Jak dochází k růstu krystalů?

Práce je věnována studiu procesu růstu krystalů doma. Cílem autora bylo vypěstovat si doma krystaly ze soli, cukru a síranu měďnatého a pozorovat proces krystalizace. Relevantnost studie je vysvětlena zájmem o tvorbu krystalů různých tvarů a barev v kteroukoli roční dobu.

Krystaly se nacházejí všude. Chodíme po krystalech, stavíme s krystaly, zpracováváme krystaly v továrnách, pěstujeme krystaly v laboratořích, jíme krystaly a léčíme se krystaly.

Krystalizace je proces tvorby krystalů. Začíná až při určité koncentraci látky v roztoku, za přítomnosti krystalizačního centra.

Existuje několik způsobů, jak vypěstovat krystal doma. První je ochlazením nasyceného roztoku, druhým odpařováním. Samotný proces pěstování není složitý, ale vyžaduje přesnost a přesnost. Úkolem laboratorní práce na pěstování krystalu je zjistit, co jsou krystaly, jakou mají strukturu a jak je pěstovat doma.

Krystaly (z řeckého krystallos, původně led), pevné látky, jejichž atomy nebo molekuly tvoří uspořádanou periodickou strukturu (krystalovou mřížku).

Krásné krystaly soli si doma vypěstujete za dva až tři týdny. K tomu budete potřebovat skleněnou nádobu, drát a nit, nezbytnou zásobu soli, jejíž krystaly vypěstujeme, pro nás je to síran měďnatý a kuchyňská sůl. Velmi efektně vypadají „doma vypěstované“ krystaly jasně modrého síranu měďnatého a dobré jsou i bezbarvé kostky kuchyňské soli.

Nejprve si připravte co nejkoncentrovanější roztok zvolené soli, přidejte sůl do sklenice vody, dokud se další porce soli nepřestane při míchání rozpouštět. Poté musíte směs zahřát, aby se zajistilo úplné rozpuštění soli. Výsledný koncentrovaný roztok nalijte do sklenice; Tam pomocí drátěné propojky zavěsíme na nit krystalické „semínko“ – malý krystal stejné soli – tak, aby bylo ponořeno v roztoku. Náš krystal vyroste na tomto „semínku“.

Tři dny po zahájení experimentu se na niti objevil krystal síranu měďnatého, podobný drahému kameni, a v další nádobě se objevily krystaly kuchyňské soli. Když krystaly dostatečně narostly a růst krystalů se po 15 dnech zastavil, vyndal jsem je z roztoku, vysušil a nalakoval.

Z krystalů můžete vyrobit figurky. K tomu připravte rám z drátu omotaný běžnými nitěmi, musí být spuštěn do nasyceného roztoku, okamžitě odstraněn a vysušen při pokojové teplotě. Vlákna jsou roztokem nasycena a po zaschnutí se na nich vytvoří drobné krystalky, které později poslouží jako „semínka“, na kterých krystalky vyrostou. Zdá se, že krystaly „vypadnou“ z roztoku, tzn. Týden nebyl žádný krystal a v jednom okamžiku se najednou objevil, ve skutečnosti krystaly rostou. Odhalit okem úplně počáteční okamžiky růstu je samozřejmě nemožné. Nejprve se několik náhodně se pohybujících molekul nebo atomů rozpuštěné látky shromáždí zhruba v pořadí potřebném k vytvoření krystalové mřížky. Taková skupina atomů nebo molekul se nazývá jádro. Zkušenosti ukazují, že jádra se tvoří častěji, pokud jsou v roztoku nějaká krystalizační centra. Středy krystalizace mohou být nečistoty na stěnách nádoby s roztokem, prachové částice, drobné krystalky rozpuštěné látky, takže pokud nádoba není čistá, pak krystaly rostou na dně a stěnách nádoby. To je to, co jsem dostal: krystaly vyrostly z čerstvě připravených roztoků. Není to moc krásné?

ČTĚTE VÍCE

Jak roubovat rostliny?

