Интернет-журнал "Домашняя лаборатория", 2007 №4

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. 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. 7) насыпают медный купорос очень тонким слоем, чтобы он покрыл дно, утрамбовывают.

Рис. 7. Выращивание кристаллов меди:

_{1 — фильтровальная бумага; 2 — водород; 3 — насыщенный раствор хлорида натрия (гипертонический раствор); 4 — слой из железных предметов; 5 — слой хлорида натрия NaCl; 6 — пузырьки воздуха, которые следует удалить; 7 — слой медного купороса CuSO4}

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.

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) СuСl2. 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. 8,б). Если дать им разрастись, то вскоре вы получите обещанные яркорозовые кристаллы меди (рис. 8,а), имеющие вид призм и октаэдров.

Из-за гидролиза соли — в растворе среда кислая и параллельно происходит растворение железа с выделением водорода. Атомарный водород успевает восстановить присутствующие в железе примеси, например углерод до углеводорода. 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 цинке может содержаться мышьяк, который восстановиться до сильнейшего яда — арсина AsH₃.

В такой системе кристаллы могут расти несколько дней и даже недель, но если слои стали чернеть, кристаллы следует вынуть. Когда вы решите вынуть кристаллы, то:

— сначала магнитом удаляют оставшееся железо;

— аккуратно сливают раствор;

— 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. Хранят кристаллы в таком же растворе серной кислоты в стеклянной банке с притёртой пробкой, с очень малым содержанием воздуха. Хорошо, если перед хранением раствор кислоты продуть водородом или азотом. На воздухе кристаллы не устойчивы, теряют яркий розовый блеск и разрушаются.

В природе медь растёт таким же образом, но ингибитором здесь станет дерево, кварц (рис. 8,в).

Рис. 8. Искусственно выращенные (а, б) и природные (в) кристаллы меди.

Примечание: Подобным образом растят кристаллы серебра, висмута, сурьмы, только исходные вещества — нитраты, а в случае серебра, реакцию следует проводить в темноте.

В основу образования кристаллов меди положены процессы гидролиза, реакций обмена и замещения. Ионы меди Сu²⁺ в растворе будут более подвижны, чем сульфат-ионы SO₄^2-. 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 Н+, то и они в свою очередь восстанавливаются железом до водорода. 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. Но есть и ещё один продукт, который мы можем уловить только носом. В железе, как правило, присутствует углерод и карбиды, которые в свою очередь дадут углеводороды.

При желании можно получить и другие кристаллы: клатратов хлора Сl₂*(7 + х)Н₂O (замораживание влажного хлора, либо продувка хлора через снег), серного ангидрида (III) SO₃, йода I₂ (возгонка и осаждение на холодную поверхность), ромбической серы (кристаллизация из сероуглерода, ацетона, хлороформа), моноклинной серы (постепенное охлаждение расплава). Остаётся только добавить, что список получения кристаллов очень большой, а количества методик также немало. Лучшей методикой останется та, которая поможет Вам на практике добиться наилучшего результата, а основой ей станет в первую очередь Ваш опыт, терпение и желание добиваться с каждым разом совершенства в своей работе.

5. Рекомендуемая литература

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

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

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

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

5. Кантор Б. 3., "Минерал рассказывает о себе", М.: Недра, 1985 г.;

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

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

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