II. Получение кристалла-затравки:

Готовый очищенный раствор аккуратно сливают с осадка кристаллов и в количестве 1 л помещают в термостойкую круглодонную колбу. Туда же помещают 1 чайную ложку (с горкой) химически чистого вещества (это могут быть те же выпавшие кристаллы). Теперь колбу нагревают на водяной бане, добиваясь полного растворения, как правило, в окрашенных растворах окраска, из-за избытка вещества, становится интенсивнее. Полученный раствор греют ещё 5 мин на водяной бане при температуре не выше 60-70оС, после чего его переливают в чистый, подогретый до температуры раствора термостойкий стакан (можно ополоснуть кипятком). Стакан обворачивают плотно сухим полотенцем, накрывают фильтровальной бумагой и оставляют остывать. Сейчас раствор надо беречь от сквозняков, от резких перепадов температур.

Резкий перепад температур, как и резкое перемешивание остывшего раствора, могут вызвать преждевременную кристаллизацию, но кристаллы при этом получатся мелкие и бесформенные, они плотно осядут на стенках раствора и нагревание придётся повторять снова.

Спустя сутки, убирают полотенце, не стараясь колыхать стакан, чтобы не вызвать незапланированную кристаллизацию. Осматривают содержимое – на дне и на стенках должны образоваться небольшие плоские синие кристаллики-параллелограммы.

– Если образовалось множество мелких сросшихся бесформенных кристалликов, как после резкого охлаждения, то количество соли уменьшают и повторяют описанную стадию.

– Если кристаллики не образовались, Ваша вина – Вы не насытили раствор как следует и поэтому раствору следует постоять ещё сутки; либо следует увеличить количество растворяемого вещества, повторив этап заново.

Эта стадия эксперимента должна вас обучить правильно выращивать затравку, которая далее будет исходным кирпичиком для получения «огромной конструкции». Отберите подходящие по структуре кристаллики (с длинной ребра от 0,3 см и более) и храните их отдельно в банке с притёртой пробкой вдали от источников высоких температур и света. С каким-то одним вы будете продолжать эксперимент.

Помните: чем меньше выбранная вами затравка, чем она правильнее, тем легче раствору (системе) подстроиться под неё (как перламутру к песчинке, попавшей в мантию моллюска).

III. Выращивание монокристалла:

Монокристалл выращивают из полученной затравки. Используя суровую нить, плотно на 1-2 раза обвивают затравку, чтобы она не соскользнула после намокания нити, желательно за самую длинную грань, либо выберите затравку с длинной гранью. Придётся помучиться, создавая петельку, в которую ляжет кристалл размером около 3-5 мм. Главное – терпение, попросите кого-нибудь помочь Вам, пусть разделяют Ваше увлечение, скажем, родители. Это не сложнее, чем попасть ниткой в ушко иголки. Второй конец нити можно примотать к крестовине из деревянных или пластиковых палочек, чья длина больше диаметра стакана. Намотайте нить так, чтобы при повороте крестовины Вы могли легко регулировать высоту подъёма затравки.

Снова готовят насыщенный раствор на основе исходного маточного. Для этого готовый раствор ставят на водяную баню и добавляют 0,5 чайной ложки вещества (иногда меньше). Чем меньше Вы добавите его на этом этапе, тем лучше (можно также просто нагреть насыщенный раствор, без добавления вещества). Греют и перемешивают. Как только вещество растворилось, колбу вынимают, и раствор переливают в заранее приготовленный нагретый стакан. Стакан с раствором ставят на выбранное место, и дают 20-30 секунд постоять, чтобы жидкость немного успокоилась. Наш раствор непересыщенный, поэтому «лишние градусы» могут вызвать растворение затравки, что нам не нужно. Если раствор тёплый, ему дают остыть до 30оC или чуть меньше. Желателен термометр, но проверить при его отсутствии приблизительную температуру – легко, температура нашего тела 36,6оC, поэтому всё, что кажется теплее – выше её, наоборот – ниже. Следить за остыванием раствора следует очень внимательно, чтобы не допустить её понижения до комнатной (обычно на остывание раствора выделяю около двух часов, в зависимости от температуры воздуха в помещении). Затем затравку располагают в тёплом растворе (температура на 5-7оС выше комнатной) таким образом, чтобы кристаллик как бы висел в нём, на высоте1/2 или 3/5 от дна. Поместив затравку в раствор, понаблюдайте на просвет не оплывают ли грани у Вашей затравки, не создаются ли вокруг неё волнообразные завихрения. Если да – раствор ещё тёплый для затравки, такое бывает с хорошо растворимыми в воде веществами, надо затравку вынимать и подождать ещё. Мой обычный температурный предел выжидания: раствор должен быть минимум на 5оС выше комнатной температуры. Когда, наконец, разместили – всё, осталось только ждать, при этом стакан вертеть, наклонять, перемешивать раствор не рекомендуется.

