Cristais há muito tempo estão entre as formas mais fascinantes do mundo da natureza, da arte e da indústria. Quando você pensa na palavra, pode imaginar um lustre de salão de baile elegante, um pedaço de quartzo que você encontrou ou pedaços de sal.
Mesmo sem o uso de um microscópio para examinar a estrutura mais fina dos materiais de cristal, você provavelmente ficará surpreso a maioria por seus ângulos regulares e a sensação de que obedecem a regras estritas enquanto manifestam uma fantástica variedade de formas.
Em química, um cristal é uma matéria que assume a forma cristalina, quase sempre sólida. A marca registrada desse tipo de estrutura é uma espécie de subunidade repetida, que geralmente é um núcleo atômico no centro de um cubo geométrico e íons carregando uma carga diferente colocados nos cantos do cubo ou no centro de seu lados.
Um cristal DIY popular em laboratórios de química em todo o mundo é alúmen. Trabalhar com esse material, que você pode obter facilmente na maioria dos supermercados, é uma ótima maneira de se familiarizar com o comportamento de certas soluções e a formação de cristais em geral.
O que são cristais?
Antes que você possa apreciar totalmente os cristais, é uma boa ideia dar um passo para trás e revisar como os químicos e físicos classificam Estados da matéria. Uma mudança no estado da matéria não é uma mudança na composição química de uma substância (ou seja, suas moléculas não mudam), mas sim uma mudança no arranjo físico da matéria.
Os três estados padrão da matéria são, em ordem crescente de energia cinética molecular, líquido sólido e gás.
Quando as moléculas estão na forma de um sólido, isso significa que suas moléculas têm menor energia cinética total e média (KE) do que a mesma quantidade dessa substância no estado líquido, que por sua vez apresenta uma KE mais baixa do que o estado gasoso para aquele substância.
Freqüentemente, as moléculas na forma de um sólido, cujos núcleos não têm praticamente nenhuma liberdade para se mover em relação uns aos outros, formam padrões regulares e repetitivos chamados reticulados.
Enquanto essas pequenas redes (conceituais, não reais) abrangem apenas uma ou duas moléculas, suas propriedades se estendem amplamente ao mundo "macro". O quartzo, na inspeção, é evidentemente um tipo de rocha "regular", com ângulos e linhas geométricas atraentes; outros cristais, muitos deles sintéticos, capturam, refletem e refratam a luz de maneiras visualmente atraentes e são populares em joias, arquitetura e em outros lugares.
- Alguns cristais existem no estado líquido em temperatura ambiente, como o diodo de cristal líquido (LCD) usado em alguns sistemas de exibição modernos.
O que é uma solução?
Quando um sólido com moléculas que consistem em íons ligados (átomos carregados ou moléculas) é colocado em um líquido, as ligações do sólido pode ser quebrado, e os átomos constituintes ou moléculas da substância sólida podem se tornar uniformemente dispersos em todo o líquido. Quando for esse o caso, o resultado é chamado de solução; quando a água é o líquido, é chamada de solução aquosa,
- Neste contexto, o líquido é um solvente, e o sólido é um soluto.
A quantidade de soluto que pode ser dissolvida em uma determinada quantidade de água ou outro solvente é, como você deve esperar, finita; em muitos casos, a solubilidade de uma determinada substância em um determinado solvente também depende da temperatura na qual essa reação química está ocorrendo.
Em geral, à medida que a temperatura aumenta, a solubilidade aumenta e, à medida que a temperatura cai, a solubilidade diminui. Isso significa que, para uma determinada quantidade de soluto, uma solução pode se formar em uma temperatura, mas o sólido pode estar presente em uma temperatura mais baixa.
No ponto em que nenhum soluto pode ser dissolvido na solução, a solução é chamada saturado, e existem condições para que ocorra a formação de cristais. Se mais solução for adicionada (ou, em alguns casos, se a solução for resfriada), mais soluto se acumula conforme a solução é agora supersaturado. Os cristais agora começam a se formar como resultado de colisões favoráveis entre as moléculas de soluto na solução cada vez mais congestionada.
Alum: Fórmula, Fatos e Números
Alúmen é um cristal útil para aprender como esses sólidos se formam, visto que o aparecimento e o crescimento de cristais de alúmen podem ser facilmente produzidos, controlados e observados. O alumínio pode se referir a uma substância com uma fórmula química específica ou a uma classe de produtos químicos que inclui esse composto "carro-chefe". O produto químico que atende pelo nome de "alum" mais comumente é, na verdade, alúmen de potássio.
A fórmula do alúmen de potássio é KAl (SO4)2⋅12 H2O. Isso significa que uma molécula de sulfato de alumínio e potássio, KAl (SO4)2, é cercado por doze moléculas de água para gerar uma unidade da estrutura da rede cristalina. Mas porque o metal na fórmula pode ser algo diferente de potássio, a primeira parte da fórmula química do alúmen pode ser KCr (SO4)2, KAl (SO4)2 ou outra coisa.
O alumínio tem um peso molecular (MW) de 477,4 gramas (g). Tem um ponto de fusão de 93 ° C, próximo ao ponto de ebulição da água de 100 ° C. Isso significa que ele permanecerá sólido de maneira confiável à temperatura ambiente, que normalmente está na faixa de 20 a 22 ° C. Produz cristais brancos a incolores. Não é solúvel em álcool etílico, pois é em água e no glicerol de álcool polihidroxílico.
Cristais de Alumínio Crescentes
Materiais: Você pode encontrar alume na seção de especiarias da maioria dos supermercados. Fora isso, tudo que você precisa é fácil de manter. Certifique-se de que a água utilizada seja de fato destilada, ou seja, "pura" e livre de íons que possam contaminar o processo. Você deve ter à sua disposição os seguintes itens:
- Água destilada
- Várias pequenas tigelas ou pires
- Uma panela para ferver agua
- Uma colher para mexer
Fazendo cristais de alúmen por evaporação: Com base no material anterior, você deve esperar que, para começar, as condições sejam o máximo favoráveis para a dissolução do alume adicionado à água. Afinal, quanto mais rapidamente você pode saturar e supersaturar uma solução, mais cedo você pode começar o processo de crescimento de cristal para valer.
Comece fervendo uma pequena quantidade de água (cerca de 2 onças fluidas a 4 onças fluidas, ou cerca de 100 mililitros, é o suficiente) e depois deixe esfriar um pouco. Comece adicionando alume pela colher e mexendo cuidadosamente entre as adições até que se dissolva. Continue fazendo isso em pequenas gradações até que nenhum alume mais possa se dissolver. A solução agora está supersaturada.
Em seguida, despeje um pouco da água, tomando cuidado para não incluir o alume não dissolvido no fundo da panela. Deixe esfriar por alguns minutos e, em seguida, coloque o que sobrou da panela em tigelas ou pratos e coloque-os na geladeira.
Isso irá maximizar a área de superfície da mistura em relação ao seu volume, promovendo a evaporação mais rápida da água e o crescimento acelerado dos cristais de alúmen.
Acompanhamento e perguntas para estudo: Você começará a ver a formação de cristais em uma ou duas horas, mas seja paciente; depois de um dia, você verá cristais reais e, em dois dias, uma tela de cristal.
Por que você vê cristais de tamanhos diferentes na mesma tigela ou entre tigelas? Que condições, além da temperatura e da concentração, podem promover a ligação das moléculas de alúmen umas às outras? Você descreveria qualquer um deles como aleatório?