Práce je věnována studiu procesu růstu krystalů doma. Cílem autora bylo vypěstovat si doma krystaly ze soli, cukru a síranu měďnatého a pozorovat proces krystalizace. Relevantnost studie je vysvětlena zájmem o tvorbu krystalů různých tvarů a barev v kteroukoli roční dobu.
Krystaly se nacházejí všude. Chodíme po krystalech, stavíme s krystaly, zpracováváme krystaly v továrnách, pěstujeme krystaly v laboratořích, jíme krystaly a léčíme se krystaly.
Krystalizace je proces tvorby krystalů. Začíná až při určité koncentraci látky v roztoku, za přítomnosti krystalizačního centra.
Existuje několik způsobů, jak vypěstovat krystal doma. První je ochlazením nasyceného roztoku, druhým odpařováním. Samotný proces pěstování není složitý, ale vyžaduje přesnost a přesnost. Úkolem laboratorní práce na pěstování krystalu je zjistit, co jsou krystaly, jakou mají strukturu a jak je pěstovat doma.
Krystaly (z řeckého krystallos, původně led), pevné látky, jejichž atomy nebo molekuly tvoří uspořádanou periodickou strukturu (krystalovou mřížku).
Krásné krystaly soli si doma vypěstujete za dva až tři týdny. K tomu budete potřebovat skleněnou nádobu, drát a nit, nezbytnou zásobu soli, jejíž krystaly vypěstujeme, pro nás je to síran měďnatý a kuchyňská sůl. Velmi efektně vypadají „doma vypěstované“ krystaly jasně modrého síranu měďnatého a dobré jsou i bezbarvé kostky kuchyňské soli.
Nejprve si připravte co nejkoncentrovanější roztok zvolené soli, přidejte sůl do sklenice vody, dokud se další porce soli nepřestane při míchání rozpouštět. Poté musíte směs zahřát, aby se zajistilo úplné rozpuštění soli. Výsledný koncentrovaný roztok nalijte do sklenice; Tam pomocí drátěné propojky zavěsíme na nit krystalické „semínko“ – malý krystal stejné soli – tak, aby bylo ponořeno v roztoku. Náš krystal vyroste na tomto „semínku“.
Tři dny po zahájení experimentu se na niti objevil krystal síranu měďnatého, podobný drahému kameni, a v další nádobě se objevily krystaly kuchyňské soli. Když krystaly dostatečně narostly a růst krystalů se po 15 dnech zastavil, vyndal jsem je z roztoku, vysušil a nalakoval.
Z krystalů můžete vyrobit figurky. K tomu připravte rám z drátu omotaný běžnými nitěmi, musí být spuštěn do nasyceného roztoku, okamžitě odstraněn a vysušen při pokojové teplotě. Vlákna jsou roztokem nasycena a po zaschnutí se na nich vytvoří drobné krystalky, které později poslouží jako „semínka“, na kterých krystalky vyrostou. Zdá se, že krystaly „vypadnou“ z roztoku, tzn. Týden nebyl žádný krystal a v jednom okamžiku se najednou objevil, ve skutečnosti krystaly rostou. Odhalit okem úplně počáteční okamžiky růstu je samozřejmě nemožné. Nejprve se několik náhodně se pohybujících molekul nebo atomů rozpuštěné látky shromáždí zhruba v pořadí potřebném k vytvoření krystalové mřížky. Taková skupina atomů nebo molekul se nazývá jádro. Zkušenosti ukazují, že jádra se tvoří častěji, pokud jsou v roztoku nějaká krystalizační centra. Středy krystalizace mohou být nečistoty na stěnách nádoby s roztokem, prachové částice, drobné krystalky rozpuštěné látky, takže pokud nádoba není čistá, pak krystaly rostou na dně a stěnách nádoby. To je to, co jsem dostal: krystaly vyrostly z čerstvě připravených roztoků. Není to moc krásné?
Dílo lze využít ve vzdělávacích institucích v rámci mimoškolních aktivit k pozorování zajímavého procesu pěstování krystalů.
Holandští fyzici vysvětlili, jak krystalizace z odpařujícího se solného roztoku vytváří složité stromovité struktury, které rostou daleko za původní objem kapaliny. Tento jev byl poprvé popsán asi před sto lety, ale teprve nyní bylo možné kvantitativně popsat jeho mechanismus a navrhnout způsob, jak jej potlačit, píší vědci v Věda Zálohy.
