Kryształy od dawna należą do najbardziej fascynujących kształtów w świecie przyrody, sztuki i przemysłu. Kiedy myślisz o tym słowie, możesz wyobrazić sobie elegancki żyrandol w sali balowej, kawałek kwarcu, który sam znalazłeś lub kawałki soli.
Nawet bez użycia mikroskopu do zbadania drobniejszej struktury materiałów krystalicznych prawdopodobnie jesteś uderzony w większości przez ich regularne kąty i poczucie, że przestrzegają ścisłych zasad, jednocześnie manifestując fantastyczny wachlarz kształty.
W chemii kryształ to materia, która przyjmuje postać krystaliczną, prawie zawsze stałą. Cechą charakterystyczną tego rodzaju struktury jest swego rodzaju powtarzająca się podjednostka, którą zwykle jest jądro atomowe na środek geometrycznego sześcianu i jony przenoszące inny ładunek umieszczone w rogach sześcianu lub w środkach jego boki.
Jednym z popularnych kryształów DIY w laboratoriach chemicznych na całym świecie jest ałun. Praca z tym materiałem, który można łatwo uzyskać w większości supermarketów, to świetny sposób na zapoznanie się z zachowaniem niektórych roztworów i ogólnie z tworzeniem kryształów.
Czym są kryształy?
Zanim będziesz w stanie w pełni docenić kryształy, dobrze jest zrobić krok wstecz i przejrzeć klasyfikację chemików i fizyków Stany materii. Zmiana stanu materii nie jest zmianą składu chemicznego substancji (to znaczy, że jej cząsteczki się nie zmieniają), ale zmianą fizycznego uporządkowania materii.
Trzy standardowe stany materii to, w kolejności wzrastającej molekularnej energii kinetycznej, Ciecz stała i gaz.
Gdy cząsteczki mają postać ciała stałego, oznacza to, że ich cząsteczki mają niższą całkowitą i średnią energię kinetyczną (KE) niż taka sama ilość tej substancji jest w stanie ciekłym, który z kolei ma niższą wartość KE niż stan gazowy dla tego substancja.
Często cząsteczki w postaci ciała stałego, którego jądra praktycznie nie mają swobody poruszania się względem siebie, tworzą regularne, powtarzające się wzory zwane kratami.
Chociaż te małe (koncepcyjne, nie rzeczywiste) sieci rozciągają się tylko na jedną lub dwie molekuły, ich właściwości rozciągają się w dużej mierze na świat „makro”. Kwarc, po przyjrzeniu się, jest całkiem ewidentnie „zwykłym” rodzajem skały, z przyjemnymi dla oka geometrycznymi kątami i liniami; inne kryształy, wiele z nich syntetycznych, wychwytują, odbijają i załamują światło w atrakcyjny wizualnie sposób i są popularne w biżuterii, architekturze i nie tylko.
- Niektóre kryształy występują w stanie ciekłym w temperaturze pokojowej, takie jak dioda ciekłokrystaliczna (LCD) stosowane w niektórych nowoczesnych systemach wyświetlania.
Jakie jest rozwiązanie?
Gdy ciało stałe z cząsteczkami składającymi się z jonów związanych (naładowanych atomów lub cząsteczek) zostanie umieszczone w cieczy, wiązania ciało stałe może ulec rozbiciu, a atomy lub cząsteczki składowe substancji stałej mogą zostać równomiernie rozproszone w całym ciele ciekły. W takim przypadku wynik nazywamy rozwiązaniem; gdy woda jest cieczą, nazywana jest roztworem wodnym,
- W tym kontekście ciecz jest rozpuszczalnik, a bryła jest solute.
Ilość substancji rozpuszczonej, którą można rozpuścić w danej ilości wody lub innego rozpuszczalnika, jest, jak można się spodziewać, skończona; w wielu przypadkach rozpuszczalność danej substancji w danym rozpuszczalniku zależy również od temperatury, w której zachodzi ta reakcja chemiczna.
Ogólnie rzecz biorąc, wraz ze wzrostem temperatury rozpuszczalność wzrasta, a wraz ze spadkiem temperatury rozpuszczalność maleje. Oznacza to, że dla danej ilości substancji rozpuszczonej roztwór może tworzyć się w jednej temperaturze, ale ciało stałe może być obecne w niższej temperaturze.
W punkcie, w którym nie można już rozpuścić substancji rozpuszczonej w roztworze, rozwiązanie nazywa się nasycony, i istnieją warunki, w których zachodzi tworzenie się kryształów. Jeśli doda się więcej roztworu (lub, w niektórych przypadkach, jeśli roztwór jest schłodzony), więcej substancji rozpuszczonej gromadzi się, gdy roztwór jest teraz przesycony. Kryształy zaczynają się teraz tworzyć w wyniku korzystnych zderzeń między cząsteczkami substancji rozpuszczonej w coraz bardziej zatłoczonym roztworze.
