Kristali odavno su među najfascinantnijim oblicima u svijetu prirode, umjetnosti i industrije. Kad se sjetite te riječi, možete zamisliti elegantni plesni luster, komad kvarca koji ste pronašli ili komade soli.
Čak i bez upotrebe mikroskopa za ispitivanje finije strukture kristalnih materijala, vjerojatno ćete biti pogođeni većinom svojim pravilnim kutovima i osjećajem da se pridržavaju strogih pravila dok prikazuju fantastičan niz oblika.
U kemiji je kristal materija koja poprima kristalni oblik, gotovo uvijek čvrsta tvar. Obilježje ove vrste strukture je vrsta podjedinice koja se ponavlja, koja je obično atomska jezgra na središte geometrijske kocke i joni koji nose različit naboj smješteni na uglovima kocke ili u središtima njezine kocke strane.
Jedan od popularnih DIY kristala u kemijskim laboratorijima širom svijeta je stipsa. Rad s ovim materijalom, koji možete lako nabaviti u većini supermarketa, sjajan je način za upoznavanje ponašanja određenih otopina i općenitog stvaranja kristala.
Što su kristali?
Prije nego što u potpunosti procijenite kristale, bilo bi dobro napraviti korak unatrag i pregledati kako klasificiraju kemičari i fizičari stanja materije. Promjena stanja tvari nije promjena u kemijskom sastavu tvari (to jest, njezine se molekule ne mijenjaju), već promjena u fizičkom rasporedu tvari.
Tri standardna stanja materije su, redom povećanja molekularne kinetičke energije, čvrsta, tekuća i plin.
Kada su molekule u obliku krutine, to znači da njihove molekule imaju nižu ukupnu i prosječnu kinetičku energiju (KE) od istu količinu te tvari učinimo u tekućem stanju, koje zauzvrat ima niži KE od plinovitog stanja za to supstancija.
Često molekule u obliku krutine, čije se jezgre gotovo nemaju slobodu kretanja u odnosu jedna na drugu, tvore pravilne, ponavljajuće uzorke zvane rešetke.
Dok se ove male (konceptualne, a ne stvarne) rešetke protežu samo na molekulu ili dvije, njihova se svojstva uvelike protežu na "makro" svijet. Kvarc je, pregledom, očito "pravilna" vrsta stijene, s ugodnim geometrijskim kutovima i linijama; drugi kristali, mnogi od njih sintetički, hvataju, reflektiraju i lome svjetlost na vizualno privlačne načine i popularni su u nakitu, arhitekturi i drugdje.
- Neki kristali postoje u tekućem stanju na sobnoj temperaturi, poput dioda s tekućim kristalima (LCD) koji se koristi u nekim modernim sustavima prikaza.
Što je rješenje?
Kada se krutina s molekulama koje se sastoje od povezanih iona (nabijenih atoma ili molekula) stavi u tekućinu, veze Čvrsta supstanca može biti slomljena, a sastavni atomi ili molekule čvrste tvari mogu se ravnomjerno raspršiti po cijeloj tvari tekućina. Kada je to slučaj, rezultat se naziva rješenjem; kada je voda tekućina, naziva se vodena otopina,
- U tom kontekstu, tekućina je otapalo, a krutina je a otopljeni.
Količina otopljene tvari koja se može otopiti u određenoj količini vode ili drugog otapala je, kao što biste trebali očekivati, konačna; u mnogim slučajevima topivost dane tvari u danom otapalu također ovisi o temperaturi na kojoj se odvija ova kemijska reakcija.
Općenito, kako temperatura raste, topljivost se povećava, a kako temperatura pada, topljivost se smanjuje. To znači da se za određenu količinu otopljene tvari otopina može stvoriti na jednoj temperaturi, ali u čvrstom stanju može biti prisutna na nižoj temperaturi.
