|
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
Интеллектуальная Система Тематического Исследования НАукометрических данных |
||
Выращивание кристаллов в домашних условияхучебный курс
- Автор: Рукин М.Д., Вайнтруб Б.И.
- Год создания: 2000
- Организация: МГУ имени М.В. Ломоносова
- Описание: Рукин М.Д., Вайнтруб Б.И. Выращивание кристаллов в домашних условиях. Многие кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде, увеличивают растворимость при повышении температуры, и уменьшают ее при понижении температуры. Это такие вещества, как медный купорос CuSO4*5H2O, калий двухромовокислый K2Cr2O7, красная кровяная соль K3[Fe(CH)6], желтая кровяная соль K4[Fe(CH)6] * 3H2O и др. Благодаря этому свойству можно выращивать кристаллы в домашних условиях, обходясь при этом минимумом оборудования и приспособлений. После приобретения достаточного опыта возможно выращивание крупных кристаллов или их сростков. Выращивание и наблюдение за ростом кристаллов доставляют огромное удовольствие, так как предоставляют возможность самому участвовать в этом процессе. Минимум оборудования, необходимого для выращивания, показан на рис. 1. 1. Кастрюля. 2. Стеклянная банка (1 литр). 3. Металлическая подставка. 4. Пластмассовая банка без заужения (1 литр). 5. Водяной термометр. Пластмассовая ложка. 7. Пластмассовая крышка. Для примера рассмотрим выращивание из медного купороса. Желательно использовать реактив марки не ниже «Ч» - чистый с содержанием CuSO4 *5H2O 98.5%, использование реактива меньшей чистоты приведет к образованию хлопьев в растворе. У медного купороса растворимость значительно увеличивается при увеличении температуры раствора, что видно из кривой растворимости на рис. 2. Пересыщенные растворы Насыщенные растворы Ненасыщенные растворы Рис.2. Кривая растворимости CuSO4*5H2O. Из рисунка видно, что значения растворов, лежащие выше кривой растворимости, отвечают пересыщенным растворам, ниже – ненасыщенным, и лежащие на кривой растворимости – насыщенным. Способ, который будет рассмотрен для выращивания, называется способом перепада температур. Он так называется потому, что исходя из кривой растворимости медного купороса из ненасыщенного раствора Ф при понижении температуры получим пересыщенный раствор В, а как известно, рост кристалла идет в пересыщенном растворе. Начинать надо с получения пересыщенного раствора. В стеклянную банку насыпать приблизительно 200 гр. реактива и налить 800 мл теплой кипяченой воды. Перемешивая пластмассовой ложкой воду, растворяем реактив. Если полного растворения нет, то необходимо нагреть раствор в водяной бане, т.е. поставить банку на подставку в кастрюлю с водой и нагреть ее до температуры, равной 500С. Металлическая подставка не дает банке лопнуть. Банку накрыть крышкой. После нагревания раствора растворить реактив без остатка. Теперь потребуется капроновая леска диаметром 0.15-0.2 мм и грузик. На одном конце лески сделать петлю размером примерно 1 см, чтобы в нее без труда проходила перекладина из карандаша, она должна быть плоской, чтобы держаться на банке. К другому концу лески привязать грузик так, чтобы он не доставал до дна банки. В качестве грузика можно использовать любой материал, не реагирующий с раствором – это может быть кусочек камня, стекла или бусины из стекла такой формы, чтобы не было проблем с креплением его к леске. В теплый раствор опустить грузик на 10 секунд и вынув из раствора, подвесить леску. Раствор, захваченный грузиком при испарении воды, оставит на нем множество мелких кристалликов и когда через сутки в остывший раствор погрузим леску с грузиком, должна произойти кристаллизация на грузике, а также образоваться кристаллики на дне банки. Надо иметь в виду, что кристаллизация будет идти в том случае, если раствор получился пересыщенным, если же кристаллизации нет, необходимо банку с раствором нагреть в кастрюле и растворить дополнительно еще реактива и повторить те же действия, которые были описаны выше. Для кристаллизации раствор желательно перелить в прозрачную пластмассовую банку емкостью 1литр, накрыть ее крышкой с отверстием размером 1 см, на крышке будет лежать перекладина, с которой через отверстие в крышке будет свисать леска с