Алюмокалиевые квасцы выращивание кристалл

# химия | Выращиваем подобие природного кристалла

Естественные кристаллы формируются столетиями. Но каждый может вырастить в домашних условиях кристалл, который будет подобен выращенному в естественных условиях. Для этого потребуются алюмокалиевые квасцы, пищевой краситель, как и для мыльных красок, а также строительный гипс или яичная скорлупа. И, конечно же, свободное время и желание постигать новые знания.

Подготовка к выращиванию кристалла

Сначала нужно создать базовую основу кристалла, пишет преподавательница химии, физики и биологии, доктор наук Энн Мари Хельменштайн для познавательного ресурса About.com. Этой основой может стать яичная скорлупа или вы можете вылепить ее из строительного гипса. Вам понадобится основа округлой формы. Понадобится также небольшая чашечка, желательно кофейная. И очень желательно, чтобы она не использовалась по своему прямому назначению. Состав, который используется для выращивания кристалла, несъедобен.

Рассмотрим тот вариант, когда вами будет использоваться гипс. Ведь с яичной скорлупой никаких сложностей не предвидится, она изначально обладает нужной вам формой и ничего лепить не придется. В дальнейшем там, где мы пишем «скорлупа», речь может идти и о форме из гипса. Вы сами решите, какой материал использовать в качестве основы. Со скорлупой проще, но всегда имеет смысл рассмотреть наиболее сложный способ решения задачи.

1. Замесите немного гипса в небольшом количестве воды таким образом, чтобы получилась густая паста. Это так называемый затравочный кристалл, являющийся ядром для того кристалла, который вы собираетесь вырастить. При таком подходе к процессу ваш кристалл будет в большей степени походить на натуральный.

2. Придайте гипсовой пасте форму небольшой чаши, то есть сформируйте из нее нечто подобное половинке яичной скорлупы. Используйте пластиковую доску для лепки, чтобы не испачкать все вокруг.

3. Дайте гипсовой «чашечке» полчаса, чтобы подсохнуть в небольшом пластиковом стаканчике, который позволит сохранить нужную форму. А затем поставьте ее в сухое место до полного высыхания.

Выращиваем кристалл

1. Влейте в чашку горячую воду из-под крана. Кипяченая вода не потребуется.

2. Постепенно всыпайте в воду квасцы и тщательно перемешивайте до растворения. Затем всыпайте следующую порцию квасцов и повторяйте перемешивание. Квасцы следует добавлять до тех пор, пока они не перестанут растворяться и немного квасцовой пудры начнет собираться на дне чашки. Это означает, что раствор перенасыщен квасцами и вода не готова больше их растворять.

3. Добавьте пищевой краситель вашего любимого цвета. Следует отметить, что сам кристалл окрашен не будет, только основа из гипса или яичной скорлупы.

4. Вставьте яичную скорлупу или ее гипсовое подобие в небольшую чашечку или стаканчик. Размер посуды должен быть таким, чтобы она была лишь немногим больше яичной скорлупы.

5. Влейте раствор квасцов в скорлупку так, чтобы она перелилась через ее край и покрыла скорлупу с внешней стороны. Не допускайте попадания в скорлупу и чашку нерастворенных квасцов.

6. Поставьте чашку в такое место, где ее никто не потревожит, и подождите несколько дней, пока кристалл не вырастет.

7. Когда по вашему впечатлению кристалл «созреет», аккуратно извлеките его из жидкости и оставьте просыхать. Оставшуюся жидкость следует слить. Получившийся раствор ни в коем случае нельзя употреблять в пищу.

8. Чтобы кристалл долго радовал вас, храните его в таком месте, куда не проникает ни влага, ни пыль. Вы можете хранить его завернутым в бумажную салфетку, оберточную или косметическую бумагу, а лучше всего — под стеклом.

Так выращивается кристалл из квасцов. Как вы заметили, процесс его выращивания несколько более сложен, чем у сахарного кристалла. Зато и выглядит он более подобным естественному. Пробовали ли вы растить кристаллы? Показалось ли вам увлекательным и познавательным это занятие?

Источник

Оптимальные условия выращивания кристаллов

Исследование

Цель исследования заключалась в сравнении выращивания кристаллов в лабораторных и домашних условиях.

Гипотеза

В зависимости от условий проведения эксперимента, можно вырастить кристаллы различной формы и размеров.

Оборудование и материалы

Оборудование: весы лабораторные, стаканы стеклянные мерные на 500мл и на 100мл, плитка лабораторная, термометр, пластиковые ложки или шпатель, фильтровальная бумага.

Материалы: медный купорос, алюмокалиевые квасцы, вода дистиллированная.

