Удивительная химия - Леенсон Илья Абрамович (книги онлайн бесплатно .TXT) 📗
При быстром же охлаждении центров кристаллизации образуется много, а частички из раствора будут «сыпаться» на поверхность растущих кристалликов, как горох из порванного мешка; конечно, правильных кристаллов при этом не получится, потому что множество быстро растущих кристалликов так же мешают друг другу, как несколько мастеров-паркетчиков в одной комнате. Посторонние твердые примеси в растворе также могут играть роль центров кристаллизации, поэтому чем чище раствор, тем больше шансов, что центров кристаллизации будет немного. Итак, чем чище раствор и чем медленнее он охлаждается, тем лучше. Охладив насыщенный при +90 °C раствор хлорида калия до комнатной температуры, мы получим в осадке уже 20 г, потому что при +20 °C в 100 г воды растворяется только 34 г. Хорошо бы получить один большой кристалл правильной формы массой 34 г! К сожалению, это не так просто: даже если в растворе начнет расти один-единственный кристалл (что сомнительно), он, лежа на дне сосуда, вырастет только сверху и с боков. Поэтому такой кристалл неминуемо получится однобоким.
Есть и другой метод получения из растворов правильных кристаллов — это постепенное удаление воды. «Лишнее» вещество при этом кристаллизуется. И в этом случае чем медленнее удаляется вода, тем лучше получаются кристаллы. Можно, например, просто оставить открытый сосуд с раствором при комнатной температуре на длительный срок — вода при этом будет испаряться очень медленно (особенно если сосуд с раствором прикрыть неплотно листом бумаги, который заодно будет защищать раствор от пыли). В промышленных масштабах большие кристаллы часто получают охлаждением расплавленного вещества. Форма этого кристалла (его называют «булей») определялась условиями его роста.
Если «булю» расколоть, получатся прозрачные кубические кристаллы, такие, как затравочный кристалл вверху, на котором начиналась кристаллизация. Такую же форму имеют рубиновые «були», выращенные при высокой температуре; из искусственных рубинов делают, например, подшипники для осей в часах.
Конечно, хочется получить большой и красивый кристалл побыстрее — но тут уж ничего не поделаешь: придется запастись терпением.
В виде утешения можем сообщить, что кристаллы искусственных драгоценных камней тоже растут очень медленно, иногда годами. Если же вы поспешите, то вместо одного красивого кристалла получите массу мелких. Под микроскопом они выглядят замечательно — так же, как замечательно выглядит при сильном увеличении обычный песок, в котором можно найти даже микроскопические драгоценные «камни». Кстати, при сильном увеличении оказывается, что многие невзрачные порошки состоят из очень красивых кристалликов, которые слишком малы, чтобы их можно было увидеть невооруженным глазом. Вам, возможно, приходилось видеть перегоревшие лампочки, в которые попал воздух: стеклянная колба в них покрыта изнутри белым или слегка желтоватым налетом. Это оседает на стенки сгоревший в воздухе тугоплавкий металл вольфрам; он соединился с кислородом воздуха и образовал оксид вольфрама. Если взглянуть на невзрачный порошок оксида вольфрама при увеличении в десятки тысяч раз (это возможно при помощи специального электронного микроскопа), то обнаружится удивительная картина: молекулы оксида, оседая на стекле, успевают выстроиться в строгом порядке и образуют прекрасно оформленные кристаллики. Трудно сказать, кому и по какому поводу впервые пришло в голову разглядывать с помощью электронного микроскопа налет на стенках перегоревшей лампы. Но потом ученые заинтересовались этим явлением и стали специально сжигать вольфрам в различных по составу смесях и разглядывать, что при этом получается. Оказалось, например, что если кислород смешать не с азотом, как в обычном воздухе, а с благородным газом аргоном, то кристаллы оксида вольфрама получаются в форме восьмигранников — октаэдров.
