Doskonała forma

Doświadczenie 1

Na czarną kartkę papieru wysyp niezbyt drobne kryształki soli kuchennej (chlorek sodu) i kwasu cytrynowego (dostępny w handlu jako kwasek cytrynowy). Przyjrzyj się im, używając lupy. Czy różnią się kształtem?

Wyjaśnienie: Porównując kształty kryształów różnych związków chemicznych, wyróżniono siedem tzw. układów krystalograficznych. Układ regularny chlorku sodu obserwujemy jako sześcienne kostki lub cegiełki. W taki sam sposób krystalizuje np. chlorek potasu – związki te mogą wzajemnie się zastępować w sieci krystalicznej. Ale kwas cytrynowy krystalizuje w układzie rombowym, tworząc ścięte piramidy. Po raz pierwszy wykrystalizowano je z soku owoców cytrusowych w 1784 r.

Doświadczenie 2

Pojemnik na mocz wypełnij do objętości 40 ml spirytusem salicylowym i odstaw bez pokrywki na 2–3 tyg. w zaciszne miejsce. Gdy spirytus odparuje, obejrzyj kryształy kwasu salicylowego.

Wyjaśnienie: Jedną z najprostszych metod otrzymywania kryształów jest krystalizacja z roztworu. Kwas salicylowy krystalizuje w układzie jednoskośnym, tworząc niezwykle piękne, silnie połyskujące kryształy lub złożone z wielu igiełek skupienia.

Doświadczenie 3

Do pojemnika na mocz wsyp ok. 25 g ksylitolu i zalej 15 ml wrzątku, szybko rozmieszaj do całkowitego rozpuszczenia. Po ostudzeniu wstaw do lodówki na 2 tyg. Gdy pojawią się kryształy, wyjmij pojemnik z lodówki i obserwuj, co się z nimi stanie po upływie kolejnych 10 godz.

Wyjaśnienie: Krystalizacja z roztworu może też nastąpić w wyniku zmiany temperatury. Gdy temperatura spada, rozpuszczalność substancji obniża się i powstaje roztwór przesycony, czyli taki, w którym pływa więcej substancji, niż rozpuszczalnik jest w stanie przyjąć. Gdy tylko pojawia się ośrodek krystalizacji (może być nim pyłek kurzu, a nawet pojedyncze białko), rozpoczyna się proces narastania kryształu. Tak tworzą się też płatki śniegu. Gdy temperatura rośnie, rośnie rozpuszczalność. Tego typu procesy łatwo zachodzą w naturze – wiele minerałów krystalizuje z gorących roztworów hydrotermalnych.

Doświadczenie 4

Na dno metalowego garnka wsyp po szczypcie utartych kryształów ksylitolu, ksylitolu wymieszanego z kwasem salicylowym (z dośw. 4), cukru (sacharozy) oraz kwasu salicylowego, tworząc cztery niewielkie stosiki. Zakryj garnek przezroczystą pokrywką i zacznij powoli ogrzewać. Które kryształki roztopią się najszybciej, a które najpóźniej? Co stanie się, gdy po zaprzestaniu ogrzewania stopiony materiał zostanie schłodzony do temperatury pokojowej?

Wyjaśnienie: Określenie temperatury topnienia wykrystalizowanych związków jest szybką metodą ustalania stopnia ich czystości. Najszybciej topi się ksylitol – w mniej więcej 94°C, następnie jego mieszanina z kwasem salicylowym, a sam kwas w 158°C, szybko też wydziela opary o nieprzyjemnym zapachu. W 186°C następuje topnienie i dekompozycja sacharozy. Zatem mieszaniny kilku składników różnią się temperaturą topnienia w porównaniu z czystymi substancjami, pozwalając określić skuteczność procesu oczyszczania. Natomiast powolne schładzanie materiału pozwala zaobserwować w nim krystalizację – najwcześniej tworzą się igiełkowate kryształy kwasu salicylowego (wykrystalizowują także w roztworze ksylitolu), a następnie samego ksylitolu.

