Przepis na udaną hodowlę kryształów

Jak wyhodować kryształ siarczanu miedzi(II)? Przygotuj roztwór soli, uzyskaj mały kryształ zarodkowy i umieść go w warunkach, w których rozpuszczona substancja może stopniowo odkładać się na jego powierzchni. O wyniku decydują przesycenie roztworu, temperatura, czystość i cierpliwość — duża ilość proszku sama w sobie nie gwarantuje dużego kryształu.

Najpierw: roztwór nasycony, przesycenie i zarodek

Roztwór nasycony pozostaje w równowadze z nierozpuszczoną substancją w określonej temperaturze. Roztwór przesycony zawiera jej więcej, niż wynika z rozpuszczalności w tych warunkach. Nadmiar może wydzielić się jako kryształy. Zarodek daje powierzchnię wzrostu; jeśli roztwór jest nienasycony, zarodek może się rozpuścić.

Praca z odczynnikiem: siarczan miedzi(II) nie jest substancją spożywczą. Używaj okularów, rękawic i osobnych, oznakowanych naczyń; nie dotykaj kryształów gołymi rękami. Doświadczenie szkolne prowadź pod nadzorem nauczyciela. Roztwory i pozostałości zawierające miedź zbieraj do oznakowanego pojemnika na odpady chemiczne — nie do zlewu ani ogrodu. Nie używaj naczyń po środkach czyszczących ani gumy do żucia do mocowania kryształu.

Hodowla krok po kroku — doświadczenie autora

W opisanym doświadczeniu autor otrzymuje niebieskie kryształy pentahydratu siarczanu miedzi(II), CuSO₄·5H₂O. Przebieg ilustrują jego fotografie zarodka, zestawu i gotowego kryształu.

Bardziej szczegółowy od podanego poniżej opis hodowli znajduje się w numerze czwartym naszego czasopisma: https://biomist.pl/download/biuletyn-44-2016?wpdmdl=6623

Hodowla kryształów w Domu – Krystalizacja

Krystalizację warto zacząć od otrzymania zarodka krystalizacji. Ale do rzeczy: Z kilkunastu gramów uwodnionego siarczanu miedzi sporządzamy w zleweczce, parowniczce czy krystalizatorze na gorąco roztwór bliski nasycenia, nakrywamy gazą by nie dostał się kurz i odstawiamy na 1 dzień. Następnego dnia na dnie i na ściankach znajdziemy liczne kryształy. Inny sposób polega na sporządzeniu większej ilości roztworu, który po ochłodzeniu będzie lekko przesycony i zawieszeniu obciążonej nici jedwabnej lub bawełnianej, na których chętnie pojawiają się kryształki. Nitka powinna być wzięta ze sporym zapasem. Z kryształków narosłych na nici wybieramy jeden dobrze ukształtowany zarodek. Pozostałe kryształki usuwamy narzędziem, bez kontaktu z gołymi rękami. Można też wybrać zarodek powstały na dnie i ostrożnie obwiązać go nicią. Nie mocujemy go gumą do żucia. Poniżej widzimy zarodek krystalizacji przed:

…i po nawinięciu na nić:

Zarodki krystalizacji chętniej tworzą się na szkle niż na tworzywach sztucznych, z tego powodu lepiej zamiast naczynia szklanego użyć do hodowli naczynia z plastiku – w doświadczeniu autor użył plastikowego pojemnika; do powtórzenia wybierz czyste, oznakowane naczynie laboratoryjne, bez pozostałości środków czyszczących. Do tego musimy znaleźć lub zrobić samemu styropianowy pojemnik, w którym umieścimy nasz pojemnik – ja użyłem pojemnika po butelce z odczynnikiem, gdyż doskonale pasowało do pojemnika po wybielaczu:

