Κρύσταλλα ήταν από καιρό ένα από τα πιο συναρπαστικά σχήματα στον κόσμο της φύσης, της τέχνης και της βιομηχανίας. Όταν σκέφτεστε τη λέξη, μπορείτε να φανταστείτε έναν κομψό πολυέλαιο αίθουσας χορού, ένα κομμάτι χαλαζία που βρήκατε τον εαυτό σας ή κομμάτια αλατιού.
Ακόμα και χωρίς τη χρήση μικροσκοπίου για την εξέταση της λεπτότερης δομής των κρυσταλλικών υλικών, πιθανότατα σας χτυπά τα περισσότερα από τις κανονικές τους οπτικές γωνίες, και την αίσθηση ότι υπακούουν σε αυστηρούς κανόνες, ενώ εκδηλώνουν μια φανταστική σειρά σχήματα.
Στη χημεία, ένας κρύσταλλος είναι ύλη που παίρνει μια κρυσταλλική μορφή, σχεδόν πάντα μια στερεή. Το χαρακτηριστικό αυτού του είδους δομής είναι μια επαναλαμβανόμενη υπομονάδα των ειδών, η οποία είναι συνήθως ένας ατομικός πυρήνας στο κέντρο ενός γεωμετρικού κύβου και ιόντων που φέρουν διαφορετικό φορτίο τοποθετημένο στις γωνίες του κύβου ή στα κέντρα του πλευρές.
Ένας δημοφιλής κρύσταλλος DIY στα εργαστήρια χημείας σε όλο τον κόσμο είναι στυπτηρία. Η εργασία με αυτό το υλικό, το οποίο μπορείτε εύκολα να αποκτήσετε στα περισσότερα σούπερ μάρκετ, είναι ένας πολύ καλός τρόπος για να εξοικειωθείτε με τη συμπεριφορά ορισμένων λύσεων και τον σχηματισμό κρυστάλλων γενικά.
Τι είναι οι κρύσταλλοι;
Προτού μπορέσετε να εκτιμήσετε πλήρως τους κρυστάλλους, είναι καλή ιδέα να κάνετε ένα βήμα πίσω και να ελέγξετε τον τρόπο ταξινόμησης των χημικών και των φυσικών καταστάσεις της ύλης. Μια αλλαγή στην κατάσταση της ύλης δεν είναι αλλαγή στη χημική σύνθεση μιας ουσίας (δηλαδή, τα μόριά της δεν αλλάζουν) αλλά αντ 'αυτού μια αλλαγή στη φυσική διάταξη της ύλης.
Οι τρεις τυπικές καταστάσεις της ύλης είναι, προκειμένου να αυξηθεί η μοριακή κινητική ενέργεια, στερεό, υγρό και αέριο.
Όταν τα μόρια έχουν τη μορφή στερεού, αυτό σημαίνει ότι τα μόρια τους έχουν χαμηλότερη συνολική και μέση κινητική ενέργεια (ΚΕ) από η ίδια ποσότητα αυτής της ουσίας έχει στην υγρή κατάσταση, η οποία με τη σειρά της διαθέτει χαμηλότερο ΚΕ από την αέρια κατάσταση για αυτό ουσία.
Συχνά, τα μόρια με τη μορφή ενός στερεού, οι πυρήνες των οποίων δεν έχουν σχεδόν καμία ελευθερία να κινούνται σε σχέση μεταξύ τους, σχηματίζουν τακτικά, επαναλαμβανόμενα μοτίβα που ονομάζονται πλέγματα.
Ενώ αυτά τα μικρά (εννοιολογικά, όχι πραγματικά) πλέγματα καλύπτουν μόνο ένα μόριο ή δύο, οι ιδιότητές τους εκτείνονται σε μεγάλο βαθμό στον «μακρο» κόσμο. Ο χαλαζίας, κατά την επιθεώρηση, είναι προφανώς ένα "κανονικό" είδος βράχου, με ευχάριστες γεωμετρικές γωνίες και γραμμές. Άλλοι κρύσταλλοι, πολλοί από αυτούς είναι συνθετικοί, συλλαμβάνουν, αντανακλούν και διαθλά το φως με οπτικά ελκυστικούς τρόπους και είναι δημοφιλείς σε κοσμήματα, αρχιτεκτονική και αλλού.
