คริสตัล เป็นรูปทรงที่น่าสนใจที่สุดในโลกของธรรมชาติ ศิลปะ และอุตสาหกรรมมาอย่างยาวนาน เมื่อคุณนึกถึงคำนี้ คุณอาจนึกภาพโคมระย้าห้องบอลรูมอันหรูหรา ผลึกควอตซ์ที่คุณพบเองหรือชิ้นเกลือ
แม้จะไม่ได้ใช้กล้องจุลทรรศน์เพื่อตรวจสอบโครงสร้างที่ละเอียดกว่าของวัสดุคริสตัล คุณก็ยังอาจโดนโจมตีได้ ส่วนใหญ่โดยมุมปกติของพวกเขาและความรู้สึกว่าพวกเขาปฏิบัติตามกฎที่เข้มงวดในขณะที่แสดงอาเรย์ที่ยอดเยี่ยม รูปร่าง
ในวิชาเคมี คริสตัลคือสสารที่ถือว่าอยู่ในรูปของผลึก ซึ่งเกือบจะเป็นของแข็งเสมอ จุดเด่นของโครงสร้างประเภทนี้คือหน่วยย่อยซ้ำๆ ซึ่งมักจะเป็นนิวเคลียสของอะตอมที่ ศูนย์กลางของลูกบาศก์ทรงเรขาคณิตและไอออนที่มีประจุต่างกันวางอยู่ที่มุมของลูกบาศก์หรือตรงกลางของลูกบาศก์ ด้าน
คริสตัล DIY ยอดนิยมในห้องปฏิบัติการเคมีทั่วโลกคือ สารส้ม. การทำงานกับวัสดุนี้ ซึ่งหาซื้อได้ง่ายในซูเปอร์มาร์เก็ตส่วนใหญ่ เป็นวิธีที่ดีในการทำความคุ้นเคยกับพฤติกรรมของสารละลายบางอย่างและการก่อตัวของคริสตัลโดยทั่วไป
คริสตัลคืออะไร?
ก่อนที่คุณจะสามารถชื่นชมคริสตัลได้อย่างเต็มที่ คุณควรย้อนกลับไปทบทวนว่านักเคมีและนักฟิสิกส์จัดประเภทอย่างไร สถานะของสสาร
สถานะมาตรฐานทั้งสามของสสาร เรียงตามลำดับการเพิ่มพลังงานจลน์ของโมเลกุล ของแข็งของเหลว และ แก๊ส.
เมื่อโมเลกุลอยู่ในรูปของของแข็ง แสดงว่าโมเลกุลของพวกมันมีพลังงานจลน์รวมและค่าเฉลี่ย (KE) ต่ำกว่า ปริมาณของสารนั้นเท่ากันในสถานะของเหลว ซึ่งจะมี KE ต่ำกว่าสถานะก๊าซสำหรับสิ่งนั้น สาร
บ่อยครั้ง โมเลกุลที่อยู่ในรูปของของแข็ง ซึ่งนิวเคลียสซึ่งแทบไม่มีอิสระที่จะเคลื่อนที่สัมพันธ์กัน เกิดรูปแบบปกติซ้ำๆ ที่เรียกว่า แลตทิซ
แม้ว่าโครงข่ายขนาดเล็ก (ตามแนวคิด ไม่ใช่ของจริง) เหล่านี้จะขยายออกไปเพียงโมเลกุลหรือสองโมเลกุล แต่คุณสมบัติของพวกมันขยายไปถึงโลก "มาโคร" ส่วนใหญ่ ควอตซ์เมื่อตรวจสอบแล้วค่อนข้างชัดเจนว่าเป็นหินประเภท "ปกติ" โดยมีมุมและเส้นเรขาคณิตที่น่าดึงดูดใจ คริสตัลอื่นๆ ซึ่งส่วนใหญ่เป็นคริสตัลสังเคราะห์ จับ สะท้อนแสง และหักเหแสงในลักษณะที่ดึงดูดสายตา และเป็นที่นิยมในเครื่องประดับ สถาปัตยกรรม และที่อื่นๆ
- ผลึกบางชนิดอยู่ในสถานะของเหลวที่อุณหภูมิห้อง เช่น ไดโอดคริสตัลเหลว (LCD) ที่ใช้ในระบบแสดงผลสมัยใหม่บางระบบ
โซลูชั่นคืออะไร?
