Krystalizace, sublimace Střední odborná škola Otrokovice Krystalizace, sublimace Autorem materiálu a všech jeho částí, není-li uvedeno jinak, je ing. Emil Vašíček Dostupné z Metodického portálu www.rvp.cz, ISSN: 1802-4785, financovaného z ESF a státního rozpočtu ČR. Provozováno Výzkumným ústavem pedagogickým v Praze. www.zlinskedumy.cz
Charakteristika DUM Název školy a adresa Střední odborná škola Otrokovice, tř. T. Bati 1266, 76502 Otrokovice Číslo projektu CZ.1.07/1.5.00/34.0445 /2 Autor Ing. Emil Vašíček Označení DUM VY_32_INOVACE_SOSOTR-Gu-CHTe/1-PV-3/18 Název DUM Krystalizace, sublimace Stupeň a typ vzdělávání Středoškolské vzdělávání Kód oboru RVP 28-52-H/01 Obor vzdělávání Gumař-plastikář Vyučovací předmět Chemická technika Druh učebního materiálu Výukový materiál Cílová skupina Žák, 15 – 16 let Anotace Výukový materiál je určený k frontální výuce s doplňujícím výkladem vyučujícího; náplň: krystalizace, fázový diagram, krystalizace chlazením, krystalizace odpařením, sublimace Vybavení, pomůcky Dataprojektor Klíčová slova Krystalizace, fázový diagram, chlazeni, odpařování, sublimace Datum 9. 2. 2013
Krystalizace, sublimace Náplň výuky (obsah hodiny) Krystalizace Fázový diagram voda + sůl Krystalizace chlazením Krystalizace odpařováním Sublimace
Krystalizace [1] Krystalizace (růst krystalů, vytváření pravidelné struktury) – druh fázové přeměny, při které dochází k pravidelnému uspořádání částic do krystalové mřížky. Snadno krystalizují látky s jednoduchou atomovou strukturou (kovy, jednoduché iontové a kovalentní látky) Obtížně krystalizují polymery a jiné látky s makromolekulárními řetězci Obr. 1: 3D model iontového krystalu Na(modrá)-Cl(zelená)
Krystalizace [2] Při krystalizaci vzniká z neuspořádané (energeticky bohatší) soustavy (roztoku) soustava energeticky chudší (krystaly a matečný louh). Rozdíl energií se projeví jako krystalizační teplo. Na fázovém diagramu voda + sůl je krystalizace podmíněna překročením křivky nasycení. Když chladíme nenasycený roztok o nižší koncentraci soli, než je eutektická, začnou se nám vylučovat krystalky ledu. Když vycházíme z nenasyceného roztoku, jehož koncentrace je vyšší než eutektická, budou se nám po překročení křivky nasycenosti vylučovat krystalky soli. Obr. 2: krystal NaCl
Fázový diagram voda + sůl Podmínky krystalizace: překročení křivky nasycenosti a vytvoření krystalizačních zárodků Překročení křivky nasycenosti z roztoku (R) odpařováním vody (tím se zvýší koncentrace soli; v grafu směr 1) chlazením roztoku (směr 2) kombinací obou (směr 3) voda 100 % sůl 100 % T [°C] TE Jen krystaly vody i soli Nasycený + krystaly vody Nasycený roztok + krystaly soli Nenasycený roztok TV TS R 2 1 3 E Fázový diagram vyjadřuje závislost koncentrace soli v roztoku (vodorovná osa) na teplotě (svislá osa). TS – teplota tání soli TV – teplota tání vody TE – teplota eutektického bodu E – eutektický bod Obr. 3: fázový diagram
Krystalizační zárodky Vytvoření krystalizačních zárodků: Nukleace – překročením křivky nasycenosti až do labilní oblasti vznikají krystalizační zárodky spontánně Naočkování – v metastabilní oblasti se vnesou zárodky krystalů, dochází pak k růstu vložených krystalů (lze vypěstovat i velmi velké krystaly) Oblast stabilní metastabilní labilní Krystalizace se provádí chlazením odpařováním kombinací Obr. 5: krystal ametystu 6x12 cm Obr. 4: oblasti stability
Krystalizace chlazením Získání krystalů při ochlazení směsi heterogenní směs krystalů a matečného roztoku se oddělí v odstředivce či filtrací krystaly se usadí v krystalizátoru, odkud se odvádějí Používají se tyto chladicí krystalizátory korytový duplikátorový s vysunutým chladičem rotační šupinkový Obr. 6: chlazený krystalizátor
Korytový krystalizátor Korytové krystalizátory mají tvar koryta (žlabu) s dvojitým pláštěm chlazeným vodou. Do koryta se přivádí horký nasycený roztok (chladí se vodou ve dvojitém plášti, vzduchem a případně i vodou chlazeným dutým šnekem), na opačné straně se z koryta odvádí směs krystalů a matečného louhu. Korytové krystalizátory se vyrábí jak jednošnekové tak i vícešnekové. Obr. 7: historický jednošnekový korytový krystalizátor z cukrovaru Všetuly
