CRISTALLISATION: PROCÉDÉ, TYPES, EXEMPLES, SÉPARATION - CHIMIE - 2025

La cristallisation est un processus physique dans lequel naturellement ou artificiellement un solide cristallin, c'est-à-dire une structure ordonnée, est formé à partir d'un milieu liquide ou gazeux. Elle diffère de la précipitation par le fait que celle-ci se développe sans contrôle rigoureux des paramètres du procédé, et aussi qu'elle peut produire des solides amorphes et gélatineux.

L'objectif de la cristallisation, comme son nom l'indique simplement et clairement, est de générer des cristaux. Ceux-ci ne se caractérisent pas seulement par leur ordre, mais aussi par le fait qu'ils sont des solides purs. Ainsi, dans la synthèse de composés solides, on cherche à obtenir des produits de grande pureté, des cristaux les plus purs possible.

Cristallisation d'un hypothétique soluté violet en solution aqueuse. Source: Gabriel Bolívar.

L'image ci-dessus montre une cristallisation généralisée et hypothétique d'un soluté violet en solution aqueuse.

Notez que la barre rouge fait office de thermomètre. Lorsque la température est élevée, la solution contient le soluté dissous, qui reste soluble dans ces conditions. Cependant, à mesure que la température baisse progressivement, les premiers cristaux violets commencent à apparaître.

Au fur et à mesure que la température diminue, les cristaux grossissent pour former des hexagones violets robustes. Le changement de couleur de la solution indique que le soluté est passé de la dissolution à l'incorporation dans les cristaux en croissance. Plus la cristallisation est lente, plus le solide cristallin obtenu est pur.

Il y a d'autres variables à prendre en compte au cours de ce processus: combien de soluté est dissous dans le solvant déterminé, à quelle température la solution doit être chauffée, combien de temps le refroidissement doit durer, combien il est nécessaire de recourir ou non à une agitation sonique, entre autres. aspects.

Le processus de cristallisation, plus qu'un phénomène complexe impliquant la dynamique moléculaire et la thermodynamique, est un art qui demande un apprentissage constant, des essais et des erreurs, jusqu'à ce qu'il soit perfectionné en laboratoire ou dans l'industrie.

Processus de cristallisation

La cristallisation consiste essentiellement en deux processus: la nucléation et la croissance cristalline.

Les deux étapes ont toujours lieu lors de la cristallisation, mais lorsque la première se produit rapidement, la seconde n'aura guère le temps de se développer. Pendant ce temps, si la nucléation est lente, les cristaux auront plus de temps pour se développer et, par conséquent, ils auront tendance à être plus gros. Cette dernière est la situation supposée dans l'image avec les hexagones violets.

Nucléation

On disait à l'origine que les cristaux étaient des solides avec des structures ordonnées. A partir de la solution où le soluté est dispersé en désordre, ses particules doivent se rapprocher suffisamment pour que leurs interactions, qu'elles soient ioniques ou de type Van der Walls, permettent le règlement du premier groupe de particules de soluté: un amas.

Cet amas peut se dissoudre et se reformer autant de fois que nécessaire jusqu'à ce qu'il soit stable et cristallin. On dit alors que le premier noyau est apparu. Si le noyau apparaît de nulle part, c'est-à-dire de l'homogénéité même du milieu lors de son refroidissement, ce sera une nucléation homogène.

En revanche, si ledit noyau a lieu grâce à la surface fournie par une autre particule solide insoluble, ou aux imperfections du récipient, alors on aura une nucléation hétérogène. Ce dernier est le plus utilisé et le plus connu, notamment lorsqu'un minuscule cristal, préalablement obtenu, de l'espèce que l'on souhaite cristalliser est ajouté à la solution.

Les cristaux ne peuvent jamais se former à partir de l'air mince sans nucléation préalable.

Croissance cristalline

Il y a encore beaucoup de soluté dissous en solution, mais la concentration de soluté dans ces noyaux est plus élevée que dans leur environnement. Les noyaux agissent comme des supports pour que plus de particules de soluté se logent et «s'adaptent» entre leurs structures en croissance. De cette façon, leurs géométries sont maintenues et grandissent progressivement.

Par exemple, les premiers noyaux de l'image sont des hexagones violets; c'est votre géométrie. Au fur et à mesure que les particules de soluté sont incorporées, les noyaux se transforment en cristaux hexagonaux robustes, qui continueront de croître si la solution est immergée dans un bain de glace.

Types de cristallisation

Ce qui a été expliqué jusqu'à présent consiste en la cristallisation par refroidissement du solvant.

Cristallisation d'élimination des solvants

D'autres types de cristallisation reposent sur l'élimination du solvant par évaporation, pour lequel il n'est pas nécessaire d'en utiliser autant de volume; c'est-à-dire qu'il suffit de le saturer de soluté et de le chauffer pour le sursaturer puis, un peu plus, puis de le laisser au repos, pour que le soluté cristallise enfin.

