การตกผลึก มีกระบวนการเกิดขึ้นได้อย่างไร และจำแนกออกเป็นกี่ประเภท

การตกผลึก (Crystallization)

การตกผลึก (Crystallization) คือ ปรากฏการณ์ทางธรรมชาติของการเกิดผลึกของแข็งหรือ “คริสตัล” (Crystals) ในสารละลายเนื้อเดียว (Homogeneous Solution) ทั้งที่อยู่ในสถานะของเหลว (Liquid) และก๊าซ (Gas and Vapor)

เมื่อสารละลายดังกล่าวเกิดการอิ่มตัวอย่างยิ่งยวดจากตัวถูกละลาย (Solute) ซึ่งสสารส่วนใหญ่ในธรรมชาติสามารถละลายได้ดีในตัวทำละลาย (Solvent) ที่มีอุณหภูมิสูง ดังนั้น เมื่อสารละลายอุณหภูมิสูงดังกล่าวเย็นตัวลง จึงก่อให้เกิดการแยกตัวของสารเกิดเป็นผลึกของแข็ง ซึ่งเรียกว่า การตกผลึก การตกผลึก

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

การตกผลึก
นาเกลือและผลึกเกลือ

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

การตกผลึกในธรรมชาติ

ตัวอย่างของการตกผลึกตามมาตราทางธรณีกาล (Geological Time Scale)

  • การเกิดแร่ธาตุและอัญมณี
  • การเกิดหินงอก (Stalactites) และหินย้อย (Stalagmites)

ตัวอย่างของการตกผลึกในช่วงเวลาปกติ

  • การเกิดเกล็ดหิมะ (Snow) และผลึกน้ำแข็ง (Ice Crystals)
  • การตกผลึกของน้ำผึ้งและเกลือ
ผลึกน้ำผึ้ง

การตกผลึกสามารถจำแนกออกเป็น 3 ประเภท คือ

  • การตกผลึกด้วยการลดอุณหภูมิ คือ การตกผลึกที่มีวัตถุประสงค์เพื่อการแยกสารหรือแยกตัวถูกละลายที่เป็นของแข็งออกจากตัวทำละลาย ซึ่งการตกผลึกประเภทนี้ ถูกนำมาใช้ในการผลิตน้ำตาลซูโครส (Sucrose) น้ำตาลแล็กโทส (Lactose) และกรดซิตริก (Citric Acid) รวมไปถึงในขั้นตอนของการแยกส่วน (Fractionation) น้ำมันออกจากไขมัน
  • การตกผลึกด้วยการแช่แข็ง คือ การเกิดผลึกน้ำแข็งระหว่างการแช่แข็ง (Freezing) อย่างเช่น การแช่แข็งอาหาร
  • การตกผลึกด้วยการระเหย คือ การตกผลึกที่เกิดจากการระเหยของน้ำหรือตัวทำละลายอย่างรวดเร็ว ส่งผลให้สารละลายที่ถึงจุดอิ่มตัว เกิดการตกผลึกในทันที โดยผลึกที่เกิดขึ้นจะมีขนาดค่อนข้างเล็กและไม่สามารถขยายตัวหรือเพิ่มขนาดได้อีก

สืบค้นและเรียบเรียง
คัดคณัฐ ชื่นวงศ์อรุณ


อ้างอิง

New World Encyclopedia – https://www.newworldencyclopedia.org/entry/Crystallization

ทรูปลูกปัญญา – https://www.trueplookpanya.com/learning/detail/33072

Food Network Solution Co., Ltd. – http://www.foodnetworksolution.com/wiki/word/0268/crystallization

Anne Marie Helmenstine, Ph.D. – https://www.thoughtco.com/definition-of-crystallize-605854


เรื่องอื่นๆ ที่น่าสนใจ : การตอบสนองของพืช (Plant Responses)

เรื่องแนะนำ

บุหรี่มือสามมีจริงและอันตรายกว่าที่คิด

บุหรี่มือสาม คือร่องรอยที่ตกค้างจากผู้สูบบุหรี่ภายในตัวอาคารหรือบ้านเรือน สารพิษที่ตกค้างเหล่านี้จะยังคงอยู่ไปอีกหลายปี และทำลายสุขภาพแม้คุณจะไม่ได้สูบบุหรี่ก็ตาม

ศึกษาผลกระทบทางใจหลังออกจากถ้ำผ่านเหตุการณ์ในชิลี

หลังรอดชีวิตจากการติดในเหมืองชิลีนาน 69 วัน คนงานส่วนใหญ่เผชิญกับความเจ็บป่วยทางจิตใจ ด้านจิตแพทย์ไทยแนะนำหลีกเลี่ยงการถามคำถามตอกย้ำ รวมถึงควบคุมการใช้โซเชียล เพื่อป้องกันเด็กๆ จมกับความเครียดและความรู้สึกผิด