- Ορισμένοι κρύσταλλοι υπάρχουν σε υγρή κατάσταση σε θερμοκρασία δωματίου, όπως το δίοδος υγρών κρυστάλλων (LCD) που χρησιμοποιείται σε ορισμένα σύγχρονα συστήματα οθόνης.
Τι είναι μια λύση;
Όταν ένα στερεό με μόρια που αποτελούνται από συνδεδεμένα ιόντα (φορτισμένα άτομα ή μόρια) τοποθετείται σε ένα υγρό, οι δεσμοί του Το στερεό μπορεί να σπάσει, και τα συστατικά άτομα ή μόρια της στερεάς ουσίας μπορεί να διασκορπιστούν ομοιόμορφα σε όλη την υγρό. Όταν συμβαίνει αυτό, το αποτέλεσμα ονομάζεται λύση. όταν το νερό είναι το υγρό, καλείται υδατικό διάλυμα,
- Σε αυτό το πλαίσιο, το υγρό είναι ένα διαλυτικό μέσο, και το στερεό είναι ένα διαλυτό.
Η ποσότητα μιας διαλυμένης ουσίας από ό, τι μπορεί να διαλυθεί σε μια δεδομένη ποσότητα νερού ή άλλου διαλύτη είναι, όπως θα πρέπει να περιμένετε, πεπερασμένη. Σε πολλές περιπτώσεις, η διαλυτότητα μιας δεδομένης ουσίας σε έναν δεδομένο διαλύτη εξαρτάται επίσης από τη θερμοκρασία στην οποία λαμβάνει χώρα αυτή η χημική αντίδραση.
Γενικά, καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία, αυξάνεται η διαλυτότητα και καθώς μειώνεται η θερμοκρασία, η διαλυτότητα μειώνεται. Αυτό σημαίνει ότι για μια δεδομένη ποσότητα διαλυμένης ουσίας, ένα διάλυμα μπορεί να σχηματιστεί σε μία θερμοκρασία, αλλά το στερεό μου είναι παρόν σε χαμηλότερη θερμοκρασία.
Στο σημείο στο οποίο δεν μπορεί να διαλυθεί πλέον διαλυτή ουσία στο διάλυμα, καλείται το διάλυμα κορεσμένο, και υπάρχουν συνθήκες για τον σχηματισμό κρυστάλλων. Εάν προστεθεί περισσότερη λύση (ή, σε ορισμένες περιπτώσεις, εάν το διάλυμα έχει κρυώσει), περισσότερη διαλυμένη ουσία συσσωρεύεται καθώς το διάλυμα είναι τώρα υπερκορεσμένο. Οι κρύσταλλοι τώρα αρχίζουν να σχηματίζονται ως αποτέλεσμα ευνοϊκών συγκρούσεων μεταξύ διαλυμένων μορίων στην ολοένα και πιο πολυσύχναστη λύση.
Στυπτηρία: Τύπος, γεγονότα και αριθμοί
Στυπτηρία είναι ένας χρήσιμος κρύσταλλος για να μάθετε πώς σχηματίζονται αυτά τα στερεά, καθώς η εμφάνιση και η ανάπτυξη των κρυστάλλων στυπτηρίας μπορούν εύκολα να παραχθούν, να ελεγχθούν και να παρατηρηθούν. Η στυπτηρία μπορεί να αναφέρεται είτε σε μια ουσία με συγκεκριμένο χημικό τύπο είτε σε μια κατηγορία χημικών που περιλαμβάνει αυτήν την ένωση "ναυαρχίδα". Η χημική ουσία που πηγαίνει συνήθως με το όνομα "στυπτηρία" είναι στην πραγματικότητα στυπτηρία καλίου.
Ο τύπος για στυπτηρία του καλίου είναι KAl (SO4)2⋅12 Ω2Ο. Αυτό σημαίνει ότι ένα μόριο θειικού αργιλίου καλίου, KAl (SO4)2, περιβάλλεται από δώδεκα μόρια νερού για τη δημιουργία μίας μονάδας της κρυσταλλικής δομής πλέγματος. Αλλά επειδή το μέταλλο στη φόρμουλα μπορεί να είναι κάτι διαφορετικό από το κάλιο, το πρώτο μέρος του χημικού τύπου στυπτηρίας μπορεί να είναι KCr (SO4)2, KAl (SO4)2 ή κάτι άλλο.
