙醇、丙酮等。
四、结晶的应用结晶在生活中和工业生产中具有广泛的应用价值。
1. 精确化学品制备：通过结晶可以获得纯净的化学物质，保证实验和生产过程的准确性和稳定性。
2. 制药工业：许多药物的制备过程中都需要用到结晶技术，用于提取纯净的药物成分。
3. 食品加工：结晶技术在食品加工中也有很多应用，如食盐的提取、糖类的结晶等。
4. 材料制备：结晶技术可用于材料的纯化和制备，提高材料的性能。
五、结语通过对九年级化学结晶知识点的介绍，我们了解了结晶的概念与原理、结晶的条件、结晶的分类以及结晶的应用。
结晶
• 结晶过程中，体系总的自由能变化分为两部 分，即：表面过剩吉布斯自由能（ΔGs）和 体积过剩吉布斯自由能（ ΔGv） • 晶核的形成必须满足： ΔG= SΔGs+ VΔGv<0 通常ΔGs>0，阻碍晶核形成； ΔGv<0
ΔGv—形成单位体积晶体的吉布斯自由能变化
临界半径与成核功
• 假定晶核形状为球形，半径为r，则ΔGv= 4/3(πr3 ΔGv)；若以σ 代表液固界面的表面 张力，则ΔGs= σ A=4 πr2 σ； • 因此，在恒温、恒压条件下，形成一个半径 为r 的晶核，其总吉布斯自由能的变化为： ΔG=4 πr2(σ+(r/3) ΔGv)
结
晶
结晶：结晶是指固体物质以晶体状态从溶液、 蒸汽或熔融物中析出的过程。熔融结晶和溶 液结晶。 结晶在化工过程中的应用： 1.大宗的无机盐：糖、盐、硝酸铵、尿素等。 糖+盐>100兆吨，化肥 > 1兆吨 2.冶金和材料工业中，结晶也是关键单元操 作。 3.医药等精细化学品。 在高新技术领域中的应用越来越广，如蛋白 质、纳米粒子和超纯材料的制造。
间接换热釜式结晶器 (a)、(b)为内循环式； (c)为外循环式
溶液结晶的类型
• 部分溶剂蒸发法（等温结晶法）
适用于溶解度随温度降低变化不大的体系， 或随温度升高溶解度降低的体系； 方法：
加压、减压或常压蒸馏 例如： 氯化钾、硫酸镁等溶液
溶液结晶的类型
• 真空蒸发冷却法
使溶剂在真空下迅速蒸发，并结合绝热冷 却，是结合冷却和部分溶剂蒸发两种方法的一 种结晶方法。
的几何规律排列，各质点间有力的作用，它是晶体
结构中的键。 • 由于键的存在，质点得以维持在固定的平衡位置上， 彼此保持一定距离，形成空间晶格。
结晶
结晶1.结晶的概念结晶是指固体物质以晶体状态从蒸气、溶液、或者熔融的物质中析出的过程。
它是获得纯净固态物质的一种单元操作。
结晶分为溶液结晶、熔融结晶、升华结晶和沉淀结晶。
在工业生产中大多数结晶是溶液结晶。
2.结晶的特点（1）结晶操作可以从含杂质较多的溶液中分离出高纯度的晶体（形成混晶的情况除外）；（2）因沸点相近的组分其熔点可能有显著差别，故高熔点混合物、相对挥发度小的物系及共沸物、热敏性物质等难分离物系，可考虑采用结晶操作单元；（3）结晶操作能耗低，对设备要求不高，一般无三废排放；（4）结晶产品外观优美，生产操作弹性大。
3. 结晶的基本原理一种物质溶解在另一种物质中的能力叫溶解性，溶解性的大小与溶质和溶剂的性质有关。
相似相容理论认为：溶质能溶解在与它结构相似的溶剂中。
在一定条件下，一种晶体作为溶质可以溶解在某种溶剂之中而形成溶液。
在固体溶质溶解的同时，溶液中同时进行着已溶解的溶质粒子重新变成固体而从溶液中析出的过程，即结晶。
溶解与结晶是可逆过程。
当固体物质与其溶液接触时，如溶液尚未饱和，则固体溶解，；当溶液恰好达到饱和时，固体与溶液达到动态平衡，溶解速度与结晶速度相等，此时溶质在溶剂中的溶解量达到最大限度，如果溶质量超过此限度，则有晶体析出。
