Интернет-журнал "Домашняя лаборатория", 2007 №4
Шрифт:
4. Получение кристаллов простых веществ
Здесь не пойдёт речь о методах зонной плавки или йодного рафинирования, которые используются для получения сверхчистых монокристаллов простых веществ (германия Ge, кремния Si, циркония Zr, титана Ti и т. п.).
Выращивать кристаллы металлов мы будем из раствора. И, конечно же, это будут металлы неактивные, невзаимодействующие с водой (медь, сурьма, висмут, серебро, золото, свинец, олово и т. п.). Описание опыта будет сведено к выращиванию кристаллов меди.
Для
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
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 SO42-. 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.