Подобные эксперименты — не обязательно праздное любопытство (хотя такое тоже случается; как сказал один известный академик, наука — лучший способ удовлетворить свое любопытство за государственный счет). Изучая различные условия формирования кристаллов разных соединений, можно понять, каким законам подчиняются эти процессы, и в результате научиться выращивать нужные кристаллы определенной формы.
Проще всего выращивать кристаллы из водных растворов. Но для этой цели годятся далеко не все растворимые в воде кристаллические соединения. Трудно, например, вырастить большие кристаллы поваренной соли, так как ее растворимость в воде почти не зависит от температуры. Поэтому трудно получить большой затравочный кристалл (что это такое, будет рассказано чуть позже). Не менее трудно получить и большие кристаллы сахара. Здесь причина другая: насыщенный раствор сахара (сахарный сироп) очень вязкий, а вязкие жидкости кристаллизуются с большим трудом. Например, глицерин имеет температуру плавления +20 °C, но попробуйте получить его в кристаллическом виде — вряд ли вам это удастся. Дело в том. что при комнатной температуре глицерин очень вязкий, а при охлаждении становится совсем густым. При этом молекулам глицерина, которые к тому же не очень симметричны, весьма трудно выстроиться в строгом порядке и образовать кристаллическую решетку. Вместо этого они застывают как попало, образуя прозрачную массу, похожую на стекло. Такое состояние вещества так и называют — стеклообразным. Примером может служить обычное оконное стекло. Если стекло долго держать сильно нагретым, когда частицы в нем достаточно подвижны, в нем начнут расти кристаллы. Такое стекло теряет прозрачность.
Какие же доступные вещества можно использовать для выращивания кристаллов? Вам будет интересно познакомиться с некоторыми из них. В аптеках продаются квасцы (более точно — алюмокалиевые квасцы или двойной сульфат калия — алюминия). Квасцами с древних времен называют различные соли серной кислоты, содержащие два металла, один из которых обычно — алюминий, хром или железо, а второй — калий, натрий и др. Откуда такое название? Еще в «Повести временных лет», датируемой XI веком, описан квас как «особый кислый напиток». До сих пор в польском языке слово «квас» означает «кислота». Так что если вам случится побывать в Польше и зайти в химическую лабораторию, то не вздумайте пить из склянки, на которой написано «Kwas»! В ней не утоляющий жажду вкусный напиток, а кислота.
Квасцы действительно обладают некоторыми свойствами кислот. Например, они имеют кислый вкус. Только не вздумайте проверять это сами! Вкус многих химических соединений (в том числе и исключительно ядовитых, например, синильной кислоты) известен потому, что в прошлом химику, открывшему новое соединение, полагалось описать различные его свойства, в том числе и вкус. Сейчас пробовать на вкус различные вещества в лабораториях считается верхом химической безграмотности.
Алюмокалиевые квасцы применяют при крашении тканей, в кожевенной промышленности — при выделке кож, в бумажной — при проклеивании бумаги (на непроклеенной бумаге — газетной, фильтровальной — чернила будут расплываться). В медицине квасцы применяют как кровоостанавливающее средство — в виде карандаша, а прокаленные (жженые) квасцы, которые хорошо впитывают влагу, используются при повышенной потливости.
В красивых прозрачных кристаллах квасцов содержится также вода, причем в довольно большом количестве, но она не «выливается» из кристаллов, даже если их очень сильно потрясти. Дело в том, что молекулы воды в кристаллах квасцов химически связаны; эту воду так и называют — кристаллизационная. Если квасцы оставить открытыми в сухом воздухе, они начнут выветриваться: это означает, что вода в кристалле связана не очень прочно и постепенно улетучивается. При этом кристаллы теряют свою прозрачность и превращаются в белый порошок. (Как видим, дня выветривания ветер вовсе не обязателен. Геологи выветриванием называют процесс постепенного разрушения горных пород под действием различных природных факторов — перепада температур, дождя и т. д.).