Η στυπτηρία έχει μοριακό βάρος (MW) 477,4 γραμμάρια (g). Έχει σημείο τήξης 93 ° C, κοντά στο σημείο βρασμού του νερού στους 100 ° C. Αυτό σημαίνει ότι θα παραμείνει αξιόπιστα ένα στερεό σε θερμοκρασία δωματίου, η οποία κανονικά κυμαίνεται από 20 έως 22 ° C. Παράγει λευκούς έως άχρωμους κρυστάλλους. Δεν είναι διαλυτή στην αιθυλική αλκοόλη όπως είναι στο νερό και στη γλυκερόλη πολυυδροξυλικής αλκοόλης.
Αυξανόμενοι κρύσταλλοι στυπτηρίας
Υλικά: Μπορείτε να βρείτε στυπτηρία στο τμήμα μπαχαρικών στα περισσότερα σούπερ μάρκετ. Εκτός από αυτό, όλα όσα χρειάζεστε είναι εύκολο να διατηρηθούν. Βεβαιωθείτε ότι το νερό που χρησιμοποιείτε είναι στην πραγματικότητα αποσταγμένο, δηλαδή "καθαρό" και απαλλαγμένο από ιόντα που θα μπορούσαν να μολύνουν τη διαδικασία. Θα πρέπει να έχετε στη διάθεσή σας αυτά τα στοιχεία:
- Απεσταγμένο νερό
- Διάφορα μικρά μπολ ή πιατάκια
- Ένα τηγάνι για βραστό νερό
- Ένα αναδευτικό κουτάλι
Παραγωγή κρυστάλλων στυπτηρίας με εξάτμιση: Με βάση το προηγούμενο υλικό, θα πρέπει να περιμένετε από την αρχή ότι θέλετε οι συνθήκες να είναι όσο το δυνατόν πιο ευνοϊκές για τη στυπτηρία που προσθέτετε στο νερό για να διαλυθεί. Σε τελική ανάλυση, όσο πιο γρήγορα μπορείτε να κορεστεί και να υπερκορεσθεί μια λύση, τόσο πιο γρήγορα μπορείτε να ξεκινήσετε τη διαδικασία της ανάπτυξης των κρυστάλλων με σοβαρότητα.
Ξεκινήστε βράζοντας μια μικρή ποσότητα νερού (περίπου 2 ουγγιές υγρού έως 4 ουγγιές υγρού, ή περίπου 100 χιλιοστόλιτρα, αρκεί) και στη συνέχεια αφήστε το να κρυώσει λίγο. Ξεκινήστε να προσθέτετε στυπτηρία με την κουταλιά και ανακατεύετε προσεκτικά μεταξύ των προσθηκών μέχρι να διαλυθεί. Συνεχίστε αυτό σε μικρές διαβαθμίσεις έως ότου δεν μπορεί να διαλυθεί άλλο στυπτηρία. Η λύση είναι πλέον κορεσμένη.
Στη συνέχεια, ρίξτε λίγο νερό, προσέχοντας να μην συμπεριλάβετε την αδιάλυτη στυπτηρία στο κάτω μέρος της κατσαρόλας. Αφήστε αυτό να κρυώσει μόνο του για λίγα λεπτά και στη συνέχεια βάλτε ό, τι απομένει στο τηγάνι στα μπολ ή τα πιάτα και τοποθετήστε τα στο ψυγείο.
Αυτό θα μεγιστοποιήσει την επιφάνεια του μείγματος σε σχέση με τον όγκο του, προωθώντας την ταχύτερη εξάτμιση του νερού και την επιταχυνόμενη ανάπτυξη των κρυστάλλων στυπτηρίας.
Παρακολούθηση και ερωτήσεις για μελέτη: Θα αρχίσετε να βλέπετε τους κρυστάλλους να σχηματίζονται μέσα σε μία ή δύο ώρες, αλλά να είστε υπομονετικοί. μετά από μια μέρα, θα δείτε πραγματικούς κρυστάλλους, και εντός δύο ημερών θα έχετε μια οθόνη κρυστάλλου.
Γιατί βλέπετε κρύσταλλα διαφορετικών μεγεθών στο ίδιο μπολ ή ανάμεσα σε μπολ; Ποιες συνθήκες εκτός από τη θερμοκρασία και τη συγκέντρωση θα μπορούσαν να προωθήσουν τη σύνδεση των μορίων στυπτηρίας μεταξύ τους; Θα περιγράφατε οποιοδήποτε από αυτά ως τυχαία;