Выращивание кристаллов нерастворимых солей

Изобретение относится к материаловедению, а именно к методам получения монокристаллов для кристаллографии, оптики и электроники. Сущность изобретения: способ заключается в создании пересыщения в растворе, которое создают в средней камере трехкамерного электролизера путем поступления в нее из одной из боковых камер через катионообменную мембрану катионов синтезируемой соли, и путем поступления анионов синтезируемой соли из другой боковой камеры через анионообменную мембрану, причем процесс ионного обмена интенсифицируют электролизом при помещении электродов в боковые камеры, переключая полярность электродов через каждые 5-60 с. Изобретение позволяет получать монокристаллы нерастворимых в воде солей больших размеров с высокой производительностью.

Формула изобретения

Способ получения монокристаллов не растворимых в воде солей, заключающийся в создании пересыщения в растворе, отличающийся тем, что пересыщение создают в средней камере трехкамерного электролизера путем поступления в нее из одной из боковых камер через катионообменную мембрану катионов синтезируемой соли и путем поступления анионов синтезируемой соли из другой боковой камеры через анионообменную мембрану, причем процесс ионного обмена интенсифицируют электролизом при помещении электродов в боковые камеры, переключая полярность электродов через каждые 5-60 с.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к материаловедению, а именно к методам получения монокристаллов для кристаллографии, оптики и электроники.

Известны способы выращивания монокристаллов из расплавов [1].

Основным недостатком этих способов является их сложность и необходимость применения дорогостоящего оборудования.

Известны способы выращивания монокристаллов из растворов. Пересыщение создается испарением части растворителя при постоянной температуре или охлаждением насыщенного раствора [1].

Основным недостатком этих способов является невозможность их использования для получения монокристаллов нерастворимых веществ.

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является способ выращивания монокристаллов нерастворимых в воде солей в гелях [2]. Заключающийся в диффузии ионов веществ, способных образовывать нерастворимые соли, с двух сторон в гель, где и происходит образование и рост кристаллов нерастворимых солей.

Однако данный метод не обладает высокой производительностью — для выращивания кристаллов размером 5-7 мм требуется от нескольких дней до нескольких недель.

Техническим результатом изобретения является получение монокристаллов нерастворимых в воде солей больших размеров с высокой производительностью.

Техническое решение достигается способом, заключающимся в создании пересыщения в растворе в средней камере трехкамерного электролизера путем поступления в нее из одной из боковых камер через катионообменную мембрану катионов синтезируемой соли и путем поступления анионов синтезируемой соли из другой боковой камеры через анионообменную мембрану, причем процесс ионного обмена интенсифицируют электролизом при помещении электродов в боковые камеры, переключая полярность электродов через каждые 5-60 секунд.

Техническая сущность изобретения заключается в создании в средней камере трехкамерного электролизера пересыщения при поступлении в нее из боковых камер через катионообменную мембрану катионов и через анионообменную мембрану анионов, образующих нерастворимое соединение. Для ускорения процесса диффузии ионов через ионообменные мембраны необходимо создавать разность потенциалов между крайними камерами трехкамерного электролизера. Однако при подаче постоянного напряжения возникают слишком большие пересыщения, что приводит к образованию большого числа мелких кристаллов. Для регулирования процесса поступления ионов, образующих нерастворимую соль в средней камере электролизера, и интенсификации процесса выращивания монокристаллов электролизом проводили переключение полярности электродов через каждые 5-60 с. При переключении полярности менее чем через 5 с ионы не успевают пройти через мембраны и процесс образования монокристаллов замедляется. При переключении полярности более чем через 60 секунд резко уменьшается размер образующихся кристаллов.

Предлагаемый способ позволяет получать монокристаллы нерастворимых в воде солей без применения сложной аппаратуры, что значительно упрощает их получение по сравнению с методом выращивания из расплава и позволяет проводить синтез в любой лаборатории. Получить же монокристаллы нерастворимых солей выращиванием из растворов практически невозможно.

По сравнению с методом выращивания кристаллов нерастворимых в воде солей в гелях метод обладает значительно большей производительностью и управляемостью, позволяя менять параметры процесса путем варьирования переключения полярности.

Нижеследующие примеры раскрывают суть предлагаемого изобретения.

В боковые камеры трехкамерного электролизера помещали: в одну камеру 1 н раствор хлорида бария (эта камера была отделена от средней камеры катионообменной мембраной), в другую камеру 1 н раствор сульфата калия (эта камера была отделена от средней камеры анионообменной мембраной). Каждая из камер имела размер 15×7×10 см. В центральную камеру наливали дистиллированную воду. В боковые камеры вставляли электроды и пропускали постоянный ток плотностью на мембранах 0,1 А/см 2 .

В результате в центральной камере получали микрокристаллы сульфата бария. Получить кристаллы больших размеров не удалось.

В боковые камеры трехкамерного электролизера помещали: в одну камеру 1 н раствор хлорида бария (эта камера была отделена от средней камеры катионообменной мембраной), в другую камеру 1 н раствор сульфата калия (эта камера была отделена от средней камеры анионообменной мембраной). Каждая из камер имела размер 15×7×10 см. В центральную камеру наливали дистиллированную воду. В боковые камеры вставляли электроды и пропускали ток плотностью на мембранах 0,1 А/см 2 , переключая полярность каждые 5 с.