เมื่อของแข็งที่มีโมเลกุลซึ่งประกอบด้วยไอออนที่ถูกพันธะ (อะตอมหรือโมเลกุลที่มีประจุ) ถูกวางลงในของเหลว พันธะของ ของแข็งอาจแตกออก และอะตอมหรือโมเลกุลที่เป็นส่วนประกอบของสารที่เป็นของแข็งอาจกระจัดกระจายไปทั่ว ของเหลว เมื่อเป็นกรณีนี้ ผลลัพธ์จะเรียกว่าการแก้ปัญหา เมื่อน้ำเป็นของเหลว เรียกว่า สารละลายน้ำ
- ในบริบทนี้ ของเหลวคือ a ตัวทำละลาย และของแข็งคือ a ตัวละลาย.
ปริมาณตัวถูกละลายเกินกว่าที่จะละลายได้ในปริมาณที่กำหนดของน้ำหรือตัวทำละลายอื่น ๆ นั้นมีจำกัด ตามที่คุณควรคาดหวัง ในหลายกรณี ความสามารถในการละลายของสารที่กำหนดในตัวทำละลายที่กำหนดยังขึ้นอยู่กับอุณหภูมิที่เกิดปฏิกิริยาเคมีนี้
โดยทั่วไป เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ความสามารถในการละลายจะเพิ่มขึ้น และเมื่ออุณหภูมิลดลง ความสามารถในการละลายจะลดลง ซึ่งหมายความว่าสำหรับปริมาณตัวถูกละลายที่กำหนด สารละลายอาจเกิดขึ้นที่อุณหภูมิหนึ่ง แต่ของแข็งของฉันจะมีอยู่ที่อุณหภูมิต่ำกว่า
ณ จุดที่ตัวละลายไม่สามารถละลายในสารละลายได้อีก สารละลายนี้เรียกว่า อิ่มตัวและมีเงื่อนไขสำหรับการเกิดผลึก หากมีการเพิ่มสารละลายมากขึ้น (หรือในบางกรณี หากสารละลายเย็นลง) ตัวถูกละลายจะสะสมมากขึ้นเมื่อสารละลายอยู่ในขณะนี้ supersaturated. ตอนนี้คริสตัลเริ่มก่อตัวขึ้นจากการชนกันระหว่างโมเลกุลตัวถูกละลายในสารละลายที่มีความหนาแน่นมากขึ้น
สารส้ม: สูตร ข้อเท็จจริง และตัวเลข
สารส้ม เป็นผลึกที่มีประโยชน์สำหรับการเรียนรู้ว่าของแข็งเหล่านี้ก่อตัวอย่างไร เนื่องจากลักษณะและการเติบโตของผลึกสารส้มสามารถผลิต ควบคุม และสังเกตได้ง่าย สารส้มสามารถอ้างถึงสารที่มีสูตรทางเคมีเฉพาะหรือกลุ่มของสารเคมีที่มีสารประกอบ "เรือธง" นี้ สารเคมีที่เรียกกันว่า "สารส้ม" กันมากที่สุดคือ โพแทสเซียมสารส้ม.
สูตรโพแทสเซียมสารส้มคือ KAl (SO4)2⋅12 H2โอ. ซึ่งหมายความว่าโมเลกุลของโพแทสเซียมอะลูมิเนียมซัลเฟต KAl (SO4)2ถูกล้อมรอบด้วยโมเลกุลของน้ำสิบสองโมเลกุลเพื่อสร้างโครงสร้างผลึกขัดแตะหนึ่งหน่วย แต่เนื่องจากโลหะในสูตรอาจเป็นอย่างอื่นที่ไม่ใช่โพแทสเซียม ส่วนแรกในสูตรเคมีของสารส้มอาจเป็น KCr (SO4)2, กาล (SO4)2 หรืออย่างอื่น.
