Metoda krystalizacji

Teorię i zasadę krystalizacji znamy już z klasy VI. Również przebieg doświadczenia. Oto fragmenty tekstu z podręcznika fizyki:

„Wylej ze szklanek roztwór soli i cukru na oddzielne spodeczki, postaw je na płytce azbestowej i ogrzewaj małym płomieniem tak długo, aż zostanie na dnie niewiele wody. Następnie postaw spodeczki na kaloryferze albo w innym ciepłym miejscu i po kilku godzinach (lub następnego dnia) obejrzyj to, co pozostało na dnie”.

Gdy powtórzymy to szkolne doświadczenie, „na dnie” każdego spodeczka zobaczymy kryształy. Będą to jednak kryształy bardzo drobne, często mniejsze niż te wysypane z torebki z solą lub z cukrem, trudne do obserwowania nawet pod lupą. Przyczyna jest prosta – krystalizacja przez odparowanie roztworu, bo tak nazywa się ten sposób krystalizacji, przebiega bardzo szybko. Zbyt szybko, aby powstał jeden duży kryształ. Sposób ten stosuje się w przemysłowej krystalizacji soli i cukru, gdy zależy nam na otrzymaniu tych produktów spożywczych, a nie na wyhodowaniu ładnych kryształów. W naszym doświadczeniu proponuję inną metodę krystalizacji z roztworu – metodę powolnego ochładzania.

Pojęcie „roztwór” nie wymaga wyjaśnienia. Roztworem cukru jest słodka herbata, a roztworem soli każda zupa z wyjątkiem słodkich zup owocowych. Do krystalizacji potrzebny jest nam jednak roztwór przesycony, tj. taki roztwór, w którym nie da się rozpuścić nawet najmniejszej dodatkowej ilości substancji. Ale ilość substancji, która może się rozpuścić w rozpuszczalniku, zależy od temperatury. Im wyższa temperatura, tym więcej np. cukru rozpuści się w herbacie. Gdy roztwór taki będzie się oziębiał, rozpuszczalność maleje, a nadmiarowa ilość substancji musi wydzielić się z roztworu. To właśnie zjawisko fizyczne jest podstawą procesu krystalizacji z roztworu.

Kryształy cukru trzcinowego i soli (z prawej).

Najprostszą metodą krystalizacji przez powolne ochłodzenie jest metoda zamkniętej bańki, np. słoika z pokrywką typu „Twist”. Przed przystąpieniem do krystalizacji w innym naczyniu, najlepiej metalowym, podgrzewamy wodę aż do temperatury wrzenia. Gdy woda zaczyna wrzeć, wsypujemy do niej stale mieszając rozpuszczalną w wodzie substancję w takiej ilości, jaka da się rozpuścić w wodzie. Gdy otrzymamy roztwór przesycony, a więc część substancji mimo stałego mieszania pozostaje w stanie stałym, przerywamy ogrzewanie, odczekujemy, aż ciecz przestanie wrzeć i lekko ostygnie, a następnie przelewamy do słoika przez bibułkę filtracyjną i zamykamy szczelną pokrywką. Wcześniej jednak do dna pokrywki musimy przylepić nitkę, np. jedwabną (klej nierozpuszczalny w wodzie i odporny na temperaturę, np. Epidian 5 lub Distal), a na końcu nitki przywiązać niewielki, ale prawidłowo ukształtowany kryształek tej samej substancji, którą rozpuściliśmy w wodzie. Zamkniętą bańkę stawiamy nad kaloryferem lub na osłonecznionym parapecie okiennym i czekamy. Gdy ochłodzenie przebiega bardzo wolno, to na zawieszonym kryształku, który staje się zarodkiem krystalizacji, urośnie bardzo duży i regularny kryształ: Zamiast nitki przyklejanej do dna pokrywki możemy zastosować specjalny stojak wygięty z drutu i wstawiony na dno naczynia.

Prócz odpowiednio wolnego chłodzenia warunkiem uzyskania pojedynczych, drobnych kryształów jest czystość roztworu i dobór odpowiednich, łatwo krystalizujących substancji. Czysty roztwór uzyskamy, gdy do doświadczenia użyjemy wody destylowanej (łatwo ją kupić w stacjach benzynowych i w drogeriach), czyste będą wszystkie naczynia, nitka lub stojak, a podczas przelewania roztworu użyjemy bibuły filtracyjnej. Zatrzyma ona zanieczyszczenia i co ważniejsze nie rozpuszczone w wodzie cząsteczki substancji, które mogłyby stać się dodatkowymi zarodkami krystalizacji. Jako substancję krystalizującą możemy użyć cukier, zwykłą używaną w domu sodę, siarczan sodowy Na2SOlub siarczan miedzi CuSO4. Najtrudniejsze, a w warunkach domowych prawie niemożliwe jest uzyskanie kryształów soli.