Duplikátorový krystalizátor horký roztok voda Duplikátorový krystalizátor je přetržité (diskontinuální) zařízení. Do duplikátoru (dvouplášťová válcová nádoba chlazená vodou) se přivádí horký roztok. Míchadlo napomáhá lepšímu chlazení a seškrabuje ze stěn krystaly. Vzniklá směs (krystaly a matečný louh) se po vypuštění dolním hrdlem oddělí na odstředivce. Obr. 8: duplikátorový krystalizátor
Krystalizátor s vysunutým chladičem Pracuje kontinuálně: čerpadlo žene horký roztok přes chladič umístěný vně krystalizátoru (chlazení vodou), vzniklé krystaly vrácené do krystalizátoru klesnou ke dnu, odkud se vypouští. Roztok horký roztok voda chladič krystalizátor Obr. 9: vysunutý chladič
Rotační šupinkový krystalizátor Používá se pro krystalizaci z taveniny. Vodou chlazený válec se otáčí namočený v tavenině, která na povrchu válce ztuhne a při seškrabávání nožem tvoří šupinky. Obr. 10: rotační šupinkový krystalizátor
Krystalizace odpařováním Používá se tehdy, když se rozpustnost při zahřívání jen málo zvyšuje. Principem odpařování a konstrukci odparek je věnována prezentace VY_32_INOVACE_DSO3PV12 – Odpařování a sušení takže bez bližších podrobností jen přehled typů odparek Obr. 11: s přirozenou cirkulací Obr. 12: s nucenou cirkulací Obr. 13: s kapalinovým filmem
Kombinovaná krystalizace Roztok Je to krystalizace se současným chlazením a odpařováním. Příkladem zařízení je vakuový krystalizátor s cirkulací roztoku: horký roztok přivede čerpadlo do nádoby se sníženým tlakem (vakuová komůrka). Roztok začne vřít a ochlazuje se (teplo k odpaření si bere sám ze sebe) – adiabatický děj. Krystaly padají do krystalyzátoru, odebírají se dnem. Podtlak udržuje vývěva. Obr. 14: vakuový krystalizátor
Obr. 16: resublimovaný jod Sublimace Při sublimaci se tuhá látka mění přímo v páry (plynné skupenství). Používá se na oddělení nečistot z pevných látek (je jedno, která část sublimuje). Příklad: čištění jódu Teplo Pára Zbytek Surovina Vývěva Chlazení Retorta Kondenzátor Produkt Obr. 15: jednoduchá sublimace Obr. 16: resublimovaný jod
Kontrolní otázky: Na jakém principu je založena krystalizace? Co to je fázový diagram? Jak pracuje duplikátorový krystalizátor pro krystalizaci chlazením?
Seznam obrázků: Obr. 1: Benjah-bmm27. Sodium-chloride-3D-ionic. In: Wikipedia: otevřená encyklopedie [online]. 2007 [cit. 9. 2. 2013]. Dostupné z: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Sodium-chloride-3D-ionic.png Obr. 2: Rob Lavinsky. Halite-36944. In: Wikipedia: otevřená encyklopedie [online]. 2010 [cit. 9. 2. 2013]. Dostupné z: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Halite- 36944.jpg Obr. 3: vlastní Obr. 4: vlastní Obr. 5: Eurico Zimbres. Amethist_quartz. In: Wikipedia: otevřená encyklopedie [online]. 2005 [cit. 9. 2. 2013]. Dostupné z: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Amethist_quartz.jpeg Obr. 6: Elmschrat Coaching38. 1-cooling-crystallizer-schladen. In: Wikipedia: otevřená encyklopedie [online]. 2011 [cit. 9. 2. 2013]. Dostupné z: http://en.wikipedia.org/wiki/File:1-cooling-crystallizer-schladen.JPG Obr. 7: vlastní Obr. 8: vlastní Obr. 9: vlastní
Seznam obrázků: Obr. 10: vlastní Obr. 11: vlastní Obr. 12: vlastní Obr. 16: Sato. Resublimiertes Iod. In: Wikipedia: otevřená encyklopedie [online]. 2011 [cit. 9. 2. 2013]. Dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Resublimiertes_Iod_in_Pl%C3%A4tt chenform.jpg
Seznam použité literatury: [1] Wikipedie: otevřená encyklopedie. WIKIMEDIA FOUNDATION. Krystalizace [online]. 2013 [cit. 9. 2. 2013]. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/Krystalizace [2] HRANOŠ PŘEMYSL. Stroje a zařízení v chemickém průmyslu: studijní text pro SPŠCH. Ostrava: nakladatelství Pavel Klouda, 2001. ISBN 80-902155-7-2.
Děkuji za pozornost