Kristallen behoren al lang tot de meest fascinerende vormen in de wereld van natuur, kunst en industrie. Als je aan het woord denkt, kun je je een elegante balzaalkroonluchter voorstellen, een stuk kwarts dat je zelf hebt gevonden of stukjes zout.
Zelfs zonder het gebruik van een microscoop om de fijnere structuur van kristalmaterialen te onderzoeken, wordt u waarschijnlijk getroffen de meeste door hun regelmatige hoeken, en het gevoel dat ze strikte regels gehoorzamen terwijl ze een fantastische reeks van vormen.
In de scheikunde is een kristal materie die een kristallijne vorm aanneemt, bijna altijd een vaste stof. Het kenmerk van dit soort structuur is een zich herhalende subeenheid, meestal een atoomkern aan de centrum van een geometrische kubus en ionen die een andere lading dragen, geplaatst op de hoeken van de kubus of in het midden van zijn kanten.
Een populair doe-het-zelfkristal in scheikundelaboratoria over de hele wereld is: aluin. Het werken met dit materiaal, dat je gemakkelijk in de meeste supermarkten kunt krijgen, is een geweldige manier om vertrouwd te raken met het gedrag van bepaalde oplossingen en de vorming van kristallen in het algemeen.
Wat zijn kristallen?
Voordat u kristallen volledig kunt waarderen, is het een goed idee om een stap terug te doen en te bekijken hoe scheikundigen en natuurkundigen classificeren toestanden van materie. Een verandering in de toestand van materie is geen verandering in de chemische samenstelling van een stof (dat wil zeggen, de moleculen veranderen niet), maar in plaats daarvan een verandering in de fysieke rangschikking van de materie.
De drie standaardtoestanden van materie zijn, in volgorde van toenemende moleculaire kinetische energie, Vaste vloeistof en gas-.
Wanneer moleculen de vorm hebben van een vaste stof, betekent dit dat hun moleculen een lagere totale en gemiddelde kinetische energie (KE) hebben dan dezelfde hoeveelheid van die stof doen in de vloeibare toestand, die op zijn beurt een lagere KE heeft dan de gasvormige toestand daarvoor stof.
Vaak vormen moleculen in de vorm van een vaste stof, waarvan de kernen vrijwel geen bewegingsvrijheid hebben ten opzichte van elkaar, regelmatige, zich herhalende patronen die roosters worden genoemd.
Hoewel deze kleine (conceptuele, niet werkelijke) roosters slechts een paar moleculen beslaan, strekken hun eigenschappen zich grotendeels uit tot de 'macro'-wereld. Kwarts is bij nader inzien duidelijk een "gewone" steensoort, met oogstrelende geometrische hoeken en lijnen; andere kristallen, waarvan vele synthetisch, vangen, reflecteren en breken licht op visueel aantrekkelijke manieren en zijn populair in sieraden, architectuur en elders.
- Sommige kristallen bestaan in vloeibare toestand bij kamertemperatuur, zoals de vloeibare kristaldiode (LCD) gebruikt in sommige moderne weergavesystemen.
Wat is een oplossing?
Wanneer een vaste stof met moleculen die bestaan uit gebonden ionen (geladen atomen of moleculen) in een vloeistof wordt geplaatst, worden de bindingen van de vaste stof kan worden verbroken en de samenstellende atomen of moleculen van de vaste stof kunnen gelijkmatig door de hele stof worden verspreid vloeistof. Wanneer dit het geval is, wordt het resultaat een oplossing genoemd; wanneer water de vloeistof is, wordt dit een waterige oplossing genoemd,
- In deze context is de vloeistof een oplosmiddel, en de vaste stof is a opgeloste stof.
De hoeveelheid van een opgeloste stof die kan worden opgelost in een bepaalde hoeveelheid water of een ander oplosmiddel is, zoals je zou verwachten, eindig; in veel gevallen hangt de oplosbaarheid van een bepaalde stof in een bepaald oplosmiddel ook af van de temperatuur waarbij deze chemische reactie plaatsvindt.
In het algemeen geldt dat als de temperatuur stijgt, de oplosbaarheid toeneemt en als de temperatuur daalt, de oplosbaarheid afneemt. Dit betekent dat voor een bepaalde hoeveelheid opgeloste stof zich bij één temperatuur een oplossing kan vormen, maar bij een lagere temperatuur een vaste stof aanwezig kan zijn.
