تبلور

تبلور الجليد

بلورات كوارتز ، وتري متجمعة مكونة جسما عديد التبلور.

التبلور (أوالبَلْوَرَة) تعبير عن عملية تشكيل (طبيعية كانت أم اصطناعية) للبلورات الصلبة من المحلول.

تعد عملية التبلور أيضاً من تقنيات الفصل في الأوساط الصلبة-السائلة، حيث تحدث عملية انتنطق لجزيئات للمادة من الحالة السائلة إلى الحالة الصلبة.

تعتمد عملية التبلور على ضبط درجة حرارة الوسط وضبط الضغط وإعطاء النظام الوقت الكافي الذي يسمح بتكون البلورات الكبيرة.

التبلور في الطبيعة

بلورات الثلج مختلفة الأشكال ولكنها جميعها تتبلور طبقا للنظام البلوري السداسي.

متدليات وصواعد كهف في بلجيكا.

ونشاهد في الطبيعة ظواهر كثيرة تتضمن عملية التبلور، وفي كثير من الأحيان تكون عصورا جيولوجية طويلة قد مضت حتى تتكون، مثل:

المعادن الخام والصخور مثل الجرانيت متبلورة بطبيعتها، وكذلك الأحجار الكريمة،
متدليات الكهوف وصواعد الكهوف وهي أعمدة مخروطية متبلورة تحتوي على الماء. وعادة تتواجدا سوياً، حيث تتكون المتدليات أوالهوابط من تتابع تساقط قطرات الماء المحتوية على هجريبات معدنية ذائبة فيتبخر الماء منها وتعلق الهجريبات المعدنية وتتبلور في هيئة المتدليات من أسقف الكهوف. عند سقوط قطرات الماء من المتدليات تشكل أيضا علي أرضية الكهف بعد تبخرها مخروطات هرمية من هجريبات المعادن المتبلورة، ومع مرور الزمن تستطيل المتدليات من أعلى إلى أسفل بينما يتزايد ازدياد الصواعد المخروطية تحتها من أسفل إلى أعلى. بذلك يتكون الشكل المألوف للهوابط والصواعد المتبلورة في الكهوف. بحاجة نشأة تلك الأشكال البلورية إلى أزمنة طويلة من تتابع سقوط قطرات المياه المعدنية واحدة تلوالأخرى وتبلور المعادن التي يحتويها الماء تقاس بعشرات الآلاف أومئات الآلاف من السنين.

ومن الأشكال المعهودة التي تتبلور خلال وقت قصير :

أشكال الثليج السداسية الشكل والتي تتكون على الأسطح المستوية الباردة في وجود بخار الماء.
تبلور عسل النحل، وتميل معظم أنواع عسل النحل على التبلور.

تطبيقات

تستخدم عملية التبلور في نوعين من التطبيقات لإنتاج " التبلور الصناعي" وهما: أنتاج البلورات ولتنقية المعادن والمركبات.

إنتاج البلورات

من وجهة فهم المواد والصناعة تدرس وتبتكر طرق لتنمية البلورات :

لإتتاج بلورات كبيرة الحجم أوإنتاج بلورات على مستوى صناعي كبير ذات نقاوة عالية،
- منها أنتاج بلورات أيونية،
- ومنها أنتاج بلورات روابط تساهمية
إنتاج بلورات صغيرة :
- إنتاج المساحيق، ومؤخرا مساحيق تقنية النانو،
- إنتاج عل المستوى الصناعي الكبير في الصناعات الكيماوية مثل إنتاج الملح،
- إنتاج العينات : إنتاج عينات دقيقة لدراسة خصائصها في فهم المواد، وطرق إعادة التبلور، وتبلور بلورات غريبة تدرس عن طريقها بناء الجزيئات ، وقوي ترابط الذرات في البناء البلوري.

تستخدم طرق تعيين البنية البلورية بواسطة أشعة إكس وكذلك مطيافية الرنين المغناطيسي النووي NMR spectroscopy في الكيمياء المعدنية والكيمياء العضوية لفهم الهياكل البلورية لأعداد كبيرة من المركبات المعدنية والمركبات العضوية ، ومن ضمنها دراسة بنية الجزيئات العضوية الكبيرة.

- ترسيب الرقاق الرقيقة.