Обоснование

Мне хотелось бы найти ребят, которых также интересует эта тема, для дальнейшего обсуждения и возможных совместных проектов

Протокол проведения исследования

1. Выращивание кристаллов медного купороса

а) Используя справочные данные, определить массу медного купороса, необходимую для приготовления насыщенного раствора при 60°С.

б) Тщательно помыть стакан и воронку, подержать их над паром.

в) Налить 100г дистиллированной воды в стакан и нагрейте её до 60°С-65°С.

г) Приготовить насыщенный раствор и слить его через фильтровальную бумагу в чистый стакан. Закрыть стакан и подождать, пока раствор остынет до комнатной температуры. Открыть стакан и оставить на сутки.

д) Через сутки слить раствор через фильтровальную бумагу в чистый, вновь вымытый и попаренный стакан. Среди множества кристаллов, оставшихся на дне первого стакана, выбрать самый чистый кристалл правильной формы. Прикрепите кристалл-затравку к нитке и опустить его в раствор. Приготовить три раствора с затравкой. Поставить один стакан в теплое место, второй оставить при комнатной температуре, а третий в холодное место.

2. Выращивание кристаллов алюмокалиевых квасцов

а) Тщательно помыть стакан и воронку, подержать их над паром.

б) Налить 100г дистиллированной воды в стакан и нагрейте её до 60°С-65°С.

в) Приготовить пересыщенный раствор. 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.

Техника безопасности

1. Дети должны проводить опыты по выращиванию кристаллов только в присутствии взрослых;
2. Не принимайте пищу во время проведения опытов;
3. Избегайте попадания солей в рот и глаза, но если это произошло тщательно промойте рот и глаза большим количеством воды из под крана;
4. Опыты проводите лучше в специальной одежде, которую не боитесь испачкать, т.к. многие соли могут оставить несмываемые пятна;
5. При проведении опытов лучше всего использовать резиновые перчатки т.к. соли могут вызывать раздражение на руках, а некоторые даже являются токсичными;
6. Проявляйте осторожность при работе с горячей водой. Доставать раствор из водяной бани следует только после его остывания до температуры превышающей комнатную не более чем на 10 градусов (дождитесь остывания до 30-35 градусов);
7. Растворы солей вообще не следует вдыхать/нюхать никакими способами;
8. При работе с электрической плиткой необходимо тщательно проветривать помещения;
9. После проведения опытов обязательно вымойте руки;

Источник

Получение, выращивание и изучение кристаллов экзотических квасцов

доцент СУНЦ МГУ,

На сегодняшний день квасцы имеют очень широкое применение [6]. Их используют в промышленности, например, для очистки воды, для дубления кожи, для окрашивания различных тканей и пряжи. Они также используются в огнетушителях, к тому же растворы, содержащие квасцы, могут быть использованы для увеличения устойчивости тканей к огню. Квасцы применяют в фотопромышленности для фотоэмульсий на желатиновой основе. В медицине квасцы применяют как вяжущее, прижигающее и кровоостанавливающее средство («квасцовый карандаш»). Антибактериальные свойства квасцов позволяют использовать их для производства так называемых дезодорантов-кристаллов. В кулинарии также нашлось применение квасцам: их используют при производстве разрыхлителей для выпечки хлебобулочных изделий.

Квасцы представляют интерес для исследования правильной формы кристаллов, которая является проявлением внутренней симметрии кристаллической решётки. Кристаллы квасцов могут быть различных цветов в зависимости от их состава, соответственно, предметом исследования может стать влияние состава квасцов на цвет кристалла.

Получить и вырастить кристалл экзотических квасцов (например, с катионами М+ = NH4+, Na+; M3+ = Fe3+, Y3+, La3+ и др.).

1. Получить квасцы.

2. Оптимизировать методику получения квасцов применительно к конкретным квасцам.

3. Вырастить кристалл квасцов.

4. Изучить строение и свойства кристалла.

1. Структура и состав квасцов

Квасцы — двойные соли, кристаллогидраты сульфатов трёх — и одновалентных металлов.

Вследствие слабо выраженного основного характера трехвалентных катионов квасцы обладают кислой реакцией и кислым вкусом (kwas — по-польски — кислота).

Квасцы отвечают структурному типу M+M3+(SO4)22-·12H2O и производятся от трёхвалентных катионов, радиусы которых лежат в пределах 0,57 Å (Al3+) — 0,92 Å (In3+). Сюда относятся Al3+, Ga3+, In3+, Ti3+, V3+, Cr3+, Mn3+, Fe3+, Co3+, Rh3+, Ir3+ (Таблица 1).

