Выращивания кристалл с медным купоросом

Часть первая: «О том, как вырастить поликристалл всего за 1 час»

В сети интернет есть множество статей как нужно выращивать кристаллы. Чаще всего выращивают кристалл из медного купороса (цвет красивый, достать легко, выращивать просто).

В насыщенный раствор медного купороса на нитке опускают затравку (небольшой кристаллик), стакан накрывают марлей и оставляют раствор медленно испаряться. Процедура проста, но ждать, пока вырастет кристалл приходиться недели, а иногда и месяцы.

А нельзя ли вырастить кристаллы быстрее, например – за день?! Конечно можно, но вместо одного большого кристалла у вас образуется сросток кристаллов поменьше – ПОЛИКСТАЛЛ – который благодаря своей причудливой форме ничуть не уступает, и даже превосходит по красоте кристалл правильной формы.

В данной статье мы расскажем и покажем, как вырастить красивые поликристаллы медного купороса (см рисунок) за самое короткое время.

Материалы:

Медный купорос 200 г, вода, банка 0,25 л, палочка от мороженого, банка 0,5 л, нитки.

Шаг 1.

В горячей чистой воде (кипяток не нужен, 70-80 ˚C) растворяем порошок медного купороса (продается в любом магазине сад-огород в отделе с удобрениями) с расчетом 100-150 г медного купороса на 200 мл воды. Перемешиваем раствор палочкой до тех пор, пока купорос не перестанет растворяться в воде.

Примечание: Если удалось растворить весь купорос в воде, значит его недостаточно и нужно добавить еще. В банке на дне должен в итоге оставаться нерастворимый осадок.

Главная наша цель — добиться насыщенного состояния раствора (т.е. такого раствора, в котором еще больше вещества раствориться уже не может). Для этого нужно в данном объеме жидкости растворить как можно больше грамм медного купороса.

*Как добиться насыщенного раствора или сколько купороса нужно разбавлять в воде?

Чтобы ответить на этот вопрос, посмотрим, как изменяется растворимость сульфата меди с температурой (рисунок 1).

Рисунок 1. Изменение растворимости CuSO₄ с температурой (в гр на 100 гр воды)

Как видно из графика с увеличением температуры растворимость сульфата меди довольно быстро растет. Но когда температура достигает примерно 80 °С, то дальнейшее нагревание почти не ведет к увеличению растворимости.

Кроме того, при нагревании выше 90 градусов раствор мутнеет и происходит выпадение черных хлопьев в виде осадка, что влияет на чистоту кристалла.

Поэтому оптимальная температура растворения медного купороса для выращивания кристалла – 80 градусов.

Шаг 2.

Как только мы добились насыщенного раствора нужно его отфильтровать. Мы использовали банку 0,5 л как промежуточный резервуар. В нее мы перелили весь раствор с осадком.

Банку, в которой мы выращиваем кристалл, сполоснули от остатков осадка.

Теперь фильтруем раствор. Для этого складываем марлю или бинт в несколько слоев и переливаем через него нашу жидкость.

Осадок остается на марле.

Шаг 3.

Вырезаем углубление в палочке от мороженого и наматываем на нее нитку. На конце нити завязываем узел или подвешиваем любой грузик на который будет наращиваться впоследствии кристалл.

Шаг 4.

В отфильтрованный насыщенный раствор опускаем нитку с узелком так, чтобы узелок был в центре объема жидкости. Высоту узелка можно регулировать наматывая и разматывая нитку вокруг палочки.

Шаг 5.

Накрываем банку слоем марли и ставим банку в спокойное место с постоянной температурой. Банку накрыли марлей, чтобы пыль и грязь не попадала в нее. А перепады температуры и сотрясения могут отрицательно отразиться на росте кристалла.

Шаг 6.

По мере остывания раствора (ближайший час) в банке будет резко повышаться концентрация медного купороса, т.к. при более низкой температуре в воде растворяется гораздо меньше вещества и лишнее вещество, образующееся при остывании, выпадает в осадок в виде кристаллов.