أمثلة لمنتجات على المستوى الصناعي الكبير:

إنتاج ملح الطعام
إنتاج الويفر من السيليكون النقي التي تستخدم في صناعات ميكروبروسيسور
إنتاج السكروز من قصب السكر والبنجر، حيث يتبلور السكر وينفصل من المحاليل السكرية.
أنتاج الخلايا الشمسية المستخدمة لإنتاج التيار الكهربائي من الطاقة الشمسية بواسطة التأثير ضوء جهدي.

علاقة التبلور والترموديناميك

صور لجزء من بلورة جليد عند درجات تضخيم متزايدة ، التقطت بمجهر إلكتروني ماسح عند درجة حرارة منخفضة.

تعتمد عملية التبلور على الترموديناميكا وحركة الجزيئات مما يجعل من الصعب التحكم في تلك العملية. وتدخل فيها مسألة نقاوة المادة المتبلورة، وطريقة خلط المكونات، وتصميم بوتقة التبلور، وخطة التبريد، جميع تلك العوامل تؤثر على حجم البلورة المتكونة، وعدد البلورات، وشكلها.

ويمكننا تصور عملية التبلور بتخهيل جزيئ في داخل "بلورة مثالية" عندما تحمل درجة حرارتها بواسطة مصدر حراري خارجي. فعند وصول البلورة إلى درجة حرارة معينة (مميزة لمادة البلورة) ، ينق الرباط بين الجزيئ وما حولة فجأة، ولحظيا يحدث ذلك لجميع الجزيئات في البلورة فتنفصل الجزئيات عن بعضها وتفقد هيكلها البلوري مكونة سائلا (يصبح توزيع مجموع الجزيئات عشوائيا لا شكل داخليا له). وتصف الديناميكا الحرارية تلك العملية بأن تحول المادة الصلبة المتبلورة إلى السيولة بسبب زيادة الإنتروبية S حيث تزيد عشوائية توزيع الجزيئات في النظام، وتغلبه على الإنثالبية H ، أي قوي الروابط بين الجزيئات.

${\displaystyle T(S_{liquid -S_{solid )>H_{liquid -H_{solid$

${\displaystyle G_{liquid <G_{solid$

G تسمى طاقة جيبس الحرة وهي في السائل أقل من مقدارها في المادة الصلبة أوالبلورة.

تلك العملية تحدث دائما عند ازدياد درجة الحرارة. كذلك بالنسبة إلى عملية التبريد، فعد التبريد ووصول درجة الحرارة المميزة للمادة، فجأة تتشابك الجزيئات وتتخذ شكلها البلوري. بذلك تنخفض الأنتروبية بسبب تبوء الجزيئات أماكن ثابتة منتظمة في البلورة. وهي عندما تترابط فيما بينها فهي تطلق حرارة الارتباط إلى الجوالمحيط بها الذي يزيد من عشوائية الذرات والجزيئات في الكون - أي تزيد انتروبية الكون.

ولكن السوائل التي تتصرف بهذه الطريقة عند تبريدها قليلة، عملى الرغم من القانون الثاني للديناميكا الحرارية يحدث التبلور عادة عند درجة حرارة أقل قليلا عن درجة الحرارة المميزة للمادة - عند حالة للسائل تسمي "تبريد فائق". وهذا يعني من وجهة الترموديناميكا أنه من الأسهل هدم البلورة وتفرقة جزيئاتها عن جمعهم وبناء النظام البلوري.

وإنه من الأسهل إذابة بلورة في مذيب عن تكوين بلورة منتظمة من هثل ذلك المحلول. إذا تكوين نواة ابتدائية للتبلور وتنمية البلورة يعتمد على التحكم في حركة الجزيئات أكثر من اعتمادة على التحكم في الحركة الحرارية (الترموديناميك).

مراجع

^ "Crystallization". www.reciprocalnet.org. مؤرشف من الأصل في 26 ديسمبر 2017. اطلع عليه بتاريخ 03 يناير 2017.
^ "Submerge Circulating Crystallizers - Thermal Kinetics Engineering, PLLC". Thermal Kinetics Engineering, PLLC (باللغة الإنجليزية). مؤرشف من الأصل فيخمسة أبريل 2020. اطلع عليه بتاريخ 03 يناير 2017.
^ Lin, Yibin (2008). "An Extensive Study of Protein Phase Diagram Modification:Increasing Macromolecular Crystallizability by Temperature Screening". Crystal Growth & Design. 8 (12): 4277. doi:10.1021/cg800698p.