十二水合硫酸铝钾包裹的硫酸铬钾
最后由于时间久远,本文中的图片没有完全使用我自己拍摄的图片,使用了一些网络图片作为补充(将标明)。
制作晶体的方法多种多样,大体上分为两种,分别是液相结晶和熔融凝固结晶法。
在家中进行晶体制作的条件比较简陋,因此一般采取水液相结晶的方法。
熔融凝固结晶法一般用来制作金属晶体,比如铋和镓的晶体,需要较高的温度,并且某些物质还会受热分解,因此难度较高。
其它溶剂液相结晶法可以用来制作在水中溶解度低的物质的晶体, 比如使用四氯化碳制作硫晶体、 无水乙醇制作碘晶体, 但是由于有机溶剂一般具有较大的毒性且挥发性较强,往往不采用这个方法制作。
第一次制备晶体时的最佳选择是五水合硫酸铜(胆矾)。硫酸铜晶体析出的稳定性极强,制备难度极低。 硫酸铜溶解度高, 溶液稍有杂质或者过饱和也能长出明显的平行四边形晶体, 颜色亮蓝色鲜艳好看, 且毒性低。 同时它的晶体容易悬吊,适合使用悬吊法制做出极大的单晶。
其次就是十二水合硫酸铝钾(明矾)和十二水合硫酸铬钾(铬矾),因为它们是类质同晶的, 也就是可以做它们的不同配比的混晶, 做出来的晶体为正六面体或者正八面体,形状规则好看。
体积较大的分层明矾铬钾
稍有难度的是氯化钠的晶体,虽然常用的食盐中绝大部分都是它,但是想要做一个大且透明的单晶是难上加难, 制作的时候一定不要使用食盐, 因为杂质与添加剂太多, 不会形成单晶。 氯化钠晶体的制作难度首先是它的溶解度较低, 想要冷却热饱和溶液制备晶种几乎不可能, 其次是容易产生碎晶, 也很难做出晶莹剔透的晶体。
一般在制备的时候都会添加一些甘氨酸1 (8g/L) 作为添加剂以提高氯化钠晶体的透明度, 如果想要进一步提高晶体的透明度可以加入少量的硝酸铅2(0.1g/L)。
氯化钠单晶
首先应该配置饱和溶液。一般采用母液法,虽然理论上可以通过查询溶解度表, 再计算溶质与结晶水的质量来使溶液恰好饱和, 但是考虑到晶体制作的流水线连续性、 溶液复用性、 室温的波动以及溶解度表的不准确性, 使用一个烧杯存放母液作为缓冲往往可以得到更好的效果。
首先需要准备一个容量较大的烧杯作为母液烧杯, 根据溶解度加入大致质量的溶质并等待一段时间, 如果烧杯底部仍有未溶解的溶质 (因为溶解结晶是动态平衡,因此多余的试剂往往会变成晶体”大饼”),就说明这杯溶液饱和了,我们将其作为母液,此时母液的上层清液便是饱和溶液。
烧杯底部的晶体”大饼”2
现在我们有了饱和溶液, 那么具体如何操作才能使晶体从水中析出呢?一般有两种方法,分别是冷却热饱和溶液法和常温蒸发结晶法。
冷却热饱和溶液法适用于溶解度对温度变化敏感的溶质,比如硫酸铜。具体操作是对每 100 克水加入比当前温度溶解度多 20 克左右的溶质(加多了容易析出大饼) , 搅拌加热至完全溶解, 将溶液立刻倒入结晶皿中并等待结晶,此时要注意在结晶皿上盖一张滤纸以防止灰尘落入结晶皿, 灰尘可能会造成溶液迅速析出大量碎晶;待温度下降溶液结晶后用镊子夹出品相较好的小晶体作为晶核/晶种, 注意一旦镊子进入溶液也会造成溶液迅速析出大量碎晶。 在拿出心仪的小晶种之后,将剩余液体与碎晶倒回母液烧杯。
冷却热饱和溶液法由于溶解度下降的速率较快,往往用来制作大量小晶种,也就是以量取胜,难以制作单个的形状规则的大晶体。
冷却热硫酸铜溶液析晶3
常温蒸发结晶法适用于任何种类的溶质,只要取母液的上层清液,倒入结晶皿,放入小晶核(不放其实也可以),静置析晶即可。
常温蒸发结晶法除了可以将晶种放在结晶皿底部,也可以用透明细鱼线(或许头发也可以) 将晶种悬挂在饱和溶液中, 这个方法的好处在于晶体底部不会被结晶皿底部限制而产生不自然的凹面,但是坏处是鱼线会留在晶体内部。
栓绳的胆矾晶体与悬吊法生长的明矾
最后在从溶液中拿出晶体后,一定要注意立刻将晶体表面的溶液擦干,因为表面的溶液由于于空气接触面积极大, 会迅速风干, 在晶体表面留下许多细小的杂晶,导致一段时间过后晶体表面变得粗糙。
在得到了这些漂亮的晶体之后我们显然不会把它们又放回母液中溶掉, 而是想把它们保存下来, 那么现在就要考虑如何保存晶体才能让保存时间长久还能好好地把玩晶体。
另外如果晶体因为保存不慎表面被风化了一些, 可以通过将晶体放回饱和溶液几秒钟,直到表面的脱水白色部分变回到正常含结晶水的颜色。