4.结晶的相平衡过程结晶过程是溶质由液相转移到固相的传质过程，因此遵循传质的一般规律。
一定条件下，溶质在某溶剂中可以溶解的最大数量称为溶质的溶解度。
溶质的浓度达到溶解度的溶液称为饱和溶液。
浓度超过溶解度的溶液称为过饱和溶液。
溶质可以继续溶解于未饱和溶液中，至其浓度达到溶解度为止。
过饱和溶液析出过多的溶质称为饱和溶液，即结晶只能在过饱和溶液中进行。
S溶解度= f (物质，温度)溶解度表示：溶质在溶液中的质量分数，x%；100kg溶剂中溶解的溶质数，kg溶质/100kg 溶剂；体积质量分数，g/L。
溶解度曲线：以溶解度为纵坐标，温度为横坐标，绘制出溶解度与温度的变化关系曲线。
结晶与重结晶知识
结晶与重结晶知识引言结晶是物质从溶解状态转变为晶体状态的过程。
结晶过程是物质从无序状态到有序状态的转变，常用于纯化和分离物质。
重结晶则是对已结晶的物质再次进行结晶过程，目的是进一步提高物质的纯度。
本文将介绍结晶与重结晶的基本概念、原理、实验操作步骤以及常见应用。
结晶的基本概念和原理结晶是指溶质通过一种或多种方法从溶剂中析出出现晶体形成的过程。
结晶过程是通过控制温度、溶剂、浓度等条件来使溶质在溶剂中逐渐凝聚形成晶体的过程。
结晶的基本原理是溶质在溶剂中溶解后，当溶液中的溶质浓度超过了其饱和溶解度时，溶质就会逐渐成核结晶。
结晶的实验操作步骤1.准备好所需的溶剂、溶质和容器。
2.将溶质逐渐加入溶剂中，搅拌使其充分溶解。
3.按照一定的速度加热溶液，直到达到饱和溶解度。
4.关闭加热源，让溶液自然冷却。
5.观察溶液中是否出现晶体，如果有晶体形成则为结晶成功。
重结晶的基本概念和原理重结晶是指对已经结晶的物质再次进行结晶过程。
重结晶通常用于提高物质的纯度，去除杂质。
重结晶的原理是通过控制溶液的饱和度来使杂质无法溶解，并且在恰当的条件下将溶质重新结晶，从而实现纯度的提高。
重结晶的实验操作步骤1.将已结晶的物质与溶剂加入容器中，并逐渐加热搅拌使其溶解。
2.小心过滤溶液，去除杂质。
3.轻轻加热过滤后的溶液，待溶液达到饱和度时停止加热。
4.关闭加热源，让溶液自然冷却，进一步促使溶质结晶。
5.进行过滤分离，收集晶体并用冷溶剂洗涤。
6.通过干燥或者真空抽滤使晶体脱水得到纯净的结晶物质。
结晶与重结晶的常见应用1.制药工业：结晶和重结晶在药物的纯化和制备过程中起着重要的作用，可以提高药物的纯度和稳定性。
2.化学实验室：结晶和重结晶是化学实验常用的分离和纯化方法，可以用于分离有机物、盐类和金属离子等。
3.生物技术：结晶和重结晶技术在生物技术中，如蛋白质的纯化和结晶方面具有广泛的应用。
4.工业生产：结晶和重结晶技术在化工、食品、矿产等工业生产中都有广泛的应用，用于纯化产品和提高产品质量。
结晶的具体概念
结晶的具体概念
结晶是指物质由液态、气态或溶液状态向固态过渡的过程，在此过程中，物质中的微观粒子逐渐排列有序并形成具有一定结构的晶体。
结晶是化学、物理和材料科学中一个非常重要的概念，涉及到我们日常生活中大量的化学品和材料。
在结晶过程中，物质中的原子、分子或离子会通过吸引力和排斥力相互作用，逐渐排列有序形成晶体。
晶体具有一定的几何形状和内部结构，这种结构性的有序性是晶体与非晶体相比的最显著的特点之一。
晶体的形态是由晶体内部排列的微观粒子的空间组织所决定的，不同的晶体可能有不同的形状。
结晶过程中，存在着许多因素会影响晶体的形态和结构，例如温度、压力、物质成分、搅拌强度、溶剂等。
对于同一种物质，结晶条件的不同可能会导致晶体形态和内部结构的不同。
因此，控制结晶条件对于制备理想的晶体具有至关重要的作用。