По мере остывания все «лишнее» при данной температуре вещество переходит в твердую фазу, выстраивая кристаллическую структуру в очаге кристаллизации – на нитке. В итоге на нитке образуются много маленьких кристаллов, которые все новыми слоями наращиваются друг на друга, образуя красивое поликристаллическое тело.

Примечание: Кристаллы будут образовываться не только на нитке, но еще на дне и стенках банки. Это будет вредить нашим целям, т.к. такие паразитные кристаллы будут также отбирать из жидкости материал для собственного строительства и нашему основному кристаллу на нитке будет доставаться меньше материала для роста и, следовательно, он будет расти гораздо медленнее.

Вот такой кристалл вырос за 2 часа роста в остывающей воде. Хорошее начало. Но все еще впереди. Как растить кристалл дальше в большой и красивый всего за один день читайте в нашей следующей статье.

А пока все то, о чем мы говорили в этой статье, можете посмотреть в видео варианте, где подробно показаны все этапы выращивания кристалла, описанные выше.

Надеемся наша статья и видео материал помогут Вам вырастить собственный уникальный кристалл, который будет радовать своей красотой Вас и Ваших близких. Удачи!

Вторую часть статьи ( «О том, как продолжить выращивать большой кристалл в быстрые сроки» ) читайте здесь:

Источник

Как сделать кристалл из медного купороса

Химические драгоценности из сульфата меди

Существует много несложных и увлекательных химических опытов, которые можно провести с детьми. Начните знакомство с волшебным миром кристаллов прямо сейчас!

В домашних условиях можно вырастить кристаллы почти всех солей, но начинать лучше с технологически простых материалов. К ним относятся поваренная соль, сахар, бура и медный купорос. Из него получаются самые крупные и красивые кристаллы синего цвета. Выращивать их легко, в то же время это очень интересный и познавательный процесс. Наша статья поможет пошагово вырастить кристалл медного купороса дома.

Что понадобится

Приобрести медный купорос можно в любом садово-хозяйственном магазине. Он продается пачками по 100 грамм. Голубой цвет хозяйственного купороса говорит о невысокой степени очистки. Кристаллы из него получаются светлее.

Сульфат меди можно приобрести и в специализированных лабораториях. Из такого купороса вырастет темно-синий кристалл, похожий на драгоценный камень.

Емкость для рабочего раствора

Посуду используют стеклянную, так как другие материалы вступают в химическую реакцию с раствором. Отлично подойдет поллитровая банка с широким горлышком. После опыта категорически запрещается использовать ее в пищевых целях.

Основа для кристаллизации

В качестве основы применяют тонкую шерстяную нитку синего или черного цвета. Взрослый кристалл полупрозрачен, и основа не должна испортить результат. Альтернативой может быть тонкая медная проволока, предварительно зачищенная наждачной бумагой.

Если в опыте вы используете медный купорос из хозяйственного магазина, воду нужно будет прокипятить. Для эксперимента с очищенным купоросом используют дистиллированную воду.

Купорос токсичен, и работать без перчаток с ним нельзя. На детей младшего школьного возраста желательно надеть медицинскую маску.

Карандаш или палочка для закрепления основы

На ней вы подвесите нитку, на которой будет расти кристалл.

Прозрачный лак для ногтей

Чтобы сохранить кристалл

Одноразовая пластиковая ложка

Важно! Работа проводится только под наблюдением взрослых. По окончании процесса руки необходимо тщательно вымыть под проточной водой. Нельзя пробовать кристалл или порошок на вкус. В случае попадания медного купороса в глаза их нужно промыть большим количеством воды.

Как сделать кристалл: этапы работы

Рабочий раствор высокой концентрации

В воду, нагретую примерно до 80 градусов, по ложке добавляем медный купорос. Жидкость приходится постоянно помешивать, чтобы порошок полностью растворился. Важно поддерживать постоянную температуру воды, в этом может помочь водяная или песчаная баня. Если сульфат меди перестал растворяться и оседает на дне, значит, раствор готов. В среднем на 300 мл воды уйдет 200 грамм вещества.