Dílo lze využít ve vzdělávacích institucích v rámci mimoškolních aktivit k pozorování zajímavého procesu pěstování krystalů.

Krystaly vznikají, když látka přechází z jakéhokoli stavu agregace do pevné látky. Hlavní podmínkou pro tvorbu krystalů je pokles teploty na určitou úroveň, pod kterou částice (atomy, ionty), které ztratily přebytečný tepelný pohyb, vykazují své vlastní chemické vlastnosti a jsou seskupeny do prostorové mřížky.

Metody a faktory krystalové nukleace
Jak vypěstovat krystal ze soli doma

Metody a faktory krystalové nukleace

Při teplotách měřených v tisících stupňů nemůže žádná z látek známých v přírodě existovat v krystalickém stavu. Druhá důležitá podmínka je tlak. Teplota a tlak – to jsou termodynamické podmínky pro existenci krystalické látky. Při ochlazení může vysoce zahřátá látka projít fázemi plynné směsi, kapaliny, taveniny nebo pevného skupenství. Proto existují tři možné způsoby tvorby krystalů.

Krystalizace sublimací – přímý přechod z plynného skupenství do pevného. V tomto případě se krystaly tvoří přímo z páry a obcházejí kapalnou fázi. Příkladem je sublimace a rekrystalizace jódu. V přírodě k tomuto procesu dochází v kráterech a sopečných puklinách (ložiska čpavku, síry atd.). V zimě, když je jasné a mrazivé počasí, se ve vzduchu tvoří sněhové vločky.
Pevná dekrystalizace – přechod z pevného do pevného skupenství. Jsou zde dva možné procesy. První – z amorfní lze vytvořit krystalickou látku. Postupem času tedy krystalizuje sklo a vulkanické horniny obsahující sklo. Druhý proces – rekrystalizace: struktura některých látek je zničena a vznikají nové krystaly s jinou strukturou. Jevy rekrystalizace jsou v přírodě rozšířené a vedou ke vzniku nových minerálů, hornin a rud. Všechny metamorfované horniny jsou do té či oné míry rekrystalizovány. Vlivem teploty, tlaku a dalších faktorů se například vápenec mění v mramor, jílové horniny ve fylity a krystalické břidlice, křemenné pískovce v křemence.
Krystalizace z tavenin a roztoků – hlavní způsob tvorby krystalů v přírodě. Tak vznikají mohutné krystalické horniny – žuly – z ohnivé tekuté silikátové taveniny (magmatu). Krystaly soli se ukládají na dně jezer, zátok a v moři. Umělé krystaly se pěstují z tavenin a roztoků (například technické a drahé kameny: piezokřemenec, karborundum, rubín, diamant, safír atd.).

Hlavní podmínkou nukleace je tedy podchlazení nebo přesycení. Nukleace krystalů je podchlazení nebo přesycení. Nukleace krystalů může probíhat nezávisle. Někdy však pro růst krystalů stačí mít nejmenší krystaly samotné krystalizovatelné látky nebo částice jiných pevných látek, které mají podobnou strukturu. Proces tvorby krystalů nastává náhle, s uvolněním energie, s přeskupením částic, s prudkou změnou výchozích vlastností. Krystalizační schopnost různých látek není stejná, je dána počtem krystalizačních center vytvořených za jednotku času na jednotku objemu a rychlostí růstu krystalů. Když je rychlost tvorby krystalizačních center vysoká, objeví se mnoho malých krystalů, když je počet center malý, objeví se velké krystaly.

ČTĚTE VÍCE

Mohou být cínie zasazeny do květináče?

Jak vypěstovat krystal ze soli doma

Experimenty s pěstováním krystalů můžete provádět sami. Vzorek té či oné soli (kamenec, síran měďnatý atd.) se nejprve připraví na prášek. Vzorek nalijte do chemické nebo porcelánové sklenice a pomocí odměrné kádinky nalijte potřebné množství vody. Sklenici přikryjeme kulatou (hodinovou) sklenicí a její obsah zahřejeme, aby se urychlilo rozpuštění soli ve vodě. Poté výsledný roztok přefiltrujte.

stůl 1 – Rozpustnost solí (v gramech) ve 100 cm 3 vody.