Бывает и такое: пришли на утро смотреть на затравку, а в растворе только петля болтается и затравка лежит на дне. Если нить была толстая, она набухла, петля увеличилась и кристалл выпал. Но стоп, трогать, вынимать что-либо, а уж тем более расстраиваться не нужно! Читайте ниже.

Следует сказать, что можно вырастить кристалл и без нити. Для этого требуется широкий стакан с плоским дном, так как для этой цели затравку аккуратно укладывают на середину дна (можно помочь ей лечь нагретой стеклянной палочкой), и она повторит его рельеф. Здесь рост кристалла будет ограничен стенками стакана, и преимущественно, он будет расти в стороны – это хорошо для медного купороса и для плоских кристаллов в принципе (жёлтая кровяная соль, гидрофталат калия). Если такое получилось случайно, следите, чтобы на дне не стали расти ещё кристаллы, а то они врастут в исходный. На петле со временем тоже могут начать расти кристаллы, иногда их бывает несколько, а иногда растёт 1-2 правильных и выросшие таким образом, они окажутся лучше затравки.

В случае с квасцами лучше использовать нить. Но здесь требуется следить за тем, чтобы она не обрастала. Если такое произошло, то нить с кристаллом вынимают, счищают лишнее и заново готовят раствор1 (греют, подготавливают к температуре кристалл и т.п.) Порой нить трудно очищать, соскабливая лишние кристаллические наросты, высок риск её разорвать. Для этого надо поднести нить к тонкой струе горячей воды, и поводить «проблемный» участок так, чтобы вода не задела затравку до их растворения.

Помните: чтобы не было наростов на нити, нить должна быть тонкой без волосков, и должна быть опущена с затравкой в раствор на 5-7оС теплее комнатной температуры. Такая нить успевает пропитаться раствором и «сливается» с системой в единое целое. О.Ольгин советует смазать нить вазелином [1], но мне это не помогало, при этом часто загрязнялся раствор маслянистой плёнкой. Но я не спорю с идеей, в своей книге «Опыты без взрывов» он не преследует целей вырастить крупный однородный кристалл, а жаль…

Затравку иногда советуют прилеплять супер-клеем, лично я не пробовал.

Теперь следует следить за ростом кристалла каждый день, ни в коем случае не поднимая, не поворачивая и не сотрясая стакан с раствором, иначе эта встряска породит в системе незапланированную, иногда мгновенную кристаллизацию.

Так многие авторы советую доливать раствор в систему по мере его испарения. Для небольших объёмов очень сложная операция, поскольку возникшая сильная диффузия также может вызвать сбои в росте кристалла. В насыщенную систему растворы я не доливаю, я готовлю большой объём вещества сразу и выращиваю кристаллы в стаканах от 1 л и выше, когда уровень жидкости опускается до верхушки кристалла, я переподготавливаю раствор снова и вношу подросший кристалл в новую систему. Иногда эти повторения могут отражаться на кристалле тонкими полосками – одна полоска, значит, раствор меняли один раз (типа годичных колец на дереве).