В результате через сутки удалось получить монокристаллы сульфата бария размером 2-3 мм.

В боковые камеры трехкамерного электролизера помещали: в одну камеру 1 н раствор хлорида бария (эта камера была отделена от средней камеры катионообменной мембраной), в другую камеру 1 н раствор сульфата калия (эта камера была отделена от средней камеры анионообменной мембраной). Каждая из камер имела размер 15×7×10 см. В центральную камеру наливали дистиллированную воду. В боковые камеры вставляли электроды и пропускали ток плотностью на мембранах 0,1 А/см 2 , переключая полярность каждые 15 с.

В результате через сутки удалось получить монокристаллы сульфата бария размером 5-7 мм.

В боковые камеры трехкамерного электролизера помещали: в одну камеру 1 н раствор хлорида бария (эта камера была отделена от средней камеры катионообменной мембраной), в другую камеру 1 н раствор сульфата калия (эта камера была отделена от средней камеры анионообменной мембраной). Каждая из камер имела размер 15×7×10 см. В центральную камеру наливали дистиллированную воду. В боковые камеры вставляли электроды и пропускали ток плотностью на мембранах 0,1 А/см 2 , переключая полярность каждые 60 с.

В результате через сутки удалось получить монокристаллы сульфата бария размером 2-3 мм.

В боковые камеры трехкамерного электролизера помещали: в одну камеру 1 н раствор хлорида бария (эта камера была отделена от средней камеры катионообменной мембраной), в другую камеру 1 н раствор карбоната калия (эта камера была отделена от средней камеры анионообменной мембраной). Каждая из камер имела размер 15×7×10 см. В центральную камеру наливали дистиллированную воду. В боковые камеры вставляли электроды и пропускали ток плотностью на мембранах 0,1 А/см 2 , переключая полярность каждые 15 с.

В результате через сутки удалось получить монокристаллы карбоната бария размером 4-7 мм.

В боковые камеры трехкамерного электролизера помещали: в одну камеру 1 н раствор хлорида кальция (эта камера была отделена от средней камеры катионообменной мембраной), в другую камеру 1 н раствор карбоната калия (эта камера была отделена от средней камеры анионообменной мембраной). Каждая из камер имела размер 15×7×10 см. В центральную камеру наливали дистиллированную воду. В боковые камеры вставляли электроды и пропускали ток плотностью на мембранах 0,1 А/см 2 , переключая полярность каждые 15 с.

В результате через сутки удалось получить монокристаллы карбоната кальция размером 6-8 мм.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет получать монокристаллы нерастворимых в воде солей достаточно простым, технологичным и производительным методом.

1. Краткая химическая энциклопедия. М.: Изд. Советская энциклопедия, 1964, т.3, с.311-314.

2. Гениш Г. Выращивание кристаллов в гелях. М.: Мир, 1973, с.18-19.

Источник

3. Методика выращивания кристаллов из солей

Для большей ясности в этом разделе будет описан наиболее простой способ выращивания кристаллов различных солей.

Растворимость. Соль — это уже кристаллическое соединение, растворимое в воде. Каждая соль имеет различную растворимость, но показатель растворимости меняется при изменении температуры (при понижении температуры растворимость уменьшается, а при повышении температуры растворимость увеличивается). Например Медный купорос мы сможем растворить при 30 градусов всего около 25 гр./100 мл, но если мы повысим температуру до 80 градусов его растворимость увеличивается до примерно 55 гр./100 мл.

Итак кристаллизация наступает из-за падения температуры (уменьшения растворимости соли). Ещё одним способом кристаллизации является выпаривания воды из раствора соли, т.к. для соли не достаточно воды в которой она растворена и следовательно она обратно кристаллизуется.

В описанном ниже процессе происходит одновременно оба процесса кристаллизации (из-за падения температуры и из-за испарения воды).

САМ ПРОЦЕСС:

1. Растворение при комнатной температуре. Начинаем постепенно растворять соль в воде. Растворяем маленькими порциями (по 1 ложке), добавляя следующую порцию только после полного растворения предыдущей порции. Наступает момент, когда соль перестает растворяться, значит мы достигли максимального растворения для взятой соли.

2. «Водяная баня» и растворение при высокой температуре. Ставим банку с растворенной солью в кастрюлю с налитой в ней водой, и ставим кастрюлю на газовую или электроплиту. В кастрюлю помещаем градусник и включаем плиту. Начинаем поднимать температуру в нашей «водяной бане» до примерно 65-70 градусов (больше опасно, банка может не выдержать и лопнуть). Поднимать температуру следует медленно, следовательно повышается растворимость соли. Продолжаем растворять соль, это следует делать постепенно, после растворения предыдущей порции, как мы делали раньше. При максимальной температуре (65-70 градусов) опять наступает момент, когда соль перестает растворяться, значит мы достигли максимального растворения соли для этого температурного уровня. Отключаем газ.