结晶技术是一种常见而又重要的分离、纯化技术。
通常，结晶用于制备高纯度的单一化合物，以及从混合物中分离出所需的物质。
因为不同的化合物具有不同的物理化学性质，所以调节结晶条件可以获得特定纯度的晶体。
此外，因为结晶在制备晶体管和半导体器件中是一个关键步骤，因此结晶还被广泛应用于电子器件制造、制药工业、化学工业、冶金工业等领域。
总之，结晶是一种重要的化学和物理过程，它涉及到了许多各种化学品和材料的
制备和应用。
通过控制结晶条件，可以获得高质量和纯度的晶体。
结晶技术是现代化学和物理学的重要组成部分，对于材料科学和工业制备具有重要的意义。
化学化工-结晶
结晶的步骤
• 过饱和溶液的形成
• 晶核的形成
• 晶体生长
其中，溶液达到过饱和状态是结晶的前 提；过饱和度是结晶的推动力。
8.3 结晶机理和动力学
1、曲线S和曲线T含义 2、稳定区、亚稳区和 不稳区得特点 3、超溶解度曲线的特 点 4、欲结晶物系B的结晶
方法
图8-2 超溶解度曲线及介稳区 曲线S — 饱和溶液；曲线T — 超溶解度曲线
结晶的特点 1. 产品纯度高：结晶过程中，物质
只能在同种物质上生长，因此结晶可 得到高纯的固体产品。 2. 可分离难分离的物系：同分异构体 混合物、共沸物、和热敏物质。 3. 能耗低，操作条件安全。结晶热仅 为蒸发潜热的1/3 – 1/10。
结晶的特点
4. 过程复杂，涉及到多相、多组分的 传热和传质过程及表面反应，尚有晶 粒粒度分布等问题。 5. 结晶过程的缺点是收率低，且结晶 母液的处理往往很麻烦。
稳定区和亚稳定区
• 在温度-溶解度关系图中，SS曲线下方为稳定 区，在该区域任意一点溶液均是稳定的；
• 而在SS曲线和TT曲线之间的区域为亚稳定区， 此刻如不采取一定的手段（如加入晶核），溶 液可长时间保持稳定； • 加入晶核后，溶质在晶核周围聚集、排列，溶 质浓度降低，并降至SS线； • 介于饱和溶解度曲线和过饱和溶解度曲线之间 的区域，可以进一步划分刺激结晶区和养晶区
Kn—晶核形成速度常数
n
（工业中经常使用的经验关联式） C—溶液中溶质的浓度
C*—饱和溶液中溶质的浓度
n—成核过程中的动力学指数，由具体的物理性质和流
体力学条件而定，一般大于2。
二次成核
在已有晶体存在条件下形成晶核成称为二次 成核，这是绝大多数结晶器工作的主要成核 机理。二次成核决定产品的粒度分布，控制 二次成核速率是工业结晶过程最重要的操作
纯金属结晶
2）形核的方式 （1）自发形核
从过冷液体中直接产生晶核， 但需要很大的过冷度。
Fe 需要ΔT = 295℃； Ni 需要ΔT = 319℃。
（2）非自发形核
依附于杂质微粒的表面或容器 壁表面产生的核；
过冷度小10 ~ 30℃； 为主导形核方式。
2、晶粒长大
1) 以枝晶状长大； 2）有选择性：散热条件好的方 向利于长大。
第一次
练
习
1、零件设计时，选取σb还是选取σs ，应以什么情况为依据？ 2、常用的测量硬度方法有几种？其应 用范围如何？ 3、实际金属晶体中存在哪些晶体缺陷 ，它们对金属性能有哪些影响？ 4、晶粒大小对金属性能有何影响？如 何细化晶粒？
五、凝固新技术 1、单晶的制备 垂直提拉法和尖端形核法。
石英管 籽晶 Biblioteka 体感应线圈感 应 线 圈
绝热层 溶体
晶体
石英
坩埚 热电偶 模子
2、急冷凝固技术
平面流铸造法
1 - 扁平导流嘴
2 - 轧辊 3 – 铸造金属
熔体拖拉法
快速凝固雾化法
双辊雾化法
3、定向凝固
下降功率法
快速逐步凝固法