Když se roztok obyčejné kuchyňské soli odpaří, můžete často pozorovat docela krásný jev: vysrážené krystaly se „plazí“ po pevném povrchu, se kterým je roztok v kontaktu, a začnou z něj růst a mění se v bizarní struktury podobné stromům, které přesahují daleko za původní objem kapaliny. Tento efekt se nazývá tečení solí (nezaměňovat s tečením materiálů pod vlivem stálého vnějšího zatížení) a je charakteristické pro většinu solí. S tečením soli se lze snadno setkat v každodenním životě – především při odpařování dešťových kapek – a proto jsou jeho důsledky také jasně viditelné: plazivá sůl vede ke korozi konstrukčních materiálů, výskytu plaku na sochách a freskách a poškození venkovní elektroniky. zařízení.
Salt creep poprvé popsal Roger Washburn před více než sto lety a vysvětlil jej kapilárními efekty v porézních materiálech. Zejména si všiml další neobvyklé skutečnosti spojené s tečením solných roztoků – vysokou rychlostí krystalizace: dokonce i v makroskopických systémech je charakteristická doba pro tvorbu solných stromů několik minut. V téměř století od Washburnovy práce vědci publikovali několik vysvětlení tohoto jevu, ale neexistoval žádný komplexní model, který by mohl kvantitativně popsat tečení solných roztoků, předpovídat rychlost krystalizace a navrhnout způsob, jak tento efekt potlačit.
K vytvoření takového modelu se nizozemští fyzici vedení Noushine Shahidzadeh z Amsterdamské univerzity blíže podívali na dynamiku tečení solných roztoků. Vědci pozorovali stromovité krystaly rostoucí z odpařujících se roztoků chloridu sodného, chloridu draselného a síranu sodného. Tyto roztoky byly umístěny do komory s řízenou vlhkostí a do nich byla spuštěna skleněná tyčinka, na kterou se měla sůl „plazit“.
Ukázalo se, že při relativní vlhkosti 40 procent není pozorováno tečení, krystalizace probíhá pouze v roztoku nebo na jeho povrchu a nevznikají stromovité struktury. Ale pokud vysušíte atmosféru a snížíte vlhkost na šest procent, pak se situace změní a všechny soli začnou „vylézat“ z roztoku. Navíc přítomnost nebo nepřítomnost creepového efektu nezávisí na chemickém složení soli.
Ve všech případech začíná krystalizace v důsledku zvýšení koncentrace soli během odpařování roztoku a začne se „plazit“ po tyči spuštěné do roztoku, když úhel smáčení mezi tyčinkou a roztokem dosáhne kritické hodnoty (od 20 až 30 stupňů v závislosti na chemickém složení soli). Vlivem smáčení film roztoku nejprve tyčinku překryje, a když krystal začne růst, dotvaruje se na ni. Povrch nově vzniklého krystalu se tak okamžitě pokryje tenkým filmem roztoku, který se rychle odpaří a ze kterého vyroste krystal nový.
Tento mechanismus za prvé přispívá ke vzniku velkého počtu nových nukleačních center, díky nimž se krystal soli začíná větvit. A za druhé to vede ke zvětšení plochy odpařování, a tedy k prudkému zvýšení rychlosti krystalizace. Proces se tak sám zrychluje podle exponenciálního zákona.
Fyzici zároveň poznamenávají, že jelikož je nástup exponenciální krystalizace řízen kontaktním úhlem, lze tento proces řídit přidáním povrchově aktivních látek do roztoku. Mění povrchové napětí roztoku a tím i kontaktní úhel a buď urychlují, nebo naopak potlačují „tečení“ roztoku na pevný povrch a tvorbu filmu. Například přidání Tween 80, neiontové povrchově aktivní látky, která neinteraguje s ionty v roztoku, zcela potlačuje tečení.
Podle autorů studie jejich navrhovaný model pomůže řídit rychlost růstu krystalů „vylézajících“ z roztoku – potlačí jej tam, kde může rušit rychlá krystalizace soli, nebo naopak urychlí, pokud je to pro růst nezbytné. krystalů určitého tvaru.
Studium krystalizačních procesů zůstává stále aktuální nejen z pohledu koroze materiálů, ale také např. v klimatologii. Studium nukleace a růstu ledových krystalů v oblacích pomáhá lépe popsat tvorbu srážek. Například američtí fyzici, kteří studovali krystalizaci ledu, objevili anomální krystalizační režimy při teplotách od 126 do 262 Kelvinů. A němečtí a britští fyzici viděli krystalizovat led na částicích živce, jednoho z nejaktivnějších nukleačních center v oblacích.
