การแยกสารโดยวิธีการตกผลึกมีหลักการอย่างไร

คริสตัล เป็นชื่อเรียกแร่หินที่มีความแวววาว และมีสีสันแตกต่างกันออกไป ขึ้นอยู่กับชนิดของสารประกอบที่ละลายอยู่ในหินนั้นๆ

คริสตัล เกิดจากการตกผลึก (Crystallization) ตามธรรมชาติ ที่ทำให้เกิดผลึกของแข็งในสารละลายเนื้อเดียว ทั้งที่อยู่ในสถานะของเหลวและก๊าซ เมื่อสารละลายอิ่มตัวอย่างยิ่งยวดจากตัวถูกละลาย (Solute) ซึ่งในธรรมชาติสามารถละลายได้ดีในตัวทำละลาย (Solvent) ที่มีอุณหภูมิสูง ดังนั้น เมื่อสารละลายอุณหภูมิสูงดังกล่าวเย็นตัวลง จึงก่อให้เกิดการแยกตัวของสารเกิดเป็นผลึกของแข็ง ซึ่งเรียกว่า การตกผลึกตามธรรมชาติ

การตกผลึก จึงนับเป็นกระบวนการแยกสารหรือวิธีการทำสารให้บริสุทธิ์ที่เก่าแก่วิธีหนึ่ง ซึ่งนิยมนำมาประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรมเคมีและการวิจัยในด้านต่าง ๆ ทั้งจากประสิทธิภาพในการแยกสารและความคุ้มค่าด้านพลังงาน ซึ่งในปัจจุบัน กระบวนการตกผลึกถูกนำมาใช้ประโยชน์มากมาย ทั้งในการผลิตเกลือบริโภค หรือการผลิตผลึกของธาตุแกลเลียม (Gallium) และซิลิคอน (Silicon) รวมไปถึงการผลิตน้ำตาลชนิดต่าง ๆ อีกด้วย

การเกิดกระบวนการตกผลึก

การทำให้ตัวถูกละลายในสารละลายตกผลึก สารละลายดังกล่าวจะต้องอิ่มตัวอย่างยิ่งยวด จากการมีปริมาณของตัวถูกละลายไม่ว่าจะอยู่ในรูปของอะตอม โมเลกุล หรือไอออน มากกว่าปกติภายใต้สภาวะสมดุล (Equilibrium) ของสารละลายอิ่มตัว ซึ่งผลึกที่สมบูรณ์ของสารแต่ละชนิดจะมีรูปร่างและโครงสร้างที่แตกต่างกันออกไป ตามกระบวนการตกผลึกหรือการเย็นตัวลงของสารละลายดังกล่าว โดยทั่วไป สารละลายอิ่มตัวที่มีอุณหภูมิลดต่ำลงอย่างรวดเร็วมักก่อให้เกิดผลึกของแข็งหรือคริสตัลขนาดเล็ก ขณะที่การเย็นตัวลงอย่างช้า ๆ มักก่อให้เกิดผลึกที่มีขนาดใหญ่

กระบวนการตกผลึกประกอบไปด้วย 2 ขั้นตอนหลัก คือ

• การเกิดเกล็ดหรือนิวเคลียสของผลึก (Nucleation) คือ จุดเริ่มต้นของการสร้างนิวเคลียสหรือการเกิดเกล็ดของผลึก จากการรวมตัวกันของโมเลกุลตัวถูกละลาย เกิดเป็นกลุ่ม (Cluster) ของสารกระจายตัวอยู่ในสารละลาย จนกระทั่งการรวมตัวดังกล่าวสามารถคงตัวอยู่อย่างมั่นคง จึงก่อให้เกิดนิวเคลียสหรือเกล็ดของผลึกขึ้นในท้ายที่สุด แต่ถ้าหากการจับกลุ่มกันไม่สามารถคงอยู่อย่างเสถียรภาพ โมเลกุลของสารจะสลายตัว และถูกนำกลับไปละลายในสารละลายอีกครั้ง ดังนั้น การเกิดผลึกจึงต้องมีการจับกลุ่มกันของโมเลกุลซึ่งมีขนาดที่มั่งคงและมีเสถียรภาพ จากปัจจัยทางด้านอุณหภูมิ ความดัน และความอิ่มตัวยิ่งยวด (Supersaturation) ของสาร นอกจากนี้ รูปแบบหรือโครงสร้างของคริสตัลและผลึก เกิดจากการเรียงตัวของเกล็ดหรือนิวเคลียสของผลึกในขั้นตอนนี้นั่นเอง
• การขยายตัวของผลึก (Crystal Growth) คือ การเติบโตของผลึกหรือคริสตัล จากการเติบโตของนิวเคลียสที่มีเสถียรภาพ การขยายตัวของผลึกจะยังคงดำเนินต่อไปตราบเท่าที่สารละลายยังอิ่มตัวด้วยตัวถูกละลาย ซึ่งสารละลายที่ยังหลงเหลืออยู่หลังจากกระบวนการตกผลึก ถูกเรียกว่า “สารละลายตั้งต้น” (Mother Liquors)

การตกผลึกของสารทั้ง 2 ขั้นตอนนั้น เกิดขึ้นเฉพาะในสารละลายอิ่มตัวยิ่งยวดเท่านั้น โดยมีอัตราการเกิดนิวเคลียสและการขยายตัวของผลึกเป็นปัจจัยหลักที่ส่งผลต่อขนาดและรูปร่างของผลึกที่เกิดขึ้น รวมไปถึงคุณสมบัติอื่น ๆ ของสาร อย่างเช่น ความบริสุทธิ์และความเข้มข้นของสาร ซึ่งสารประกอบหลายชนิดสามารถสร้างผลึกที่มีโครงสร้าง ขนาด และคุณสมบัติที่แตกต่างกันออกไป

การแยกสารโดยวิธีการกลั่นอย่างง่ายมีหลักการอย่างไร

การตกผลึกเหมาะสำหรับแยกสารแบบใด

การสกัดด้วยตัวทําละลาย Solvent Extraction มีหลักการอย่างไร

ข้อใดคือหลักการของการตกผลึก *