Ałun: formuła, fakty i liczby
Ałun jest przydatnym kryształem do nauki o powstawaniu tych ciał stałych, ponieważ wygląd i wzrost kryształów ałunu można łatwo wytwarzać, kontrolować i obserwować. Ałun może odnosić się do substancji o określonym wzorze chemicznym lub do klasy chemikaliów, która obejmuje ten „flagowy” związek. Substancją chemiczną, która najczęściej występuje pod nazwą „ałun”, jest w rzeczywistości ałun potasowy.
Wzór na ałun potasowy to KAl (SO4)2⋅12 godz.2O. Oznacza to, że cząsteczka siarczanu glinowo-potasowego KAl (SO4)2, jest otoczony przez dwanaście cząsteczek wody, aby wygenerować jedną jednostkę struktury sieci krystalicznej. Ale ponieważ metal we wzorze może być czymś innym niż potas, pierwszą częścią wzoru chemicznego ałunu może być KCr (SO4)2, KAL (SO. ,, ,, ,, ,,,, ,,,, ,,,, ,,,, ,,,, ,,,, ,,,, ,,,, ,,,, ,,,, ,,,, ,,,, ,,,, ,,,, ,,,, ,,,, ,,,, ,,,, ,,,, ,,,, ,,,, ,,,, ,,,, ,,,, ,,,, ,,,, ,,,, ,,,, ,,,, ,,,, ,,,, ,4)2 albo coś innego.
Ałun ma masę cząsteczkową (MW) 477,4 gramów (g). Ma temperaturę topnienia 93 °C, zbliżoną do temperatury wrzenia wody 100 °C. Oznacza to, że niezawodnie pozostanie w stanie stałym w temperaturze pokojowej, która zwykle mieści się w zakresie od 20 do 22 °C. Wytwarza kryształy o barwie od białej do bezbarwnej. Nie jest rozpuszczalny w alkoholu etylowym, tak jak w wodzie i glicerynie alkoholu polihydroksylowego.
Uprawa kryształów ałunu
Materiały: Ałun można znaleźć w sekcji przypraw w większości supermarketów. Poza tym wszystko, czego potrzebujesz, jest łatwe w utrzymaniu. Upewnij się, że woda, której używasz, jest faktycznie destylowana, tj. „czysta” i wolna od jonów, które mogłyby zanieczyścić proces. Powinieneś mieć do swojej dyspozycji następujące przedmioty:
- Woda destylowana
- Kilka małych misek lub spodków
- Patelnia do wrzątku
- Łyżka do mieszania
Wytwarzanie kryształów ałunu przez odparowanie: Opierając się na poprzednim materiale, powinieneś oczekiwać, że na początku chcesz, aby warunki były maksymalnie korzystne dla rozpuszczenia ałunu dodawanego do wody. W końcu im szybciej można nasycić i przesycić roztwór, tym szybciej można rozpocząć proces wzrostu kryształów na dobre.
Zacznij od zagotowania niewielkiej ilości wody (wystarczy około 2 uncji do 4 uncji płynu lub około 100 mililitrów), a następnie pozwól jej trochę ostygnąć. Zacznij dodawać ałun łyżką i ostrożnie mieszaj pomiędzy dodawaniem, aż się rozpuści. Rób to w małych gradacjach, aż ałun nie będzie mógł się rozpuścić. Rozwiązanie jest teraz przesycone.
Następnie odlej trochę wody, uważając, aby nie rozpuścić nierozpuszczonego ałunu na dnie patelni. Pozostaw do ostygnięcia przez kilka minut, a następnie włóż to, co pozostało na patelni, do misek lub naczyń i włóż je do lodówki.
Pozwoli to zmaksymalizować powierzchnię mieszanki w stosunku do jej objętości, sprzyjając szybszemu odparowywaniu wody i przyspieszonemu wzrostowi kryształów ałunu.
Kontynuacja i pytania do nauki: W ciągu godziny lub dwóch zaczniesz widzieć kryształy, ale bądź cierpliwy; po dniu zobaczysz prawdziwe kryształy, a w ciągu dwóch dni będziesz miał kryształowy wyświetlacz.
Dlaczego widzisz kryształy o różnych rozmiarach w tej samej misce lub między miskami? Jakie warunki inne niż temperatura i stężenie mogą sprzyjać wiązaniu cząsteczek ałunu ze sobą? Czy określiłbyś któreś z nich jako przypadkowe?