Obtinerea si porprietatile cristalelor - ghid practic

Obținerea și proprietățile cristalelor

Ghid practic

Autori: Andrei Adrian Caisim, Emanuel Păcurar

Colegiul Național de Informatică „Traian Lalescu”Hunedoara

Profesor coordonator Elena Luminița Nistor

Capitolul 1

1.1  Introducere în lumea cristalelor

Lucrarea de față este rezultatul muncii noastre de laborator desfăsurată în timpul anului școlar 2010-2011.

1.2 Ce ne propunem

„Obtinerea și proprietătile cristalelor-ghid practic ” se dorește o incursiune în lumea tăcută și plină de magie și mister  a cristalelor.

După o introducere în lumea cristalelor (Cap 1) sunt prezentate rezultatele noastre în obţinerea de cristale folosind tehnica evaporării lente (Cap 2).

În capitolul al treilea, dedicat alaunului de crom, este prezentată obținerea cristalelor, de la sinteză și până la cristalizare. Sunt prezentate și rezultatele obținute la doparea alaunului de potasiu și aluminiu cu alaun de  potasiu și crom.

 Capitolul al patrulea prezintă obținerea „ploii de aur” prin tehnica răcirii lente și obținerea monocristalelor de hidroxid de magneziu prin precipitare într-un mediu gelificat utilizând tehnica difuziei lente.

Capitolul al cincilea este dedicat caracterizării cristalelor obținute. Fiecare tip de cristal obținut a fost studiat și microscopic. Sunt prezentate și rezultatele calitative obținute la punerea în evidență a efectului piezoelectric la cristalele de tartrat dublu de sodiu și potasiu tetrahidratat obținute.

1.3. Structura cristalelor

            Un cristal este un solid poliedric constituit din atomi, molecule, sau ioni aranjați într-o ordine regulată extinsă în toate cele trei dimensiuni. El este definit de celula elementară care este cel mai mic paralelipiped care, dacă este repetat periodic în trei direcții independente, poate reproduce întreaga rețea cristalină. Caracteristicile celulei elementare sunt cele trei muchii (a,b,c) numite axe şi unghiurile formate de acestea (a, b, d).

Clasificarea cristalelor după structura celulei elementare:

Cristalele sunt foarte variate, ele pot fi însă clasificate în 7 sisteme de cristalizare. Sistemul cubic (anexa 1) (sau izometric) este un sistem de cristalizare în care celula elementară are forma unui cub. Aceasta este una dintre formele cele mai comune și simple, şi este găsită în cristale şi minerale. Exista trei varietăți principale ale acestor cristale, numit cubic simplu, cubic centrat intern, şi cubic cu  fețe centrate. În sistemul tetragonal sau pătratic (anexa 2), sistemul de coordonate este asemănător sistemului cubic cu diferența că sunt egale între ele doar două muchii, unghiurile având valori de 90°. Sistemulul ortorombic (anexa 3) are toate cele trei unghiuri de 90° și muchiile diferite între ele. În sistemul triclinic (anexa 4) toate unghiurile au valoari diferite de 90°, iar axele au lungimi diferite. În sistemul monoclinic (anexa 5), două unghiuri sunt egale cu 90°, iar cel de-al treilea  are altă valoare. Sistemul hexagonal (anexa 6) este înrudit cu cel trigonal, și are ca bază un hexagon regulat a=b≠c, α=β=90°, iar γ=120°. Sistemul romboedric (anexa 7) are ca și caracteristici: a=b=c, α=β=γ≠90°.

1.4. Nucleația și creșterea cristalelor

Procesul de nucleație și creșterea cristalelor au loc în două stadii diferite. În etapa de nucleație apare mai întâi un mic nucleu sau centru de cristalizare. Acesta  apare relativ lent, a doua etapă de creştere fiind mai  rapidă. În acest proces mai rapid cristalele se autoreproduc în toate direcţiile. Cristale perfecte cresc doar extrem de lent. Cristalele reale cresc relativ rapid, deoarece conţin dislocări (şi alte defecte), care asigură punctele necesare de creştere, oferind astfel catalizatorul necesar pentru transformare.