拍照保存实在是保存时间最久的方法, 下图中的硫酸亚铁早已因为保存不当而丢失结晶水风化为白色粉末了,但是它的遗照仍然存放在我的电脑中。
硫酸亚铁(N 年之前)
顾名思义,这个方法往往用来展示固体标本而不是长时间存放,如果是易风化(含有结晶水的任何物质)、光解(三草酸合铁酸钾)的晶体不要使用这样的方法展示。
矿标盒里的铝钾铬钾混晶4
好处在于价格亲民,保存非常方便,对于普通的晶体如氯化钠,可以做到长期的保存。但如果稍微有一点难度,如会风化(硫酸铜)、吸湿(氢氧化钠)、光解(三草酸合铁酸钾)、热分解(高锰酸钾)、氧化(硫酸亚铁),只用密封袋保存的话,它们会迅速变质,因此往往将晶体用清漆包裹一层再放入密封袋。
能够较为长久地保存晶体,但是坏处在于石蜡油极其难以清除,如果需要使用晶体或者用其他方法保存晶体,表面的石蜡油就很难清理干净了。
这个方法可以非常长久的保存晶体 (除了光解、 热分解的晶体) , 方便把玩,不怕摔碎, 实在是保存晶体的上佳方式。 但是不建议与还原性物质一起使用, 可能会造成晶体的氧化变质,比如硫酸亚铁可能会氧化发黑5。
环氧树脂里的铁氰化钾6
应当遵守法律法规,遵守《危险化学品安全管理条例》、《中华人民共和国治安管理处罚法》、 《中华人民共和国消防法》,不使用有毒有机溶剂结晶、不使用有毒性、致癌的药品,如重铬酸钾。
尤其需要注意的是废水排放需要遵循《污水综合排放标准》,排入下水道应遵循《污水排入城市下水道水质标准》7,以铜为例,排入下水道的废液中总铜含量应小于 2mg/L。
以硫酸铜为例给出晶体废液的可能处理方式:
家庭制作纯净物晶体的出发点是为了满足对化学实验的好奇、 满足对美丽的化学晶体的喜爱。 仍然记得我做出来的第一个晶体是硫酸铜, 当我把热饱和溶液倒入结晶皿的时候内心非常激动, 甚至盖好了滤纸 (防止灰尘进入) 还是忍不住每隔一小会就揭开看一眼, 最后当我看到了清澈的蓝色溶液中出现了小小的, 但是清晰可见的平行四边形晶体的时候,内心的激动真的是无以言表。
回到最开始提出的问题,家庭实验是否是有意义的,如果是在化学领域深耕多年的相关从业者, 他可能会说家庭实验毫无意义, 与学习相比是舍本逐末; 而如果是刚开始学习的小白(比如当年的我)可能会说这是兴趣与知识的桥梁。
如果要由现在的我来评价,在对化学实验有了更理性的认识,收起所有仪器之后,我会说家庭实验可能并不是最理想的学习方式。如果我反思当时的经历,会发现实际上自己完全没有实验规划,只是看到了有趣的实验现象,就会想去尝试复现,完成后又想尝试下一个,因此实验的重点在于观察现象而不是实验前后的思考,这就使实验失去了其教育意义。
有观点认为,几百年前的化学家通过随机实验发现了许多有意义的反应。然而,这种说法并不准确。事实上,化学家们是基于已有反应构建模型,通过模型预测其他反应的结果,再进行实验验证。这种假说演绎法具有科学思维的意义,与单纯追求实验效果的做法有本质区别。
本文所述晶体均为亲身制备经历。限于篇幅,未能详述其他晶体的制备过程,如淡粉色的硫酸锰、淡黄色的亚铁氰化钾。正是这些晶体的美感促使我研究单晶的制备技术。时至今日,每一个制备的晶体仍历历在目,这或许正是化学的魅力所在。
谨以此文总结我在中学阶段与化学的故事和对化学的热爱。
翁贤芬. 大颗粒氯化钠的制备研究[J]. 盐业与化工, 2009. ↩
双色大饼,你值得拥有[EB/OL]. 百度贴吧. https://tieba.baidu.com/p/7821134717 ↗ ↩ ↩2
从零开始的晶体教程(3)[EB/OL]. 科创网. https://www.kechuang.org/t/88078 ↗ ↩
百度贴吧[EB/OL]. https://tieba.baidu.com/p/7714718573 ↗ ↩
从零开始的晶体教程(3.5)[EB/OL]. 科创网. https://www.kechuang.org/t/88081 ↗ ↩
百度贴吧[EB/OL]. https://tieba.baidu.com/p/7714718573 ↗ ↩
GB/T 31962-2015, 污水排入城镇下水道水质标准[S]. http://www.wxbh.gov.cn/doc/2022/09/01/3743836.shtml ↗ ↩