В качестве одновалентных катионов в состав квасцов могут входить Na+, K+, Rb+, Cs+, Tl+, NH4+ (Таблица 2).

В периодической системе образующие квасцы элементы располагаются довольно закономерно:

1. Внутри одного вертикального ряда периодической системы радиусы ионов с одинаковым зарядом увеличиваются с возрастанием атомного номера, поскольку растёт число электронных оболочек, а значит, и размер атома.

2. Для одного и того же элемента ионный радиус возрастает с увеличением отрицательного заряда и уменьшается с увеличением положительного заряда.

3. У элементов одного периода атомные и ионные радиусы уменьшаются. А поскольку в периодах 6 и 7 по 32 элемента, так как в них входят лантаноиды и актиноиды соответственно, то следующие за лантаноидами и актиноидами s — и p-элементы могут иногда иметь даже меньшие радиусы, чем предыдущий элемент в вертикальном ряду, например Zr (1,6 Å) и Hf (1,59 Å).

Под эффективным радиусом иона понимается радиус сферы его действия, причём ион считается несжимаемым шаром. Эффективный радиус иона зависит от атомного номера элемента и заряда иона. От радиусов ионов зависит устойчивость кристаллической решётки квасцов.

Наибольшей устойчивостью обычно отличаются цезиевые квасцы, наименьшей — натриевые. Последние для большинства перечисленных выше солеобразователей вообще не могут быть получены, они образуются лишь с Al3+ (Na+Al3+(SO4)2·12H2O). Иногда наименьшей устойчивостью, по-видимому, обладают производные Tl+, K+ и NH4+. Например, квасцы Ti3+ известны только для Rb+ и Cs+ [1].

Растворимость квасцов при обычных условиях в большинстве случаев сравнительно невелика. Поэтому они могут быть легко получены из отдельных составляющих солей. По ряду Na+—Cs+ растворимость квасцов быстро уменьшается, так как устойчивость квасцов возрастает, а влияние химической природы М3+ сказывается на растворимости квасцов сравнительно слабо, как это показывают приводимые ниже в качестве примеров данные (Таблица 3).

Таблица 3. Растворимость некоторых квасцов в моль/л H2O при 25°С [3]

При повышении температуры растворимость квасцов очень сильно увеличивается (Рис. 1).

Рис. 1. Зависимость растворимости квасцов калия, рубидия и цезия от температуры [8]

Зависимость устойчивости квасцов от радиусов М3+ и М+ можно хорошо проследить на сульфатах Ga3+ (0,62 Å), In3+ (0,92 Å) и Tl3+ (1,05 Å). Для первого из этих элементов квасцы могут быть получены по всему ряду одновалентных катионов: K+ (1,33 Å), NH4+ (1,43 Å), Rb+ (1,49 Å), Cs+ (1,65 Å). Напротив, Tl3+ квасцов вообще не образует и для него известны лишь кристаллогидраты состава М+Tl3+(SO4)2·4H2O. У занимающего промежуточное положение In3+ квасцы являются устойчивой формой лишь для Cs+. В качестве метастабильной фазы они могут быть получены для Rb+ и NH4+, а с K+ не образуются [1].

Таким образом, устойчивость квасцов при однотипной структуре внешней электронной оболочки М3+ возрастает по мере уменьшения (конечно, лишь до известного передела) его радиуса и увеличения радиуса М+.

Повышение температуры благоприятствует возникновению более бедных водой кристаллогидратов. Напротив, при пониженных температурах удаётся выделить даже такие неустойчивые, из-за маленького радиуса иона Li+ (0,68 Å), квасцы, как литиево-алюминиевые квасцы [1].

Расположение частиц (атомов, ионов, молекул) становится упорядоченным, когда вещество переходит из аморфной фазы (газ, жидкость) в кристаллическую, соответствующую минимуму свободной энергии при данных условиях. Частицы в кристаллах образуют правильные, упорядоченные, симметричные решётки. Элементарная ячейка — это симметричная фигура, вершинами которой являются наиболее близко расположенные частицы вещества, и при её многократном повторении образуется решётка, заполняющая всё пространство без промежутков. Кристаллы, у которых одинакова симметрия элементарных ячеек объединяют в группы (сингонии). Квасцы относятся к кубической сингонии, в которой элементарной ячейкой является куб [2]. Класс симметрии квасцов обозначается m3m. Симметрия внешней формы кристалла отражает его пространственную структуру. Монокристаллы квасцов обычно принимают форму правильного октаэдра, который отвечает всем элементам симметрии кубической сингонии.

Известны также селенатные квасцы состава M+M3+(SeO4)22-·12H2O, в которых сульфат-ион заменён ионом селената.

