結晶化
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結晶化（けっしょうか、英: crystallization[1]）は、均一な溶液から固体の結晶が生成する、自然、または人為的な過程である。化学では、固体と液体を分離する技術のひとつ。
機構
[編集]核形成
[編集]核形成は、溶液中に分散している溶質分子が集まり、数ナノメートル程度の大きさのクラスター（集団）を作る段階である。微小な領域での濃度の増加が起こり、クラスターが十分に安定な条件が整うと、この段階が始まる。出来上がったクラスターは、結晶の核となるが、不安定な場合は解離してしまう。安定な核となるためには、ある程度の大きさを超えなければならないが、その大きさは溶液が置かれている条件（温度、過飽和、不純物など）によって決まる。原子が規則的・周期的に配列し、結晶構造が決定されるのもこの段階である。ここでいう「結晶構造」とは、原子の配置の様式を意味する語であり、出来上がる結晶の塊の大きさや形のことではない。
結晶成長
[編集]結晶成長では、出来上がった核が成長する。過飽和状態が続く限り、核形成と結晶成長は進行し続ける。過飽和は結晶化の駆動力であるため、核形成と結晶成長の速さは溶液の過飽和度が高いほど加速される。条件によっては、核形成と結晶成長のうちのいずれかが支配的になるため、結果として、大きさや形の異なる結晶が得られる。医薬品などの工業的な製造過程においては、結晶の大きさ・形状のコントロールが重要な課題の1つである。過飽和状態が終わると、溶液は固–液相平衡に達し、結晶化は完了する。条件が変化して平衡が破れ、溶液が過飽和状態になれば、再び結晶化が始まる。
自然界における結晶化
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結晶化を含む過程は自然界には数多く存在する。以下に例を挙げる。
化学
[編集]結晶化が起こるためには、溶液は過飽和していなければならない。すなわち、平衡状態における濃度よりも多くの溶質（分子またはイオン）を含んでいる必要がある。そのような状態を起こす一般的な方法に以下がある。
溶媒をゆっくりと蒸発させる、といった方法もとられる。
手順としては、溶媒を選択し、そこへ溶かし、脱色し、個体を除去し、結晶化し、結晶を集め洗って乾燥させる[2]。まず溶媒の選択にあたり、不純物を全く溶かさないか、非常によく溶かすため、結晶化することができない性質を持ち、化学反応を起こさず、理想的には不燃性、無毒、安価で、揮発性が高いなど最終的に除去しやすいものである[2]。
溶質を溶解させるにはビーカーではなく三角フラスコを用い、可燃性の溶媒の時には火を使わず、熱板（またマントルヒーター・電気フラスコヒーター[3]）などで温め、溶媒をかきまぜたり、グルグルとふることで溶解を促しながら、溶質が溶けるまで溶媒を加えていく[4]。（溶解度も参照）不溶性の不純物は溶けない[4]。着色があり、もし脱色するには従来は活性炭の粉を使ったが、ろ過しきれず溶液も黒ずむため、Noritなど粒・球状の活性炭のほうが適しており、活性炭を加えてから数分間沸騰し（逆では吹きこぼれる）、必要以上に活性炭を加えると不純物以外も吸着する[4]。次いで不純物が多ければろ過であり、容器を傾けて溶液を移し替え不純物だけを残すとか（デカンテーション）、漏斗とろ紙を使う[4]。
最後に室温に冷やし結晶化させ、結晶化を促すために種結晶（目的とする物質）を加えたり、ガラス棒で容器をこすったり、さらに冷却する[4]。結晶化が完了したら、結晶を冷却した溶媒で洗い、乾燥させる[4]。
結晶が不純であれば精製し、再結晶化したり、時には昇華させる[3]。結晶化しない場合、抽出によって単離する[3]。
出典
[編集]参考文献
[編集]- L.F.フィーザー、K.L.ウィリアムソン『フィーザー/ウィリアムソン有機化学実験』（第8版）丸善、2000年。ISBN 4-621-04734-5。 Organic experiments, 8th ed, 1998.
