Интернет-журнал "Домашняя лаборатория", 2007 №4

На нижних фотографиях кристаллы хромокалиевых квасцов во время роста.

МЕТОДИКА ВЫРАЩИВАНИЯ КРИСТАЛЛОВ

(Стас из Кемерова)

1. Введение

Выращивание кристаллов по истине увлекательное занятие и, пожалуй, самое простое, доступное и дешёвое для большинства начинающих химиков, максимально безопасное с точки зрения ТБ, что немаловажно для тех, кто проводит эксперименты в домашних условиях. 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 несколько лет. Отнесёмся к данному опыту, как к любому химическому эксперименту, в котором также существует своя предварительная подготовка, стадии выполнения.

Рис. 1. Растворимость некоторых солей в граммах на 100 грамм воды.

Предыдущий график показывает растворимость некоторых солей в воде. Как показывает практика, наиболее распространёнными среди них являются: хлорид натрия NaCl, медный купорос CuSO₄•5H₂O, квасцы (алюмокалиевые КАl(SO₄)₂•12Н₂O, хромокалиевые KCr(SO₄)₂•12Н₂O). Менее распространены, но также используемы: сегнетова соль KNaC₄H₄O₆•4Н₂O, бихромат К₂Сr₂O₇ и хромат К₂СrO₄ калия, сульфат железа (II) FeSO₄•7H₂O, перхлорат натрия NaClO₄, красная кровяная K₃[Fe(CN)₆] и жёлтая кровяная K₄[Fe(CN)₆] соли, соединения тяжелых металлов, органические соединения (гидрофталат калия КНС₈O₄Н₄, сахар С₁₂Н₂₂O₁₁, салициловая кислота С₇Н₆O₃, тиомочевина CS(NH₂)₂, различные соли органических кислот и т. п.). Однако, экспериментировать можно также с любыми другими соединениями и растворителем, заменяя воду на легколетучие спирт и эфир. Но, поскольку, самым распространённым растворителем является вода, в экспериментах будет использоваться она, и разговор будет идти, в основном, о соединениях в ней растворимых.

Как правило, при выборе материала важны следующие факты:

— доступность и дешевизна;

— вещество должно быть стабильным (в частности, к повышению температуры) и химически чистым;

— способность вещества растворяться в доступном растворителе;

— должен быть известен характер растворения вещества (иногда приходится наблюдать экзо- или эндотермическое растворение);

— вещество не должно вступать в химическую реакцию со средой (здесь имеется ввиду и воздух) и растворителем или давать с ним устойчивую систему, несклонную к кристаллизации (попытки кристаллизовать гидроксиды щелочных металлов, сахарные сиропы к успеху не приведут);

— образующиеся кристаллы должны быть стабильны (на воздухе кристаллы хромокалиевых квасцов, тиосульфата и сульфита натрия выветриваются: теряют кристаллизационную воду, превращаясь в порошок);

Требуемое оборудование:

— химическая посуда (большие термостойкие плоскодонные стаканы от 0,05 до 3 л (и более, если такое возможно));

— водяная баня (в домашних условиях это м.б. старая кастрюля);

— сосуд для кипячения на водяной бане (круглодонные колбы от 1 л и более);

— тонкие, прочные суровые нитки (на таких меньше кристаллических наростов);

— фильтровальная бумага (промокашка, салфетка);

— дополнительные мелочи, которые требуются при выполнении, будут указаны далее в тексте (воронки (это м.б. срезанное горлышко пластмассовой бутылки), вата, стеклянные палочки и т. п.);

Описание методик выращивания кристаллов (из раствора, где растворитель — вода) можно свести к трём пунктам:

1. Выращивание больших монокристаллов (длина рёбер от 1 см и более) соединений, растворимых в воде.

2. Получение кристаллов мало- или нерастворимых соединений в воде.

3. Получение кристаллов простых веществ (металлов и неметаллов)

2. Выращивание больших монокристаллов соединений

Основой выращивания, как пишет любая литература, является насыщенный раствор соли. Однако здесь есть свои нюансы, которые следует оговорить. Начинающему в этой области я рекомендую начать опыт, используя медный купорос или алюмокалиевые квасцы (ещё часто в литературе советуют хлорид натрия, но растить его труднее (см. рис. 1), поэтому использовать его я бы не рекомендовал). Крупные кристаллы с этими веществами получаются всегда, другое дело, что может быть неправильно воспроизведена форма.