Op het punt waarop geen opgeloste stof meer in oplossing kan worden opgelost, wordt de oplossing genoemd verzadigd, en de omstandigheden zijn aanwezig voor kristalvorming. Als er meer oplossing wordt toegevoegd (of, in sommige gevallen, als de oplossing wordt afgekoeld), hoopt zich meer opgeloste stof op omdat de oplossing nu oververzadigd. Kristallen beginnen zich nu te vormen als gevolg van gunstige botsingen tussen opgeloste moleculen in de steeds drukker wordende oplossing.
Aluin: formule, feiten en cijfers
Aluin is een nuttig kristal om te leren hoe deze vaste stoffen worden gevormd, omdat het uiterlijk en de groei van aluinkristallen gemakkelijk kan worden geproduceerd, gecontroleerd en waargenomen. Aluin kan verwijzen naar een stof met een specifieke chemische formule of een klasse chemicaliën die deze "vlaggenschip" -verbinding bevat. De chemische stof die meestal de naam "aluin" draagt, is eigenlijk: kalium aluin.
De formule voor kaliumaluin is KAl (SO4)2⋅12 H2O. Dit betekent dat een molecuul kaliumaluminiumsulfaat, KAl (SO4)2, is omgeven door twaalf watermoleculen om één eenheid van de kristallijne roosterstructuur te genereren. Maar omdat het metaal in de formule iets anders kan zijn dan kalium, kan het eerste deel van de chemische formule van aluin KCr zijn (SO4)2, KAl (SO4)2 of iets anders.
Aluin heeft een molecuulgewicht (MW) van 477,4 gram (g). Het heeft een smeltpunt van 93 ° C, dicht bij het kookpunt van water van 100 ° C. Dit betekent dat het betrouwbaar vast blijft bij kamertemperatuur, die normaal gesproken in het bereik van 20 tot 22 °C ligt. Het produceert witte tot kleurloze kristallen. Het is niet oplosbaar in ethylalcohol zoals het is in water en de polyhydroxylalcohol glycerol.
Aluinkristallen kweken
Materialen: Je vindt aluin in de kruidenafdeling van de meeste supermarkten. Verder is alles wat je nodig hebt gemakkelijk te onderhouden. Zorg ervoor dat het water dat u gebruikt inderdaad gedestilleerd is, d.w.z. "puur" en vrij van ionen die het proces zouden kunnen vervuilen. U moet deze items tot uw beschikking hebben:
- Gedistilleerd water
- Meerdere kleine kommen of schotels
- Een pan voor kokend water
- Een roerlepel
Aluinkristallen maken via verdamping: Op basis van het voorgaande materiaal mag je verwachten dat je om te beginnen de omstandigheden zo gunstig mogelijk wilt hebben voor het oplossen van het aluin dat je aan het water toevoegt. Immers, hoe sneller je een oplossing kunt verzadigen en oververzadigen, hoe eerder je serieus kunt beginnen met het proces van kristalgroei.
Begin met het koken van een kleine hoeveelheid water (ongeveer 2 fluid ounces tot 4 fluid ounces, of ongeveer 100 milliliter, is genoeg) en laat het dan een beetje afkoelen. Begin met het toevoegen van aluin bij de lepel en roer voorzichtig tussen de toevoegingen door totdat het oplost. Blijf dit in kleine stapjes doen totdat er geen aluin meer kan oplossen. De oplossing is nu oververzadigd.
Giet vervolgens wat van het water af en zorg ervoor dat het onopgeloste aluin niet op de bodem van de pan terechtkomt. Laat dit een paar minuten vanzelf afkoelen en doe dan wat er nog in de pan zit in de kommen of borden en plaats ze in de koelkast.
Dit maximaliseert het oppervlak van het mengsel in verhouding tot het volume, wat de snellere verdamping van water en de versnelde groei van aluinkristallen bevordert.
Vervolg en studievragen: Je zult binnen een uur of twee kristallen zien vormen, maar wees geduldig; na een dag zie je echte kristallen en binnen twee dagen heb je een kristaldisplay.
Hoe komt het dat je kristallen van verschillende grootte in dezelfde kom of tussen kommen ziet? Welke andere omstandigheden dan temperatuur en concentratie zouden de hechting van aluinmoleculen aan elkaar kunnen bevorderen? Zou je een van deze als willekeurig omschrijven?