1.5. Proprietățile cristalelor

Ca urmare a organizării interne,  cristalele  prezintă un caracter anizotrop al proprietatilor mecanice, electrice, magnetice, optice , adică capacitatea cristalelor de a avea proprietăți diferite pe direcții diferite, în funcție de direcția de măsurare sau observare.

Siliciul dintr-un microcircuit al calculatorului înmagazinează informația.

            Efectul piezoelectric reprezintă capacitatea unor cristale, cum ar fi cuarțul, de a transforma energia mecanică în energie electrică și invers. Cu alte cuvinte dacă se aplică o forță asupra unui cristal acesta va  produce o diferență de potential, iar dacă se aplică o diferența de potential acesta se va deforma.

Izomorfismul reprezintă proprietatea a 2 sau mai multe substanțe de a prezenta rețele spațiale identice (sau cu mici diferențe între ele).

1.6.Aplicații ale cristalelor

·         Unele cristale au proprietatea (cum am văzut mai sus ) de a dezvolta între fețele opuse o tensiune electromotoare (voltaj), atunci când sunt supuse întinderii sau compresiei și, reciproc, de-a se extinde sau contracta din punct de vedere al dimensiunii, atunci când sunt supuse unei tensiuni electromotoare. Oscilatoarele cu cristale piezoelectrice sunt utilizate ca standarde de frecvență și la producerea ultrasunetelor;

·         La granița dintre ficțiune și realitate se ascunde puterea mistică a cristalelor, putere vindecatoare, energizantă și relaxantă. Deși oamenii de știința nu cred în minuni, unii oamenii  tind să creadă că cristalele, provenind din natură, deţin puteri miraculoase;

·         Cristalele  atrag oameni doritori de frumos și spectaculos prin formele şi  prin proprietățile lor;

·         Cristalele create artificial prin creșterea acestora la presiune (diamantele pentru tăiere);

·         Înmagazinarea informațiilor dintr-un calculator;

·         În LCD de astăzi. ( LCD=Liquid Crystals Display ).

           

Capitulul 2. Obținerea cristalelor prin tehnica evaporării lente

2.1. Obținerea cristalelor de piatră vânătă – CuSO₄ –5H₂O

Cristalele de piatră vânăta se obțin foarte ușor. Este suficient să se prepare o soluție saturată de piatră vânătă și să se lase câteva zile. Pe fundul vasului apar câteva cristale triclinice albastre, care pot fi folosite pentru cristalizare prin tehnica evaporarii lente, suspendate cu ajutorul unui fir, sau se pot lăsa pe fundul cristalizorului, la o oarecare distanță unele de altele. Întrucât soluția a fost mereu reîmprospătată cu cantități noi, nu s-a pus problema calculării randamentului de recristalizare.

Iată cristalele (de vârste diferite) obținute de noi: Cele mai mari cristale, fiind și cel mai bătrâne. Ele au trei luni!

2.2. Obținerea cristalelor de alaun de potasiu și aluminiu KAl(SO4)2·12H2O

Cristalele de piatra acră se obțin relativ ușor usor. Nu cresc însa la fel de repede ca si cele de piatră vânată. Se prepară o solutie saturată de alaun și se lase câteva zile. Pe fundul vasului apar câteva cristale  octaedrice incolore, care pot fi folosite ca germeni  pentru cristalizare prin tehnica evaporarii lente, suspendate cu ajutorul unui fir, sau se pot lăsa pe fundul cristalizorului, la o oarecare distanță unele de altele. La prepararea soluției trebuie avut în vedere ca temperatura să nu depășeasca 60° C pentru a împiedica formarea de combinații complexe ale aluminiului greu cristalizabile.

Rezultatele obținute: Cristalul de mai jos are aceeași vârstă ca și cristalele de piatra vânătă.

2.3.Obținerea cristalelor de bicromat de potasiu K2Cr2O7

Cristalele de bicromat de potasiu se obțin foarte ușor. Este suficient să se prepare o soluție saturată și să se lase o perioadă la evaporare lentă. Nu ne-am propus să obținem monocristale mari, ci doar o minigeodă.