Вначале вы увидите, как система будет «обживать» затравку, как они будут подстраиваться друг под друга. По мере роста нить начнёт уходить внутрь кристалла, получится что-то вроде кулона. В итоге вы должны получить следующее:

Рис.8. Выращенные кристаллы медного купороса (I) и алюмокалиевых квасцов (II)2, один кристалл - за одну неделю.

Как видите, у кристаллов есть своя особенность, они должны быть гладкими и прозрачными, как стекло. Однако, при частом прикасании к кристаллу, хранении на открытом воздухе, на свету, мы наблюдаем его помутнение: кристалл выветривается, т.е. теряет, всегда входящую в его состав воду. Есть несколько веществ, которые в моей практике превосходно сохранились и не потеряли вошедшую в их состав воду: гидрофталат калия, красная кровяная соль, хлорид натрия. Вода в кристалл входит в разных количествах и в красной кровяной соли, алюмокалиевых квасцах, к примеру, она удерживается лучше, чем в жёлтой кровяной соли и в хромокалиевых квасцах. Избежать выветривания для кристаллов, выращенных из растворов, сложно. Поэтому хранить кристаллы следует в герметичных пакетах или баночках в холодильнике (см. ранее). Хромокалиевые квасцы лучше хранить в концентрированном сотрясённом растворе в банке с плотно прилегающей пробкой в месте, где температура может измениться максимум на 5о.

Более подробная информация о росте кристаллов представлена на отдельной ссылке рядом с их фотографиями.

Примечание:

1). Некоторые кристаллы (гидрофталат калия) можно выращивать, погрузив только один раз в раствор, в слегка тёплых растворах. При высокой (или наоборот – низкой) температуре кристалл покрывается трещинами и мутнеет. Идеальный кристалл гидрофталата калия – шестиугольная призма-таблетка, прозрачная как стекло. Если вы посмотрите на химическую формулу (рис.9), которая отражает его состав, вы поймёте, почему у кристаллов такая форма:

Рис. 9. Гидрофталат калия (С8Н5О4К).

2). Очень часто, вместо идеального октаэдра (т.е. тетрагональная бипирамида) у квасцов получается усечённый октаэдр – кубоктаэдр. Поэтому обращайте внимание на выбор затравки (кристалл создаётся по подобию затравки), тупая грань повториться везде! Так устроена система: она влияет на рост кристалла и сам кристалл влияет на свой рост.

3).Выращивание кристаллов хромокалиевых квасцов сопряжено с трудностями: во-первых, раствор не прозрачен, во-вторых, полученные кристаллы можно хранить только под слоем раствора при постоянной температуре или под толстым слоем лака (бесцветный лак для ногтей) в холодильнике. Однако смеси полученные при смешении растворов алюмокалиевых и содержащие от 5% до 30% хромокалиевых квасцов дают растворы различного оттенка от нежно-розового до цвета аметиста и граната, выращенные из них кристаллы, также имеют форму октаэдра, и хранятся намного дольше хромокалиевых без какой-либо защиты.

4). При выращивании кристаллов бихромата калия, в раствор добавляют немного хромового ангидрида CrO3 (количество его приходится угадывать на практике), полученные кристаллы не совсем отвечают формуле K2Cr2O7, скорее формуле K2Cr3O10 (трихромат калия), и имеют вид ярко-красных и почти коричневых параллелепипедов. А вот для роста K2CrO4 подобные условия излишни, да и кристаллы у хромата калия – гексагональные бипирамиды.

5). Очень дорогая сегнетова соль может дать прозрачные кристаллы-цилиндры до 30 см длины, но раствор для этих целей должен быть очень чистым (прозрачным и бесцветным, не жёлтым!). Если раствор имеет желтизну, обусловленную органическими примесями, его подвергают очистке: перекристаллизации. Каждый раз выпадающие чистые без включений кристаллы отделяют от раствора, пока не останется осадок («грязь»), обуславливающий желтизну, который удаляют. Очистка активированным углём не помогает.

6). Ромбические призмы, подобные медному купоросу дают тиосульфат натрия (фиксаж) и сульфит натрия, полученные кристаллы похожи на лёд, однако не стабильны и на воздухе рассыпаются в белый порошок спустя несколько часов. Хранение подобно хромокалиевым квасцам, но под лаком кристалл также мутнее.