Переставляем емкость с горячим раствором на охлаждающую поверхность и ждем, пока жидкость остынет до комнатной температуры. Это нужно, чтобы началось выпадение мелких кристалликов. Процедив раствор через марлю, рассмотрим кристаллики и выберем самый крупный и правильный по форме. Его мы используем в дальнейшем как затравку.

Среда для выращивания кристалла

Сцеженный раствор повторно нагреваем на водяной бане, вновь доводя его до перенасыщенного состояния. Если получаемый в результате осадок не растворился, повторим очистку. Привяжем затравку и поместим в банку так, чтобы нитка была расположена вертикально, не задевая дно и стенки емкости.Для этого привязываем нитку к карандашу, а сам карандаш фиксируем на горлышке, например, пластилином. Здесь вы найдете подробную инструкцию и научное описание этого эксперимента.

Накрываем посуду тканевой салфеткой и оставляем на семь дней в неподвижном состоянии. Статичность конструкции — обязательное условие для начала формирования кристалла. Через неделю можно заметить, что нитка обросла мелкими кристалликами размером от миллиметра, а затравка увеличилась приблизительно на 1 см. Чем крупнее кристалл, тем быстрее он растет. Когда результат устроит, просушите кристалл и покройте его лаком — он защитит изделие от белого налета при хранении и придаст ему дополнительный блеск.

Из этого опыта дети узнают, как и почему растут кристаллы, и полюбят делать научные открытия.

Источник

Медный купорос

Выращиваем кристаллы сульфата меди (II)

Реагенты

Безопасность

Перед началом опыта наденьте перчатки.

Проводите эксперимент на подносе.

Соблюдайте меры предосторожности при работе с кипятком.

Не допускайте попадания химических реагентов в глаза или рот.
Не допускайте к месту проведения экспериментов людей без защитных очков, а также маленьких детей и животных.
Храните экспериментальный набор в месте, недоступном для детей младше 10 лет.
Помойте или очистите всё оборудование и оснастку после использования.
Убедитесь, что все контейнеры с реагентами плотно закрыты и хранятся по правилам после использования.
Убедитесь, что все одноразовые контейнеры правильно утилизированы.
Используйте только оборудование и реактивы, поставляемые в наборе или рекомендуемые текущими инструкциями.
Если вы использовали контейнер для еды или посуду для проведения экспериментов, немедленно выбросьте их. Они больше не пригодны для хранения пищи.

В случае попадания реагентов в глаза тщательно промойте глаза водой, при необходимости держа глаз открытым. Немедленно обратитесь к врачу.
В случае проглатывания реагентов промойте рот водой, выпейте немного чистой воды. Не вызывайте рвоту. Немедленно обратитесь к врачу.
В случае вдыхания реагентов выведите пострадавшего на свежий воздух.
В случае контакта с кожей или ожогов промывайте поврежденную зону большим количеством воды в течение 10 минут или дольше.
В случае сомнений немедленно обратитесь к врачу. Возьмите с собой химический реагент и контейнер от него.
В случае травм всегда обращайтесь к врачу.

Неправильное использование химических реагентов может вызвать травму и нанести вред здоровью. Проводите только указанные в инструкции эксперименты.
Данный набор опытов предназначен только для детей 10 лет и старше.
Способности детей существенно различаются даже внутри возрастной группы. Поэтому родители, проводящие эксперименты вместе с детьми, должны по своему усмотрению решить, какие опыты подходят для их детей и будут безопасны для них.
Родители должны обсудить правила безопасности с ребенком или детьми перед началом проведения экспериментов. Особое внимание следует уделить безопасному обращению с кислотами, щелочами и горючими жидкостями.
Перед началом экспериментов очистите место проведения опытов от предметов, которые могут вам помешать. Следует избегать хранения пищевых продуктов рядом с местом проведения опытов. Место проведения опытов должно хорошо вентилироваться и находиться близко к водопроводному крану или другому источнику воды. Для проведения экспериментов потребуется устойчивый стол.
Вещества в одноразовой упаковке должны быть использованы полностью или утилизированы после проведения одного эксперимента, т.е. после открытия упаковки.

