Образование и рост кристаллов

Кристаллы возникают при переходе вещества из любого агрегатного состояния в твердое. Главным условием образования кристаллов является понижение температуры до определенного уровня, ниже которого частицы (атомы, ионы), потеряв избыток теплового движения, проявляют присущие им химические свойства и группируются в пространственную решетку.

Способы и факторы зарождения кристаллов

При температурах, измеряемых тысячами градусов, ни одно из известных в природе веществ в кристаллическом состоянии существовать не может. Вторым важным условием является давление. Температура и давление – это термодинамические условия существования кристаллического вещества. Высоко нагретое вещество при охлаждении может проходить стадии газообразной смеси, жидкости, расплава, твердого состояния. Поэтому возможны три способа образования кристаллов.

  1. Кристаллизация путем возгонки – переход непосредственно из газообразного состояния к твердому. В этом случае кристаллы образуются прямо из пара, минуя жидкую фазу. Примером могут служить возгонка и перекристаллизация йода. В природе этот процесс происходит в кратерах, вулканических трещинах (налеты нашатыря, серы и др.). Зимой при ясной морозной погоде в воздухе образуются снежинки.
  2. Раскристаллизация в твердом состоянии – переход из твердого состояния в твердое. Здесь возможны два процесса. Первый – кристаллическое вещество может образовываться из аморфного. Так, с течением времени раскристаллизовываются стекла и содержащие стекло вулканические породы. Второй процесс – перекристаллизация: структура одних веществ разрушается и образуются новые кристаллы с иной структурой. Явления перекристаллизации широко распространены в природе и ведут к образованию новых минералов, горных пород и руд. Все метаморфические горные породы в той или иной степени являются перекристаллизованными. Под влиянием температуры, давления и других факторов известняк, например, переходит в мрамор, глинистые породы – в филлиты и кристаллические сланцы, кварцевые песчаники – в кварциты.
  3. Кристаллизация из расплавов и растворов – основной способ образования кристаллов в природе. Так образуются из огненно-жидкого силикатного расплава (магмы) массивные кристаллические породы – граниты. На дне озер, заливов и в море отлагаются кристаллы солей. Из расплавов и растворов выращиваются искусственные кристаллы (например, технические и драгоценные камни: пьезокварц, карборунд, рубин, алмаз, сапфир и др.).

Таким образом, основное условие зарождения – переохлаждение или перенасыщение. Зарождение кристаллов – переохлаждение или перенасыщение. Зарождение кристаллов может идти самостоятельно. Но иногда для роста кристаллов достаточным бывает наличие мельчайших кристалликов самого кристаллизуемого вещества или близких к нему по строению частиц  других твердых веществ. Процесс образования кристаллов проходит скачкообразно, с выделением энергии, с перегруппировкой частиц, с резким изменением первоначальных свойств. Кристаллизационная способность у различных веществ неодинакова, она определяется количеством центров кристаллизации, образующихся в единицу времени в единице объема, и скоростью роста кристаллов. При большой скорости образования центров кристаллизации возникает много мелких кристаллов, при малом количестве центров возникают крупные кристаллы.

Как вырастить кристалл из соли дома

Можно самостоятельно проводить опыты по выращиванию кристаллов. Предварительно приготовляется измельченная в порошок навеска той или иной соли (квасцы, медный купорос и др.). Навеску насыпать в химически стеклянный или фарфоровый стакан и налить с помощью градуированной мензурки требуемое количество воды. Покрыв круглым (часовым) стеклом стакан, нагрейте его содержимое, чтобы ускорить растворение соли в воде. Затем полученный раствор профильтруйте.

Таблица 1 — Растворимость солей (в граммах) в 100 см3 воды.

Температура, ⁰С

Калиево-алюминиевые квасцы KAl[SiO4]·12H2O Натровая селитра

NaNO3

Сернокислый магний

MgSO4·7H2O

Медный купорос

CuSO4·5H2O

0 3,9 73 76,9 31,6
10 9,5 80,6 93,8 37
20 15,1 88,5 115,9 42,3
30 22 96,6 146,3 48,8
40 30,9 104,9 179,3 56,9

Отфильтрованную жидкость поместите в специальный стакан с широким дном и низкими стенками. В стакане раствор остывает и интенсивно испаряется, чему способствует характерная форма стакана, создающая большую поверхность испарения. В результате охлаждения и испарения получается сначала насыщенный, а затем перенасыщенный раствор (в нем содержится избыток растворенного вещества). При этом в кристаллизаторе начинают выпадать кристаллики. На следующий день (после приготовления раствора) нужно выбрать несколько или один из выпавших кристалликов, слить осторожно раствор в чистый кристаллизатор и поместить туда отобранные кристаллы – «завтраки». «Завтраками» называются твердые частицы, способные вызывать кристаллизацию. Для получения хорошо ограненного (изометричного)  кристалла следует выращивать его на волоске, или нитке-шелковинке. Кристаллы, выращенные на дне сосуда, будучи стеснены в росте, приобретут неправильную форму (сплюснутые, вытянутые). По истечении некоторого срока, когда раствора станет мало, следует приготовить свежий раствор и перенести в него кристалл. Список оборудования для выращивания кристаллов: реактивы, ступка (фарфоровая), весы с разновесами (аптекарские), два стакана (химических или фарфоровых), мензурка, горелка, асбестовая сетка, круглое часовое стекло, стеклянная палочка для размещения раствора, воронка, фильтровальная бумага, штатив для воронки, стакан с широким дном, пинцет, термометр. Удобный материал для получения хорошо образованных кристаллов представляют алюминиевые квасцы. Растворимость квасцов в горячей воде значительно больше, чем в холодной, поэтому мы можем ускорить процесс, охлаждая насыщенный раствор. Растворите квасцы в горячей воде до пределов растворимости; получится насыщенный раствор. Опыт показывает, что в 200 г горячей воды можно растворить 25 г квасцов. На нитках-шелковинках, опущенных в раствор, вырастают кристаллы правильной формы, свойственной квасцам – октаэдры. С нитки удалите мелкие и неправильные кристаллы и оставьте один лучший, который будет постепенно нарастать. Вещество квасцов равномерно оседает на гранях свободно растущего кристалла. При охлаждении насыщенного раствора (75 г хромовых квасцов на 20 г воды) до температуры 11⁰С на дно сосуда выпадают корки мелкозернистых кристаллов. Правильные кристаллы хромовых квасцов в виде октаэдров  фиолетового цвета растут  на нитках, опущенных в раствор. Кристаллы алюминиевых квасцов могут расти в растворе хромовых и наоборот, так как у тех и других одинаковый тип пространственной решетки. Поместите растущий на нитке фиолетовый кристалл хромовых квасцов в насыщенный раствор алюминиевых квасцов – вы получите двухслойный кристалл с фиолетовым внутренним октаэдром и наружным бесцветным.

Наиболее удачный результат получается при выращивании кристаллов медного купороса из раствора, концентрацией 29,2% при охлаждении его до 13,5⁰С. В 200 г воды при подогревании растворите 82,5 г растертого в порошок медного купороса. Раствор пропустите через бумажный фильтр. Спустя 14-15 часов выпадут хорошо образованные кристаллы до 1,5 см в длину. Кроме квасцов и медного купороса, хорошо кристаллизуется двухромовокислый калий. Опыт по самоогранению кристалла: придайте выращенному кристаллу квасцов (обтачиванием напильником) форму шара, снова опустите его в насыщенный маточный раствор и следите за его ростом. Через 1-2 дня вы заметите, что на шарике появляются грани и через неделю вместо шарика снова образуется правильный октаэдр.