грузиком. Итак, добившись кристаллизации, нужно дать полностью осесться избытку вещества, которое произойдет через трое суток. По прошествии этого времени раствор из состояния перенасыщенного станет насыщенным плюс кристаллы, образованные на леске с грузиком, и на дне банки. Дальнейшее выращивание может идти тремя путями: 1) рост сростка, лбразованного на леске с грузиком; 2) рост сростка из нескольких кристаллов; 3) рост одного (моно) кристалла. Рассмотрим первый, самый простой вариант. Вынимаем леску с наросшими кристаллами, над банкой предварительно осушаем фильтровальной бумагой его, затем закрепляем пластинку с лежащей на ней перекладиной так, чтобы леска свисала вниз и дальше осушаем сросток. Пластинку проще всего придавить каким-либо грузом. Переливаем насыщенный раствор в стеклянную банку, удаляем кристаллы со дна пластмассовой банки и моем ее водой. Банку с насыщенным раствором нагреваем до 400С, переводя его в ненасыщенное состояние и растворяем 1.5 чайные ложки реактива. После полного растворения вынуть банку из кастрюли, вылить горячую воду и налить холодную. Банку поставить в холодную воду и охладить раствор до температуры, большей комнатной на 80С. Охлаждение раствора контролировать с помощью помещенного в банку водяного термометра. При охлаждении время от времени перемешивать раствор ложкой движениями снизу вверх, так как охлаждение идет неравномерно. Раствор, охлажденный до температуры больше комнатной на 80С должен быть недосыщенным. Далее переливаем его в пластмассовую банку и помещаем туда сросток на леске. При остывании раствора недосыщение будет уменьшаться до достижения насыщения, а затем и перенасыщения, при котором будет продолжен рост сростка. Как уже отмечалось, через трое суток рост прекратится (при условии неизменности температуры в комнате). Сросток увеличится в размере, на дне банки могут образовываться отдельные кристаллики и сростки, которые можно использовать для выращивания во втором и третьем вариантах. Для дальнейшего роста сростка раствор опять нужно перенасытить на 1.5 чайные ложки и т.д. до окончательных размеров. При втором варианте выращивания используются сростки, образующиеся на дне банки. Сросток на леске убирают, а из небольших сростков на дне банки отбирают несколько для выращивания. Увеличение размеров сростков ведут на дне. Сначала разращивание двух или трех одновременно, затем по мере увеличения оставляют один. Перенасыщение уменьшают до 1 чайной ложки, увеличивая до 1.5 после увеличения размеров сростков. Дальнейший рост одного сростка до окончательного размера можно проводить либо на дне банки, или на леске, оторвав его ото дна. Для этого, если позволяет форма сростка, его сразу привязывают на леске или предварительно вращивают петельку из лески. Петельку крепят к сростку пластилином, через два пересыщения она, как правило, врастает в сросток. За свободный конец петли привязывают леску и приподнимают сросток ото дна. Дальнейшими пересыщениями выращивают сросток до нужных размеров. Третий вариант похож на второй с тем отличием, что на дне банки выбирают не сростки, а отдельные кристаллы. Для придания кристаллу вертикального положения его разращивают на леске до достижения дна, затем крепят к небольшой пластинке с помощью пластилина. При дальнейшем росте образующиеся мелкие кристаллики закроют пластинку и образуют основание крупного кристалла. После освоения выращивания кристаллов из медного купороса можно переходить к другим веществам. Перед выращиванием из нового вещества желательно узнать из справочной литературы краткие сведения о нем. Растворимость, увеличение растворимости при повышении температуры, как ведет себя на воздухе (если плывет на воздухе, т.е. сорбирует воду, то выращивать из него не следует, т.к. сохранить такие кристаллы тяжело). При незначительном увеличении растворимости при повышении температуры, как например, у поваренной соли NaCl, выращивание нужно вести другим способом – выпариванием раствора, что значительно увеличивает время выращивания. Наблюдение за ростом кристаллов в темных растворах ведут, используя фонарь и фольгу, помещая ее позади банки на расстоянии нескольких сантиметров. Фонарем освещают фольгу, в отраженном свете которой и ведут наблюдение. При непросвечиваемых растворах (раствор CuCl2 *2H2O) наблюдение невозможно, и выращивание проводят вслепую. Перенасыщение для разных веществ различное, для CuSO4 *5H2O – 1/5 чайные ложки, K2Cr2O7 – 1 чайная ложка, NiSO4 *7H2O – 2 чайные ложки и т.