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

สัตว์มีกระดูกสันหลัง (Vertebrate)

สัตว์มีกระดูกสันหลัง เป็นกลุ่มสัตว์ที่มีวิวัฒนาการสูงสุดในอาณาจักรสัตว์ อาณาจักรสัตว์ (Animal Kingdom) คือหนึ่งในห้าอาณาจักรของสิ่งมีชีวิตบนโลก และสิ่งมีชีวิตที่มีวิวัฒนาการสูงสุดในอาณาจักรนี้คือ สัตว์มีกระดูกสันหลัง (Vertebrate) โดยมีไขสันหลัง (Spinal Cord) หรือกระดูกสันหลัง (Vertebrae) เป็นแกนหลักที่ช่วยพยุงโครงสร้างของร่างกาย มีลักษณะกระดูกที่เรียงร้อยต่อกันเป็นข้อตามแนวยาวด้านหลังของสิ่งมีชีวิต ทำหน้าที่ปกป้องเส้นประสาทและระบบสมอง ซึ่งเป็นอวัยวะที่สำคัญต่อการเรียนรู้และพฤติกรรมของสัตว์มีกระดูกสันหลัง โครงสร้างของสัตว์มีกระดูกสันหลัง นอกจากกระดูกสันหลังและไขสันหลังซึ่งถือเป็นโครงร่างภายใน (Internal Skeleton) สัตว์มีกระดูกสันหลังส่วนใหญ่มีแขนขา 2 คู่ ซึ่งรวมไปถึงครีบของสัตว์จำพวกปลา และปีกในกลุ่มสัตว์ปีก ในสัตว์มีกระดูกสันหลัง ระบบเนื้อเยื่อของร่างกายเจริญเป็นอวัยวะต่างๆที่มีการทำงานอย่างสลับซับซ้อนและมีระบบกล้ามเนื้อ (Muscular System) จำนวนมาก ช่วยส่งเสริมให้สัตว์มีกระดูกสันหลังสามารถเคลื่อนไหวอย่างมีประสิทธิภาพ และระบบประสาทส่วนกลาง (Central Nervous System: CNS) ที่ส่งเสริมให้สัตว์มีกระดูกสันหลังสามารถเคลื่อนไหวได้หลากหลายมิติ สามารถรับรู้ความรู้สึก ประมวลผล และปรับตัว ก่อให้เกิดพฤติกรรมและการเข้าสังคมที่แตกต่างจากสิ่งมีชีวิตหรือสัตว์จำพวกอื่น วิวัฒนาการของสัตว์มีกระดูกสันหลัง จากจุดเริ่มต้นของสิ่งมีชีวิตในมหาสมุทร วิวัฒนาการเริ่มจากสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวไปจนกระทั่งถึงสัตว์มีกระดูกสันหลัง กลุ่มปลาออสตราโคเดิร์ม (Ostracoderm) หรือปลาไม่มีขากรรไกรที่สูญพันธุ์ไปแล้ว เป็นสัตว์มีกระดูกสันหลังกลุ่มแรกที่วิวัฒน์ขึ้นมา เมื่อประชากรสัตว์มีกระดูกสันหลังในแหล่งน้ำเพิ่มจำนวนมากขึ้น จนก่อให้เกิดการแย่งชิงพื้นที่และแหล่งอาหาร เป็นแรงผลักให้สัตว์มีกระดูกสันหลังต้องปรับตัวครั้งใหญ่เพื่อความอยู่รอด ด้วยการขึ้นมาอาศัยอยู่บนบก เกิดเป็นกลุ่มสัตว์สะเทินน้ำสะเทินบก […]

ความสัมพันธ์ของสิ่งมีชีวิต ในระบบนิเวศ

การอาศัยอยู่ร่วมกันในระบบนิเวศต่างมีรูปแบบการปฏิสัมพันธ์ที่แตกต่างกันออกไป ซึ่งช่วยให้เกิด ความสัมพันธ์ของสิ่งมีชีวิต และเกิดการปรับตัวร่วมกัน นอกเหนือไปจากความสัมพันธ์ที่เกิดขึ้นระหว่างสิ่งมีชีวิตชนิดเดียวกัน ทั้งที่อาศัยอยู่รวมกันเป็นฝูงและดำรงชีวิตอยู่อย่างโดดเดี่ยวลำพัง ในระบบนิเวศยังมีการปฏิสัมพันธ์หรือความเกี่ยวข้องอีกหลากหลายรูปแบบเกิดขึ้น เมื่อมีสิ่งมีชีวิตหลายชนิดอาศัยอยู่ร่วมกันในพื้นที่ซึ่งมีอาณาบริเวณอันจำกัด มีปริมาณอาหาร น้ำดื่มและปัจจัยที่จำเป็นอีกมากมาย ซึ่งไม่สามารถรองรับและตอบสนองต่อความต้องการของทุกชีวิต  ความสัมพันธ์ระหว่างสิ่งมีชีวิตต่างชนิด (Interspecific interactions) หมายถึง ความเกี่ยวข้องหรือสายสัมพันธ์ที่เกิดขึ้นจากการอาศัยอยู่ร่วมกันของสิ่งมีชีวิตต่างชนิดในระบบนิเวศ โดยก่อให้เกิดทั้งภาวะของการพึ่งพาอาศัยกันและกัน การแก่งแย่งแข่งขัน หรือแม้แต่การเบียดเบียนสิ่งมีชีวิตชนิดอื่นเพื่อความอยู่รอด ซึ่งความสัมพันธ์เหล่านี้ สามารถจำแนกออกเป็น 6 ประเภท โดยส่งผลกระทบต่อสิ่งมีชีวิตแต่ละชนิดในลักษณะที่แตกต่างกันออกไป เช่น เป็นประโยชน์ต่อกัน (+) เป็นโทษหรือภัยคุกคาม (-) และการไม่ได้รับผลกระทบและผลประโยชน์ใด ๆ (0) ดังนี้ ภาวะพึ่งพาอาศัยกัน (Mutualism : +/+) หมายถึง ความสัมพันธ์ระยะยาวของสิ่งมีชีวิต 2 ชนิดที่อาศัยอยู่ร่วมกันในระบบนิเวศ โดยที่ทั้ง 2 ฝ่ายต่างได้รับผลประโยชน์จากความสัมพันธ์ในลักษณะนี้ ทำให้สิ่งมีชีวิตทั้ง 2 ชนิดไม่สามารถแยกตัวออกจากกันได้อีกเลยตลอดช่วงชีวิต เช่น  ไลเคน (Lichens) : สิ่งมีชีวิตที่เกิดจากการพึ่งพาอาศัยกันของราและสาหร่าย โดยที่ราทำหน้าที่ให้ความชุ่มชื้นและแร่ธาตุแก่สาหร่าย ขณะที่สาหร่ายทำหน้าที่สร้างอาหารให้ราผ่านกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงของพืช ไรโซเบียม […]

10 เรื่องน่ารู้เกี่ยวกับ คลื่นสึนามิ จากเหตุภูเขาไฟอานักกรากาตัวระเบิด  

10 เรื่องน่ารู้เกี่ยวกับเหตุการณ์ คลื่นสึนามิ จากภูเขาไฟอานักกรากาตัวระเบิด เมื่อวันที่ 23 ธันวาคม ที่ผ่านมา คลื่นสึนามิในครั้งนี้แตกต่างจากครั้งก่อนๆ อย่างไร และเราควรเรียนรู้อะไรบ้าง