形核率（N）：单位时间单位体 积内形成晶核的数目。
长大速度（G）：晶核在单位时 间内生长的长度。
N/G↑ → 晶粒愈细小
2）控制晶粒度的方法
（1）增加过冷度
冷 却 速 度 ↑ → ΔT↑→ N/G↑ → 晶粒愈细小。
降低铸造温度； 用金属型铸造代替砂型。
当冷却速度 >
2~4 10 ℃/s
低于理论结晶温度(T0)的现象。 即在T0以下金属仍处于液态。
结晶的介绍
指数j、l和b是受操作条件影响的常数。结晶过程中，总成核速率 B0即单位时间单位容积溶液中新生核数目，可表达为 B0=B1+B2 在某些情况下上式可简化为
三、晶体生长
在过饱和溶液中有晶核形成后，以过饱和度为推动力，溶质 分子或离子继续一层层排列上去而形成晶粒，这种晶核长大的现 象称为晶体生长。常用较为简单的传质理论来描述晶体生长过程。
对应于一个结点的若干个质点 间组合，称为结构基元，这些 基元按空间点阵排列就构成了 晶体结构．
4.晶体结构的描述 ①密堆积方法：对于球体的堆积模型，要求球体间相互作 最紧密的堆积 • ②空间填充多面体方法：晶体结构也可看作是由各种形式 的配位多面体共用顶点、边和面相互联结而形成的一种三维 体系，或者说晶体结构可以用按一定规则填充的配位多面体 来描述．
结晶动力学
晶核形成模式大体分为两类：（1）初级成核，又分为均 相成核和非均相成核；（2）二次成核，又分为流体剪应力、 磨损和接触成核。在工业结晶过程中，一般控制二次成核为 晶核主要来源。只有在超徽粒制造中，才依靠初级成核过程 爆发成核。晶核的大小粗估为纳米至数十微米的数量级。 1. 初级成核 初级均相成核发生于无晶体或任何外来微粒存在的条 件下。在高度过饱和溶液中，大量溶质单元（原子、分子 聚和逐出溶剂分子都需要能量，也就是控制成核 动力学的能量势垒。 Kelvin方程描述了临界晶核粒度与溶液过饱和度之间的 关系：
主要内容
结晶机理和动力学
晶体构造理论 结晶过程与设备
结晶机理和动力学
• 为什么能形成结晶？
结晶过程
溶质从溶液中结晶的推动力是一种浓度差，称为溶液的过饱和度。结晶 过程经历两个步骤：首先要产生微观的晶粒(晶核)作为结晶的核心，产生晶 核的过程称为成核。然后是晶核长大，成为宏观的晶体，该过程称为晶体生 长。 熔融结晶是根据待分离物质之间的凝固点不同而实现物质结晶分离的过 程，推动力是过冷度。熔融结晶有不同的操作模式：一种是在冷却表面上沉 析出结晶层固体，另一种是在熔融体中析出处于悬浮状态的晶体粒子。熔融 结晶主要应用于有机物的分离提纯。 相平衡与溶解度（已学） 任何固体物质与其溶液相接触时，如溶液尚未饱和，则固体溶解，如溶液 过饱和，则逾量部分迟早将会析出，但如溶液恰好达到饱和，则溶解与析 出的速率相等，达到平衡，可用固体在溶液中的溶解度来表示，常用溶解 度对温度所标绘的曲线来表示。
化工原理-结晶课件
u一般对晶核的形成有抑制作用
u对晶体的成长速率的影响较为复杂，有的杂质能抑制 晶体的成长，有的能促进成长。
13
(五) 工业结晶方法与设备
一、 结晶方法分类 (1)冷却结晶 (2)移除部分溶剂结晶
二、 工业结晶器
真空式结晶器
14
15
10
MSZW(no solids)
超溶解度曲线
不稳区
C ED
介稳区宽度MSZW
B A (with solids)
溶解度曲线 稳定区
浓度
温度
溶液的过饱和与超溶解度曲线
• 在稳定区(不饱和区)晶体的成核和生长不会产生，也就 是，溶质溶解，不会从溶液中结晶出来;
• 在介稳区，自发成核不会产生，但当晶种存在时，二次成 核、晶体的生长会发生;
的一种重要的分离方法。
