Cristalli sono da tempo tra le forme più affascinanti del mondo della natura, dell'arte e dell'industria. Quando pensi alla parola, potresti immaginare un elegante lampadario da sala da ballo, un pezzo di quarzo che hai trovato tu stesso o pezzi di sale.
Anche senza l'uso di un microscopio per esaminare la struttura più fine dei materiali cristallini, probabilmente rimarrai colpito la maggior parte dai loro angoli regolari e dal senso che obbediscono a regole rigide mentre manifestano una fantastica gamma di forme.
In chimica, un cristallo è materia che assume una forma cristallina, quasi sempre solida. Il segno distintivo di questo tipo di struttura è una sorta di subunità ripetitiva, che di solito è un nucleo atomico al centro di un cubo geometrico e ioni portatori di carica diversa posti agli angoli del cubo o al centro della sua lati.
Un popolare cristallo fai-da-te nei laboratori di chimica di tutto il mondo è allume. Lavorare con questo materiale, facilmente reperibile nella maggior parte dei supermercati, è un ottimo modo per familiarizzare con il comportamento di alcune soluzioni e la formazione dei cristalli in generale.
Cosa sono i cristalli?
Prima di poter apprezzare appieno i cristalli, è una buona idea fare un passo indietro e rivedere come i chimici e i fisici classificano stati della materia. Un cambiamento di stato della materia non è un cambiamento nella composizione chimica di una sostanza (cioè le sue molecole non cambiano) ma invece un cambiamento nella disposizione fisica della materia.
I tre stati standard della materia sono, in ordine crescente di energia cinetica molecolare, solido, liquido e gas.
Quando le molecole sono sotto forma di un solido, significa che le loro molecole hanno un'energia cinetica totale e media (KE) inferiore a la stessa quantità di quella sostanza allo stato liquido, che a sua volta presenta un KE inferiore rispetto allo stato gassoso per quello sostanza.
Spesso le molecole sotto forma di un solido, i cui nuclei non hanno praticamente libertà di muoversi l'uno rispetto all'altro, formano schemi regolari e ripetuti chiamati reticoli.
Mentre questi piccoli reticoli (concettuali, non reali) si estendono solo su una o due molecole, le loro proprietà si estendono ampiamente al mondo "macro". Il quarzo, a ben vedere, è abbastanza evidentemente un tipo di roccia "regolare", con angoli e linee geometriche piacevoli per gli occhi; altri cristalli, molti dei quali sintetici, catturano, riflettono e rifrangono la luce in modi visivamente accattivanti e sono popolari in gioielleria, architettura e altrove.
- Alcuni cristalli esistono allo stato liquido a temperatura ambiente, come il diodo a cristalli liquidi (LCD) utilizzato in alcuni moderni sistemi di visualizzazione.
Che cos'è una soluzione?
Quando un solido con molecole costituite da ioni legati (atomi o molecole cariche) viene posto in un liquido, i legami del solido può rompersi e gli atomi o le molecole costituenti della sostanza solida possono disperdersi uniformemente in tutto il liquido. Quando questo è il caso, il risultato è chiamato soluzione; quando l'acqua è il liquido, si chiama soluzione acquosa,
- In questo contesto, il liquido è a solvente, e il solido è a soluto.
La quantità di un soluto che può essere dissolta in una data quantità di acqua o altro solvente è, come ci si dovrebbe aspettare, finita; in molti casi la solubilità di una data sostanza in un dato solvente dipende anche dalla temperatura alla quale avviene questa reazione chimica.
In generale, all'aumentare della temperatura, aumenta la solubilità e, al diminuire della temperatura, la solubilità diminuisce. Ciò significa che per una data quantità di soluto, una soluzione può formarsi a una temperatura, ma il solido può essere presente a una temperatura inferiore.