7). У хлорида натрия можно вырастить небольшие кубики, для получения крупных кристаллов используют большие сосуды с затравками, поскольку растворимость его меняется слабо. Более другой, эффективный способ – выращивание из концентрированного раствора хлорида меди (II) CuCl2, который, испаряясь, высаливает в первую очередь хлорид натрия. Однако полученные кристаллы имеют зелёный оттенок. И второй вариант – добавление к раствору соли мочевины (на 200 мл насыщенного раствора 3 ч/ложки карбамида) – эту методику предлагали в своей книге Кантор Б. З.; "Минерал рассказывает о себе", М.: Недра, 1985 г. [5], кристаллы будут уже крупнее – до 1см, но октаэдрических кристаллов NaCl, мне получить не удалось (есть какой-то авторский секрет, очевидно, заключённый в добавке чего-то ещё). При выращивании NaCl из растворов KCl, RbCl получаются смешанные соли.

8). Иногда можно наблюдать и такой процесс. В насыщенном растворе с кристаллами на дне всегда существует круговорот: вещество из кристаллического осадка переходит в раствор и обратно. Каждый раз «возвращаясь» в кристалл вещество его укрупняет, так спустя несколько месяцев, мелкокристаллический осадок превращается в крупнокристаллический монолит, которые может дилетантами восприниматься как один большой кристалл.

9). Вы также можете вырастить свои «сталагмиты» и «сталактиты» (Л. Г. Катаева, г. Сосенский, Калужская обл.). Для этих целей готовят очень пересыщенные растворы тиосульфата натрия Na2S2O3*5H2O или ацетата натрия CH3COONa. Их наливают в заранее приготовленные стаканы (рис.10) со стеклянными трубками разной длины (трубки должны быть тонкими, чтобы раствор через них капал!), заливают парафином (слой 0,5 см). Трубки заклеивают кусочками пластыря, и растворы ставят остывать при комнатной температуре. Стакан укрепляют в штативе (высота около 30 см), перевернув трубками вниз. Под стакан ставят кристаллизационную чашку, в которую насыпают ту же соль, из которой приготовлен раствор (тонкий слой). Открывают отверстия трубок, удалив пластырь, следует потереть их концы влажной чистой марлей. Раствор капает на соль, образуя искусственный сталагмит. Чем медленнее капает раствор, тем лучше получается кристалл. За пять учебных занятий можно получить «сталагмит» высотой 62 см.

Я предлагаю заменить данный прибор хорошо отрегулированной капельной воронкой, в которую доливать насыщенный раствор по мере его расходования удобнее. Авот некоторые ребята могут получить такой сталактит за несколько секунд, жаль, что временя этот результат сохраняет ненадолго. В химии опыты с ацетатом натрия известны, как «горячий лёд»:

9). Игольчатые, пушистые кристаллы камфары или салициловой кислоты длиной 0,3-0,8 см можно получить, оставив испаряться их спиртовые медицинские растворы (1-2%), разумеется, вдали от огня (поэтому работа с органическими растворителями крайне не удобна: они горючи и имеют запах).

10). Если приготовить раствор хлорида аммония NH4Cl небольшой концентрации (40-50%) и кистью нанести на чистую стеклянную пластину, то при высыхании получится «морозный узор», такие узоры могут дать и любые другие вещества, если работать с их разбавленными растворами.

11). Если из нержавеющей проволоки или спичек сделать буквы, их плотно обмотать ниткой и поместить в раствор для выращивания кристаллов, то можно получить красивые буквы для оформления стендов. Их вынимают из раствора, сушат и покрывают бесцветным лаком или клеем для склеивания пластмасс. Рекомендуемые соли: поваренная соль, хромат и бихромат калия, квасцы. А вот кристаллическая мебель (рис. 11) – пример того, что будет, если не мыслить размерами стакана и оценивать возможности нитки:

http://www.novate.ru/blogs/131008/10496/

3.3. Получение кристаллов малорастворимых или нерастворимых соединений в воде

Самый простой пример таких солей – это готовый иодид свинца, растворимость которого (ПР=8,7·10-9; s=0,0013 г/мл) возрастает с нагреванием.