д. Для каждого нового реактива приходится опытным путем определить степень пересыщения раствора. Сохранность кристаллов на воздухе различная у безводных кристаллов (K2Cr2O7) и кристаллогидратов (MgSO4*7H2O). Последние через определенное время обезвоживаются, изменяя цвет и блеск, уменьшается прочность, хотя часто внешний вид даже улучшается, как, например, MgSO4*7H2O. Хранить кристаллы нужно так, чтобы они не пылились, брать нужно защищенной рукой, чтобы не оставлять отпечатки пальцев. Пыль удалять мягкой кисточкой и тампоном ваты, смоченным в спирте (для большинства неорганических веществ спирт растворителем не является). Закончив выращивание одного вещества, раствор можно не выливать, сохранить долгое время, закрыв банку плотной крышкой. При долгом выращивании раствор теряет часть объема. Чтобы увеличить объем раствора, доливают кипяченую воду и добавляют реактив. Нагрев раствор в водяной бане, растворяют реактив. Нужно получить сначала пересыщенный, а затем насыщенный раствор. Время перехода раствора из пересыщенного в насыщенный увеличивается при уменьшении температуры в помещении в процессе роста кристалла. Окончание роста кристалла лучше производить после «глубокого» охлаждения (понижения температуры в помещении на несколько градусов) Наиболее эффективное выращивание достигается в период отключения отопления, когда наиболее существенные перепады температуры достигают ±40С и более. Рассмотрение выращивания кристаллов способом перепада температур на основе схемы кристаллизации. Температура в 0С. Кривая растворимости CuSO4 *5H2O (медного купороса) и схема кристаллизации по способу перепада температур. I – ненасыщенные растворы; II –насыщенные растворы; III пересыщенные растворы; АВ – нагревание воды от комнатной температуры до температуры 450 ; ВС – растворение 28 гр. Медного купороса; СД – охлаждение раствора естественным путем до температуры 200 (комнатная); ДЕ – пересыщение раствора в количестве примерно 7 гр., идет кристаллизация в течение, в среднем, 3 суток, в точке Е кристаллизация прекращается, раствор становится насыщенным; ЕF – нагревание насыщенного раствора, FС – растворение примерно 7 гр. Медного купороса; СД – см. выше; ДЕ – продолжение кристаллизации, неоднократное пересыщение раствора (ДЕ) позволяет вести выращивание кристаллов способом перепада температур; С1 – насыщенный раствор при температуре 370С; С1ДЕ – область кристаллизации. Скорость растворения уменьшается по мере приближения концентрации раствора к насыщению, ее можно увеличить, нагревая раствор, так, например, в точке В2 скорость растворения выше, чем в точке В при растворении равного количества вещества (С=С3). Увеличение пересыщения можно получить, увеличив температуру раствора (В2 > В) и растворив больше вещества (С2 > С3), охладив раствор до комнатной температуры (Д2 > Д). Помещение затравки в раствор может производиться или в пересыщенный раствор (С1Д) или в ненасыщенный (СС1). Рассмотрим 1 вариант. Он, в основном, используется в самом начале вырыщивания, когда нет затравок и в раствор помещают грузик (проще всего использовать бусину из бус, сделанных из стекла или кварца), предварительно смоченный в растворе и высушенный. К бусине можно привязать кусочек нитки, а саму бусину – к леске. Если в точке Д пересыщение ДЕ было большим, будет наблюдаться бурный рост кристаллов на грузике и на дне кристаллизатора, если ДЕ небольшое, рост – менее интенсивный, главное, получить сросток кристаллов на грузике; при последующем пересыщении сросток надо помещать в ненасыщенный раствор (вариант 2). При втором варианте помещение сростка на леске производится в интервале СС1 в точке Н, при этом раствор должен быть ненасыщенным и разность температуры в точках Н и Д – не больше 80 (СF = 1.5 ч.