А — Монокристалл медного купороса — это призма, в сечении которой лежит ромб.

Б — Монокристалл квасцов — октаэдр.

В — Монокристалл хлорида натрия — куб.

Авторы многих книг по выращиванию кристаллов свои методики основывают на:

— приготовлении пересыщенных растворов (самая распространённая) с дальнейшей кристаллизацией в открытом (закрытом: термостат) сосуде;

— испарении насыщенного раствора открытым (закрытым: эксикатор) способом (см. пример ниже с иодидом калия KI);

Я использую первый "открытый" вариант. Да! Это не поможет полностью защитить раствор от пыли (даже накрывая фильтровальной бумагой), но вы и не собираетесь растить кристалл год, верно?! К тому же примеси будут в кристаллах по любому (другие ионы из нечистого вещества или воды и т. п.), мы можем только их слегка уменьшить. И помните, что идеального кристалла по всем "правилам природы" не существует, дефекты есть даже в очень правильных

Ниже речь пойдёт о медном купоросе. В каждой методике выращивания можно выделить несколько подпунктов.

I. Приготовление маточного раствора:

Примечание: Многие авторы в своих книгах для простоты указывают таблицы веществ, и сколько их требуется в граммах на приготовление насыщенного раствора. Я буду использовать "столовую" терминологию Вы, вдруг, скажите:

"Точность никогда не бывает лишней. Скока вешать в граммах?!" А я отвечу: "У большинства начинающих химиков, экспериментирующих дома, лабораторные весы, как правило, отсутствуют; во-вторых, точность массы здесь не всегда обязательна, — вещества может требоваться очень много ("комнатная температура" у всех разная), а определить насыщенность раствора ещё проще". Когда вещество имеется в ограниченном количестве (до 500 грамм), с ним получают небольшие монокристаллы (длина ребра до 2 см), и расходуют его частями, имея запас. Так иодид калия KI вырос у меня из 50 мл концентрированного (но ненасыщенного) раствора, который находился в открытой аптекарской бутылочке, его рост — чистая случайность: вода испарялась, и кристалл рос. Как видите, для малых количеств методика сохраняется, но меняются объёмы посуды и растворителя.

Самое важное: для выращивания кристаллов используют только свежеприготовленные растворы!!! Так как в процессе стояния в растворах у многих веществ накапливающиеся определённого состава комплексы (например, аквакомплексы) меняют структуру кристалла (такие кристаллы могут начинать быстрее выветриваться). Какие-то растворы сильно гидролизуются (их можно очистить фильтрованием). В некоторых могут начать процветать случайно попавшие споры грибов (чаще в органических веществах).

Для приготовления маточного раствора требуется чистый, хорошо вымытый термостойкий стакан на 1 л. В него наливают горячую (t = 50 °C, при высоких температурах вещество сильно гидролизуется) кипячёную воду или, что лучше, дистиллированную 700–800 мл. В стакан засыпают вещество небольшими порциями (1 порция = 1 столовая ложка без горки), каждый раз перемешивая и добиваясь полного растворения. Когда раствор "насытится" — вещество будет оставаться на дне, добавляют ещё две порции и оставляют раствор при комнатной температуре на сутки. Чтобы в раствор не попала пыль, его накрывают листом фильтровальной бумаги и оставляют в той части помещения, где сохраняется постоянная температура, где в дальнейшем вы будете продолжать опыт. Если проходит отопительный сезон, то можно оставить стакан и около батареи, но помните, что растворимость у вещества теперь будет другая. И стоит измениться температуре, как возникнет быстрая избыточная кристаллизация. Помните: чтобы кристаллы росли как можно правильно, а у бесцветного вещества они были прозрачными, кристаллизация должна идти медленно, иначе кристалл мутнеет!!!

Парадокс?… Ведь моя методика позволяет получить крупный кристалл за 1 неделю. Читайте далее!

Примечание: Экспериментатору следует знать, что любая примесь в растворе может стать включением в кристалле или быть источником дефекта. В итоге вместо монокристалла появятся "химеры", состоящие из наростов и искажений (это возникшие из-за разных центров кристаллизации микрокристаллики пробуравили друг друга); они будут увеличиваться по мере роста кристалла. Иногда это выглядит более эффектно, чем правильный монокристалл (вырастить который, кстати, задача сложная). Но помните, всякое отклонение следует расценивать, как не соблюдение каких-либо условий.