Kamenec draselno-hlinitý KAl[SiO₄] · 12H₂O Dusičnan sodný

Přefiltrovanou kapalinu vložte do speciální sklenice se širokým dnem a nízkými stěnami. Ve skle se roztok intenzivně ochlazuje a odpařuje, čemuž napomáhá charakteristický tvar skla, který vytváří velkou odpařovací plochu. V důsledku ochlazení a odpařování je roztok nejprve nasycen a poté přesycen (obsahuje přebytek rozpuštěné látky). Současně začnou v krystalizátoru vypadávat krystaly. Následující den (po přípravě roztoku) musíte vybrat několik nebo jeden z padlých krystalů, opatrně nalít roztok do čistého krystalizátoru a umístit tam vybrané krystaly – „snídaně“. „Snídaně“ označuje pevné částice, které mohou způsobit krystalizaci. Chcete-li získat dobře řezaný (izometrický) krystal, měl by být pěstován na vlasu nebo hedvábné niti. Krystaly rostoucí na dně nádoby, které jsou omezeny v růstu, získají nepravidelný tvar (zploštělý, protáhlý). Po určité době, kdy se roztok stane malým, byste měli připravit čerstvý roztok a přenést do něj krystal. Seznam zařízení pro pěstování krystalů: činidla, hmoždíř (porcelán), váhy se závažím (farmaceutické), dvě kádinky (chemické nebo porcelánové), kádinka, hořák, azbestová síťka, kulaté hodinové sklíčko, skleněná tyčinka na umístění roztoku, nálevka, filtr papír, nálevkový stojan, sklo se širokým dnem, pinzeta, teploměr. Hliníkový kamenec je vhodný materiál pro získání dobře tvarovaných krystalů. Rozpustnost kamence v horké vodě je mnohem větší než ve vodě studené, proto můžeme proces urychlit ochlazením nasyceného roztoku. Kamenec rozpusťte v horké vodě na hranici rozpustnosti; získáte nasycený roztok. Zkušenosti ukazují, že ve 200 g horké vody lze rozpustit 25 g kamence. Na hedvábných nitích ponořených do roztoku vyrůstají krystaly pravidelného tvaru charakteristické pro kamenec – oktaedry. Odstraňte z nitě malé a nepravidelné krystaly a nechte jeden z nejlepších, který bude postupně růst. Kamencová hmota se rovnoměrně usazuje na okrajích volně rostoucího krystalu. Při ochlazení nasyceného roztoku (75 g chromového kamence na 20 g vody) na teplotu 11⁰C padají na dno nádoby krusty jemnozrnných krystalů. Na nitkách ponořených do roztoku rostou pravidelné krystaly chromového kamence ve formě fialových osmistěnů. Krystaly hlinitého kamence mohou růst v roztoku chrómu a naopak, protože oba mají stejný typ prostorové mřížky. Fialový krystal chromového kamence rostoucí na niti vložte do nasyceného roztoku hlinitého kamence – získáte dvouvrstvý krystal s fialovým vnitřním osmistěnem a bezbarvým vnějším.

ČTĚTE VÍCE

Jak jíte microgreens?

Nejúspěšnějšího výsledku se dosáhne pěstováním krystalů síranu měďnatého z roztoku o koncentraci 29,2 % při ochlazení na 13,5 °C. Při zahřívání rozpusťte 200 g práškového síranu měďnatého ve 82,5 g vody. Roztok se přefiltruje přes papírový filtr. Po 14-15 hodinách vypadnou dobře tvarované krystaly o délce až 1,5 cm. Kromě kamence a síranu měďnatého dobře krystalizuje dichroman draselný. Pokus se samořezáním křišťálu: vyrostlý krystal kamence (broušením pilníkem) dejte do tvaru koule, znovu jej ponořte do nasyceného matečního roztoku a sledujte jeho růst. Po 1-2 dnech si všimnete, že se na kouli objevují okraje a po týdnu se místo koule opět vytvoří pravidelný osmistěn.