ПР[PbI2]=[Pb2+][2I–]2=4s3

ПР – произведение растворимости;

s – растворимость (г/мл);

Однако пытаться приготовить насыщенные растворы нерастворимых соединений для получения огромных кристаллов зачастую бесполезное занятие. Нужны термостаты.

Но вы спросите: «Ну, как-то же они растут в природе, например, кальцит CaCO3, барит BaSO4». Вот именно, что «в природе», а там свои лабораторные условия, свои давление и температура. Попрошу вас приготовить раствор угольной кислоты, – удастся вам это сделать? А представьте себе, что происходит с CO2, CaCO3 на глубине 20-30 м, где они испытывают на себе давление тысячи тон породы, здесь речи и быть не может о каких-то творожистых осадках: идут реакции с угольной кислотой, кристаллы растут, как стекло, прозрачные. Правда, при смене давления (выход растворов в пещеры) идёт быстрая кристаллизация, так растут «пещерные сосульки». Попала угольная кислота в залежи известняка – вот вам и карстовые пещеры:

H2O + CO2 ⇄ H2CO3

H2CO3 + CaCO3↓ → Ca(HCO3)2

Попробуем же максимально приблизиться к природным условиям выращивания, но при наших tоС и P,атм. Однако, кристаллы, подобные медному купоросу, здесь никто не обещает.

Для опыта нам потребуется большой стеклянный стакан (около 1 литра) или аквариум (объём 3-5 л). Выберите одну из ниже перечисленных реакций и подготовьте исходные вещества (сухие вещества и концентрированные растворы):

Pb(NO3)2 + 2KBr (KI, KCl) → PbBr2↓(PbI2, PbCl2) + 2KNO3

Pb(NO3)2 + 2K2SO4 → PbSO4↓ + 2KNO3

BaCl2 + Na2S2O3 → BaS2O3↓ + 2NaCl

CaCl2 + 2NaOH → Ca(OH)2↓ + 2NaCl

CaCl2 + Na2CO3 → CaCO3↓ + 2NaCl

В большой стакан (аквариум) помещают стаканы малого объёма (удобны аптекарские пенициллиновые пузырьки), в которых находятся концентрированные растворы исходных солей с небольшим количеством соли (1/6 часть) на дне, на расстояние друг от друга 5-6 см. Теперь в большой стакан (аквариум) наливают воду (аккуратно!) по палочке или через воронку с длинным отводом (это может быть надетый шланг). Жидкости будут отличаться по плотностям и перемешиваться значительно не будут. Слой воды над пузырьками должен составить 8-10 см. Сверху раствор заливают слоем масла или парафина высотой 5 мм, чтобы вода не испарялась, и оставляют при комнатной температуре. Будем наблюдать медленную диффузию.

Уже спустя 2-3 дня Вы заметите появление следов осадка возле одного из пузырьков (процесс диффузии), а спустя неделю, на отверстии пузырька появится что-то напоминающее кристалл. У хлорида свинца, карбоната кальция это будут длинные игольчатые кристаллы, у иодида свинца – стружки и плитки (рис. 12). По мере расхода концентрированного раствора соли в пузырьке, будет расходоваться заранее положенный избыток. Чем дальше будут удалены пузырьки в сосуде, чем больше будет сосуд, тем больше вероятность создать условия для медленного роста «большого кристалла». Но повторюсь, идеальный монокристалл с ребром даже 0,5 см здесь никто не обещает.

Примечание:

1). Нами создаются неидеальные природные условия, так как у природы ещё фигурирует давление и время. Вы ни за что не получите таким образом малахитовые (CuOH)2CO3 пласты с соответствующим узором, бесцветный прозрачный исландский шпат CaCO3, имеющий вид скошенного куба. Опыты следует проводить только с теми веществами, ПР (произведение растворимости) которых не меньше 10-10. А для получения искусственного малахита необходим гидротермальный синтез (от греч. «гидро» – вода и «термос» – горячий) Этот процесс моделирует образование минералов в земных недрах. Он основан на способности воды растворять при высоких температурах (до 5000С) и очень высоком давлении (до 3000 атм) вещества, которые в обычных условиях практически не растворимы, например, основной карбонат меди (CuOH)2CO3.

