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结晶过程的相平衡

来源: | 发布日期:2023-09-16

1:相平衡与溶解度

任何固体物质与其溶液相接触时,如溶液尚未饱和,则固体溶解;如溶液已过饱和,则该物质在溶液中的逾量部分迟早会析出。但如溶液恰好达到饱和,则固体的溶解与析出的速率相等,净结果是既无溶解也无析出。此时固体与其溶液已达相平衡。

固体与其溶液间的这种相平衡关系,通常可用固体在溶剂中的溶解度来表示。物质的溶解度与其化学性质、溶剂的性质及温度有关。一定物质在一定溶剂中的溶解度主要随温度变化,而随压力的变化很小,常可忽略不计。因此溶解度的数据通常用溶解度对温度所标绘的曲线来表示。

溶解度的大小通常采用1(或100)份质量的溶剂中溶解多少份质量的无水溶质来表示。固体质种型:第一类是曲线比较陡,表明这些物质的溶解度随温度升高而明显增大,如NaNO3、KNO3等;第二类是曲线比较平坦,表明溶解度受温度的影响并不显著,如 NaCl 、 KCIO 等;第三类是溶解度曲线有折点(变态点),它表示其组成有所改变,如Na2So4.10H2 O 转变为Na2SO4(变态点温度为32.4 。这类物质的溶解度可随温度的升高反而减小,如Na2SO4。

溶解度曲线对结晶操作具有很重要的指导意义。

对于溶解度随温度变化敏感的物质,可选用变温方法结晶分离;对于溶解度随温度变化缓慢的物质,可用移除一部分溶剂的方法结晶分离。

晶体浓度

2:溶液的过饱和与介稳区

溶液饱和时溶质不能析出。溶质浓度超过该条件下的溶解度时,该溶液称为过饱和溶液。过饱和溶液达到一定浓度时会有溶质析出,开始形成新的固相时,过饱和浓度和温度的关系可用过饱和曲线描述,如图11-2所示。图中 AB 线为溶解度曲线, CD 线为过饱和曲线,与溶解度曲线大致平行。 AB 曲线以下的区域为稳定区,在此区域溶液尚未达到饱和,因而没有结晶的可能。 AB 曲线以上是过饱和区,此区又可分为两个部分: AB 线和 CD 线之间的区域称为介稳区,在此区域内不会自发地产生晶核,但如果在溶液中加入晶体,则能诱导结晶进行,这种加入的晶体称为晶种; CD 线以上是不稳区,在此区域内能自发地产生晶核。

过饱和度和介稳区的概念,对工业结晶操作具有重要的意义。例如,在结晶过程中,若将溶液的状态控制在介稳区且在较低的过饱和度内,则在较长时间内只能有少量的晶核产生,主要是加入晶种的长大,于是可得到粒度大而均匀的结晶产品。反之,将溶液状态控制在不稳区且在较高的过饱和度内,则将有大量晶核产生,于是所得产品中晶粒必然很小。

晶体温度变化

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