Doświadczenie 5

Trzy łyżki sody oczyszczonej zalej w pojemniku na mocz ok. 30 ml wody. Intensywnie mieszaj łyżką mniej więcej przez 3 min i poczekaj, aż nierozpuszczona sól opadnie na dno. Strzykawką pobierz 20 ml przezroczystego płynu. Do drugiego pojemnika na mocz wlej 20 ml spirytusu i wkrapiaj roztwór węglanu sodu (NaHCO₃), obserwując, co się dzieje.

Wyjaśnienie: Do krystalizacji może doprowadzić gwałtowna zmiana warunków otoczenia, np. zmiana rozpuszczalnika. NaHCO₃ bardzo słabo rozpuszcza się w alkoholu i wytrąca się w postaci mikrokrystalicznego osadu, gdy tylko oba roztwory się zetkną.

dr hab. Renata Szymańska
Katedra Fizyki Medycznej i Biofizyki AGH
dr Paweł Jedynak
Zakład Fizjologii i Biochemii Roślin WBBiB UJ

***

Zestaw przyrządów i materiałów

soda oczyszczona, ksylitol, sól kuchenna, kwasek cytrynowy, spirytus salicylowy, spirytus, strzykawka, pojemniki na mocz, cukier

Niewliczone w cenę: lupa, garnek z pokrywką, lodówka, źródło ciepła, waga kuchenna

Czas przygotowania: 3 godz.
+ 2 tyg. obserwacji

Koszt: 55 zł

***

Wiedza w pigułce

Przypisujemy im mistyczne własności, bo widok kryształów porusza coś na dnie naszej duszy. Ich piękno, niezwykłe barwy i regularność formy zaspokajają nasze umiłowanie porządku i poszukiwanie piękna w przyrodzie. Ale właśnie samouporządkowywanie się cząsteczek jest najważniejszą praktyczną zaletą krystalizacji, stosowanej przez chemików do oczyszczania rozmaitych substancji. A to dlatego, że cząsteczki związku chemicznego podczas tego procesu układają się w ściśle określonym, powtarzającym się porządku, tworząc sieć krystaliczną. Inne związki zwykle po prostu nie wpasowują się w ten schemat. Odpowiednio zmieniając temperaturę, ciśnienie lub dobierając rozpuszczalniki, można wykrystalizować z roztworu interesujący nas składnik i wylać roztwór z zanieczyszczeniami. Szybka krystalizacja rzadko kiedy gwarantuje jednak powstawanie spektakularnych i dużych kryształów – 10-metrowe gipsowe kolosy z jaskiń w Naica powstawały ponad pół miliona lat!

Białka też mogą tworzyć kryształy – są one maleńkie i galaretowate (z powodu wiązania sporej ilości wody). Jeśli naświetli się je promieniami rentgenowskimi, to na podstawie zmian w rozchodzeniu się promieni można wnioskować o położeniu atomów w cząsteczkach tworzących kryształ – a zatem zobaczyć, jak wygląda dane białko! Szkoda tylko, że sam kryształ natychmiast nagrzewa się i… wyparowuje. Ale niekiedy kryształy tworzy się właśnie z par związków poddanych resublimacji. Z kolei chemiczne osadzanie z fazy gazowej pozwala otrzymywać sporej wielkości kryształy syntetycznych diamentów. Diamenty fenomenalnie przewodzą ciepło, mogłyby zatem zastąpić stosowane obecnie w elektronice kryształy krzemu. A te z kolei także i dziś są najczęściej hodowane metodą wymyśloną przez polskiego naukowca Jana Czochralskiego na początku XX w., umożliwiającą „wyciąganie” kryształu z roztopionej masy. Kontrolowane domieszkowanie podczas tego procesu pozwoliło kilkadziesiąt lat później na stworzenie mikroskopijnych półprzewodników, tranzystorów, które zastąpiły lampy katodowe i umożliwiły opracowanie lepszych i mniejszych urządzeń elektronicznych. Dziś nie wyobrażamy sobie świata bez komputerów, diod i laserów, w których sercu skrywa się maleńki kryształ.

***

Uwaga!
Redakcja nie ponosi odpowiedzialności za ewentualne szkody powstałe wskutek doświadczeń.