Nel punto in cui non è più possibile sciogliere il soluto in soluzione, la soluzione si chiama saturato, e ci sono le condizioni perché si verifichi la formazione di cristalli. Se viene aggiunta più soluzione (o, in alcuni casi, se la soluzione viene raffreddata), si accumula più soluto poiché la soluzione è ora supersaturo. I cristalli ora iniziano a formarsi come risultato di collisioni favorevoli tra molecole di soluto nella soluzione sempre più affollata.
Allume: formula, fatti e cifre
Allume è un cristallo utile per apprendere come si formano questi solidi, poiché l'aspetto e la crescita dei cristalli di allume possono essere facilmente prodotti, controllati e osservati. L'allume può riferirsi a una sostanza con una formula chimica specifica o a una classe di sostanze chimiche che include questo composto "ammiraglia". La sostanza chimica che più comunemente si chiama "allume" è in realtà allume di potassio.
La formula per l'allume di potassio è KAl (SO4)212 ore2O. Ciò significa che una molecola di potassio alluminio solfato, KAl (SO4)2, è circondato da dodici molecole d'acqua per generare un'unità della struttura del reticolo cristallino. Ma poiché il metallo nella formula potrebbe essere qualcosa di diverso dal potassio, la prima parte della formula chimica dell'allume potrebbe essere KCr (SO4)2, KAl (SO4)2 o qualcos'altro.
L'allume ha un peso molecolare (MW) di 477,4 grammi (g). Ha un punto di fusione di 93 °C, vicino al punto di ebollizione dell'acqua di 100 °C. Ciò significa che rimarrà solido in modo affidabile a temperatura ambiente, che normalmente è compresa tra 20 e 22 °C. Produce cristalli da bianchi a incolori. Non è solubile in alcool etilico come lo è in acqua e nel poliossidrilico glicerolo.
Cristalli di allume in crescita
Materiali: Puoi trovare l'allume nella sezione delle spezie della maggior parte dei supermercati. A parte questo, tutto ciò di cui hai bisogno è facile da mantenere. Assicurati che l'acqua che usi sia effettivamente distillata, cioè "pura" e priva di ioni che potrebbero contaminare il processo. Dovresti avere a tua disposizione questi elementi:
- Acqua distillata
- Diverse piccole ciotole o piattini
- Una pentola per far bollire l'acqua
- Un cucchiaio per mescolare
Fare cristalli di allume tramite evaporazione: Sulla base del materiale precedente, dovresti aspettarti che all'inizio desideri che le condizioni siano al massimo favorevoli affinché l'allume che aggiungi all'acqua si sciolga. Dopotutto, più rapidamente puoi saturare e sovrasaturare una soluzione, prima puoi iniziare sul serio il processo di crescita dei cristalli.
Inizia facendo bollire una piccola quantità di acqua (circa 2 once fluide a 4 once fluide, o circa 100 millilitri, sono sufficienti) e poi lasciala raffreddare un po'. Inizia ad aggiungere l'allume a cucchiaiate e mescolando accuratamente tra un'aggiunta e l'altra finché non si dissolve. Continua a farlo in piccole gradazioni finché non si dissolve più allume. La soluzione è ora supersatura.
Quindi, versa un po 'd'acqua, facendo attenzione a non includere l'allume non sciolto sul fondo della padella. Lasciarla raffreddare da sola per un paio di minuti e poi mettere ciò che rimane nella padella nelle ciotole o nei piatti, e riporli in frigorifero.
Ciò massimizzerà l'area superficiale della miscela in relazione al suo volume, favorendo l'evaporazione più rapida dell'acqua e la crescita accelerata dei cristalli di allume.
Follow-up e domande per lo studio: Inizierai a vedere i cristalli formarsi entro un'ora o due, ma sii paziente; dopo un giorno vedrai dei veri cristalli, ed entro due giorni avrai un display a cristalli.
Perché vedi cristalli di dimensioni diverse nella stessa ciotola o tra ciotole? Quali condizioni, oltre alla temperatura e alla concentrazione, potrebbero favorire l'adesione reciproca delle molecole di allume? Descriveresti qualcuno di questi come casuale?