2). То, что водные растворы, отличающиеся по плотностям, перемешиваются медленно, иллюстрирует и природный пример – солёные морские и океанические озера, возникающие глубоко на дне морей и океанов.

3.4. Получение кристаллов простых веществ (металлов и неметаллов)

Здесь не пойдёт речь о методах зонной плавки или иодного рафинирования, которые используются для получения сверхчистых монокристаллов простых веществ (германия Ge, кремния Si, циркония Zr, титана Ti и др.).

Выращивать кристаллы металлов мы будем из раствора. И, конечно же, это будут металлы неактивные и малоактивные, невзаимодействующие с водой (медь, сурьма, висмут, серебро, золото, свинец, олово и т.п.). Да, свинец, особенно, если вода насыщена углекислым газом, постепенно растворяется, вспомните из истории последствия римского водопровода. Описание опыта будет иллюстрировано на примере выращивания кристаллов меди.

Для эксперимента нам понадобится медный купорос (тв.), хлорид натрия (тв. и конц. р-р), дистиллированная вода, стакан (от 50 мл до 700 мл) или обычная пробирка, фильтровальная бумага, железные скрепки, кнопки и т.п.

Начинающему можно посоветовать для начала попробовать провести опыт в пробирке объёмом 50 мл. Так он поймёт немного суть процесса и получит первый навык.

Если вы опустите железный гвоздь в стакан с медным купоросом, то он мгновенно покроется розовой плёнкой, состоящей из очень мелких кристалликов восстановленной меди. Такая плёнка легко стирается и особого интереса не представляет, а дальнейшее содержание железа в растворе даст губчатую медь, а не кристаллы. Для получения кристаллов нужно создать среду-ингибитор, такой средой в нашем случае будет хлорид натрия.

В чистый стакан (рис.13) насыпают медный купорос очень тонким слоем (около 8 мм), чтобы он покрыл дно, утрамбовывают. Сверху насыпают хлорид натрия, он должен превышать количество медного купороса в 3-5 раз (чем больше, тем лучше). Слой также трамбуют. Поверх слоёв укладывают круг из фильтровальной бумаги так, чтобы он вплотную прикасался к стенкам стакана. На фильтр высыпают железные предметы. Теперь удерживая фильтр стеклянной палочкой, наливают медленно и тоненькой струйкой концентрированный раствор хлорида натрия. Раствор не должен перевернуть фильтр или перемешать слои! Чтобы все слои хорошо пропитались, и воздух вышел, аккуратно вдоль стенки опускают тонкую упругую проволоку, давая лишний канал раствору до дна. Стакан закрывают фильтровальной бумагой и оставляют стоять при комнатной температуре.

Рис.13. Выращивание кристаллов меди.

1 – фильтровальная бумага;

2 – водород;

3 – насыщенный при комнатной температуре раствор хлорида натрия;

4 – слой из железных предметов;

5 – слой хлорида натрия NaCl;

6 – пузырьки воздуха, которые следует удалить;

7 – слой медного купороса CuSO4∙5H2O;

Рис. 14. Выращивание кристаллов меди.

Спустя пару суток (а иногда это видно в первые минуты) слои солей окрасятся в зелёный цвет, это, очевидно, связано с образованием в слоях хлорида меди (II) CuCl2. После того, как «зелень» дойдёт до фильтра, начнут появляться в слое хлорида натрия розовые нити-дендриты (не сформировавшиеся кристаллы) меди, которые иногда приобретают удивительный вид папоротниковых и еловых веточек (рис.16,б). Если дать им разрастись, то вскоре вы получите обещанные ярко-розовые кристаллы меди (рис.16,а), имеющие вид призм и октаэдров.