Часто задаваемые вопросы

Не получается вырастить кристалл на проволоке. Что делать?

Возможны два принципиально разных случая. В первом кристаллы образуются на дне пробирки, а не на проволоке. Если это происходит, аккуратно обрежьте медную проволоку, чтобы на её кончике, который вы опустите в пробирку, был «свежий» срез. Повторите эксперимент начиная с пункта 3 инструкции.

Второй случай – когда на проволоке всё-таки образуются кристаллы, но их много, они маленькие и «налезают» друг на друга. Во-первых, такая груда кристаллов выглядит тоже весьма неплохо! Чтобы вырастить один большой кристалл, повторите опыт. Для этого аккуратно стряхните кристаллы с проволоки обратно в пробирку и следуйте инструкции начиная с пункта 3. Обратите внимание, что вода в пункте 10 должна быть горячей! Вырастить большой и красивый кристалл получится, только если вся система будет охлаждаться постепенно.

В любом случае помните: выращивание кристаллов – это почти искусство. Не расстраивайтесь, если у вас это не получилось с первого или второго раза. Немного терпения − и вы вырастите свой лучший кристалл!

Другие эксперименты

Пошаговая инструкция

В пустую пластиковую пробирку высыпьте из баночки весь сульфат меди CuSO₄ (5 г).
Долейте пробирку водой доверху.
Плотно закройте пробирку и несколько раз встряхните.
Налейте кипяток в пластиковый стаканчик, как показано на рисунке. Соблюдайте меры предосторожности при работе с кипятком!
В стакан с кипятком поместите пробирку с сульфатом меди. Подождите 3 минуты.
Аккуратно достаньте пробирку из стакана. Встряхивайте её 10 − 20 секунд.
Повторяйте пункты 4 − 6 до полного растворения содержимого пробирки.
Согните фигуру из короткой медной проволоки, как показано на рисунке. Убедитесь, что она может быть надёжно закреплена в пробирке.
Поместите фигуру из проволоки в пробирку с раствором сульфата меди.
Поставьте пробирку обратно в стакан с горячей водой. Подождите 1 час.
На медной проволоке вырос кристалл! Вы можете оставить проволоку в пробирке ещё на 1 − 2 часа, чтобы кристалл вырос ещё больше.

Ожидаемый результат

Синий прозрачный кристалл медного купороса CuSO₄*5H₂O вырастает на медной проволоке.

Утилизация

Утилизируйте отходы эксперимента вместе с бытовым мусором.

Что произошло

Почему происходит рост кристаллов?

Сульфат меди относится к тем веществам, растворимость которых в воде при нагревании возрастает. Соответственно, при охлаждении растворимость наоборот падает, что приводит к выделению сульфата меди в виде красивых синих кристаллов гидрата CuSO₄·5H₂O. За счёт того, что охлаждение раствора происходит медленно, кристаллы растут постепенно и только на проволоке.

Почему же при охлаждении раствора сульфат меди стремится образовать кристалл, а не опускается на дно в виде мелкого порошка? Кристаллы отличаются от аморфных твёрдых тел (например, сажи и стекла) тем, что составляющие его частицы находятся в нём в правильном геометрическом порядке друг относительно друга. Такие строгие соответствия природе зачастую не по нраву. Однако именно подобная последовательность частиц внутри твёрдого тела позволяет им чувствовать себя предельно комфортно. Это означает, что каждый атом максимально прочно связан со своим окружением, а все положительные заряды наиболее эффективно взаимодействуют со всеми отрицательными зарядами.

Например, атом меди предпочитает находиться в окружении шести атомов кислорода. Именно такое окружение достигается в кристаллах гидрата:

Почему кристаллы растут на медной проволоке?

Подобное тянется к подобному. На поверхности проволоки всегда есть тонкий слой оксида меди (CuO). В нём медь находится в той же степени окисления Cu 2+ , что и в сульфате меди. Кроме того, сама по себе поверхность медной проволоки шершавая, то есть имеет много маленьких бугорков. Когда сульфату меди становится «тесно» в растворе, он начинает свою кристаллизацию именно на проволоке, ведь она имеет неровности и также содержит медь.

