Krystalizacja

Będziemy mówić o tym, jak wyhodować naprawdę ładny i duży kryształ, co nie jest aż tak trudne, jeżeli wiemy o kilku sprawach.

Na początek musimy wiedzieć, co będziemy hodować. Nie polecam NaCl (soli kuchennej), bo ciężko z niej uzyskać duże kryształy. Najlepszym surowcem do amatorskiej hodowli będzie siarczan(VI) miedzi(II) (CuSO₄).

Jeżeli nie odpowiada Ci praca z tym związkiem, bo np. nie możesz go nigdzie dostać - polecam przejście do drugiej części artykułu dotyczącej krystalizacji octanu miedzi(II). Jest to związek, który każdy może otrzymać sam.

Siarczan(VI) miedzi(II)

Przygotowujemy sprzęty i substancje takie, jak:

0,5 litra wody destylowanej
200 gramów siarczanu(VI) miedzi(II)
źródło ciepła (najlepiej ceramiczną płytę grzewczą, ewentualnie palnik gazowy)
trzy zlewki (duża, średnia i mała) lub podobne naczynia, w tym jedno żaroodporne (może być garnek lub metalowa miska).
i parę innych rzeczy, co wyjdzie w praniu

Aby prawidłowo przeprowadzić krystalizację należy mieć wykres rozpuszczalności naszej soli w wodzie w różnych temperaturach (może być tabelka). Rozpuszczalność CuSO₄ i innych soli w wodzie w różnych temperaturach została zawarta w tabelce:

Dokument PDF Rozpuszczalność wybranych soli w wodzie

0°C	10°C	20°C	30°C	40°C	50°C	60°C	70°C	80°C	90°C	100°C
14,3	17,4	20,7	25,0	28,5	33,3	40,0	48,0	55,0	65,5	75,4

Rozpuszczalność CuSO₄ w wodzie [g / 100 g H₂O]

Na wstępie do 200 ml wody dodajemy ok. 155 g siarczanu(VI) miedzi(II) i ogrzewamy aż do rozpuszczenia. Następnie przelewamy roztwór do starannie oczyszczonego naczyńka (pozostawiając to, co się nie ropuściło w naczyniu w którym przeprowadzaliśmy ogrzewanie). Potem wrzucamy mały (byle kształtny) kryształek i pozostaje nam obserwować krystalizację... choć niestety nie do końca.

Gdybyśmy go tak pozostawili nic ciekawego by z tego nie powstało. Musimy systematycznie sprawdzać, czy obok naszego "klejnotu" nie tworzą się nowe kryształki (→ nukleacja). W takim wypadku należy je niezwłocznie usuwać - najlepiej zlewać roztwór do innej zlewki i przekładać tam kryształek, a spady zbierać (do późniejszego wykorzystania). Także co jakiś czas należy kryształ przemyć w wodzie, aby usunąć powstające "odnogi" - byle nie za mocno! Po kilku dniach może zabraknąć wody, w takim wypadku NIGDY NIE DOLEWAJ CZYSTEJ WODY DO ZLEWKI Z HODOWLĄ. Zamiast tego należy w osobnym naczyniu przygotować roztwór stężony ze wspomnianych spadów. Najlepiej wrzucić tam potem jeszcze mały kryształek, żeby sprawdzić, czy się nie rozpuści i dopiero wtedy dolać ciecz do zlewki z hodowlą.

Po około tygodniu lub dwóch otrzymamy naprawdę duży kryształ naszej soli.

Jeśli nie chesz, aby kryształ był rozbudowany przestrzennie, a tylko na płaszczyźnie musisz doświadczenie wykonać w parownicy (dowolne płaskie naczynie o sporej średnicy) wlewając przygotowanego wg poprzedniego przepisu roztworu na wysokość kilku mm.

Kryształ nie będzie miał możliwości rosnąć w dół (dno naczynia) ani w górę, ponieważ kryształ nie może roznąć ponad roztworem. Uzyskamy w ten sposób kryształ CuSO₄ przypominający niebieskie szkiełko o charakterystycznym kształcie. Twór taki prezentuje Ryc. 1.

