بلورات لطالما كانت من بين أكثر الأشكال روعة في عالم الطبيعة والفن والصناعة. عندما تفكر في الكلمة ، قد تتخيل ثريا قاعة رقص أنيقة ، قطعة كوارتز وجدتها بنفسك أو قطع ملح.
حتى بدون استخدام المجهر لفحص البنية الدقيقة للمواد البلورية ، فمن المحتمل أن تكون قد صدمت معظمهم بزواياهم العادية ، والشعور بأنهم يطيعون قواعد صارمة بينما يظهرون مجموعة رائعة من الأشكال.
في الكيمياء ، البلورة هي مادة تتخذ شكلاً بلوريًا ، دائمًا ما تكون صلبة. السمة المميزة لهذا النوع من البنية هي وحدة فرعية متكررة من الأنواع ، والتي عادة ما تكون نواة ذرية في مركز مكعب هندسي وأيونات تحمل شحنة مختلفة موضوعة في زوايا المكعب أو في مراكزه الجوانب.
إحدى بلورات DIY الشائعة في مختبرات الكيمياء في جميع أنحاء العالم هي الشب. يعد العمل باستخدام هذه المادة ، التي يمكنك الحصول عليها بسهولة في معظم محلات السوبر ماركت ، طريقة رائعة للتعرف على سلوك بعض الحلول وتشكيل البلورات بشكل عام.
ما هي البلورات؟
قبل أن تتمكن من تقدير البلورات تمامًا ، من الجيد التراجع خطوة إلى الوراء ومراجعة كيفية تصنيف الكيميائيين والفيزيائيين حالات المادة. إن التغيير في حالة المادة ليس تغييرًا في التركيب الكيميائي للمادة (أي أن جزيئاتها لا تتغير) بل تغييرًا في الترتيب الفيزيائي للمادة.
الحالات القياسية الثلاث للمادة هي ، من أجل زيادة الطاقة الحركية الجزيئية ، السائل الصلبة و غاز.
عندما تكون الجزيئات في شكل مادة صلبة ، فهذا يعني أن جزيئاتها لديها طاقة حركية كلية ومتوسطة أقل (KE) من نفس الكمية من تلك المادة في الحالة السائلة ، والتي بدورها تتميز بـ KE أقل من الحالة الغازية لذلك مستوى.
في كثير من الأحيان ، تشكل الجزيئات التي تكون على شكل مادة صلبة ، والتي لا تتمتع نواتها بأي حرية للتنقل فيما يتعلق ببعضها البعض ، أنماطًا منتظمة متكررة تسمى الشبكات.
في حين أن هذه المشابك الصغيرة (المفاهيمية وليست الفعلية) تمتد فقط على جزيء أو جزئين ، فإن خصائصها تمتد إلى حد كبير إلى العالم "الكلي". من الواضح أن الكوارتز ، عند الفحص ، هو نوع "منتظم" من الصخور بزوايا وخطوط هندسية مبهجة للعين. بلورات أخرى ، كثير منها اصطناعي ، تلتقط وتعكس وتنكسر الضوء بطرق جذابة بصريًا وهي شائعة في المجوهرات والهندسة المعمارية وأماكن أخرى.
- توجد بعض البلورات في الحالة السائلة عند درجة حرارة الغرفة ، مثل الصمام الثنائي البلوري السائل (LCD) المستخدمة في بعض أنظمة العرض الحديثة.
ما هو الحل؟
عندما يتم وضع مادة صلبة مع جزيئات تتكون من أيونات مرتبطة (ذرات أو جزيئات مشحونة) في سائل ، فإن روابط قد تتكسر المادة الصلبة ، وقد تتشتت الذرات أو الجزيئات المكونة للمادة الصلبة بالتساوي في جميع أنحاء سائل. عندما تكون هذه هي الحالة ، فإن النتيجة تسمى حلاً ؛ عندما يكون الماء سائلاً ، يسمى محلول مائي ،
- في هذا السياق ، السائل هو مذيب، والصلب هو المذاب.
كمية المذاب التي يمكن إذابتها في كمية معينة من الماء أو مذيب آخر ، كما يجب أن تتوقع ، محدودة ؛ في كثير من الحالات ، تعتمد قابلية ذوبان مادة معينة في مذيب معين أيضًا على درجة الحرارة التي يحدث فيها هذا التفاعل الكيميائي.
بشكل عام ، مع ارتفاع درجة الحرارة ، تزداد القابلية للذوبان ، وعندما تنخفض درجة الحرارة ، تقل القابلية للذوبان. هذا يعني أنه بالنسبة لكمية معينة من المذاب ، يمكن أن يتشكل المحلول عند درجة حرارة واحدة ، ولكن يكون متماسكًا عند درجة حرارة منخفضة.
