Krystaller har lenge vært blant de mest fascinerende formene i verden av natur, kunst og industri. Når du tenker på ordet, kan du forestille deg en elegant lysekrone for ballsal, et kvarts du fant selv eller saltbiter.
Selv uten bruk av et mikroskop for å undersøke den finere strukturen til krystallmaterialer, blir du sannsynligvis truffet mest ved sine vanlige vinkler, og følelsen av at de adlyder strenge regler mens de manifesterer et fantastisk utvalg av former.
I kjemi er en krystall materie som antar en krystallinsk form, nesten alltid et fast stoff. Kjennetegnet for denne typen struktur er en repeterende underenhet av slags, som vanligvis er en atomkjerne ved sentrum av en geometrisk kube og ioner som bærer en annen ladning plassert i kubens hjørner eller i midten av dens sider.
En populær DIY-krystall i kjemilaboratorier over hele verden er alun. Å jobbe med dette materialet, som du enkelt kan få tak i i de fleste supermarkeder, er en fin måte å bli kjent med oppførselen til visse løsninger og dannelsen av krystaller generelt.
Hva er krystaller?
Før du fullt ut kan sette pris på krystaller, er det lurt å ta et skritt tilbake og gjennomgå hvordan kjemikere og fysikere klassifiserer tingenes tilstand. En endring i tilstanden til materie er ikke en endring i et stoffs kjemiske sammensetning (det vil si at dets molekyler ikke endres), men i stedet en endring i den fysiske ordningen av saken.
De tre standardtilstandene til materie er, i rekkefølge etter økende molekylær kinetisk energi, fast, flytende og gass.
Når molekyler er i form av et fast stoff, betyr det at molekylene deres har lavere total og gjennomsnittlig kinetisk energi (KE) enn den samme mengden av det stoffet gjør i flytende tilstand, som igjen har en lavere KE enn gassformen for det substans.
Ofte danner molekyler i form av et fast stoff, hvis kjerner praktisk talt ikke har frihet til å bevege seg i forhold til hverandre, regelmessige, gjentatte mønstre som kalles gitter.
Mens disse små (konseptuelle, ikke faktiske) gitter bare spenner over et molekyl eller to, strekker egenskapene deres seg stort sett til "makro" -verdenen. Kvarts er, etter inspeksjon, ganske åpenbart en "vanlig" slags stein, med iøynefallende geometriske vinkler og linjer; andre krystaller, mange av dem syntetiske, fanger, reflekterer og bryter lys på visuelt tiltalende måter og er populære innen smykker, arkitektur og andre steder.
- Noen krystaller eksisterer i flytende tilstand ved romtemperatur, slik som flytende krystalldiode (LCD) brukt i noen moderne skjermsystemer.
Hva er en løsning?
Når et fast stoff med molekyler som består av bundne ioner (ladede atomer eller molekyler) plasseres i en væske, blir bindingen til fast stoff kan brytes, og atomer eller molekyler i den faste substansen kan bli jevnt spredt i hele væske. Når dette er tilfelle, kalles resultatet en løsning; når vann er væske, kalles det en vandig løsning,
- I denne sammenheng er væsken en løsemiddel, og det faste er en løsemiddel.
Mengden oppløst stoff som kan oppløses i en gitt mengde vann eller annet løsemiddel er, som du kan forvente, endelig; i mange tilfeller avhenger løseligheten av et gitt stoff i et gitt løsningsmiddel også av temperaturen ved hvilken denne kjemiske reaksjonen forekommer.
Generelt, når temperaturen stiger, øker løseligheten, og når temperaturen synker, reduseres løseligheten. Dette betyr at for en gitt mengde oppløst stoff kan en løsning dannes ved en temperatur, men fast stoff er til stede ved en lavere temperatur.
På det punktet hvor mer løsemiddel ikke kan løses i løsning, kalles løsningen mettet, og forhold er på plass for at krystalldannelse kan forekomme. Hvis det tilsettes mer løsning (eller i noen tilfeller hvis løsningen blir avkjølt), akkumuleres mer løsemiddel slik løsningen er nå overmettet. Krystaller begynner nå å dannes som et resultat av gunstige kollisjoner mellom oppløste molekyler i den stadig mer overfylte løsningen.
Alun: Formel, fakta og figurer
Alum er en nyttig krystall for å lære om hvordan disse faste stoffene dannes, da utseendet og veksten av alunkrystaller lett kan produseres, kontrolleres og observeres. Alum kan referere til enten et stoff med en spesifikk kjemisk formel eller en klasse kjemikalier som inkluderer denne "flaggskip" -forbindelsen. Det kjemikaliet som ofte kalles alun er faktisk kaliumalum.
Formelen for kaliumalum er KAl (SO4)2⋅12 H2O. Dette betyr at et molekyl av kaliumaluminiumsulfat, KAl (SO4)2, er omgitt av tolv vannmolekyler for å generere en enhet av den krystallinske gitterstrukturen. Men fordi metallet i formelen kan være noe annet enn kalium, kan den første delen av den kjemiske alunformelen være KCr (SO4)2, KAl (SO4)2 eller noe annet.
Alun har en molekylvekt (MW) på 477,4 gram (g). Den har et smeltepunkt på 93 ° C, nær vannets kokepunkt på 100 ° C. Dette betyr at det pålitelig vil forbli et fast stoff ved romtemperatur, som vanligvis er i området 20 til 22 ° C. Den produserer hvite til fargeløse krystaller. Det er ikke løselig i etylalkohol som det er i vann og polyhydroksylalkoholglyserol.
Voksende alinkrystaller
Materialer: Du finner alun i krydderdelen av de fleste supermarkeder. Annet enn det, er alt du trenger lett å vedlikeholde. Forsikre deg om at vannet du bruker faktisk er destillert, dvs. "rent" og fritt for ioner som kan forurense prosessen. Du bør ha til rådighet disse varene:
- Destillert vann
- Flere små boller eller underkopper
- En panne for kokende vann
- En omrøringsskje
Å lage alunkrystaller via fordampning: Basert på det foregående materialet, kan du forvente at du til å begynne med vil at forholdene skal være maksimalt gunstige for at alunet du tilfører vannet skal oppløses. Jo raskere du kan mette og overmette en løsning, jo raskere kan du begynne prosessen med krystalldyrking for alvor.
Start med å koke en liten mengde vann (ca. 2 væske unser til 4 væske ounces, eller ca 100 milliliter, er nok) og la den avkjøles litt. Begynn å tilsette alun med skjeen og rør forsiktig mellom tilsetningene til den løser seg opp. Fortsett å gjøre dette i små graderinger til ikke mer alun kan oppløses. Løsningen er nå overmettet.
Hell deretter av litt av vannet, og vær forsiktig så du ikke inkluderer det uoppløste alunet i bunnen av pannen. La dette avkjøles av seg selv i et par minutter, og legg deretter det som er igjen i pannen i bollene eller oppvasken, og legg dem i kjøleskapet.
Dette vil maksimere overflatearealet til blandingen i forhold til volumet, og fremme raskere fordampning av vann og akselerert vekst av alinkrystaller.
Oppfølging og spørsmål for studier: Du vil begynne å se at det dannes krystaller innen en time eller to, men vær tålmodig; etter en dag vil du se ekte krystaller, og innen to dager vil du ha en krystallskjerm.
Hvorfor ser du krystaller i forskjellige størrelser i samme bolle eller mellom boller? Hvilke forhold annet enn temperatur og konsentrasjon kan fremme bindingen av alunmolekyler til hverandre? Vil du beskrive noen av disse som tilfeldige?