例如：
岩白菜素(溶液)
加热蒸发
岩白菜素(饱和液)
①降温 ②蒸发溶剂
溶液结晶 岩白菜素(晶体)
苯甲酸－萘(混熔物) 降温
苯甲酸(晶体)+ 混熔物
硫(固体)
加热升华
降温
硫(蒸气)
硫(结晶)
3
2.结晶操作的类型
熔融 结晶
溶液 结晶
结晶
F还可分为间歇式和连续式。
F还分为无搅拌式和有搅拌式。
化工原理
结晶
1
结晶
结晶的 基本 概念
相平衡 与溶解 度
溶液的 过饱和 与介稳区
结晶 机理与 动力学
工业结 晶方法 与设备
2
(一) 结晶的基本概念
1.什么是结晶
所谓结晶是指物质以晶体的状态从溶液、熔融混合物或蒸气中析出的过 程称为结晶(crystallization)，结晶是生物化工生产中，获得纯固态物质
结晶与分离技术
过饱和现象的表示方法：
C C C
式中：
C —溶度差过饱和度，Kg溶质/100Kg溶剂； C—操作温度下的过饱和浓度，Kg溶质/100Kg溶剂； C*—操作温度下的溶解度，Kg溶质/100Kg溶剂。
t t t
式中： △t—温度差过饱和度，K； t*—该溶液在饱和状态时所对应的温度，K； t—该溶液经冷却达到过饱和状态时的温度，K。
通常只有同类的分子或离子才能进行有规律的排列，故结晶过程有 高度的选择性。
结晶过程是复杂的，晶体的大小不一，形状各异，形成晶簇等现象， 因此有时需要重结晶。
结晶水
若物质结晶时有水合作用，则所得晶体中有一定数量的溶 剂分子，成为结晶水。
结晶水的含量不仅影响晶体的形状，也影响晶体的性质。
பைடு நூலகம்
二、结晶过程的相平衡
结晶分离技术
一、概念
结晶：指物质从液态（溶液或熔融体）或蒸汽形成 晶体的过程。
是获得纯净固态物质的重要方法之一。 结晶的方式有：①气体结晶，如火山口硫蒸气冷凝形成硫磺晶体；② 液体结晶，如盐湖中因蒸发使溶液达到过饱和而结晶出石盐、硼砂等， 又如岩浆熔融体因冷却而结晶出长石、石英、云母等晶体；③固态非 晶质结晶，如非晶质的火山玻璃质经过晶化而形成结晶质的石髓。
1．过饱和度的影响： 适宜的过饱和度一般由实验测定 过饱和度值应大至使结晶操作控制在介稳区内，又保持较高的晶 体生长速率，使结晶高产而优质。
2．冷却（蒸发）速度的影响
冷却 最常 用
实现溶液过饱和的方法
蒸发 化学反应
快速冷却或蒸发 缓慢冷却或蒸发 3．晶种的影响
大量细小的晶体 大而均匀的晶体
工业生产中的结晶操作一般都是在人为加入晶种的情况下进行的。
结晶现象的原理与发生步骤
引言概述结晶现象是物质在一定条件下由液体或气体转变为固体的过程。
对于许多科学领域而言，了解结晶的原理和发生步骤是至关重要的，因为结晶现象广泛应用于化学、材料科学、地球科学等领域。
本文将深入探讨结晶现象的原理和发生步骤，希望读者能够更加理解这一现象。
正文内容一、原理1.结晶的定义和基本概念结晶是一种物质由无序状态变为有序结构的过程。
在结晶中，原子、分子或离子按照一定的规律排列，形成晶粒。
2.结晶的热力学基础结晶的发生需要克服固体与液体之间的能量差，即自由能差。
当自由能差为负时，结晶就能发生。
3.结晶的动力学过程结晶的动力学过程指的是物质从高能量状态转变为低能量状态的过程。
这个过程涉及到核化、生长和形态发生等多个步骤。
4.结晶的驱动力驱动结晶过程的因素有很多，如温度、溶剂性质、溶质浓度、杂质等。
不同的系统对这些因素的响应也大不相同。
5.结晶的种类结晶现象可分为物理结晶和化学结晶。
物理结晶是由于温度或浓度变化引起的，而化学结晶则是由于化学反应引起的。
二、发生步骤1.核化核化是结晶的第一步，指的是液体中出现起始晶核。