عند النقطة التي لا يمكن فيها إذابة المزيد من المذاب في المحلول ، يتم استدعاء المحلول مشبع، والظروف مهيأة لحدوث تشكل البلورات. في حالة إضافة المزيد من المحلول (أو ، في بعض الحالات ، إذا تم تبريد المحلول) ، يتراكم المزيد من المواد المذابة لأن المحلول الآن مفرط التشبع. تبدأ البلورات الآن في التكون نتيجة التصادمات الملائمة بين الجزيئات الذائبة في المحلول الذي يزداد ازدحامًا.
الشب: الصيغة والحقائق والأرقام
الشب هو بلورة مفيدة للتعرف على كيفية تشكل هذه المواد الصلبة ، حيث يمكن بسهولة إنتاج مظهر ونمو بلورات الشب والتحكم فيها ومراقبتها. يمكن أن يشير الشب إلى مادة ذات صيغة كيميائية محددة أو فئة من المواد الكيميائية التي تتضمن هذا المركب "الرائد". المادة الكيميائية التي يطلق عليها اسم "الشب" هي الأكثر شيوعًا في الواقع البوتاسيوم الشب.
صيغة شب البوتاسيوم هي KAl (SO4)2⋅12 ساعة2س. وهذا يعني أن جزيء كبريتات ألومنيوم البوتاسيوم KAl (SO4)2، محاط باثني عشر جزيء ماء لتوليد وحدة واحدة من البنية الشبكية البلورية. ولكن نظرًا لأن المعدن في الصيغة قد يكون شيئًا آخر غير البوتاسيوم ، فقد يكون الجزء الأول من الصيغة الكيميائية للشب هو KCr (SO4)2، كال (SO4)2 أو أي شيء آخر.
يبلغ وزن الشب الجزيئي (MW) 477.4 جرام (جم). تبلغ درجة انصهارها 93 درجة مئوية ، بالقرب من نقطة غليان الماء البالغة 100 درجة مئوية. هذا يعني أنها ستبقى صلبة بشكل موثوق في درجة حرارة الغرفة ، والتي عادة ما تكون في حدود 20 إلى 22 درجة مئوية. ينتج بلورات بيضاء إلى عديمة اللون. غير قابل للذوبان في الكحول الإيثيلي كما هو الحال في الماء وكحول بولي هيدروكسيل الجلسرين.
تزايد بلورات الشب
مواد: يمكنك العثور على الشب في قسم التوابل في معظم محلات السوبر ماركت. بخلاف ذلك ، كل ما تحتاجه سهل الصيانة. تأكد من أن الماء الذي تستخدمه مقطر بالفعل ، أي "نقي" وخالي من الأيونات التي يمكن أن تلوث العملية. يجب أن يكون لديك هذه العناصر تحت تصرفك:
- ماء مقطرة
- عدة أوعية صغيرة أو صحون
- قدر لغلي الماء
- ملعقة تقليب
صنع بلورات الشب عن طريق التبخر: بناءً على المادة السابقة ، يجب أن تتوقع بدايةً أن تكون الظروف مواتية إلى أقصى حد لكي يذوب الشب الذي تضيفه إلى الماء. بعد كل شيء ، كلما تمكنت من تشبع الحل وتشبعه بسرعة أكبر ، كلما أسرعت في بدء عملية زراعة البلورات بشكل جدي.
ابدأ بغلي كمية صغيرة من الماء (حوالي 2 أوقية سائلة إلى 4 أوقيات سائلة ، أو حوالي 100 مليلتر كافية) ثم اتركها تبرد قليلاً. ابدأ بإضافة الشب بالملعقة مع التقليب جيدًا بين الإضافات حتى تذوب. استمر في القيام بذلك في تدرجات صغيرة حتى لا يذوب المزيد من الشبة. الحل الآن مفرط التشبع.
بعد ذلك ، اسكب بعض الماء ، مع توخي الحذر حتى لا تشمل الشب غير المذاب في قاع المقلاة. اتركي هذا المزيج يبرد من تلقاء نفسه لبضع دقائق ثم ضعي ما تبقى في المقلاة في الأوعية أو الأطباق ، وضعيها في الثلاجة.
سيؤدي ذلك إلى زيادة مساحة سطح الخليط بالنسبة إلى حجمه إلى الحد الأقصى ، مما يعزز تبخر الماء بشكل أسرع والنمو المتسارع لبلورات الشب.
المتابعة والأسئلة للدراسة: ستبدأ في رؤية بلورات تتشكل في غضون ساعة أو ساعتين ، لكن تحلى بالصبر ؛ بعد يوم ، سترى بلورات حقيقية ، وفي غضون يومين ستحصل على شاشة بلورية.
لماذا ترى بلورات بأحجام مختلفة في نفس الوعاء أو بين الأوعية؟ ما هي الظروف الأخرى غير درجة الحرارة والتركيز التي قد تعزز ارتباط جزيئات الشب ببعضها البعض؟ هل تصف أيًا من هذه بأنها عشوائية؟