Cristallisation par addition de solvant

De même, nous avons la cristallisation provoquée par l'ajout d'un solvant au mélange dans lequel le soluté est insoluble (antisolvant). Par conséquent, la nucléation sera favorisée car il existe des régions mobiles et liquides où les particules de soluté seront plus concentrées que dans celles où il est très soluble.

Cristallisation par sonification

D'autre part, il y a cristallisation par sonification, où les ultrasons génèrent et cassent de petites bulles qui favorisent à nouveau la nucléation, tout en aidant à répartir plus uniformément la taille des cristaux.

Et enfin, il y a cristallisation par dépôt en phase vapeur sur des surfaces froides; c'est-à-dire le phénomène inverse de la sublimation des solides.

Méthode de séparation par cristallisation

La cristallisation est une technique indispensable pour obtenir des solides et les purifier. Elle est très récurrente dans la synthèse de composés organiques, et représente l'une des dernières étapes pour garantir la pureté et la qualité du produit.

Exemple de colorant

Supposons par exemple que des cristaux d'un colorant soient obtenus et qu'ils aient déjà été filtrés. Du fait que ce colorant a été initialement obtenu par précipitation dans une synthèse, son solide présente un aspect amorphe, car il a de nombreuses impuretés absorbées et piégées entre ses cristaux moléculaires.

Par conséquent, il est décidé de chauffer un solvant dans lequel le colorant est légèrement soluble, de sorte que lorsqu'il est ajouté, il se dissout relativement facilement. Une fois dissoute après avoir ajouté un peu plus de solvant, la solution est séparée de la source de chaleur et laissée au repos. Lorsque la température baisse, la nucléation a lieu.

Ainsi, les cristaux de colorant se formeront et apparaîtront plus définis (pas nécessairement cristallins à l'œil). C'est à ce moment précis que le récipient (généralement une fiole Erlenmeyer ou un bécher) est immergé dans un bain de glace. Le froid de ce bain finit par favoriser la croissance des cristaux au-dessus de la nucléation.

Les cristaux du colorant sont ensuite filtrés sous vide, lavés avec un solvant dans lequel il est insoluble et mis à sécher dans un verre de montre.

Température de cristallisation

La température à laquelle se produit la cristallisation dépend du degré d'insoluble du soluté dans le milieu solvant. De même, cela dépend du point d'ébullition du solvant, car si le soluté n'est pas encore dissous à la température d'ébullition, c'est qu'un autre solvant plus approprié doit être utilisé.

Par exemple, les solides qui peuvent cristalliser dans un milieu aqueux le feront lorsque l'eau diminue sa température (c'est-à-dire de 100 à 50 ºC) ou lorsqu'elle s'évapore. Si la cristallisation se produit par évaporation, on dit qu'elle a lieu à température ambiante.

D'autre part, la cristallisation des métaux ou de certains solides ioniques a lieu à des températures très élevées, car leurs points de fusion sont très élevés et le liquide fondu est incandescent, même lorsqu'il est suffisamment refroidi pour nucléer ses particules et faites pousser vos cristaux.

Taux de cristallisation

En principe, il existe deux manières directes de contrôler la vitesse de cristallisation d'un solide: par le degré de sursaturation (ou sursaturation), ou par des changements brusques de température.

Degré de sursaturation

Le degré de sursaturation signifie combien de soluté en excès est forcé de se dissoudre par application de chaleur. Par conséquent, plus la solution est sursaturée, plus le processus de nucléation est rapide, car il y a une plus grande probabilité que des noyaux se forment.

Bien que la cristallisation soit ainsi accélérée, les cristaux obtenus seront plus petits par rapport à ceux obtenus avec un degré de sursaturation plus faible; c'est-à-dire lorsque leur croissance est favorisée et non la nucléation.

Changements de température

Si la température est abaissée brusquement, les noyaux auront à peine le temps de se développer et, non seulement cela, mais ils conserveront également des niveaux plus élevés d'impuretés. Le résultat est que, bien que la cristallisation se produise plus rapidement qu'un refroidissement lent, la qualité, la taille et la pureté des cristaux finissent par être inférieures.

Cristallisation rapide due à une chute brutale de température. Source: Gabriel Bolívar.

L'image ci-dessus sert à contraster la première. Les points jaunes représentent les impuretés qui, en raison de la croissance brusque des noyaux, sont piégées à l'intérieur.

Ces impuretés rendent difficile l'incorporation de plus d'hexagones violets, ce qui entraîne à la fin beaucoup de petits cristaux impurs, plutôt que de grands cristaux purs.

Applications

La cristallisation de la crème glacée est l'un des aspects les plus importants de sa production industrielle ou artisanale. Source: Pixabay.

La cristallisation, ainsi que la recristallisation, sont essentielles pour obtenir des solides purs de haute qualité. Pour l'industrie pharmaceutique, cela est d'autant plus vrai que leurs produits doivent être aussi purs que possible, tout comme les conservateurs utilisés dans l'industrie alimentaire.

