Кристали давно належать до найбільш захоплюючих фігур у світі природи, мистецтва та промисловості. Коли ви думаєте про це слово, ви можете зобразити елегантну бальну люстру, шматок кварцу, який ви виявили, або шматочки солі.
Навіть без використання мікроскопа для вивчення тоншої структури кристалічних матеріалів, ви, мабуть, вражені більшість із них - за правильними кутами та відчуттям, що вони підкоряються суворим правилам, демонструючи фантастичний набір фігури.
У хімії кристал - це речовина, яка приймає кристалічну форму, майже завжди тверда речовина. Відмітною ознакою такого роду структур є різновиди, що повторюються, які зазвичай є атомним ядром на центр геометричного куба та іони, що несуть різний заряд, розміщені в кутах куба або в центрах його сторони.
Одним з популярних кристалів DIY у хімічних лабораторіях у всьому світі є галун. Робота з цим матеріалом, який можна легко отримати у більшості супермаркетів, є чудовим способом ознайомитись з поведінкою певних розчинів та утворенням кристалів загалом.
Що таке кристали?
Перш ніж ви зможете повністю оцінити кристали, непогано зробити крок назад і переглянути, як класифікують хіміки та фізики станів речовини. Зміна стану речовини - це не зміна хімічного складу речовини (тобто її молекули не змінюються), а зміна фізичного розташування речовини.
Три стандартні стани речовини, в порядку збільшення молекулярної кінетичної енергії, тверда, рідка і газ.
Коли молекули у формі твердої речовини, це означає, що їх молекули мають нижчу загальну та середню кінетичну енергію (КЕ), ніж таку ж кількість цієї речовини роблять у рідкому стані, який, у свою чергу, має нижчий КЕ, ніж газоподібний для цього речовина.
Часто молекули у вигляді твердої речовини, ядра якої практично не мають свободи рухатися по відношенню один до одного, утворюють регулярні, повторювані візерунки, звані решітками.
Хоча ці невеликі (концептуальні, а не фактичні) решітки охоплюють лише молекулу чи дві, їх властивості здебільшого поширюються на "макро" світ. Кварц, при огляді, цілком очевидно, є "регулярним" видом гірської породи, із приємними для очей геометричними кутами та лініями; інші кристали, багато з яких синтетичні, вловлюють, відбивають і заломлюють світло візуально привабливо і популярні в ювелірних виробах, архітектурі та інших місцях.
- Деякі кристали існують у рідкому стані при кімнатній температурі, наприклад рідкокристалічний діод (РК), що використовується в деяких сучасних системах відображення.
Що таке рішення?
Коли тверда речовина з молекулами, що складаються з пов'язаних іонів (заряджених атомів або молекул), поміщається в рідину, зв'язки тверда речовина може руйнуватися, а складові атоми або молекули твердої речовини можуть рівномірно розподілятися по всьому рідина. Коли це так, результат називається рішенням; коли вода є рідиною, називається водним розчином,
- У цьому контексті рідина є розчинник, а тверде тіло являє собою розчинена речовина.
Кількість розчиненої речовини, яку можна розчинити у заданій кількості води або іншого розчинника, як і слід було очікувати, є кінцевою; у багатьох випадках розчинність даної речовини в даному розчиннику також залежить від температури, при якій відбувається ця хімічна реакція.
Загалом, із підвищенням температури розчинність зростає, а зі зниженням температури розчинність зменшується. Це означає, що для даної кількості розчиненої речовини розчин може утворюватися при одній температурі, але твердий може бути при меншій температурі.
У точці, в якій більше розчиненої речовини не може бути розчинено у розчині, викликається розчин насичений, і існують умови для утворення кристалів. Якщо додається більше розчину (або, в деяких випадках, якщо розчин охолоджується), більше розчину накопичується, коли розчин зараз перенасичений. Зараз кристали починають утворюватися в результаті сприятливих зіткнень між молекулами розчиненої речовини у все більш переповненому розчині.
Галун: Формула, факти та цифри
Галун є корисним кристалом для вивчення того, як утворюються ці тверді речовини, оскільки появу та ріст кристалів квасцов можна легко отримати, контролювати та спостерігати. Галун може стосуватися або речовини з певною хімічною формулою, або класу хімічних речовин, що включає цю "флагманську" сполуку. Хімічна речовина, яка найчастіше називається квасцом, насправді є калієвий галун.
Формула калійних галунів - KAl (SO4)2~ 12 год2О. Це означає, що молекула сульфату алюмінію калію, KAl (SO4)2, оточений дванадцятьма молекулами води для утворення однієї одиниці кристалічної решітчастої структури. Але оскільки метал у формулі може бути чимось іншим, крім калію, першою частиною хімічної формули квасцов може бути KCr (SO4)2, KAl (SO4)2 чи щось інше.
Галун має молекулярну масу (МВ) 477,4 грам (г). Він має температуру плавлення 93 ° C, близьку до температури кипіння води 100 ° C. Це означає, що він надійно залишатиметься твердим речовиною при кімнатній температурі, яка зазвичай знаходиться в діапазоні від 20 до 22 ° C. Він утворює білі до безбарвних кристалів. Він не розчиняється в етиловому спирті, як у воді та полігідроксиловому спирті гліцерині.
Вирощування кристалів квасцов
Матеріали: Ви можете знайти галун у розділі спецій більшості супермаркетів. Окрім цього, все необхідне легко підтримувати. Переконайтесь, що вода, яку ви використовуєте, насправді дистильована, тобто «чиста» та не містить іонів, які можуть забруднити процес. Ви повинні мати у своєму розпорядженні такі предмети:
- Дистильована вода
- Кілька маленьких мисочок або блюдець
- Каструля для окропу
- Ложка для перемішування
Виготовлення кристалів квасцов шляхом випаровування: Виходячи з попереднього матеріалу, слід очікувати, що для початку ви хочете, щоб умови були максимально сприятливими для розчинення квасцов, які ви додаєте у воду. Зрештою, чим швидше ви можете наситити і перенаситити розчин, тим швидше ви зможете розпочати процес вирощування кристалів всерйоз.
Почніть з кип’ятіння невеликої кількості води (достатньо близько 2 унцій рідини до 4 унцій рідини, або близько 100 мілілітрів), а потім дайте їй трохи охолонути. Почніть додавати галун ложкою і обережно помішуючи між додаваннями, поки він не розчиниться. Продовжуйте робити це невеликими градаціями, поки більше галун не зможе розчинитися. Тепер розчин перенасичений.
Далі злийте трохи води, обережно, щоб не включити нерозчинений галун на дно каструлі. Залиште це охолонути самостійно на пару хвилин, а потім покладіть те, що залишилося на сковороді, у миски або посуд і поставте їх у холодильник.
Це дозволить максимізувати площу поверхні суміші щодо її об’єму, сприяючи швидшому випаровуванню води та прискореному зростанню кристалів квасцов.
Подальші заходи та питання для вивчення: Ви почнете бачити кристали, що утворюються протягом години-двох, але будьте терплячі; через добу ви побачите справжні кристали, а протягом двох днів у вас з’явиться кришталевий дисплей.
Чому ви бачите кристали різного розміру в одній чаші або між чашами? Які умови, крім температури та концентрації, можуть сприяти прикріпленню молекул квасцов одна до одної? Чи не могли б ви описати щось із цього як випадкове?