3. Остывание раствора. Раствор при высокой температуре не следует сразу доставать из водяной бани т.к. банка может лопнуть от резкого перепада температур (комнатная температура может быть около 25 градусов, следовательно перепад температуры будет в 40 градусов). Я советую дождаться пока раствор остынет до 35 градусов, после чего достаём раствор из «водяной бани».

4. Фильтрация раствора. Скажу честно по началу я фильтровал раствор, сейчас не фильтрую, поэтому опишу два вида очистки раствора от лишних кристалликов, которые смещают центр кристаллизации.
Вообще фильтрация раствора по моему мнению нужна тем, кто растит кристаллы на нити или выращивает крупные монокристаллы (один кристалл). Я люблю выращивать друзы (сростки кристаллов) и использую для роста кристаллов камни. Монокристаллы лучше пробовать растить только после длительных тренировок по выращиванию кристаллов, да и большинству людей больше нравятся красивые друзы, но для науки интереснее монокристаллы.
(фильтрация) — Фильтруют растворы следующим образом: берется чистая банка (не холодная), на банку одевается конус с фильтром (фильтр можно сделать из ваты, завернутой в марлю или купить фильтровальную бумагу). И раствор из одной банки (в которой растворяли соль) переливается через фильтр в новую банку. Все кристаллики оставшиеся от растворения соли остаются в фильтре и мы имеем чистый раствор.
(быстрая очистка) — Вместо фильтрации растворов я беру большую пластиковую ложку и просто выгребаю со дна банки кристаллики нерастворенной соли, конечно это не 100% очистка от кристаллов но мне этого хватает и экономит время.

5. Подготовка к кристаллизация. Далее очищенный раствор ставим в прохладное место и помещаем в него затравку. Затравка – маленький кристаллик соли, который будет дальше расти. Существует несколько способов выращивания затравки:
(нить) – кристаллик можно привязать к нитке. Иногда сложно найти крупный кристаллик или его просто сложно привязать, тогда некоторые специалисты советуют приклеить кристаллик к нити. Другой способ состоит в том, чтобы взять кристаллик выросший в предыдущих опытах (выбрать покрупнее). Затем нить опускается в раствор (желательно чтобы кристалл был в самом центре раствора). Обратный конец нити (сухой) привязывается к карандашу который кладется сверху на банку.
(камень) – с камнем намного проще, главное чтобы он был плоский и покрупнее. Камень аккуратно опускается в центр дна банки (для этого лучше использовать пластиковую ложку). Затем кристаллики соли насыпаются на поверхность камня, но не много, лучше насыпать небольшое количество.
(пуговица) – некоторые химики любители используют другие разнообразные поверхности для кристаллизации, например привязывают к нити пуговицу, на которой затем будут вырастать кристаллы. Некоторые делают каркас из медной проволоки, который затем обрастает кристаллами. Я пробовал делать из плотной бумаги каркас в виде жеоды, в котором выращивал кристаллы.
После помещения в раствор одного из вышеперечисленных «мест кристаллизации», следует поставить банку с раствором в прохладное место и накрыть банку чем-либо (например салфеткой), так чтобы был небольшой зазор.

6. Кристаллизация. Дальше уже мы не прилагаем никаких усилий, кристаллизация происходит сама, раствор продолжает остывать, вода постепенно испаряется из-за чего кристаллы (затравки) начинают расти. Для разных солей время кристаллизации разное, самый быстрый рост кристаллов я наблюдал у Железного купороса, кристаллы буквально росли на глазах, и через 15 минут у меня уже были кристаллы около 1 см. Я советую Вам ожидать как минимум 9-12 часов.

! СОВЕТ. Любые перепады температуры могут остановить или обратить процесс кристаллизации, и иногда сложно длительное время поддерживать одну и туже температуру в помещении. Комнатная температура может очень резко меняться, например если вы гатовите на кухне с использованием плиты, температура повышается, открыли форточку зимой, температура понижается, все эти явления могут повлиять на процесс Кристаллизации, поэтому я и посоветовал ожидать около 9 часов т.к. можно просто оставить раствор на ночь (пока вы спите) или на день (пока вы на работе/учебе) и постараться не влиять на изменение окружающей температуры в помещении.

7. Извлечение кристаллов. По окончании опыта вы можете достать кристаллы, это самый интересный процесс опыта, и часто он может вам принести множество положительных эмоций. Доставать кристаллы нужно аккуратно, стараться не повредить их т.к. кристаллы солей обладают низкой твердостью (менее 3 по шкале Мооса) и могут легко ломаться. Нить можно просто вынуть из банки. С камнем сложнее, его нужно аккуратно поддеть пластиковой ложкой, подтолкнуть к стенке банки, и по стеночке аккуратно поднять к поверхности, где руками (лучше в перчатках) вы уже окончательно извлекаете его из воды.

Надеюсь для вас это была полезная информация.
Со временем в данном разделе появятся фотографии, позволяющие лучше понять процесс выращивания кристаллов.

УСПЕШНИХ ОПЫТОВ.

! ВАЖНО: При проведении в домашних условиях опытов по выращиванию кристаллов
не забывайте соблюдать Технику безопасности!

Источник