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

สิ่งมีชีวิตนอกโลก : มีใครอยู่ข้างนอกนั่นไหม

สิ่งมีชีวิตนอกโลก : มีใครอยู่ข้างนอก (อีก) บ้างไหม : นักวิทยาศาสตร์บอกว่า เราควรเลิกถามได้แล้วว่า  มีชีวิตอยู่นอกโลกหรือไม่ เพราะเป็นไปได้มากว่ามีอยู่แน่ เราควรถามว่า จะหามันพบได้อย่างไรต่างหาก ต่อไปนี้คือบางวิธีที่เราค้นหาสิ่งมีชีวิตนอกโลก และพยายามหาทางติดต่อด้วย

คืนชีพแรดขนจากยุคน้ำแข็ง

คืนชีพ แรดขน จากยุคน้ำแข็ง แรดขน ตัวนี้มีชื่อเรียกว่า ซาช่า ทีมนักวิทยาศาสตร์รัสเซียเองยังไม่ค่อยแน่ใจนักว่าเมื่อ 10,000 ปีก่อน เจ้าซากดึกดำบรรพ์นี้เป็นตัวผู้หรือตัวเมีย แต่ชื่อของมันก็ถูกเรียกติดปากไปแล้ว แตกต่างจากช้างแมมอธที่อาศัยอยู่ในยุคน้ำแข็ง ซากของแรดขนไม่ใช่เรื่องง่ายที่จะพบเจอ ช่วงเวลาการวิวัฒนาการของมันก็ยังไม่แน่ชัด รวมไปถึงวิถีชีวิตของมันตลอดจนอาหารและอายุขัย ข้อมูลพื้นฐานเหล่านี้ยังคงคลุมเครือ   คืนชีพให้ซาช่า ย้อนกลับไปเมื่อเดือนธันวาคมที่ผ่านมา ทีมนักวิทยาศาสตร์จากสาขาบรรพชีวินวิทยา, สถาบันวิทยาศาสตร์รัสเซียและสถาบันวิทยาศาสตร์รัฐซาฮา ที่ตั้งอยู่ทางตะวันออกเฉียงเหนือของประเทศ ร่วมกันคืนชีพให้แก่ซาซ่า ซากชิ้นส่วนที่ยังคงเหลืออยู่ของมันเก่าจนกลายเป็นสีเทา เมื่อตอนที่ทีมนักวิทยาศาสตร์ไปค้นพบเข้า พวกเขาต้องประหลาดใจที่ในเวลาต่อมาพบว่าสีขนจริงของแรดขนสายพันธุ์นี้เป็นสีน้ำตาลบลอนด์อ่อน ผลการวิเคราะห์ฟันของมันพบว่า เจ้าสัตว์ตัวนี้ตายลงเมื่อมีอายุได้ประมาณ 7 เดือน ความที่ว่ามันยังเป็นลูกสัตว์อยู่นั้น สร้างความประหลาดใจให้แก่บรรดานักวิทยาศาสตร์ ข้อมูลจากวารสาร Siberian Times ซาช่ามีความยาวประมาณ 5 ฟุต สูง 2 ฟุตครึ่ง ซึ่งถือว่าเป็นแรดขนาดใหญ่ เนื่องจากแรดในปัจจุบันกว่าจะมีขนาดเท่านี้ได้ก็ต้องรอให้มีอายุถึง 18 เดือน (ไม่ใช่แค่น้ำแข็งเท่านั้นที่รักษาร่างของสิ่งมีชีวิตไว้ได้ อำพันเองก็เช่นกัน) Olga Potapova เป็นนักวิทยาศาสตร์จากเขตสำรวจซากดึกดำบรรพ์ Mammoth Site of Hot Springs […]