起始晶核的形成需要克服活化能的影响，活化能越低，核化速度越快。
2.生长晶核后，它们会通过吸收周围溶液中的溶质来增大尺寸，形成晶体的过程被称为生长。
生长速度受到温度、浓度、溶液饱和度等因素的影响。
3.晶体形态发生晶体形态发生是指晶体在生长过程中的形状改变。
形态发生的原因有很多，如溶剂对溶质的影响、晶体生长速度的变化等。
4.晶体合并晶体合并是指在结晶过程中，颗粒之间发生相互迁移和接触，形成更大晶体的过程。
合并的影响因素包括温度、浓度、晶体形态等。
5.晶体分散晶体分散是指结晶过程中，固体晶体颗粒由于能量分散、扩散等原因发生分离的过程。
晶体分散会导致空心晶体、多晶晶体等形成。
结尾总结结晶现象的原理与发生步骤是一个复杂且多变的过程。
通过了解结晶的原理，我们能够更好地理解和控制结晶现象，在化学工业和材料科学等领域有更广泛的应用。
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凯尔文（Kelvin）公式
2σM ln = c * RTρr c
C*---小晶体的溶解度； ---小晶体的溶解度 小晶体的溶解度；
C---颗粒半径为r的溶质溶解度 颗粒半径为r的溶质溶解度 颗粒半径为 σ---固体颗粒与溶液间的界面张力； 固体颗粒与溶液间的界面张力； 固体颗粒与溶液间的界面张力 ρ---晶体密度 晶体密度
Gv—形成单位体积晶体的吉布斯自由能变化
临界半径（rc）
临界晶核半径是指G为最 临界晶核半径是指 为最 大值时的晶核半径； 大值时的晶核半径； r<rc 时， Gs占优势，故 占优势， G>0，晶核不能自动形成； G>0，晶核不能自动形成； r>rc 时， Gv占优势，故 占优势， G<0，晶核可以自动形成， ，晶核可以自动形成， 并可以稳定生长； 并可以稳定生长；
R---气体常数； 气体常数； 气体常数 T---绝对温度 绝对温度
结晶过程的实质
结晶是指溶质自动从过饱和溶液中析 形成新相的过程。 出，形成新相的过程。 这一过程不仅包括溶质分子凝聚成固 体，还包括这些分子有规律地排列在 一定晶格中， 一定晶格中，这一过程与表面分子化 学键力变化有关； 学键力变化有关； 因此，结晶过程是一个表面化学反应 因此，结晶过程是一个表面化学反应 过程。 过程。
扩散方程
扩散过程
dm = k d A (c ci ) dt
表面反应过程
dm * = k r A(ci c ) dt
Kd—扩散传质系数
dm — 质量传递速度 dt
Kr—表面反应速度常数 C，Ci，C*—分别为溶液主体 浓度、溶液界面浓度、溶液饱 和浓度
将以上二式合并， 将以上二式合并，可以得到总的质量传递 速度方程： 速度方程：
过饱和度
临界晶体半径
r<rc 晶体自动溶解 r＞rc晶体自动生长
临界成核功（ G max）
G max相当于形成临界大小晶核时，外界 相当于形成临界大小晶核时， 需消耗的功。 需消耗的功。
Gmax
1 = Gs 3
临界成核功仅相当于形成临界半径晶核时表面吉布斯自由能的 1/3，亦即形成晶核时增加的G s中有2/3为G v的降低所抵 消．
只有同类分子或离子才能排列成晶体， 只有同类分子或离子才能排列成晶体， 因此结晶过程有良好的选择性。 因此结晶过程有良好的选择性。 通过结晶， 通过结晶，溶液中大部分的杂质会留 在母液中，再通过过滤、洗涤， 在母液中，再通过过滤、洗涤，可以 得到纯度较高的晶体。 得到纯度较高的晶体。 结晶过程具有成本低、设备简单、 结晶过程具有成本低、设备简单、操 作方便，广泛应用于氨基酸、有机酸、 作方便，广泛应用于氨基酸、有机酸、 抗生素、维生素、核酸等产品的精制。 抗生素、维生素、核酸等产品的精制。
