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漫话“结晶” 苏教版《实验化学》（选修）第一单元 课题3《硝酸钾晶体的制备》是工业制取硝酸钾过程的实验室简单再现。结晶是一个重要的化工过程，大量化工产品及中间产品都是以晶体形态出现，这是因为结晶过程能从杂质含量相当多的溶液中形成纯净的晶体，此外，结晶产品的外观优美，且无论包装、运输、储存或使用都很方便。工业生产上，结晶是一个很复杂的单元操作，所涉及的问题数量较多、难度较大。本文仅对工业结晶的相关知识，作简单的介绍。 一 晶体的性状 晶体是原子、分子、离子等结构微粒在空间作有规则、周期性重复排列而成的具有一定几何多面体外形的固态物体。构成晶体的微观质点在晶体所占有的空间中按一定的几何规律排列起来，各质点间有力的作用，它是晶体结构中的健、由于键的存在，质点得以维持在固定的平均位置上，彼此之间保持一定距离。质点排列的几何规律是三维空间点阵，也可称为空间晶体格子。图1为氯化钠的晶体结构图。作为与晶体内部结构规律性有关的晶体基本性质，与结晶过程有直接关系的有以下几项。 图1 NaCl的晶体结构 1．自范性 晶体具有自发地生长成为结晶多面体的可能性，即晶体经常以平面作为与周围介质的分界面，这种性质称为晶体的自范性。在理想条件下，生长过程中的晶体保持几何上的相似，如图表1所示。图中各个多面体为不同时间的晶体外形。晶体的中心与这些多面体的各对应角之间的连线是直线，如图中虚线所示。晶体的中心点是原始的晶核所在位置，晶体的生长就是从此处开始的。 2．各向异性 晶体的几何特性及物理效应一般说来常随方向的不同而表现出数量上的差异，这种性质称为各向异性。从结晶多面体中心到表面的距离，随方向的不同而异。晶体受外界能量的作用时，所产生的物理效应的大小也随方向而不尽相同。任何晶面的生长速率是按垂直于晶面的方向，从晶体的中心出发，晶面向外扩展的速度来量度。除了正方六面体之外，其他类型晶体，不同晶面的生长速率是不相同的，此点可从下图清楚地看到。 3．均匀性 晶体中每一宏观质点的物理性质和化学组成都相同，这种特性称为晶体的均匀性。这是因为晶体中每一宏观质点的内部晶格均相同。晶体的这个特性保证了工业中的晶体产品能具有高的纯度。 除此以外，晶体还有几何形状及物理效应具有对称性，与物体的其他状态相比，晶体具有最小内能，以及晶体在熔融过程中熔点固定不变等特性。 图2晶体生长的自范性 二 结晶过程 溶质从溶液中结晶出来，要经历两个步骤：首先要产生微观的晶粒作为结晶的核心，这些核心称为晶核，然后晶核长大，成为宏观的晶体。无论是要使晶核能够产生或是要使晶核能够长大，都必须有一个推动力，这个推动力是一种浓度差，称为溶液的过饱和度。产生晶核的过程称为成核（或晶核形成），晶核长大的过程称为晶体生长。由于过饱和度的大小直接影响着晶核形成过程和晶体生长过程的快慢，而这两个过程的快慢又影响着结晶产品中晶体的粒度及粒度分布，因此过饱和度是考虑结晶问题时一个极其重要的因素。 溶液在结晶器中结晶出来的晶体与余留下来的溶液构成的混合物，称为晶浆，通常需要用搅拌器或其他方法把晶浆中的晶体悬浮在液相中，以促进结晶过程，因此晶浆亦称悬浮体。晶浆去除了悬浮于其中的晶体后所余留的溶液称为母液。 结晶过程的重要特性是产品纯度高，晶体是化学均一的固体，当结晶时，溶液中溶质或因其溶解度与杂质的溶解度有所不同而得以分离，或两者的溶解度虽相差不大，但晶格不同，彼此“格格不入”，也就互相分离了。所以原始溶液虽含杂质，结晶出来的固体则非常纯洁，其原因就在这里。这也说明，何以结晶过程是生产纯净固体的最有效的方法之一。 在结晶过程中，饱含杂质的母液是影响产品纯度的一个重要因素。粘附在晶体上的这种母液若未除尽，则最后的产品必然沾有杂质，降低纯度。一般是把结晶所得固体物质在离心机或过滤机中加以处理，并用适当的溶剂洗涤，以尽量除去粘附母液所带来的杂质。遇有若干颗晶体聚结成为“晶簇”时，容易把母液包藏在内，而使以后的洗涤发生困难，也会降低产品的纯度。但若在结晶时进行适度的搅拌，可以减少晶簇形成的机会。母液粘附在晶粒上或包在晶簇中的现象，通常称为包藏。 大而粒度一致的晶体比起小而粒度参差不齐的晶体来，它们所挟带的母液较少而且洗涤比较容易。但细小晶体聚结成簇的机会较少。由此可见，在结晶过程中，产品粒度及粒度分布对产品纯度也有很大影响。 溶液中所含杂质还能影响晶体的外形，晶体的外形叫做晶习，不同的结晶条件也可使所产生的同一物质的晶体在晶习、粒度、颜色、所含结晶水的多少等方面有所不同。例如，氯化钠从纯水溶液中结晶时，为立方晶体，但若水溶液中含有少量尿素，则氯化钠形成八面体的晶体。又如，在不同的温度下结晶时，碘化汞可以是黄色或是红色的，铬酸铅的颜色也各