Обычно кристаллизация веществ начинается с так называемых зародышей. Это группа частиц, которая по составу уже напоминает будущий кристалл. От него, как от посаженного в землю семени, может начаться рост кристалла. Если бы в пробирке не было проволоки, он мог бы начаться из любой точки, где возник зародыш кристалла. Однако поверхность медной проволоки устроена таким образом, что она способствует образованию зародышей для кристаллизации сульфата меди непосредственно на ней. Медленное остывание раствора и такая особенность проволоки приводят к тому, что кристаллы растут только на ней.

Зачем во время роста кристалла нужно держать пробирку в горячей воде?

В других опытах данного набора охлаждение раствора кристаллизующегося вещества происходит при комнатной температуре. Однако в этом эксперименте оно производится очень медленно − в остывающей горячей воде. Оказывается, если опустить пробирку с горячим насыщенным раствором сульфата меди сразу в холодную воду (или даже просто оставить на воздухе), синие кристаллы начнут активно расти не только на проволоке, но и на дне баночки. Они будут налезать друг на друга, и в результате получим вполне симпатичный, но достаточно бесформенный лес наростов. Мы же хотим, чтобы кристаллы росли аккуратно, а сам опыт в конечном счёте получился красивым. Поэтому для того чтобы рост происходил только на проволоке, да ещё и аккуратным образом, требуется очень медленное охлаждение. Специально подобранные условия эксперимента позволяют это осуществить.

В идеале мы хотим добиться того, чтобы кристаллы росли не просто в одном конкретном месте, но ещё и определённым образом. Наиболее удачливые экспериментаторы смогли достичь самого интересного результата, и практически весь сульфат меди вырос в виде так называемого монокристалла. Так называют красивый многогранник, блестящий и прозрачный со всех сторон, без каких-либо лишних особенностей и неровностей внутри.

Чаще всего несколько кристаллов неправильно срастаются друг с другом, и одни их части отчётливо повёрнуты относительно других. Внутри же наблюдаются неоднородности, трещинки, иногда даже маленькие кристаллики, вросшие в большой. Такие «аномалии» всегда обусловлены отклонениями от идеальных условий проведения опыта. При этом под идеальными условиями следует понимать очень-очень медленные изменения во всех воздействиях, которым подвергается баночка с растущими кристаллами. Это и температура раствора, и атмосферное давление, и отсутствие какой-либо тряски или прочих возмущений. Поэтому, как ни странно, «поставить и забыть» является действительно идеальным подходом для роста кристаллов.

Развитие эксперимента

Большой кристалл

Маленькие синие кристаллы медного купороса, без сомнений, радуют взгляд. Но как насчёт того, чтобы вырастить действительно большой кристалл? Однако сделать это не так уж и просто.

В качестве ёмкости используйте стеклянный химический стакан или пластиковый стаканчик (тогда вы сможете греть его так же, как стакан с винной кислотой или сахаром в других опытах набора). В первом случае вам понадобится около 30 грамм медного купороса CuSO₄*5H₂O. Его вы можете найти в строительном магазине либо в том, где продаются удобрения. Если вы решили растить очень большой кристалл и делать это в стакане, приготовьте заранее 60-70 грамм сульфата меди.

Растворите весь медный купорос в горячей воде. Тщательно перемешивайте раствор до тех пор, пока не растворятся все кристаллики. В качестве «опоры» для кристалла используйте кусок медной проволоки, нитку или лучину.

Теперь запаситесь терпением! Большой кристалл может расти несколько дней!

Кристаллизация в холодильнике

Как температура окружающей среды влияет на скорость и результат кристаллизации? Вы можете это изучить! Повторите опыт, однако заготовьте сразу две пробирки с растворами сульфата меди. В каждую из них вам понадобится добавить по 5 грамм CuSO₄*5H₂O, поэтому используйте раствор и кристаллы из основного эксперимента.