л. на 1 литр раствора). При большей разницы температуры будет идти более сильное растворение сростка и о бразование трещин в кристаллах. Растворение сростка идет до температуры в точке С1, при дальнейшем остывании раствора начнется рост сростка и образование кристалликов и сростков на дне кристаллизатора. Рассмотрим условия, при которых происходит изменение комнатной температуры. При понижении комнатной температуры (А1Д1) увеличивается пересыщение раствора, так как кривая растворимости уходит вниз, значит увеличивается время кристаллизации (более трех суток). И наоборот, при повышении комнатной температуры время кристаллизации уменьшается (В1). В замкнутом цикле ЕFСД выделяются два участка: 1 – ЕFСН – на этом учаске требуется вмешательство человека. ЕF – нагревание насыщенного раствора при комнатной температуре до температуры t0 (B); FC – растворение 1.5 ч.л. медного купороса; СН - - принудительное охлаждение раствора до температуры выше комнатной на 80С и помещение затравки. 2 – НС1ДЕ – на этом участке вмешательство человека не требуется. НС1 – естественное охлаждение ненасыщенного раствора до температуры насыщения в точке С1, при этом идет растворение затравки и кристалликов на леске, продолжительность охлаждения составляет несколько часов. С1Д – продолжение естественного охлаждения уже пересыщенного раствора до комнатной температуры. При этом идет кристаллизация, скорость которой увеличивается и становится максимальной в точке Д. Продолжительность охлаждения составляет несколько часов. Суммарная продолжительность охлаждения от точки С к точке Д составляет примерно 6 часов. ДЕ – кристаллизация составляет 3 суток, при этом скорость кристаллизации уменьшается и достигает 0 в точке Е (насыщенный раствор). Очевидно, что для дальнейшего роста затравки весь цикл ЕFСД нужно повторить. Каждый цикл называется приемом пересыщения или пересыщением. При этом понятно, о чем идет речь, когда говорят, что этот кристалл или сросток выращен за 20 приемов пересыщения (пересыщений). На рисунке показана кривая растворимости поваренной соли, из характера которой видно, что увеличение растворимости незначительное при повышении температуры раствора. Поэтому выращивание кристаллов поваренной соли нужно проводить способом выпаривания (испарения) раствора. При уменьшении объема растворителя (воды) кривая растворимости смещается вниз, что показано пунктирной линией. Разность по высоте между двумя кривыми растворимости и будет пересыщением, которое позволит вести рост кристаллов. Время выращивания увеличивается существенно, но при этом отпадает необходимость многократного пересыщения раствора. Сначала растворяют как можно больше соли в теплой воде. Дают раствору отстояться и сливают в другую банку. На следующий день помещают в банку с раствором немного соли и в дальнейшем наблюдают за состоянием осадка. При полном растворении осадка раствор нагреть и растворить еще поваренную солью При медленном растворении ждут, когда раствор по мере испарения станет пересыщенным и начнется рост кристаллов. Затем выбирают будущие затравки и разращивают их на дне банки. Дальнейшее выращивание ведут или на дне или во взвешенном состоянии, предварительно врастив в затравку петельку из лески.. При использовании лабораторного оборудования (термостата) при выращивании кристаллов способом перепада температур можно существенно увеличивать степень пересыщения раствора, что позволит увеличить массу кристалла за одно пересыщение не на 1.5 ч.л., а больше. В термостате должна быть предусмотрена возможность контролируемого изменения температуры. Тогда время снижения температуры будет зависеть от ступени снижения температуры. Это можно проследить на отрезке В2С2Н1Д2Е. Отрезок Д2Е существенно более чем ДЕ. Характеристика веществ для выращивания кристаллов по способу перепада теператур. Перед тем как приступить к выращиванию кристаллов из нового вещества, нужно знать минимум сведений о нем. Прежде всего, растворимость, которая указывается в граммах на 100 граммов воды при разных температурах. Исходя из них, можно рассчитать градиент растворимости – это увеличение растворимости при повышении температуры на 1 градус. Для медного купороса, который можно принять за эталон градиента (Гр) – градиент растворимости равен 0.4 грамма на 100 граммов воды. Сохранность кристаллов на воздухе различная у безводных кристаллов, у кристаллогидратов (CuSO4*5H2O), у