MK17

Octan miedzi(II)

Nie bez powdu przez cały czas opisuję związki miedzi. Kryształy soli tego metalu mają piękne barwy w kolorach od zieleni do granatu, a przy tym formują dość efektowne kryształy. Sole te nie są trujące i dość łatwe do pozyskania. Octan miedzi(II) można otrzymać dość orkężną drogą z siarczanu(VI) miedzi(II), ale chyba nie o to chodzi. Zapewne nie posiadasz siarczanu(VI) miedzi(II) i dlatego tu jesteś.

Pragnę podkreślić, że octan miedzi(II) nie jest gorszy od siarczanu(VI) miedzi(II) - jest innym pożądanym obiektem krystalizacji.

Pierwszym i chyba najbardziej pracochłonnym procesem będzie otrzymanie octanu miedzi(II) do krystalizacji. Jeżeli ktoś ma możliwość aby takowy nabyć to świetnie, ale zazwyczaj takiej możliwości nie mamy, lub jest to po prostu bardzo kłopotliwe. W ostateczności pozostaje otrzymanie octanu samemu. Prawie wszystkie surowce można znaleźć w sklepie spożywczym. Będą to:

NaHCO₃ - wodorowęglan sodu (soda oczyszczona)
CH₃COOH - kwas octowy 10% (ocet spirytusowy)
H₂O - woda
Cu - miedź metaliczna (drut miedziany)

Do tego sprzęt:

źródło prądu stałego 4,5 - 12 V
elektroda węglowa
przewody elektryczne (cienkie)
naczynia (jak na obrazku)

Wszystkie wykorzystane sprzęty i odczynniki znajdują się na fotografii. Wyjaśnię teraz skąd zdobyć wszystkie potrzebne rzeczy:

Sodę oczyszczoną i ocet można zakupić w sklepie spożywczym pod tymi nazwami. Drut miedziany (⌀ ok. 0,5 mm) jest do nabycia w sklepach elektrycznych, oświetleniowych, budowlanych itd. Zapewne będzie on w izolacji, ale o tym potem. Paradoksalnie najwięcej problemów może być z wodą. Najlepiej byłoby gdyby była destylowana lub demineralizowana. Można taką kupić w sklepach technicznych, gospodarstwa domowego czy supermarketach do użycia w żelazkach czy fotografii. Jeżeli nie dysponujemy takową, może być przegotowana i ostudzona kranówa.

Jako źródło prądu stałego może posłużyć np. płaska bateria 4,5 V (lepiej kilka połączonych szeregowo) czy transformator (choćby 12 V od kolejki elektrycznej, jakiego użyłem).

Elektroda węglowa to tzw. pałeczka węglowa, którą można wydobyć z wnętrza płaskiej bateryjki. Aby przeczytać o tym jak ją wydostać, oraz co można uzyskać rozbierając taką bateryjkę przeczytaj artykuł dodatkowy: Bateria płaska overview.

Przewody i naczynia są chyba w każdym domu. Zapewne nie masz stosownego szkła laboratoryjnego, ale do tych celów nadają się świetnie zwykłe salaterki i butelki.

Ryc. 3. Zestaw do elektrolizy

Ryc. 4. Przed włączeniem prądu

Ryc. 5. Po 20 min od włączenia prądu

Pierwszą rzecz którą trzeba zrobić po skompletowaniu potrzebnych sprzętów i odczynników jest przygotowanie elektrody miedzianej. W tym celu należy pozbyć się izolacji z drutu miedzianego. Następnie za pomocą noża, papieru ściernego lub tzw. druciaka należy drut oczyścić z warstwy tlenków i uformować elektrodę. Najlepsza wydaje się być spiralna, ponieważ uzystamy wtedy największą ilość drutu, która się zmieści w naczyniu. Spirala powinna być podłączona przewodem do źródła prądu stałego przynajmniej w dwóch miejscach. Przyłączenie w jednym miejscu spowoduje, że właśnie w nim najgwałtowniej zachodzić będzie reakcja i reszta elektrody (spirala) szybko odpadnie od jej przedłużenia.

Druga czynność to sporządzenie roztworu NaHCO₃. W tym celu opakowanie sody oczyszczonej rozpuszczamy w takiej ilości wody aby większość proszku się rozpuściła. Aby proces ten przyspieszyć można całość nieco podgrzać (nie za mocno).