温度与溶解度的关系
由于物质在溶解时要吸收热量、 由于物质在溶解时要吸收热量、结晶 时要放出结晶热。因此， 时要放出结晶热。因此，结晶也是一 个质量与能量的传递过程， 个质量与能量的传递过程，它与体系 温度的关系十分密切。 温度的关系十分密切。 溶解度与温度的关系可以用饱和曲线 和过饱和曲线表示
影响溶液过饱和度的因素
临界半径与成核功
假定晶核形状为球形，半径为 ， 假定晶核形状为球形，半径为r，则 Gv=4/3(πr3 Gv)；若以 代表液固界面的 ；若以σ代表液固界面的 表面张力， 表面张力，则Gs= σ A=4 πr2 σ； ； 因此，在恒温、恒压条件下， 因此，在恒温、恒压条件下，形成一个半径 为r 的晶核，其总吉布斯自由能的变化为： 的晶核，其总吉布斯自由能的变化为： G=4 πr2(σ+(r/3) Gv)
晶核的成核速度
定义： 定义：单位时间内在单位体积溶液中 生成新核的数目。 生成新核的数目。 是决定结晶产品粒度分布的首要动力 学因素； 学因素； 成核速度大： 成核速度大：导致细小晶体生成 因此， 因此，需要避免过量晶核的产生
成核速度的近似公式
B = ke
B—成核速度 K—常数
G max / RT
化学反应结晶 加入反应剂产生新物质，当该新物质 加入反应剂产生新物质， 的溶解度超过饱和溶解度时， 的溶解度超过饱和溶解度时，即有晶 体析出； 体析出； 其方法的实质是利用化学反应， 其方法的实质是利用化学反应，对待 结晶的物质进行修饰， 结晶的物质进行修饰，一方面可以调 节其溶解特性， 节其溶解特性，同时也可以进行适当 的保护； 的保护；
dm = KA(c c*) dt
其中
1 1 1 = + K kd kr
很大时， 近似等于 近似等于K 当Kr很大时，K近似等于 d，结晶过程由 扩散速度控制； 扩散速度控制； 反之K 很大， 近似等于 近似等于K 反之 d很大，K近似等于 r，结晶过程由 表面反应速度控制； 表面反应速度控制；
Ｌ定律： 定律： 为了简化方程的应用， 为了简化方程的应用，可以假定晶体在各 个方向的生长速率相同， 个方向的生长速率相同，这样就可以任意 选择某一方向矢量的变化， 选择某一方向矢量的变化，来衡量晶体体 积的变化，公式就可以简化为： 积的变化，公式就可以简化为：
结晶过程中， 结晶过程中，体系总的自由能变化分为两 部分， 表面过剩吉布斯自由能（ 部分，即：表面过剩吉布斯自由能（Gs） 和体积过剩吉布斯自由能（ 和体积过剩吉布斯自由能（ Gv） 晶核的形成必须满足： 晶核的形成必须满足： G= Gs+ Gv<0 通常Gs>0，阻碍晶核形成； Gv<0 通常 ，阻碍晶核形成；
Gmax—成核时临界吉布斯自由能
B = k n (c c )
n
Kn—晶核形成速度常数
c—溶液中溶质的浓度
C*—饱和溶液中溶质的浓度 n—成核过程中的动力学指数
常用的工业起晶方法
自然起晶法：溶剂蒸发进入不稳定区形
成晶核、当产生一定量的晶种后， 成晶核、当产生一定量的晶种后，加入稀 溶液使溶液浓度降至亚稳定区， 溶液使溶液浓度降至亚稳定区，新的晶种 不再产生，溶质在晶种表面生长。 不再产生，溶质在晶种表面生长。 将溶液蒸发至亚稳定区后， 刺激起晶法：将溶液蒸发至亚稳定区后， 冷却，进入不稳定区，形成一定量的晶核， 冷却，进入不稳定区，形成一定量的晶核， 此时溶液的浓度会有所降低， 此时溶液的浓度会有所降低，进入并稳定 在亚稳定的养晶区使晶体生长。 在亚稳定的养晶区使晶体生长。
