Кристаллы

Содержание

Введение

1

Природа процесса

2

Подготовка к выполнению эксперимента: что необходимо знать и учитывать

3

Экспериментальная часть

3.1

Выращивание больших монокристаллов соединений, растворимых в воде

3.2

Выращивание монокристалла на примере медного купороса

3.3

Получение кристаллов малорастворимых или нерастворимых соединений в воде

3.4

Получение кристаллов простых веществ (металлов и неметаллов)

4

Рекомендуемая литература

Кристаллы

Введение

Выращивание кристаллов по истине увлекательное занятие и, пожалуй, самое простое, доступное и недорогое для большинства начинающих химиков, максимально безопасное с точки зрения ТБ, что немаловажно для тех, кто проводит эксперименты дома. Тщательная подготовка и выполнение оттачивают навыки в умении аккуратно обращаться с веществами и правильно организовывать план своей работы. Советская и современная литература по демонстрационному эксперименту зачастую охватывает этот раздел, но авторы, как правило, не всегда указывают на детали. Ниже я излагаю свою методику по выращиванию кристаллов, которой пользуюсь с 1997 года. Отнесёмся к данному опыту, как к любому химическому эксперименту, в котором также существует своя предварительная подготовка, стадии выполнения.

1. Природа процесса

Рост кристаллов я бы разделил на пункты:

1. Естественный (образование кристаллов в природе);

2. Искусственный:

2.1. для научно-технических целей;

2.2. на занятиях экспериментальных, практических, внеклассных работ;

2.3. случайный рост кристаллов (рис. 1) – результат был достигнут непреднамеренно, опыт прошёл без контроля экспериментатора, имели место неучтённые факторы или условия, имели место дополнительные химические и (или) физические процессы (пример: испарение растворителя через треснувшую пробку, пролонгированное окисление вещества в растворе способствовало кристаллизации другого и др.);

а

б

в

г

Рис. 1. Примеры, иллюстрирующие случайный рост кристаллов:

(а,б,в) треснутая крышка способствовала постепенному испарению воды, поскольку вещество оказалось не очень гигроскопичным, оно выкристаллизовалось (это могут быть и KI, Pb(NO3)2 и др.)

(г) окисление бензальдегида кислородом воздуха со временем дало бензойную кислоту, которая постепенно выкристаллизовалась из него в виде бесцветных игл:

C6H5CHO + [O] = C6H5COOH

А следующая фотография иллюстрирует пример, так называемой «промышленной забывчивости». Так получилось что в 20 кг (!) бочке плотно слежалась соль Мора (NH4)2SO4∙FeSO4 (не путать с квасцами, здесь железо двухвалентное) и чтобы хоть как получить из неё раствор вещество так и залили водой. Про соль вспомнили уже спустя длительное время. Друза этих кристаллов была сфотографирована мною на сиденье обычного офисного стула и превышает размер ладони. Вот так может пойти процесс получения кристалликов, если обычный лабораторный стаканчик вырастет в 10-15 раз.

Выращивание кристаллов физико-химический процесс.

Растворимость веществ в любых растворителях можно отнести к физическим явлениям со следующей позиции: происходит разрушение кристаллической решётки, теплота при этом поглощается из окружающей среды (иногда так сильно, что это можно ощутить тактильно, например, при растворении нитрата NH4NO3 или роданида аммония NH4SCN, иодида калия KI, красной кровяной соли K3[Fe(CN)6] и др.). Это растворение называется эндотермическим. Другой физический процесс – диффузия. Возьмите несколько кристалликов марганцовки и киньте в высокий цилиндр. Вы увидите, как вокруг них появятся розовые завихрения. Диффузию можно наблюдать и на бесцветных веществах: влейте тонкой струйкой в высокий стакан с насыщенным раствором поваренной соли дистиллированную воду – обратите внимание, как происходит самоперемешивание раствора. Подобным перемешивание происходит, когда пресная вода рек попадает в солёное море или океан, так рождаются течения.

Однако зачастую мы наблюдаем и химические процессы: гидролиз и сольватацию.

Гидролиз – (греч. «гидрос» - вода, «лизис» - разложение) разрушение веществ под действием молекул воды, наглядный пример – в пробирку с 10 мл воды внесите каплю концентрированного раствора соли серебра, свинца (II), олова (II) или (IV), висмута (III), сурьмы (III) или (V), будете наблюдать помутнение раствора (рис. 2):

SnCl2 + H2O ⇄ Sn(OH)Cl↓ + HCl

Кстати, как видно, уравнение гидролиза иллюстрирует причину изменения окраски индикаторов в растворах данных солей подобно в кислотах. Для многих веществ, образованных сильной кислотой и слабым основанием, гидролиз обратим. Для его предотвращения можно добавить кислоту с соответствующим соли кислотным остатком. Несмотря на противоречие (химики поймут), увеличение концентрации исходного вещества в какой-то момент подавит гидролиз, муть исчезнет и раствор станет насыщенным и бесцветным.

В водных растворах многие вещества образуют так называемые «аквакомплексы». К примеру, сульфат меди (II) CuSO4 – белый порошок, а его кристаллогидрат – пентагидрат сульфата меди (II) или медный купорос CuSO4·5H2O – голубого цвета, а разбавленные растворы солей меди (II)– синие или голубоватые (возьмите тот же зелёный дигидрат хлорида меди (II) CuCl2∙2H2O и разбавьте посильнее водой). Так вот это всё образование аквакомплексов, и тот же купорос можно записать: [Cu(H2O)5]SO4. Другой пример – растворение серной кислоты в воде, вспомните, сколько теплоты выделяется при этом процессе:

H2SO4 + nH2O = H2SO4∙nH2O

При растворении таких веществ (обезвоженные кристаллогидраты, щёлочи, концентрированные кислоты), наблюдается выделение теплоты – экзотермическое растворение. Вот таблица некоторых кристаллогидратов и их безводных солей:

Таблица: «Безводные соли и кристаллогидраты»

Безводная соль

(название)

Цвет безводной соли

Кристаллогидрат

(название)

Цвет кристаллогидрата

CuSO4

cульфат меди (II)

белый

CuSO4 ∙ 5H2O

пентагидрат cульфата меди (II)

синий (см. фото)

CoCl2

хлорид кобальта (II)

синий

CoCl2∙ 7H2O

гептагидрат хлорида кобальта (II)

розовый (см. фото)

NiCl2

хлорид никеля (II)

грязно-жёлтый

NiCl2∙ 7H2O

гептагидрат хлорида никеля (II)

салатовый (см. фото)

CuCl2

хлорид меди (II)

горчичный

CuCl2∙ 2H2O

гептагидрат хлорида меди (II)

Зелёный (см. фото)

FeSO4

cульфат железа (II)

бесцветный

FeSO4∙ 7H2O

гептагидрат cульфата железа (II)

светло-зелёный (см. фото)