Из-за гидролиза соли – в растворе среда кислая и параллельно происходит растворение железа с выделением горючего водорода. Атомарный водород успевает восстановить присутствующие в железе примеси, например углерод до какого-нибудь углеводорода. Часто углеводороды образуются из-за разложения карбидов железа, которые присутствуют в стальных изделиях. При этом водород имеет мерзкий запах. Помните: такой водород вдыхать опасно!!! Если вы решили использовать вместо железа технический цинк, то реакция пойдёт хуже, но здесь опасность другая: в техническом цинке, например, может содержаться мышьяк, который восстановиться водородом до сильнейшего яда – арсина AsH3.

Таблица 3.4. Возможные химические реакции при выращивании кристаллов меди в системе CuSO4∙5H2O/NaCl/Fe

№

Молекулярная химическая реакция

Тип реакции

Наблюдаемые изменения

1

2CuSO4 + 2H2O ⇄ (CuOH)2SO4↓ + H2SO4

реакция обмена (гидролиз)

2

CuSO4 + 2NaCl ⇄ Na2SO4 + CuCl2

реакция обмена

позеленение слоёв солей

3

CuCl2 + H2O ⇄ Cu(OH)Cl↓ + HCl

реакция обмена (гидролиз)

4

CuCl2 + Fe = FeCl2 + Cu↓

реакция замещения

рост кристаллов меди

5

4Fe + 2O2 + 6H2O = 4Fe(OH)3

реакция соединения

ржавление железа

6

FeCl2 + H2O ⇄ Fe(OH)Cl↓ + HCl

реакция обмена (гидролиз)

7

4Fe(OH)Cl + 2H2O + O2 = 4Fe(OH)2Cl↓

реакция соединения

бурение раствора

8

Fe + H2SO4 = FeSO4 + H2↑

реакция замещения

выделение пузырьков газа

9

Fe + 2HCl = FeCl2 + H2↑

реакция замещения

выделение пузырьков газа

10

Cu + CuCl2 = Cu2Cl2↓

реакция соединения

11

2FeSO4 + 2H2O ⇄ (FeOH)2SO4↓ + H2SO4

реакция обмена (гидролиз)

12

4FeSO4 + 2H2SO4 + O2 = 2Fe2(SO4)3 + 2H2O

бурение раствора

13

Fe2(SO4)3 + 2H2O ⇄ 2Fe(OH)SO4↓+ H2SO4

реакция обмена (гидролиз)

14

4FeCl2 + 4HCl + O2 = 4FeCl3 + 2H2O

бурение раствора

Этот перечень можно ещё продолжать и продолжать (хотя бы только на одних реакциях гидролиза). Додумайте сами, какая химическая реакция вызывает почернение, возникающее со временем вокруг кристаллов, и что за вещество бледно-жёлтого цвета заменяет слой с купоросом.

В такой системе кристаллы могут расти несколько дней, недель и даже месяцев, зависит от размеров сосуда, но если слои стали чернеть, кристаллы следует вынуть.

Рис. 15. Кристаллы меди.

Когда вы решите вынуть кристаллы, то:

– сначала магнитом удаляют оставшееся железо;

– аккуратно сливают раствор;

– пинцетом удаляют остатки фильтра;

– пинцетом и пластмассовой ложкой выгребают слой хлорида натрия и кристаллы меди в чистый, заранее приготовленный стакан;

Затем кристаллы несколько раз заливают тёплой водой, чтобы растворить хлорид натрия. Когда соли не останется, а промывочный раствор будет прозрачен, кристаллы промывают 30%-ным раствором серной кислоты. Раствор с кристаллами меди можно подогреть до 50оС, чтобы скорее растворить возможные оксиды, так как недопустимо хранение меди в серной кислоте (даже разбавленной) в присутствии её соединений. Хранят кристаллы в растворе серной кислоты той же концентрации в стеклянной банке с притёртой пробкой под очень тонким (по возможности) слоем воздуха. Хорошо, если перед хранением раствор кислоты продуть водородом или азотом, можно также выбрать мерную аналитическую колбу, у них горлышко сильно сужается и воздуха над раствором остаётся меньше. На воздухе кристаллы не устойчивы, теряют яркий розовый блеск и разрушаются.