2.4.Obținerea cristalelor de sulfat de nichel NiSO₄·7H2O

Cristalele de sulfat de nichel heptahidratat se pot obține prin tehnica evaporării lente dintr-o soluție saturată de sulfat de nichel care   se lase câteva zile la aer. Prin recristalizare din apă se pot obține atât cristale de NiSO₄·7H2O cât și NiSO₄·6H2O în funcție de valoarea temperaturii de lucru. La temperaturi peste 30 de grade C se obțin cristale clare de culoare verde-albastră de NiSO₄·6H2O, iar la temperaturi mai mici se obțin cristale verzi opace de NiSO₄·7H2O.

    

2.5.Obținerea cristalelor de tartrat dublu de sodiu si potasiu

KNaC4H4O6·4H2O (sare Rochelle)

Am preparat  o soluție saturată prin dizolvarea a  aproximativ 130 g de sare Rochelle în 100 g de apă distilată la ușoară încălzire. După răcire la temperatura camererei se adaugă câteva cristale sau se așteaptă aproximativ două zile pentru apariția primelor cristale (neavând cristale suficient de mari ca germeni de cristalizare, am adoptat a doua variantă). Tehnica adoptată a fost cea a evaporarii lente. Se aleg cele mai frumoase cristale și se pot suspenda cu ajutorul unui fir în soluție sau se pot lăsa, în continuare, pe fundul vasului. Odată apărute primele cristale, creșterea avansează destul de repede, iar solubilitatea tartratului dublu de sodiu și potasiu variază foarte mult cu temperatura, motiv pentru care este necesar să se păstreze o temperatură aproximativ constantă și să se inspecteze zilnic cristalele. Pentru a evita formarea unui număr mare de cristale parazite, vasul se lasa pe jumătate acoperit.

 

Capitolul III. Obținerea alaunului de crom KCr(SO4)2·12H2O

3.1. Reducerea K2Cr2O7 cu SO₂

Alaunul de crom se poate obține, conform literaturii de specialitate, prin reducerea cu  dioxid de sulf (SO₂) a bicromatului de potasiu (K2Cr2O₇) în prezență de acid sulfuric (H2SO4).

K2Cr2O7+ H2SO4 +3SO2 →K2SO4 +Cr2(SO4)3+H2O

            Ca sursă de dioxid de sulf se recomandă sistemul metabisulfit de sodiu, acid sulfuric, conform reacției:

 Na₂S₂O₅+ H2SO4 → 2SO2  + Na2SO4 + H₂O

În lipsa metabisulfitului de sodiu am utilizat tiosulfatul de sodiu care produce dioxid de sulf conform reacției: 2Na2S2O3 +H2SO4 →  SO2 +2S + 2Na2SO4

Mod de lucru:

Am cântărit 14,7g K2Cr2O7  (0,05 moli) la care am adăugat 12,5 ml solutie de H2SO4 de concentrație 4 M  (0,05 moli) și 100 ml apă distilată. Am încălzit ușor pentru obținerea soluției. Conform stoechiometriei reacției avem nevoie de 0,15 moli de SO₂ care se pot obține din 0,3 moli de Na2S2O3 (52 g) și 0,15 moli de H2SO4 (aprox 40ml).

Tiosulfatul de sodiu a fost introdus în generatorul de dioxid de sulf care constă dintr-un pahar Erlenmeyer căruia i s-a atașat un dop cu un orificiu în care s-a  pus o pâlnie de separare pentru a putea adăuga acidul sulfuric în porții mici. Generatorul de dioxid de sulf se încălzește ușor pentru a asigura un debit constant de gaz. Pentru  barbotare am folosit un furtun de cauciuc atașat unui tub introdus în cel de-al doilea orificiu al dopului. În timpul reacției am avut grijă ca temperatura soluției să nu depășească 40° C pentru a evita reacțiile secundare.