สารส้มมีน้ำหนักโมเลกุล (MW) 477.4 กรัม (g) มีจุดหลอมเหลว 93 °C ใกล้กับจุดเดือดของน้ำ 100 °C ซึ่งหมายความว่าจะยังคงเป็นของแข็งได้อย่างน่าเชื่อถือที่อุณหภูมิห้อง ซึ่งปกติอยู่ในช่วง 20 ถึง 22 °C มันผลิตผลึกสีขาวถึงไม่มีสี ไม่ละลายในเอทิลแอลกอฮอล์เนื่องจากอยู่ในน้ำและกลีเซอรอลโพลีไฮดรอกซิลแอลกอฮอล์
ผลึกสารส้มที่กำลังเติบโต
วัสดุ: คุณสามารถหาสารส้มได้ในส่วนเครื่องเทศของซูเปอร์มาร์เก็ตส่วนใหญ่ นอกจากนั้น ทุกสิ่งที่คุณต้องการนั้นง่ายต่อการบำรุงรักษา ตรวจสอบให้แน่ใจว่าน้ำที่คุณใช้กลั่นจริงแล้ว กล่าวคือ "บริสุทธิ์" และปราศจากไอออนที่อาจปนเปื้อนในกระบวนการ คุณควรมีรายการเหล่านี้พร้อมใช้:
- น้ำกลั่น
- ชามหรือจานรองขนาดเล็กหลายใบ
- กระทะสำหรับต้มน้ำ
- ช้อนกวน
การทำผลึกสารส้มผ่านการระเหย: จากวัสดุก่อนหน้านี้ คุณควรคาดหวังว่าในตอนแรก คุณต้องการให้สภาวะที่เหมาะสมที่สุดสำหรับสารส้มที่คุณเติมลงในน้ำเพื่อละลาย ท้ายที่สุด ยิ่งคุณทำให้สารละลายอิ่มตัวและทำให้อิ่มตัวได้เร็วเท่าใด คุณก็จะเริ่มกระบวนการเติบโตอย่างรวดเร็วได้เร็วเท่านั้น
เริ่มต้นด้วยการต้มน้ำเล็กน้อย (ประมาณ 2 ออนซ์ของเหลวถึง 4 ออนซ์ของเหลวหรือประมาณ 100 มล. ก็เพียงพอแล้ว) แล้วปล่อยให้เย็นลงเล็กน้อย เริ่มเติมสารส้มด้วยช้อนเต็มและคนให้เข้ากันระหว่างส่วนผสมจนละลาย ทำสิ่งนี้ต่อไปด้วยการไล่ระดับเล็กน้อยจนกว่าจะไม่มีสารส้มละลายอีกต่อไป ตอนนี้สารละลายอิ่มตัวยิ่งยวด
ถัดไป เทน้ำบางส่วนออก ระวังอย่าให้สารส้มที่ไม่ละลายอยู่ที่ด้านล่างของกระทะ ปล่อยให้เย็นเองสักสองสามนาที แล้วใส่สิ่งที่เหลืออยู่ในกระทะลงในชามหรือจาน แล้วใส่ในตู้เย็น
สิ่งนี้จะเพิ่มพื้นที่ผิวของส่วนผสมให้มากที่สุดโดยสัมพันธ์กับปริมาตร ส่งเสริมการระเหยของน้ำเร็วขึ้นและการเติบโตของผลึกสารส้มอย่างรวดเร็ว
ติดตามผลและคำถามเพื่อการศึกษา: คุณจะเริ่มเห็นผลึกก่อตัวขึ้นภายในหนึ่งหรือสองชั่วโมง แต่จงอดทน หลังจากผ่านไปหนึ่งวัน คุณจะเห็นคริสตัลของจริง และภายในสองวันคุณจะมีจอแสดงผลคริสตัล
ทำไมคุณถึงเห็นคริสตัลที่มีขนาดต่างกันในชามเดียวกันหรือระหว่างชาม? สภาวะใดนอกเหนือจากอุณหภูมิและความเข้มข้นที่อาจส่งเสริมการยึดติดของโมเลกุลสารส้มเข้าด้วยกัน คุณจะอธิบายว่าสิ่งเหล่านี้เป็นการสุ่มหรือไม่?