гигроскопических веществ (типа MnCl2*4H2O). Сведения о растворимости взяты из «Химической энциклопедии» в 5 томах. Медный купорос - CuSO4*5H2O. Растворимость в гр. на 100 гр. воды 20 (210 ), 34 (500), Гр. = 0.4 гр. Образует красивые кристаллы темно-синего цвета. При нормальной влажности сохранность хорошая, может годами не терять воду. При обезвоживании покрывается светло-голубой пленкой. Можно вырастить крупные кристаллы. Вес 1 чайной ложки = 8.0 гр. Никелевый купорос - NiSO4*7H2O. Растворимость 43.0 (300); 50.2 (500); Гр = 0.4 гр. Растворимость существенно выше чем у медного купороса, раствор более вязкий, поэтому время кристаллизации увеличивается. Образует красивые призматические кристаллы изумрудно-зеленого цвета. Довольно быстро обезвоживается, приобретая бледно-зеленую окраску. Пересыщение – 2 чайные ложки. Магний сернокислый - MgSO4*7H2O. Растворимость 35.5 (200); 68.3 (1000); Гр = 0.4. Образует кристаллы призматической формы, бесцветные. На воздухе быстро обезвоживается, приобретает молочно-белый цвет. Пересыщение – 2 чайные ложки. Калий двухромовокислый - K2Cr2O7. Растворимость – 15.1 (250); 37.7 (500), Гр. – 0.9. Образует кристаллы оранжево-красного цвета, таблитчатой формы. В кристаллах обычно образуется много пустот, связанных друг с другом, поэтому по окончании выращивания кристаллы нужно хорошо осушить с помощью бумажной салфетки или фильтровальной бумаги. Можно вырастить крупные кристаллы. Допускает пересыщение в 1 чайную ложку, время кристаллизации – 2 дня. При увеличении кристаллизации до 3 дней начинается избирательное растворение кристалла. Сохранность хорошая. Красная кровяная соль – K3[Fe(CH)6]. Растворимость - 36.7 (100). Образует кристаллы темно-красного цвета, призматической формы. Пересыщение – 1.5 чайные ложки при 3 днях кристаллизации. Интересны свойства раствора и кристаллов. Так, например, через несколько лет работы с раствором улучшается форма кристаллов. При росте кристалла иногда идет растворение части кристалла, а затем растворение сменяется ростом. В одном сростке могут быть кристаллы с различным удлинением. Можно вырастить крупные кристаллы. Сохранность хорошая. Желтая кровяная соль – K4[Fe(CH)6]*3H2O. Растворимость – 28.9 (200). Образует кристаллы лимонно-желтого цвета, таблитчатой формы. Пересыщение – 1.5 чайные ложки при 3 днях кристаллизации. Можно вырастить крупные кристаллы. После нескольких месяцев хранения на воздухе идет обезвоживание, цвет меняется на грязно-белый. Марганец двухлористый – MnCl2*4H2O. Растворимость высокая, больше, чем у NiSO4*7H2O. Образует кристаллы красивого бледно-розового цвета, таблитчатой формы. Пересыщение – 2 чайные ложки при 3-4 днях кристаллизации. При хранении на воздухе может сорбировать воду при повышенной влажности. Такая влажность появляется в летний период, когда отопление отключено, и стоит пасмурная погода, наоборот, при солнечной и сухой погоде сорбирование воды не идет и кристалл сухой. В отопительный сезон сорбирование не идет. Если продолжительное время кристалл оставался сухим, может наблюдаться обезвоживание и в этом случае цвет кристалла становится бледно-коричневого цвета и сорбирование воды уже не идет. При значительном сорбировании воды кристалл начинает растворяться на воздухе. Можно вырастить крупные кристаллы. Медь двухлористая – CuCl2*2H2O. Растворимость – 81.8 (200), 100,0 (400); Гр. = 0.9. Образует кристаллы голубовато-зеленого цвета, игольчатой формы. Сростки имеют эффектный вид. Крупные отдельные кристаллы вырастить сложно. Допускает пересыщение до 2 чайных ложек при кристаллизации от 3 дней и выше. При отсутствии повышения температуры можно совмещать два способа выращивания. При хранении, из-за обезвоживания, вид кристаллов ухудшается незначительно. Вес 1 столовой ложки = 22.0 гр., это примерное значение для CuSO4*5H2O. Используя чайную и столовую ложки, при работе можно обходиться без весов. Многие химические реактивы ядовиты, поэтому нужно соблюдать аккуратность и чистоту при работе с ними. Отмерив то или иное количество вещества чайной или столовой ложкой, ее нужно промыть теплой водой с мылом. При загрязнении раствора осадком, раствор нужно фильтровать.
- Добавил в систему: Рукин Михаил Дмитриевич