U točki u kojoj se više otopljena tvar ne može otopiti u otopini, zove se otopina zasićen, i postoje uvjeti za nastanak kristala. Ako se doda više otopine (ili, u nekim slučajevima, ako se otopina ohladi), akumulira se više otopljene tvari kako je otopina sada prezasićen. Kristali se sada počinju stvarati kao rezultat povoljnih sudara između molekula otopljene tvari u sve gužvoj otopini.
Stipsa: Formula, činjenice i brojke
Stipsa je koristan kristal za učenje o tome kako nastaju ove krutine, jer se izgled i rast kristala stipsa mogu lako proizvesti, kontrolirati i promatrati. Stipsa se može odnositi na tvar sa specifičnom kemijskom formulom ili na skupinu kemikalija koja uključuje ovaj "vodeći" spoj. Kemikalija koja najčešće nosi naziv "stipsa" zapravo je kalijev stipsa.
Formula za kalijev stipsu je KAl (SO4)2~ 12 H2O. To znači da molekula kalijevog aluminijevog sulfata, KAl (SO4)2, okružen je s dvanaest molekula vode kako bi se stvorila jedna jedinica kristalne rešetkaste strukture. No budući da metal u formuli može biti nešto drugo osim kalija, prvi dio kemijske formule stipsi može biti KCr (SO4)2, KAl (SO4)2 ili nešto drugo.
Stipsa ima molekularnu težinu (MW) od 477,4 grama (g). Točka topljenja je 93 ° C, blizu vrelišta vode od 100 ° C. To znači da će pouzdano ostati krutina na sobnoj temperaturi, koja je obično u rasponu od 20 do 22 ° C. Stvara bijele do bezbojne kristale. Nije topljiv u etilnom alkoholu kao u vodi i polihidroksilnom alkoholu glicerolu.
Uzgoj kristala stipsi
Materijali: Stipsu možete pronaći u odjeljku sa začinima većine supermarketa. Osim toga, sve što vam treba jednostavno je održavati. Provjerite je li voda koju koristite u stvari destilirana, tj. "Čista" i bez iona koji bi mogli kontaminirati postupak. Na raspolaganju bi vam trebali biti ovi predmeti:
- Destilirana voda
- Nekoliko malih zdjelica ili tanjurića
- Tava za kipuću vodu
- Žlica za miješanje
Izrada kristala stipsi isparavanjem: Na temelju prethodnog materijala, trebali biste očekivati da za početak želite da uvjeti budu maksimalno povoljni da se stipsa koju dodate u vodu otopi. Napokon, što brže možete zasititi i prezasititi rješenje, prije možete ozbiljno započeti proces kristalnog uzgoja.
Započnite kuhati malu količinu vode (dovoljno je oko 2 unce do 4 unce ili oko 100 mililitara), a zatim je pustite da se malo ohladi. Počnite dodavati stipsu žlicom i pažljivo miješajte između dodavanja dok se ne otopi. Nastavite to raditi u malim gradacijama sve dok se više stipsa ne može otopiti. Otopina je sada prezasićena.
Dalje, odlijte malo vode, pazeći da ne uključite nerastvoreni stipsu na dno posude. Ostavite da se samo nekoliko minuta ohladi, a zatim stavite ono što ostane u tavi u posude ili posuđe i stavite ih u hladnjak.
To će povećati površinu smjese u odnosu na njezin volumen, promičući brže isparavanje vode i ubrzani rast kristala stipsa.
Praćenje i pitanja za proučavanje: Kristale ćete početi stvarati za sat ili dva, ali budite strpljivi; nakon dana vidjet ćete prave kristale, a u roku od dva dana imat ćete kristalni zaslon.
Zašto u istoj posudi ili između posuda vidite kristale različitih veličina? Koji bi uvjeti, osim temperature i koncentracije, mogli pospješiti vezivanje molekula stipsa jedna za drugu? Biste li opisali bilo što od toga kao slučajno?