Objętość roztworu w pojemniku musi być dopasowana do jego wielkości, najlepiej aby wynosiła 3/4 do 4/5 objętości pojemnika. Ze względu na wielkość pojemnika ja użyłem 500 g wody jako rozpuszczalnika. W oryginalnym opisie doświadczenia przyjęto następujące dane rozpuszczalności uwodnionej soli na 100 g dodanej wody: w 20 ^oC wynosi 32,38 g, natomiast w 60 ^oC  62,67 g. Aby nasycić 500 g wody o temperaturze 60 ^oC trzeba zatem 5 × 62,67 g = 313,35 g soli. Zatem w czystej zlewce lub w słoiku o pojemności 1 dm³ umieszczamy 500 ml wody i dosypujemy 313 g siarczanu miedzi. Zaczynamy ogrzewać wodę i mieszamy aż do pełnego rozpuszczenia (co oznacza, że temperatura przekroczyła 60 ^oC). Jeśli pracujemy w słoiku – dobrze jest go ogrzewać za pomocą łaźni wodnej, by nie pękł – tak jak słoiki z przetworami podczas pasteryzacji. Po całkowitym rozpuszczeniu i upewnieniu się, że w roztworze nie ma żadnych paprochów pozwalamy mu ostygnąć do temperatury ok. 55 ^oC. Jeśli widoczne są jakieś zanieczyszczenia mechaniczne to roztwór należy przesączyć na gorąco. Pamiętajmy, że dopiero w lekko przesyconym roztworze możemy umieścić nasz zarodek! W przeciwnym przypadku, jeśli umieścimy go w zbyt gorącym roztworze, to się rozpuści i z hodowli okazałych kryształów nici. Może nawet dosłownie – nici. Dlatego należy się upewnić, że temperatura roztworu spadła poniżej 60 ^oC, a dla bezpieczeństwa wynosi ok. 55 ^oC. Teraz możemy przelać roztwór do pojemnika, i zamknąć go nakrętką wraz z zamocowaną nicią. Nici od góry lepiej nie przyklejać gumą do spodu wieczka, bo może odpaść pod wpływem rosnącego kryształu, w tym celu wieczko lepiej przebić i koniec nici zamocować od strony zewnętrznej. Podane temperatury odnoszą się do opisanego składu roztworu; przed powtórzeniem trzeba zweryfikować dane dla używanej soli i sposób ich zapisu. Kryształek zarodkowy nie może dotykać dna! Najlepiej aby wisiał w połowie wysokości r-ru.  Zamknięty pojemnik umieszczamy delikatnie w pudełku styropianowym i odstawiamy na 3 doby w spokojne miejsce.

Nie tracimy cierpliwości i nie sprawdzamy jak szybko rośnie nasz kryształ! Nie wstrząsamy pudełkiem ani nie pozwalamy by inni zerkali i przeszkadzali kryształom. Po trzech dniach otwieramy delikatnie i podziwiamy co udało nam się wyhodować. I co? Warto było? Ocenicie sami. Ja uzyskałem taki okaz:

O masie 272 g. Czas hodowli to zaledwie kilkanaście godzin. Niestety, w tym przypadku sznurek się urwał i rosnący kryształ spadł na dno, efekt poniżej:

Kryształ umieszczamy na kilku arkuszach bibuły i pozwalamy na wchłonięcie roztworu, delikatnie owijamy go bibułą by go nie uszkodzić. Pozostałości roztworu odsączamy na bibule, pracując w rękawicach; nie używamy dodatkowych rozpuszczalników palnych do domowej hodowli. Odstawiamy go do wyschnięcia na 1-2 godziny.  Kryształ możemy trzymać na pamiątkę zawinięty w bibułę i przechowywać w plastikowym pojemniku, pokazując naszą dumę zainteresowanym osobom. Jeśli chcemy go pozostawić na widoku, to nie może być w zimie blisko kaloryferów bo zacznie tracić wodę i pojawią się na nim białe plamy.

Masa uzyskanego kryształu zależy od warunków doświadczenia i sposobu zapisu rozpuszczalności hydratu. Nie należy traktować prostej różnicy wartości tabelarycznych jako gwarantowanej masy kryształu; pełny bilans uwzględnia także wodę krystalizacyjną i roztwór pozostały po krystalizacji. Pamiętajmy, że kryształ można jeszcze „dokarmić” – w tym celu należy go ponownie umieścić w przesyconym roztworze, więc do naszego ługu pokrystalicznego (tak chemicy nazywają r-ry pozostałe po wykrystalizowaniu z nich substancji)  dosypujemy 150 g siarczanu i ponownie ogrzewamy do całkowitego rozpuszczenia i powtarzamy procedurę używając naszego kryształu jako zarodka 🙂

Powodzenia. A ja zabieram się za otrzymanie kryształów cukru 🙂

PS jeśli podczas manipulacji kryształem odłamie się jakiś fragment, mamy gotowy zarodek krystalizacji „na zaś”.

Dlaczego hodowla się nie udaje?

Co z tego wynika na maturze?

Krystalizacja rozdziela składniki mieszaniny dzięki różnicom rozpuszczalności i zmianie warunków. Odczytując tabelę, sprawdź temperaturę oraz to, czy podano masę soli bezwodnej, hydratu, masę na 100 g wody czy na 100 g roztworu. Woda krystalizacyjna hydratu ma znaczenie w bilansie masy; nie wolno bez wyjaśnienia mieszać tych sposobów zapisu.

Pytania o hodowlę kryształów

Czytaj dalej: Chemia do matury — przewodnik. Materiał edukacyjny: Royal Society of Chemistry — Crystal chemistry.