Кристаллы издавна были одними из самых очаровательных форм в мире природы, искусства и промышленности. Когда вы думаете об этом слове, вы можете представить себе элегантную люстру для бального зала, кусок кварца, который вы сами нашли, или кусочки соли.
Даже без использования микроскопа для изучения более тонкой структуры кристаллических материалов вы, вероятно, будете поражены большинство из-за их правильных углов и ощущения, что они подчиняются строгим правилам, демонстрируя при этом фантастический набор формы.
В химии кристалл - это вещество, которое принимает кристаллическую форму, почти всегда твердое тело. Отличительной чертой такой структуры является своего рода повторяющаяся субъединица, которая обычно представляет собой атомное ядро на центр геометрического куба и ионы, несущие другой заряд, размещенные в углах куба или в центрах его стороны.
Одним из популярных кристаллов DIY в химических лабораториях во всем мире является квасцы. Работа с этим материалом, который вы можете легко получить в большинстве супермаркетов, - отличный способ познакомиться с поведением определенных растворов и образованием кристаллов в целом.
Что такое кристаллы?
Прежде чем вы сможете полностью оценить кристаллы, рекомендуется сделать шаг назад и посмотреть, как химики и физики классифицируют состояния вещества. Изменение состояния вещества - это не изменение химического состава вещества (то есть его молекулы не меняются), а изменение физического устройства вещества.
Три стандартных состояния вещества в порядке увеличения молекулярной кинетической энергии: твердое, жидкое а также газ.
Когда молекулы находятся в форме твердого тела, это означает, что их молекулы имеют более низкую общую и среднюю кинетическую энергию (KE), чем такое же количество этого вещества содержится в жидком состоянии, которое, в свою очередь, имеет более низкий KE, чем газообразное состояние для этого вещество.
Часто молекулы в форме твердого тела, ядра которых практически не имеют свободы двигаться относительно друг друга, образуют регулярные повторяющиеся узоры, называемые решетками.
Хотя эти маленькие (концептуальные, а не фактические) решетки охватывают всего одну или две молекулы, их свойства в основном распространяются на «макро» мир. Кварц при осмотре совершенно очевидно представляет собой «правильный» вид породы с приятными для глаза геометрическими углами и линиями; другие кристаллы, многие из которых являются синтетическими, захватывают, отражают и преломляют свет визуально привлекательными способами и популярны в ювелирных изделиях, архитектуре и других местах.
- Некоторые кристаллы существуют в жидком состоянии при комнатной температуре, например, жидкокристаллический диод (ЖК-дисплей), используемый в некоторых современных системах отображения.
Что есть решение?
Когда твердое тело с молекулами, состоящими из связанных ионов (заряженных атомов или молекул), помещается в жидкость, связи твердое вещество может быть разрушено, и составляющие атомы или молекулы твердого вещества могут стать равномерно распределенными по всей поверхности. жидкость. В этом случае результат называется решением; когда вода является жидкостью, это называется водным раствором,
- В этом контексте жидкость представляет собой растворитель и твердое тело растворенный.
Количество растворенного вещества, которое может быть растворено в данном количестве воды или другого растворителя, как и следовало ожидать, является конечным; во многих случаях растворимость данного вещества в данном растворителе также зависит от температуры, при которой происходит эта химическая реакция.
Как правило, при повышении температуры растворимость увеличивается, а при понижении температуры растворимость уменьшается. Это означает, что для данного количества растворенного вещества раствор может образовываться при одной температуре, но твердое вещество может присутствовать при более низкой температуре.
В момент, когда растворенное вещество больше не может быть растворено в растворе, раствор называется насыщенный, и имеются условия для образования кристаллов. Если добавлено больше раствора (или, в некоторых случаях, если раствор охлаждается), накапливается больше растворенного вещества, поскольку раствор сейчас перенасыщенный. Кристаллы теперь начинают формироваться в результате удачных столкновений между молекулами растворенного вещества в постоянно более переполненном растворе.
Квасцы: формулы, факты и цифры
Квасцы является полезным кристаллом для изучения того, как образуются эти твердые частицы, поскольку появление и рост кристаллов квасцов можно легко получить, контролировать и наблюдать. Квасцы могут относиться либо к веществу с определенной химической формулой, либо к классу химических веществ, который включает это «флагманское» соединение. Химическое вещество, которое чаще всего носит название «квасцы», на самом деле квасцы калия.
Формула квасцов калия - KAl (SO4)2⋅12 ч2О. Это означает, что молекула сульфата калия-алюминия, KAl (SO4)2, окружен двенадцатью молекулами воды, образующими одну единицу структуры кристаллической решетки. Но поскольку металл в формуле может быть чем-то другим, кроме калия, первая часть химической формулы квасцов может быть KCr (SO4)2, KAl (SO4)2 или что-то другое.
Квасцы имеют молекулярную массу (MW) 477,4 грамма (г). Он имеет температуру плавления 93 ° C, близкую к температуре кипения воды 100 ° C. Это означает, что он будет надежно оставаться твердым при комнатной температуре, которая обычно находится в диапазоне от 20 до 22 ° C. Он производит кристаллы от белого до бесцветного. Он не растворяется в этиловом спирте, как в воде и глицерине полигидроксилового спирта.
Выращивание кристаллов квасцов
Материалы: Вы можете найти квасцы в отделе специй в большинстве супермаркетов. Кроме этого, все, что вам нужно, легко обслуживать. Убедитесь, что вода, которую вы используете, действительно дистиллированная, то есть «чистая» и не содержит ионов, которые могут загрязнить процесс. В вашем распоряжении должны быть следующие предметы:
- Дистиллированная вода
- Несколько маленьких мисок или блюдцев
- Кастрюля для кипятка
- Ложка для перемешивания
Изготовление кристаллов квасцов путем испарения: Основываясь на предыдущем материале, вы должны ожидать, что для начала вы хотите, чтобы условия были максимально благоприятными для растворения квасцов, которые вы добавляете в воду. В конце концов, чем быстрее вы сможете насытить и перенасыщить раствор, тем скорее вы сможете всерьез начать процесс выращивания кристаллов.
Начните с кипячения небольшого количества воды (достаточно от 2 до 4 унций, или около 100 миллилитров), а затем дайте ей немного остыть. Начните добавлять квасцы ложкой и осторожно помешивая между добавлениями, пока они не растворится. Продолжайте делать это небольшими порциями, пока квасцы не перестанут растворяться. Теперь раствор перенасыщен.
Затем слейте немного воды, стараясь не попасть на дно кастрюли нерастворенные квасцы. Дайте ему остыть самостоятельно в течение нескольких минут, а затем переложите то, что осталось в кастрюле, в миски или тарелки и поместите их в холодильник.
Это позволит максимально увеличить площадь поверхности смеси по отношению к ее объему, способствуя более быстрому испарению воды и ускоренному росту кристаллов квасцов.
Последующие действия и вопросы для изучения: Вы начнете видеть, как кристаллы образуются в течение часа или двух, но наберитесь терпения; через день вы увидите настоящие кристаллы, а через два дня вы увидите кристалл.
Почему вы видите кристаллы разных размеров в одной чаше или между чашами? Какие условия, кроме температуры и концентрации, могут способствовать прикреплению молекул квасцов друг к другу? Вы бы охарактеризовали любой из них как случайный?