Остановитесь после 9-го шага инструкции. Теперь одну из пробирок поставьте в стаканчик с горячей водой, как и указано в шаге 10, а вторую поместите в холодильник (температура внутри около 4 C o ).

Подождите 1-2 часа. Сравните результаты. Где выросшие кристаллы крупнее? Где их больше и почему?

Кристаллы NaCl

Попробуйте вырастить кристалл из самой обычной поваренной соли – хлорида натрия NaCl.

Растворите 39 грамм соли в 100 мл кипятка. Тщательно перемешивайте раствор до тех пор, пока не растворятся все кристаллики. В качестве «опоры» для кристалла лучше всего использовать нитку, намотанную на лучину – опустите её конец в раствор. На конце нитки завяжите пару узелков.

Остаётся только ждать! Убедитесь, что стакан стоит в месте, где его никто не будет трясти и не опрокинет.

Это интересно

Для чего выращивают кристаллы?

Известно, что многие химики-синтетики в рамках своей работы осваивают и применяют различные методы выращивания монокристаллов. Почему же это нужно и интересно профессиональным химикам?

Кроме некоторой эстетической составляющей («Я синтезировал вещество, и какие красивые кристаллы оно образует!»), есть непосредственная необходимость собирать молекулы новых, неизвестных веществ в правильные, упорядоченные монокристаллы (от греч. μόνος — один).

Вообще говоря, при синтезе вещества химику необходимо выяснить или подтвердить его структуру. И до тех пор, пока он этого не сделает, никто в мировом научном сообществе не согласится с его открытием.

Для этого есть много различных косвенных методов: по тому, как вещество ведёт себя под воздействием света, инфракрасного излучения, сильных магнитных полей и прочих физических воздействий, химики могут понять, в каком порядке связаны атомы, составляющие молекулы вещества. Однако самым надёжным общепринятым подходом в определении структуры вещества является так называемый рентгеноструктурный анализ. Он позволяет непосредственно «сфотографировать» молекулы нового вещества, что сразу снимает все вопросы о его строении. Несмотря на его эффективность, этот метод имеет одно очень существенное ограничение: вещество должно быть представлено в виде того самого монокристалла.

Следует понимать, что каждая молекула, даже если речь идёт об очень больших молекулах полимеров или белков, − это очень-очень маленькая частица, зафиксировать которую можно только с помощью особого оборудования и в специальных условиях. При этом определение структуры отдельно взятой молекулы требует дополнительных ухищрений. Однако даже миллиграмм любого вещества содержит огромное множество одинаковых молекул. Если заставить все молекулы одинаково отвечать на какое-то воздействие, а затем сложить все эти отклики, то зафиксировать такой суммарный сигнал будет уже намного проще.

Как упоминалось ранее, монокристаллы отличаются тем, что составляющие их частицы находятся в строго определённом порядке. Такая упорядоченность как раз и позволяет просуммировать отклик каждой молекулы на определённое воздействие, поскольку они все расположены в пространстве одинаковым образом. Метод рентгеноструктурного анализа предполагает, что на молекулы вещества действует рентгеновское излучение. После такого воздействия эти лучи особенным образом изменяют своё направление, что непосредственно связано с расположением атомов в кристалле. Анализируя полученную картину искривлённых лучей, учёные могут «достроить», как именно располагаются атомы в кристалле, которые вызвали такое изменение. Зная это, не составляет большого труда выяснить, как устроены молекулы. Всё просто: если атом не входит в эту молекулу, в большинстве случаев он будет отдалён от всех атомов, которые в эту молекулу входят, на расстояние больше 3.5 ангстрем, что ровно в 100 000 000 раз меньше, чем 3.5 сантиметра.

Кстати, по забавному совпадению рентгеновское излучение используют также для исследования внутреннего устройства людей и многих других живых существ. Например, при переломах делают рентгеновский снимок повреждённой части тела, что позволяет узнать, где именно находится перелом и как его легче всего лечить.

Подпишитесь на наборы MEL Chemistry и проведите эти опыты у себя дома!

Источник