Roztwór przelewamy do naczynia, w którym prowadzić będziemy elektrolizę. Ewentualną pianę i resztki NaHCO3 można usunąć poprzez sączenie, jednak nie jest to konieczne.

Do naczynia wkładamy także dwie elektrody. Miedzianą łączymy z dodatnim stykiem baterii, a grafitową z biegunem ujemnym. Obserwujemy zachodzące zmiany. Jeśli w pobliżu elektrody miedzianej zacznie pojawiać się niebieskie zabarwienie, to wszystko jest ok. Jeśli nie, to zapewne źle połączyliśmy elektrody z baterią - należy zmienić biegunowość - wtedy powinno się pojawić owo niebieskie zabarwienie.

Proces elektrolizy powinien trwać ok. 12 godzin zależnie od używanego napięcia. Gdzy przez roztwór przepływa prąd na elektrodach zachodzą reakcje:

Ryc. 6. Zaraz po włączeniu prądu

K(−) : 2 H⁺ + 2 e⁻ → H₂

A(+) : Cu⁰ → Cu²⁺ + 2 e⁻

Powstałe jony miedzi(II) będą reagować z jonami środowiaska tworząc niebieski osad mieszanych węglanów miedzi(II). Wodór zaś będzie wydzielać się w postaci pęcherzyków gazu.

Informacją o tym, że należy przerwać może być rozpuszczenie się elektrody w takim stopniu, że nie da się już jej używać. Jednak można zrobić nową elektrodę i kontynuować elektrolizę. Im dłużej, tym więcej niebieskiego osadu otrzymamy.

W trakcie elektrolizy należy co jakiś czas zanurzać elektrodę miedzianą w roztworze kwasu octowego w celu usunięcia powstającego na elektrodzie osadu i umożliwienia efektywnego przebiegu elektrolizie.

Ryc. 7. Po zakończonej elektrolizie

Po zakończeniu elektrolizy odłączamy źródło napięcia i pozbywamy się elektrody grafitowej (można ją ponownie wykorzystać w przyszłości). Elektrodę miedzianą (ev. jej resztki) wrzucamy do tego samego roztworu kwasu octowego, co poprzednio. Trzymamy do zniknięcia niebieskiego osadu, a na koniec wszystko przelewamy do naczynia, w którym prowadziliśmy elektrolizę. Naczyniem należy zamieszać. Zawartość powinna reagować burzliwie z wydzielaniem gazu. Zachodzą reakcje jonów węglanowych i wodorowęglanowych, w których przyłączają one proton kwasu octowego w wynku czego powstaje jon octanowy i nietrwały kwas węglowy. Jest on tak nietrwały, że praktycznie w całości rozpada się na wodę i jego bezwodnik, czyli tlenek węgla(IV):

Ryc. 8. Po dodaniu kwasu octowego

Całość odstawiamy na 15 min. Jeśli cały osad nie uległ rozpuszczeniu należy dolać nieco kwasu octowego, zamieszać i odstawić na 15 min i tak do skutku. Jony miedzi ponownie trafią do roztworu, natomiast jony węglanowe i wodorotlenowe zostaną zastąpione octanowymi. W tym momencie zupa zawiera już mniej składników. Zapiszmy je:

Na⁺
Cu²⁺
CH₃COO⁻
H₂O

Z zupy tej nie powinno być problemu z wykrystalizowaniem octanu miedzi(II). Opuści on roztwór w postaci ciemnozielono-niebieskich kryształów pomimo, że nasza zupa jest niebieska wykrystalizują kryształy w kolorze morskim.

Zapewne nic pięknego nam nie wyjdzie. Otrzymane kryształy trzeba wyciągnąć z roztworu i osuszyć. Jeśli wyszło ich mało należy przygotować kolejną porcję powtarzając wszystko od początku. Zadowalającą porcję kryształów rozpuszczamy następnie w wodzie destylowanej i dopiero teraz staramy się krystalizować. Proces ten dość szczegółowo opisany jest przy krystalizacji siarczanu(VI) miedzi(II), więc nie będę się powtarzać.