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

ความรู้ประจำวัน: ทำไมลิงเหล่านี้ถึงมีตูดใหญ่สีชมพู?

ความรู้ประจำวัน: ทำไมลิงเหล่านี้ถึงมีตูดใหญ่สีชมพู? รู้ได้อย่างไรว่าลิงแมนดริลตัวไหนรูปหล่อที่สุดในฝูง คำตอบคือลิงตัวที่มีสีสันโดดเด่นสะดุดตามากที่สุด เช่นเดียวกับลิงสายพันธู์อื่นๆ ในฝูงของลิงมีลำดับชั้นทางสังคม ลิงตัวผู้ที่มีสีสันบนใบหน้าและบนก้นจัดจ้านโดดเด่นที่สุดจะได้อยู่ในลำดับสูงที่มีอำนาจเหนือลิงตัวผู้ตัวอื่นๆ การจะยกตัวเองขึ้นมาสู่ลำดับสูง พวกมันต้องโค่นลิงตัวผู้เดิมให้ได้ และเมื่อทำได้ฮอร์โมนเทสโทสเตอโรนของมันจะถูกหลั่งออกมามากขึ้น ส่งผลให้สีสันบนใบหน้าเข้มขึ้น และขนที่ก้นจะร่วงเพื่อที่จะได้ขับสีแดงของก้นให้เห็นเด่นชัดมากกว่าเดิม คุณลักษณะเหล่านี้คือสัญลักษณ์ของการเป็นลิงตัวผู้ที่มีสุขภาพดี และมียีนที่ดี ซึ่งจะดึงดูดลิงตัวเมียในฝูงให้อยากผสมพันธุ์กับมัน เพื่อให้กำเนิดลูกที่แข็งแรง   อ่านเพิ่มเติม ในโลกของลิงงวงช้าง จมูกยิ่งใหญ่เท่าไหร่ยิ่งดี

การติดเชื้อโควิด – 19 หลายครั้งสามารถทำร้ายร่างกายได้มากขึ้น

การติดเชื้อโควิด – 19 หลายครั้งสามารถทำร้ายร่างกายได้ ตั้งแต่ลองโควิด ไปจนถึงโรคหัวใจ ซิยาด อัล-อลี (Ziyad Al-Aly) หัวหน้าฝ่ายวิจัยและพัฒนาของศูนย์ดูแลสุขภาพทหารผ่านศึกเซนต์หลุยส์(Veterans Affairs St. Louis Healthcare System) และนักระบาดวิทยาทางคลินิกที่มหาวิทยาลัยวอชิงตันได้ทำการศึกษาฐานข้อมูลเวชระเบียนกว่า 5.6 ล้านรายของกลุ่มทหารผ่านศึกรัฐเวอร์จิเนีย พบว่าการติดเชื้อไวรัสโควิด-19 ใหม่แต่ละครั้งเพิ่มความเสี่ยงในการเสียชีวิตจากสาเหตุอื่นๆ และเพิ่มผลเสียทางสุขภาพเช่นความผิดปกติของหัวใจ เลือด และสมอง โดยปกติแล้ว ความเสี่ยงในการติดเชื้อซ้ำจะแตกต่างกันไปตามโรค ซึ่งไม่มีเหตุให้ต้องกังวลมากนักเกี่ยวกับการติดเชื้อครั้งที่ 2 เช่นโรคหัด ไข้เหลือง หรือหัดเยอรมัน เนื่องจากโรคหรือวัคซีนเพียงครั้งเดียวก็สามารถให้ภูมิคุ้มกันที่ยาวนาน มันจะป้องกันไม่ให้คุณติดเชื้อซ้ำตั้งแต่แรก หรือนำไปสู่การติดเชื้อที่ไม่รุนแรงจนแทบจะสังเกตไม่เห็น  จากนั้น ก็มีโรคบางโรคที่ภูมิคุ้มกันลดลงเมื่อเวลาผ่านไป ทำให้อาจเกิดการติดเชื้อซ้ำได้ ซึ่งความรุนแรงครั้งหลังนี้ขึ้นอยู่กับหลายปัจจัย เช่น ไข้หวัดใหญ่ที่ไวรัสกลายพันธุ์บ่อยครั้งจนสร้างความสับสนให้ระบบภูมิคุ้มกัน การติดเชื้อซ้ำแต่ละครั้งจึงเหมือนกับการติดเชื้อครั้งแรก อย่างไรก็ตาม โดยปกติแล้วการติดเชื้อซ้ำมักจะไม่รุนแรงกว่าครั้งแรก แต่สำหรับโควิด-19 เป็นที่ชัดเจนว่าภูมิคุ้มกันจากทั้งธรรมชาติและวัคซีนนั้นลดลง จนบางครั้งการติดเชื้อครั้งต่อไปอาจรุนแรงกว่าเดิมและสร้างผลเสียหายต่อร่างกาย มิคาเอล ออสเตอร์โฮล์ม (Michael Osterholm) ผู้อำนวยการศูนย์วิจัยและนโยบายโรคติดเชื้อแห่งมหาวิทยาลัยมินนิโซตาระบุว่าการติดเชื้อซ้ำของโควิด-19 อาจทำให้เกิดการอักเสบระยะยาวในหลอดเลือด ซึ่งจะพัฒนาไปเป็นลิ่มเลือด และเสี่ยงที่จะเกิดภาวะหัวใจวายหรือโรคหลอดเลือดสมองเพิ่มขึ้น น้กวิจัยยังคงกังวลกับภาวะลึกลับกับอาการต่าง […]