3.2.Cristalizarea  alaunului de crom  KCr(SO4)2·12H2O

Soluția de culoare verde-albastră a fost lăsată într-un spațiu aerisit şi după o săptămână s-au observat cristale octaedrice de alaun de crom.

K2SO4 +Cr2(SO4)3+ 12H2O → 2KCr(SO4)2·12H2O

După aproximativ o luna s-a evaporat toată soluția și s-au cântărit cristalele obtinute.

S-au obținut 30 g cristale de culoare închisă ( roșu-violet). Randamentul mic a fost probabil obținut din cauza pierderilor de dioxid de sulf în timpul barbotării.

Cristalele mai mari obținute au fost folosite ca semințe pentru recristalizare, cele mai mici au fost dizolvate pentru obținerea soluției de creștere. La dizolvare am avut grijă sa nu depășim temperatura de 60° C întrucât peste această valoare a temperaturii se formează combinații complexe ale cromului trivalent, greu cristalizabile.

Rezultatele obținute:

   

3.3.Obținerea alaunului de potasiu dopat cu crom KAl(Cr)(SO4)2·12H2O

Conform literaturii de specialitate alaunul de potasiu și cel de crom sunt izomorfe, ionii de crom putând să ocupe locurile ionilor de aluminiu și invers. Ne-am propus să verificăm acest lucru și pentru aceasta am procedat în două moduri:

1.Am amestecat solutii de alaun de potasiu și aluminiu și alaun de potasiu și   crom  și am introdus mici  cristale deja formate de alaun de potasiu în amestecul celor două soluții

2.Am amestecat soluții de alaun de potasiu și aluminiu și alaun de potasiu și   crom  și am introdus germeni de cristalizare de alaun de potasiu.

Rezultatele obținute:

   

Capitolul IV. Cristale obținute prin tehnica răcirii lente și tehnica difuziei lente a reactanților

4.1.Micile cristale de iodură de plumb (Ploaia de aur)

Mod de lucru: Într-un pahar Berzelius introduc 25 ml solutie 0,2 M de Pb(NO3)2 și 0,25 ml soluţie de  KI de concentrație 0,4M. Se observă formarea unui precipitat abundent amorf de iodură de plumb. Acesta se decantează și se adaugă apă distilată fierbinte în raport de 1:4 față de suspensia galbenă obținută iniţial, apoi se încălzeşte până la dizolvarea completă a precipitatului. În cazul în care acesta nu se dizolvă complet se mai adaugă apă distilată și se continuă încălzirea. Prin răcire lentă, observăm formarea de mici foițe de aur, foițele fiind de fapt  iodură de plumb. Prin răcire rapidă, se observă apariția unui număr mare de centri de cristalizare care  dau aspect de  galben-sidef. Ecuația reacției este:

                                               Pb(NO3)2+2KI→ PbI2+ 2KNO3.

Rezultatele obținute de noi:

   

Tentativele noastre de obținere de foițe mai mari de iodura de plumb folosind tehnica răcirii lente combinată cu tehnica difuziei lente nu au dat rezultate.

4.2.Monocristale de hidroxid de magneziu obținute  în gelatină

            Pentru obținerea cristalelor de hidroxid de magneziu am folosit tehnica difuziei lente a reactanților într-un mediu gelificat. In acest scop am preparat gelul de  din 8g de gelatină alimentară și 200 ml de apă distilată. Am adaugat 2 ml de solutie 10% de MgCl₂ și am agitat pentru omogenizare. Am introdus gelatina într-un cilindru și am așteptat să se întărească. Intre timp am preparat 5 ml de soluție de amoniac de concentrație 5M pe care am adăugat-o peste gelatină. Procesul de cristalizare este foarte lent. In primele zile s-au format câteva inele de precipitat alb (inelele lui Liesegang). După aproape două saptamâni s-au conturat și cristalele de hidroxid de magneziu. Ecuația reacției este:

MgCl₂ + 2NH₄OH →  Mg(OH)₂ + 2NH₄Cl

Rezultatele obținute de noi:

