Kristaller har länge varit bland de mest fascinerande formerna i världen av natur, konst och industri. När du tänker på ordet kan du föreställa dig en elegant ljuskrona för balsal, en kvartsbit du hittade själv eller saltbitar.
Även utan att använda ett mikroskop för att undersöka kristallmaterialens finare struktur, är du troligen slagen mest genom sina vanliga vinklar, och känslan av att de följer strikta regler samtidigt som de visar ett fantastiskt utbud av former.
I kemi är en kristall materia som antar en kristallform, nästan alltid en fast substans. Kännetecknet för denna typ av struktur är en repeterande underenhet av olika slag, som vanligtvis är en atomkärna vid centrum av en geometrisk kub och joner som bär en annan laddning placerad vid kubens hörn eller i dess centrum sidor.
En populär DIY-kristall i kemilaboratorier världen över är alun. Att arbeta med detta material, som du enkelt kan få i de flesta stormarknader, är ett utmärkt sätt att bekanta sig med beteendet hos vissa lösningar och kristallbildning i allmänhet.
Vad är kristaller?
Innan du helt kan uppskatta kristaller är det en bra idé att ta ett steg tillbaka och granska hur kemister och fysiker klassificerar materiens tillstånd. En förändring av materiens tillstånd är inte en förändring i den kemiska sammansättningen av ett ämne (det vill säga dess molekyler förändras inte) utan istället en förändring i materiens fysiska arrangemang.
De tre standardtillstånden för materia är, i ordning efter ökande molekylär kinetisk energi, fast, flytande och gas.
När molekyler har formen av ett fast ämne betyder det att deras molekyler har lägre total och genomsnittlig kinetisk energi (KE) än samma mängd av det ämnet gör i flytande tillstånd, vilket i sin tur har en lägre KE än det gasformiga för detta ämne.
Ofta bildar molekyler i form av ett fast ämne, vars kärnor har praktiskt taget ingen frihet att röra sig i förhållande till varandra, regelbundna, upprepande mönster som kallas gitter.
Medan dessa små (konceptuella, inte verkliga) galler endast spänner över en molekyl eller två, sträcker sig deras egenskaper till stor del till "makro" -världen. Kvarts är, vid inspektion, uppenbarligen en "vanlig" sten, med iögonfallande geometriska vinklar och linjer; andra kristaller, många av dem syntetiska, fångar in, reflekterar och bryter ljus på ett visuellt tilltalande sätt och är populära inom smycken, arkitektur och på andra håll.
- Vissa kristaller finns i flytande tillstånd vid rumstemperatur, såsom flytande kristalldiod (LCD) används i vissa moderna bildskärmssystem.
Vad är en lösning?
När en fast substans med molekyler som består av bundna joner (laddade atomer eller molekyler) placeras i en vätska, fast ämne kan brytas, och de ingående atomerna eller molekylerna i den fasta substansen kan spridas jämnt över hela flytande. När så är fallet kallas resultatet en lösning; när vatten är vätskan kallas en vattenlösning,
- I detta sammanhang är vätskan en lösningsmedel, och det fasta ämnet är en löst.
Mängden löst ämne som kan lösas i en viss mängd vatten eller annat lösningsmedel är, som du kan förvänta dig, ändlig; i många fall beror lösligheten av ett givet ämne i ett givet lösningsmedel också på temperaturen vid vilken denna kemiska reaktion sker.
I allmänhet ökar lösligheten när temperaturen stiger och när temperaturen sjunker minskar lösligheten. Detta betyder att för en given mängd löst kan en lösning bildas vid en temperatur, men fast är närvarande vid en lägre temperatur.
Vid den punkt där inget mer löst ämne kan lösas i lösning kallas lösningen mättadoch förhållanden är på plats för att kristallbildning ska ske. Om mer lösning tillsätts (eller, i vissa fall, om lösningen kyls), ackumuleras mer lösningsmedel eftersom lösningen nu är övermättad. Kristaller börjar nu bildas som ett resultat av gynnsamma kollisioner mellan lösta molekyler i den allt mer trånga lösningen.
Alum: Formel, fakta och siffror
Alun är en användbar kristall för att lära sig hur dessa fasta ämnen bildas, eftersom utseendet och tillväxten av alunkristaller lätt kan produceras, kontrolleras och observeras. Alun kan hänvisa till antingen ett ämne med en specifik kemisk formel eller en klass av kemikalier som innehåller denna "flaggskepp" -förening. Den kemikalie som oftast kallas alun är faktiskt kaliumalun.
Formeln för kaliumalun är KAl (SO4)2⋅12 H2O. Detta innebär att en molekyl kaliumaluminiumsulfat, KAl (SO4)2, omges av tolv vattenmolekyler för att generera en enhet av den kristallina gitterstrukturen. Men eftersom metallen i formeln kan vara något annat än kalium, kan den första delen av den kemiska alunformeln vara KCr (SO4)2, KAl (SO4)2 eller något annat.
Alun har en molekylvikt (MW) på 477,4 gram (g). Den har en smältpunkt på 93 ° C, nära vattens kokpunkt på 100 ° C. Detta innebär att det på ett tillförlitligt sätt kommer att förbli ett fast ämne vid rumstemperatur, som normalt ligger i intervallet 20 till 22 ° C. Det producerar vita till färglösa kristaller. Det är inte lösligt i etylalkohol som det är i vatten och polyhydroxylalkoholglycerolen.
Växande alunkristaller
Material: Du hittar alun i kryddavdelningen i de flesta stormarknader. Förutom det är allt du behöver enkelt att underhålla. Se till att vattnet du använder faktiskt destilleras, dvs "rent" och fritt från joner som kan förorena processen. Du bör ha till ditt förfogande dessa saker:
- Destillerat vatten
- Flera små skålar eller fat
- En kastrull för kokande vatten
- En omrörningssked
Att göra alun kristaller via avdunstning: Baserat på föregående material bör du förvänta dig att till att börja med vill du att förhållandena ska vara maximalt gynnsamma för att alunet du lägger till vattnet ska lösas upp. Ju snabbare du kan mätta och övermätta en lösning, desto snabbare kan du påbörja kristallodlingsprocessen på allvar.
Börja med att koka en liten mängd vatten (ungefär 2 vätska uns till 4 fluid uns, eller cirka 100 milliliter, räcker) och låt det sedan svalna lite. Börja med att lägga alun med skeden och rör om försiktigt mellan tillsatserna tills den löser sig. Fortsätt göra detta i små graderingar tills inget mer alun kan lösas upp. Lösningen är nu övermättad.
Häll sedan bort lite av vattnet, var försiktig så att du inte inkluderar det olösta alunet i botten av pannan. Låt detta svalna på egen hand i några minuter och lägg sedan det som finns kvar i pannan i skålarna eller placera dem i kylen.
Detta maximerar blandningens ytarea i förhållande till dess volym, vilket främjar snabbare avdunstning av vatten och den accelererade tillväxten av alinkristaller.
Uppföljning och frågor för studier: Du kommer att börja se kristaller bildas inom en timme eller två, men ha tålamod; efter en dag ser du riktiga kristaller och inom två dagar har du en kristallskärm.
Varför ser du kristaller i olika storlekar i samma skål eller mellan skålar? Vilka andra förhållanden än temperatur och koncentration kan främja fästningen av alunmolekyler till varandra? Skulle du beskriva något av dessa som slumpmässiga?