Наиболее известные квасцы:

· Алюмоаммонийные квасцы — AlNH4(SO4)2 · 12H2O.

· Алюмокалиевые квасцы — KAl(SO4)2 · 12H2O.

· Алюмонатриевые квасцы — NaAl(SO4)2 · 12H2O.

· Алюморубидиевые квасцы — RbAl(SO4)2 · 12H2O.

· Алюмоцезиевые квасцы — CsAl(SO4)2 · 12H2O.

· Железоаммонийные квасцы — NH4Fe(SO4)2 · 12H2О

· Железокалиевые квасцы — KFe(SO4)2 · 12H2O

· Хромокалиевые квасцы — KCr(SO4)2 · 12H2O.

2. Получение кристаллов квасцов

Существует много хорошо разработанных методов выращивания кристаллов [3], [4], [7]. Простейший метод состоит в испарении раствора при постоянной, например, комнатной, температуре. Для этого берут некоторое количество кристаллического вещества и растворяют его при сильном нагревании в воде, в таком её количестве, чтобы по охлаждении получился насыщенный раствор. В раствор, пока он ещё не охладился до комнатной температуры, помещают небольшой готовый кристалл такой величины, чтобы он не успел раствориться при дальнейшем охлаждении раствора до комнатной температуры. Поместив сосуд с раствором в закрытый сосуд, содержащий какое-либо поглощающее влагу вещество (серную кислоту, фосфорный ангидрид и т. д.), оставляют прибор в покое на длительное время. При испарении раствора будет возникать пересыщение, за счёт которого и будет происходить рост кристалла.

Рис. 2. Прибор для выращивания кристаллов из раствора испарением (эксикатор).
Нижняя ёмкость для серной кислоты

Можно получать большие кристаллы также и путём медленного охлаждения раствора. Для этого необходимо иметь термостат, т. е. прибор, который может автоматически поддерживать определённую температуру и с помощью которого можно также постепенно снижать её по определённому графику. Опыт ведётся таким образом, что сначала приготовляется раствор, насыщенный при начальной температуре термостата. В раствор помещается затравка в виде готового кристалла или его части. Можно подвесить затравки на тонких ниточках (к нити их можно приклеить прочным водостойким клеем). Кристаллизационный сосуд закрывается крышкой, чтобы предотвратить попадание в него зародышей, в качестве которых выступают частицы пыли, из воздуха, после чего включаются приспособления для постепенного охлаждения термостата.

Можно выращивать кристаллы также из заранее приготовленного пересыщенного раствора при постоянной температуре. Для этого приготавливается при сильном нагревании такой раствор, чтобы после охлаждения до заданной температуры он имел заранее вычисленное пересыщение. В раствор помещается затравка, и сосуд, содержащий раствор, закрывается крышкой. Затравка представляет собой небольшой кристалл того же вещества, что и раствор. Этим методом можно получить большие кристаллы лишь при употреблении значительных количеств раствора.

Квасцы являются изоморфными веществами, т. е. они кристаллизуются одинаково, несмотря на разный состав. Это свойство квасцов позволяет получить смешанные кристаллы. Для этого нужно приготовить насыщенные растворы квасцов двух видов и некоторое время выращивать кристаллы по одному из описанных выше методов — каждый вид в своём сосуде, затем поменять кристаллы местами так, чтобы кристалл одного вида квасцов находился в насыщенном растворе квасцов другого вида.

Кристаллы квасцов, выращенные до нужных размеров, следует покрыть лаком, чтобы они не оплавились от влаги воздуха и не потеряли форму.

Растворы для выращивания кристаллов готовят на дистиллированной воде.

3. Методики получения квасцов

Алюмокалиевые квасцы K2SO4 · Al2(SО4)3 · 24Н2О обычно получают при взаимодействии избытка алюминия с теплым раствором гидроксида калия до прекращения выделения водорода. После декантации и нейтрализации раствора разбавленной серной кислотой его оставляют для кристаллизации [10].

Хромокалиевые квасцы K2SO4 · Cr2(SО4)3 · 24Н2О обычно получают при взаимодействии раствора двухромовокислого калия с концентрированной серной кислотой. После охлаждения раствора в воде со льдом с него по каплям добавляют спирт. Раствор упаривают и оставляют кристаллизоваться. [11]

Мы в работе используем более простую методику – прямое получение квасцов сокристаллизацией сульфатов при сливании растворов.

1. Получение железокалиевых квасцов — KFe(SO4)2 · 12H2O

K2SO4 + Fe2(SO4)3 + 24H2O = 2KFe(SO4)2 · 12H2O

Таблица 4. Растворимость сульфатов калия и железа (III)

Источник