Capitolul 5.Caracterizarea cristalelor

CuSO₄ –5H₂O formează cristale albastre triclinice (anexa 8) (toxice) (cristalul natural se numește calcanit). Fiecare ion de cupru este înconjurat plan pătratic de patru molecule de apă și în cele două direcții octaedrice libere se găsesc ionii sulfat. Cea de-a cincia moleculă de apă este legată prin legături de hidrogen. Cristalele lăsate la aer pierd o parte din apa de cristalizare prin stocare și se decolorează. Un cristal de piatră vânătă fotografiat la microscop cu grosisment de 4:

 

KAl(SO4)2·12H2O formează cristale incolore (anexa 9) în sistem cubic. Forma cristalelor este octaedrică. Ionii de potasiu și aluminiu se găsesc alternativ în colțurile unui cub, iar   ionii sulfat se gasesc în centrul cubului. Moleculele de apă sunt legate prin legături de hidrogen.  Cristalele de alaun sunt stabile in timp.Un cristal de alaun de potasiu și aluminiu fotografiat la microscop cu ocular grosismentul  de 10:

K2Cr2O7 (anexa 10) formeaza cristale triclinice de culoare portocalie ( toxice ).

NiSO₄·7H2O (anexa 11) formează cristale verzi opace tetragonale (foarte toxice) instabile în timp prin pierderea unei părți din apa de cristalizare.

KNaC4H4O6·4H2O (anexa 12) Cristalele obținute sunt incolore, cristalizate în sistem ortorombic, ușor delicvescente. O fotografie la microscop cu obiectiv cu grosisment de 10 a unui cristal de tartrat dublu de sodiu și potasiu  arată asfel:

Cea mai importantă proprietate a cristalelor de tartrat dublu de sodiu si potasiu este efectul piezoelectric. Pentru a pune în evidență acest efect am fixat două fețe ale cristalului între doi electrozi și am lovit ușor cristalul. S-a putut pune în evidență o tensiune de ordinul zecimilor de volt.

   

KCr(SO4)2·12H2O (anexa 13) formează cristale cubice izomorfe cu KAl(SO4)2·12H2O de culoare purpuriu închis, fapt pentru care se pot forma cristale în care ionii de aluminiu pot fi înlocuiți de ioni de crom trivalent și invers, cu formarea se cristale mixte cu aceeși formă și colorate în nuanțe de violet în funcție de raportul în care se găsesc ionii de aluminiu și cei de crom  în soluție.

           

Capitolul 6. Concluzii.

Se pot obține, în condiţii de laborator şcolar, relativ usor, dar cu multă răbdare,  următoarele cristale: sulfat de cupru pentahidratat, alaun de potasiu şi aluminiu, bicromat de potasiu, sulfat de nichel heptahidratat, sare Rochelle, alaun de potasiu si crom, alaun de potasiu si aluminiu dopat cu crom, folosind tehnica evaporării lente. Folosind tehnica precipitării în medii gelificate  se pot obţine cristale de hidroxid de magneziu, iar prin tehnica răcirii lente se pot obţine mici cristale stratificate de iodura de plumb.

Se poate prepara alaunul de crom prin reducerea bicromatului de potasiu cu dioxid de sulf obţinut din tiosulfat de sodiu şi acid sulfuric.

Se poate pune în evidenţă, de asemenea, efectul piezoelectric al sării Rochelle.

Bibliografie:

1.Wood, Elisabeth, “CRYSTALS - A HANDBOOK FOR SCHOOL TEACHERS” electronic edition  International Union of Crystallography, 2002

2.Holden, Alan, Morrison, Phylis, Crystals and Crystal Growing, MIT Press, 1982

3.Davis, MacNab, Haenisch, McClellan, O'Connor,” Chimie experiente si principii, Manual de laborator”, Editura științifică și enciclopedică,București,pag 143-144,1983

4.*** www.xray.ncsu.edu/GrowXtal.html

5.***www.en.wikipedia.org

6.*** www.chymist.com/Laboratory%20Experiments.htm                             

7.*** www.webelements.com/

8.*** www.chemblink.com/