过饱和度S： 过饱和度
c S = c*
最先析出的微小颗粒是以后晶体的中心，称为晶核。 最先析出的微小颗粒是以后晶体的中心，称为晶核。
晶体的形成过程： 晶体的形成过程： 过饱和溶液的形成 晶核的形成 晶体生长 其中，溶液达到过饱和状态是结晶的前提； 其中，溶液达到过饱和状态是结晶的前提；过 饱和度是结晶的推动力。 饱和度是结晶的推动力。
Ws = W p ( Ls / L p )
3 3
Ws，Wp—晶种和产品的质量，kg Ls，Lp—晶种和产品的尺寸，mm
２３．４ 晶体的生长
晶体生长的扩散学说 （1）溶质通过扩散作用穿过靠近晶体表面 的一个滞流层， 的一个滞流层，从溶液中转移到晶体的表 面； 到达晶体表面的溶质长入晶面， （2）到达晶体表面的溶质长入晶面，使晶 体增大，同时放出结晶热； 体增大，同时放出结晶热； 结晶热传递回到溶液中； （3）结晶热传递回到溶液中；
AFM下的抗生素晶体 AFM下的抗生素晶体
AFM下的抗生素晶体层 AFM下的抗生素晶体层
23.1结晶过程分析
饱和溶液： 饱和溶液：当溶液中溶质浓度等于该 溶质在同等条件下的饱和溶解度时， 溶质在同等条件下的饱和溶解度时， 该溶液称为饱和溶液； 该溶液称为饱和溶液； 过饱和溶液： 过饱和溶液：溶质浓度超过饱和溶解 度时，该溶液称之为过饱和溶液； 度时，该溶液称之为过饱和溶液； 溶质只有在过饱和溶液中才能析出； 溶质只有在过饱和溶液中才能析出； 溶质溶解度与温度、溶质分散度（ 溶质溶解度与温度、溶质分散度（晶 体大小）有关。 体大小）有关。
盐析结晶
加入一种物质于溶液中， 加入一种物质于溶液中，使溶质的 溶解度降低， 溶解度降低，形成过饱和溶液而结 晶的方法。 晶的方法。 常用的沉淀剂：固体氯化钠、甲醇、 常用的沉淀剂：固体氯化钠、甲醇、 乙醇、 成核：无晶种存在。 初级成核：无晶种存在。均相成核和非 均相成核。 均相成核。 二次成核：有晶种存在。 二次成核：有晶种存在。剪切力成核和 接触成核。 接触成核。 晶核的形成是一个新相产生的过程， 晶核的形成是一个新相产生的过程，需 要消耗一定的能量才能形成固液界面； 要消耗一定的能量才能形成固液界面；
饱和曲线是固定的 不饱和曲线受搅拌、搅拌强度、晶种、 不饱和曲线受搅拌、搅拌强度、晶种、 晶种大小和多少、 晶种大小和多少、冷却速度的快慢等 因素的影响
结晶与溶解度之间的关系
晶体产量取决于溶液与固体之间的溶 析出平衡； 解—析出平衡； 析出平衡 固体溶质加入未饱和溶液——溶解； 溶解； 固体溶质加入未饱和溶液 溶解 固体溶质加入饱和溶液——平衡 固体溶质加入饱和溶液 平衡 （Vs=Vd） 固体溶质加入过饱和溶液——晶体析 固体溶质加入过饱和溶液 晶体析 出
23结 晶 Crystallization
结晶的概念
溶液中的溶质在一定条件下， 溶液中的溶质在一定条件下，因分子有规则 的排列而结合成晶体，晶体的化学成分均一， 的排列而结合成晶体，晶体的化学成分均一， 具有各种对称的晶体， 具有各种对称的晶体，其特征为离子和分子 在空间晶格的结点上呈规则的排列 固体有结晶和无定形两种状态 结晶：析出速度慢， 结晶：析出速度慢，溶质分子有足够时间进 行排列， 行排列，粒子排列有规则 无定形固体：析出速度快，粒子排列无规则无定形固体：析出速度快，粒子排列无规则 沉淀
部分溶剂蒸发法（等温结晶法） 部分溶剂蒸发法（等温结晶法） 适用于溶解度随温度降低变化不大的 体系， 体系，或随温度升高溶解度降低的体 系； 加压、 加压、减压或常压蒸馏