มีการค้นพบภาพวาดทางวิทยาศาสตร์ที่วิจิตรงดงามที่หายสาบสูญไปกว่า 190 ปี

หางนกยูงไทย (Caesalpinia pulcherrima) เป็นชนิดพันธุ์หนึ่งของไม้ดอกที่เป็นไม้พุ่ม (Flowering Shrub) ซึ่งหาได้ในป่าเขตร้อนหรือกึ่งเขตร้อนในทวีปอเมริกา ภาพวาดที่เห็นได้ในหอจดหมายเหตุหนังสือหายากและหนังสือเขียนด้วยมือ ของห้องสมุดมหาวิทยาลัยคอร์เนลล์ (Rare and Manuscript Collections of Cornell University Library) เป็นงานของแอนน์ โวลล์สโตนคราฟต์ ผู้วาดภาพด้าน พฤกษศาสตร์ ในประเทศคิวบาในช่วงศตวรรษที่ 19 อย่างละเอียดลงในหนังสือหลายเล่ม งานเขียนที่ค้นพบขึ้นใหม่หลังเวลาผ่านไปเกือบ 200 ปีเหล่านี้บันทึกข้อเท็จจริงทางประวัติศาสตร์ ประโยชน์ทางธรรมชาติ บทกวี และการสังเกตุพืชกว่าร้อยชนิดของเธอเอง ภาพถ่ายโดย ROBERT CLARK หนังสือภาพวาดอันสวยงามของ พฤกษศาสตร์ พร้อมคำอธิบายอย่างละเอียดของผู้หญิงอเมริกันคนหนึ่งที่เคยอยู่ในคิวบาถูกค้นพบหลังการค้นหานานหลายทศวรรษ มีการค้นพบชุดหนังสือด้าน พฤกษศาสตร์ ที่เขียนด้วยลายมือจำนวน 3 เล่ม หลังจากพวกมันหายสาบสูญไป 190 ปี  โดย Emilio Cueto ผู้เป็นนักประวัติศาสตร์ได้ค้นพบชุดหนังสือชื่อ Specimens of the Plants & Fruits of […]

มารู้จักกับ งาช้าง และ ช้างเริ่มปรับตัวกันกับการล่าเอางาได้แล้ว

เมื่อเร็ว ๆ นี้ ผลการศึกษาพบว่า ช้างเริ่มปรับตัวกับพฤติกรรมการล่า งาช้าง ของมนุษย์ได้แล้ว ก่อนอื่นเลยต้องบอกก่อนว่าความเชื่อที่ว่าช้างทุกตัวต้องมีงานั้นเป็นเรื่องที่ผิด โดยมีแค่เฉพาะสายพันธุ์แอฟริกากับเพศผู้สายพันธุ์เอเชียเท่านั้นที่เกิดมาแล้วมีงา โดยเพศเมียสายพันธุ์เอเชียบางตัวก็มีงาเช่นเดียวกัน แต่เป็นงาที่มีขนาดสั้น ๆ เท่านั้น โดยในบทความนี้ ทางเนชั่ลแนล จีโอกราฟฟิก จะพาไปรู้จักกับงาช้าง พร้อมกับเหตุผลว่า “ทำไมช้างบางสายพันธุ์ถึงเริ่มปรับตัวกับพฤติกรรมการล่า งาช้าง ของมนุษย์ได้แล้ว” งาช้างสามารถแยกได้ว่าช้างตัวไหน เป็นตัวไหน งาช้างเป็นหนึ่งใน 2 อวัยวะของช้างที่สามารถบ่งบอกตัวตนของช้างได้ โดยอีกหนึ่งอวัยวะที่สามารถบอกได้ก็คือ “ใบหู” ของช้างนั่นเอง งาช้างบอกอายุช้างได้ไหม  คำตอบคือ ได้ แต่มีข้อแม้คือ งาช้างต้องไม่เสียหาย หรือแตกหักไปเสียก่อน โดยงาของช้างนั้นสามารถบอกอายุของช้างตัวนั้น ๆ ได้เมื่อเทียบกับช้างตัวอื่น ๆ เป็นเวลาหลายช่วงทศวรรษที่มนุษย์มีการล่าช้างเพื่อเอางา ในปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์ พบว่า ช้างที่เกิดใหม่เริ่มที่จะมีงาที่สั้นและบางลง เพราะสารพันธุกรรม ที่กำหนดการสร้างงาไม่ถูกส่งต่อไปยังรุ่นลูก หรือถูกส่งต่อน้อยลงมากเมื่อเทียบกับแต่ก่อน อีกเหตุผลนึงคือ นักล่างาช้างนั้นเลือกเบี่ยงเป้าหมายไปหาตัวเมียและตัวผู้ที่ยังมีอายุน้อยด้วย ทำให้การสืบพันธุ์เป็นเรื่องที่ยากขึ้นไปอีกสำหรับช้าง อยากเอางาก็เอาไปสิ แต่ไม่ต้องฆ่าช้างได้ไหม  คำตอบก็คือไม่ได้ เพราะว่า งาช้างนั้นก็ถือว่าเป็นอวัยวะที่สำคัญอย่างหนึ่งของช้าง เทียบกับมนุษย์ก็สำคัญพอ […]