ช่วงวัยที่ลูกสุนัขน่ารักที่สุด

ลูกสุนัขมีช่วงวัยที่เรียกได้ว่า "น่ารักที่สุด" อยู่ระหว่างอายุ 6 - 8 สัปดาห์ งานวิจัยชิ้นนี้บ่งชี้ว่าสุนัขวิวัฒนาการขึ้นมาเพื่ออยู่เคียงข้างมนุษย์อย่างแท้จริง

ครั้งหนึ่งอาจมีน้ำอยู่บนพื้นผิวดวงจันทร์

การศึกษาชิ้นใหม่ 2 หัวข้อที่จะช่วยตอบคำถามที่แสนลึกลับของวัฏจักร น้ำบนดวงจันทร์ และอาจจะได้เบาะแสเกี่ยวกับทรัพยากรน้ำบนดวงจันทร์ให้แก่นักบินอวกาศในอนาคต ในปีนี้ นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นคว้าวิจัยเรื่องน้ำบนพื้นผิวของดวงจันทร์ และมีการตีพิมพ์ลงในวารสารเนเจอร์แอสโตรโนมี (Nature Astronomy) ยืนยันเรื่องการมีอยู่ของ น้ำบนดวงจันทร์ การศึกษาเรื่องแรก คือหลักฐานเรื่องโมเลกุลของน้ำที่เกาะติดหรือถูกหุ้มอยู่ภายในพื้นผิวดวงจันทร์ที่แสงแดดส่องถึง การศึกษาเรื่องที่สองเกี่ยวกับการจำลองพื้นที่เล็ก ๆ บนดวงจันทร์ที่เกิดเงา พบว่าพื้นที่ 39,856 ตารางกิโลเมตร ซึ่งเป็นพื้นที่เทียบเท่ากับสนามฟุตบอลเกือบ 7,500,000 แห่ง พบว่าบริเวณดังกล่าวมีอากาศเย็นพอที่จะเก็บน้ำแข็งได้ประมาณร้อยละ 20 ของพื้นที่ที่เกิดเงา จากการตรวจสอบรูปแบบของน้ำ และบริเวณที่พบน้ำบนพื้นผิวดวงจันทร์ นักวิทยาศาสตร์หวังว่าจะเข้าใจวัฏจักรน้ำบนดวงจันทร์ซึ่งแตกต่างจากบนโลกมากขึ้น การก่อตัวของน้ำบนดวงจันทร์อาจจะประกอบด้วยไฮโดรเจนจากระบบสุริยะทําปฏิกิริยากับออกซิเจนบนพื้นผิวดวงจันทร์ การศึกษาชิ้นนี้มีความสําคัญสําหรับมนุษย์ในอนาคตที่เดินทางไปยังดวงจันทร์ รวมทั้งภารกิจอาร์ตาของนาซาที่กำลังจะเกิดขึ้น ซึ่งเป็นภารกิจที่จะมีผู้หญิงคนแรกไปเยียบผิวดวงจันทร์ การค้นพบน้ำและน้ำแข็งในอนาคตจึงอาจจะเป็นเหมืองทรัพยากรที่ใช้แปลงเป็นเชื้อเพลิงสำหรับงานสำรวจบนดวงจันทร์   โลกของน้ำ ดวงจันทร์ถือเป็นสถานที่ที่มีความผันผวนของอุณหภูมิสูงมาก โดยในกลางวันอาจขึ้นไปสูงสุด 121 องศาเซลเซียส และในช่วงกลางคืนอาจมีอุณหภูมิติดลบต่ำสุดที่ -133 องศาเซลเซียส หากไม่มีชั้นบรรยากาศป้องกันที่หนาพอ น้ำอาจจะระเหยหายไปในอวกาศได้อย่างรวดเร็ว นักวิจัยมองหาร่องรอยจำเพาะของน้ำบนพื้นผิวดวงจันทร์ด้วยแสงอินฟราเรด เคซีย์ ฮอนนิบัลล์ นักวิจัยหลังปริญญาเอกจากศูนย์การบินอวกาศก็อดดาร์ดของนาซา และผู้เขียนบรรยายการศึกษาเกี่ยวกับโมเลกุลของน้ำ การวิเคราะห์ก่อนหน้านี้มุ่งเน้นไปที่ส่วนหนึ่งของสเปกตรัมอินฟราเรดที่ทั้งน้ำและไฮดรอกซิลเกิดการเรืองแสง ด้วยการเลือกส่วนที่แตกต่างกันของสเปกตรัม “ ฉันไม่รู้จริง ๆ […]