De plus, la nanotechnologie est fortement dépendante de ce processus afin de pouvoir synthétiser des nanoparticules ou des nanocristaux, plutôt que des solides cristallins robustes.

L'un des exemples quotidiens dans lesquels la cristallisation a une grande participation est la production de crème glacée. Si vous ne faites pas attention à l'eau, elle cristallise dans une phase distincte (glace) de sa teneur en lipides, affectant ainsi sa texture et sa saveur; En d'autres termes, ce sera plus comme une glace pilée ou une glace.

Par conséquent, les cristaux de glace doivent être aussi petits que possible, afin que la crème glacée soit lisse au goût et au toucher. Lorsque ces cristaux de glace sont un peu gros, ils peuvent être détectés à la lumière car ils donnent à la glace une surface givrée.

Exemples de cristallisation

Enfin, il sera fait mention de quelques exemples courants de cristallisation, à la fois naturelle et artificielle:

Flocons de neige

Les flocons de neige sont formés par un processus de cristallisation naturel. On sait que chaque cristal de neige est unique. Cela est dû aux conditions qui se produisent pendant la deuxième phase de cristallisation (croissance).

Les différentes formes géométriques que présentent les cristaux de neige sont dues aux conditions auxquelles ils doivent faire face pendant la croissance des cristaux.

Sel

Le sel est l'exemple le plus courant de cristallisation. Cela peut se former à la fois naturellement (comme le sel de mer) et artificiellement (comme c'est le cas avec le sel de table).

Sucre

Après le sel, le sucre est l'un des cristaux les plus courants. Il est formé par une série de processus industriels complexes dans lesquels le jus de canne à sucre est prélevé et soumis à un processus de cristallisation artificielle.

diamant

Le diamant est une pierre précieuse formée à partir de la cristallisation de carbone pur. C'est le matériau le plus dur connu sur la planète. Sa formation peut être naturelle, comme c'est le cas avec les diamants trouvés dans les gisements miniers, ou synthétiques.

Rubis

Le rubis est un cristal rougeâtre formé à partir de la cristallisation de l'oxyde d'aluminium (coridon).

Stalagmites

Les stalagmites sont des structures que l'on peut trouver dans les grottes, en particulier dans les sols (poussant vers le haut). Ils sont composés de composés calciques et sont formés à partir de la cristallisation des sels de calcium trouvés dans l'eau qui tombe des plafonds des grottes.

Stalactites

Les stalactites, comme les stalagmites, sont constituées de calcium et se trouvent dans les grottes. Ils diffèrent de ces derniers car ils pendent des plafonds. Ils sont formés par la cristallisation des sels de calcium présents dans l'eau qui s'infiltre dans les grottes.

Quartz

Le quartz est une pierre précieuse formée à partir de la cristallisation de l'anhydride silicique. C'est l'un des minéraux les plus abondants dans les roches et sa couleur est variable.

Péridot

Aussi appelée olivine, cette pierre précieuse est formée grâce à la cristallisation du fer et du magnésium. Il est de couleur verdâtre et est généralement en forme de losange.

Silicates

Les silicates sont des matériaux créés par la cristallisation de la silice et d'autres éléments (fer, aluminium, calcium, magnésium). Ils sont présents dans toutes les roches.

Des sucreries

Les bonbons sont fabriqués avec des cristaux de sucre, on peut donc dire que deux processus de cristallisation interviennent: le premier pour la formation du sucre et le second pour la formation de la mélasse.

Glace crémeuse

La crème glacée crémeuse contient une série de cristaux qui lui donnent la texture lisse finale. Parmi les cristaux que contient la crème glacée crémeuse, les cristaux lipidiques (formés à partir de graisse) et les cristaux de glace se démarquent. Il est à noter que certaines glaces contiennent également des cristaux de lactose.

En ce sens, la crème glacée est obtenue par divers procédés de cristallisation artificielle (un pour les lipides, un pour la glace et un pour le lactose).

Autres

-Préparation de cristaux de sucre autour d'un fil ou d'une corde et d'une solution sucrée sursaturée

-Formation de cristaux de sucre à partir de miels déposés au fond de leurs bocaux

-La croissance des calculs rénaux, qui consistent en l'essence de cristaux d'oxalate de calcium

-La cristallisation des minéraux, y compris les pierres précieuses et les diamants, au fil des ans, dont les formes et les bords sont le reflet de leurs structures internes ordonnées

-Déposition de vapeurs métalliques chaudes sur des barres froides comme supports pour la croissance de leurs cristaux.

Références

1. Day, R. et Underwood, A. (1989). Chimie analytique quantitative. (cinquième éd.). PEARSON Prentice Hall.
2. Wikipédia. (2019). Cristallisation. Récupéré de: en.wikipedia.org
3. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (23 mai 2019). Définition de la cristallisation. Récupéré de: thinkco.com
4. Université du Colorado. (sf). Cristallisation. Chimie organique. Récupéré de: orgchemboulder.com
5. Syrris. (2019). Qu'est-ce que la cristallisation? Récupéré de: syrris.com