В природе медь растёт таким же образом, но ингибитором здесь являются дерево, кварц (рис.16,в).

а).

б).

в).

Рис.16. Искусственно выращенные (а, б) и природные (в) кристаллы меди.

Примечание:

1. Подобным образом растят кристаллы серебра, висмута, сурьмы, только исходные вещества – нитраты, а в случае серебра, соли которого светочувствительны, реакцию следует проводить в темноте или при красной лампе. Иначе выращивают кристаллы свинца и олова, ингибитор заменён подкисленным раствором соли одного из этих металлов малой концентрации.

2. В основу образования кристаллов меди положены процессы гидролиза, реакций обмена и замещения. Ионы меди Cu2+ в растворе будут более подвижны, чем сульфат-ионы SO42-. Поэтому происходит обмен между верхним и нижним слоем солей, в ходе которого образуется зелёный хлорид меди. В свою очередь, достигая железа, ионы меди восстанавливаются до металла. Кристаллики, срастаясь в слое хлорида натрия, образуют сначала розовые нити (дендриты), а потом сами кристаллы. Поскольку при гидролизе солей меди появляются ионы H+, то и они в свою очередь восстанавливаются железом до водорода H2. Содержащийся в воздухе кислород также способствует его коррозии. В итоге, конечные продукты: сульфаты железа и натрия, хлорид натрия (его мы брали в избытке), гидроксид железа (III), хлориды меды (I) и (II), водород и само собой – медь. Но есть и ещё один продукт, который мы можем уловить только носом. В железе, в его сплавах (сталь), как правило, присутствует углерод и карбиды, которые в свою очередь дадут углеводороды.

3. При желании можно получить и другие кристаллы: клатратов хлора Cl2*(7+x)H2O (замораживание влажного хлора, либо продувка хлора через снег), серного ангидрида (III) SO3, йода I2 (возгонка и осаждение на холодную поверхность), ромбической серы Sa (кристаллизация из сероуглерода, ацетона, хлороформа), моноклинной серы Sb (постепенное охлаждение расплава).

4. При испарении раствора золота в ртути можно получить октаэдрические кристаллы золота [6]. Но стоит помнить, что ртуть опасна в виду сильной токсичности её паров. И наличие металла во вдыхаемом человеком воздухе грозит в будущем кучей заболеваний, к примеру «ртутным тремором».

5. А вот кристаллы металлов, которые были выращены под действием электрического тока: «Металлы, полученные электролизом»

Остаётся только добавить, что список получения кристаллов очень большой, а количество методик также немало. Лучшей методикой останется та, которая поможет Вам на практике добиваться наилучшего результата, а основой ей станет в первую очередь Ваш опыт, терпение и желание добиваться с каждым разом совершенства в своей работе.

На этом – всё.

Буду рад, если Вы мне напишите о своих результатах или предоставите дополнительную информацию по выращиванию кристаллов, отсутствующую здесь.

Желаю удачи в эксперименте!

4. Рекомендуемая литература

1. Ольгин О., «Опыты без взрывов», М.; «Химия», 1995г.;

2. Верховский В. Н., «Техника и методика химического эксперимента в школе», Л.; УЧПЕДГКЗ, 1 том 1937 г., 2 том 1940г.;

3. Здорик Т. Б., «Камень, рождающий металл», М.; «Просвещение», 1984г.;

4. Шаскольская М. П.; "Кристаллы", М.: Наука, 1985г.;

5. Кантор Б. З.; "Минерал рассказывает о себе", М.: Недра, 1985г.;

6. Стёпин Б. Д., Аликберова Л. Ю., "Книга по химии для домашнего чтения", М.: Химия, 1994г.;

7. Полосин В. С.; "Школьный эксперимент по неорганической химии", УЧПЕДГИЗ, 1959г.;

8. Алексинский В. Н.; "Занимательные опыты по химии", М.: Просвещение, 1995г. (только как указатель на литературу по выращиванию кристаллов)