3D сады


Выращивание металлических кристаллов


Выращивание кристаллов металлов

Содержание

Введение

Часть 1. Общая информация о кристаллах металлов

1.1. Металлические кристаллы в природе

1.2. Методы выращивания металлических кристаллов

Часть2. Получение металлических кристаллов реакцией замещения и исследование с помощью цифрового микроскопа

2.1. Получение ДЕНДРИТОВ свинца

Опыт 1. Получение кристаллов свинца реакцией ацетата свинца с железом

       Опыт 2. Получение кристаллов свинца реакцией нитрата свинца с железом

       Опыт 3. Выращивание кристаллов свинца на предметном стекле

2.2. получениЕ дендритов никеля

               Опыт 4. Получение дендритов никеля реакцией сульфата никеля (II) c цинком

Опыт 5. Получение кристаллов никеля под микроскопом

2.3. Получение дендритов меди

       Опыт 6. Получение дендритов меди реакцией сульфата меди (II) с железом (1)

       Опыт 7. Получение дендритов меди реакцией сульфата меди (II) с железом (2)

Опыт 8. Выращивание кристаллов меди под микроскопом.

Опыт 9. Выращивание кристаллов меди из смеси солей.

Опыт 10. Выращивание кристаллов меди на предметном стекле

реакцией хлорида меди (II) с цинком.

2.4. Получение ДЕНДРИТОВ серебра

       Опыт 11. Взаимодействие нитрата серебра с железом

Опыт 12. Взаимодействие нитрата серебра с цинком

Заключение

Интернет-ресурсы

Введение

Металлические кристаллы, как правило, образуют дендриты, имеющие древовидную форму. Для образования дендритов необходимо, чтобы кристаллы металлов прорастали между кристаллами другого вещества, в нашем случае это будет соль и волокна фильтровальной бумаги, в природе их роль играет кварц.

Я вырастил кристаллы меди и свинца. Для их выращивания я использовал реакцию замещения. Этот метод основан на том, металл с более высокими восстановительными свойствами – железо или цинк, вытесняет из растворов солей металл менее активный.

Выращивание и изучение металлических кристаллов проводилось в школьной естественнонаучной лаборатории, оборудованной цифровыми микроскопами «Альтами». С помощью цифрового микроскопа я не только получил изображения кристаллов, но и наблюдал их рост в динамике.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: получить кристаллы металлов реакцией замещения и исследовать некоторые факторы, влияющие на рост металлических кристаллов.

ЗАДАЧИ:

    ознакомиться со способами получения металлических кристаллов; провести опыты по выращиванию кристаллов меди, свинца, серебра реакцией замещения; исследовать кристаллы металлов и процесс их роста под микроскопом; исследовать влияние на рост металлических кристаллов следующих факторов – растворимости солей, расположения металла-восстановителя в электрохимическом ряду напряжений, количество соли-ингибитора, расположения ингредиентов в кристаллизаторе.

Часть 1.

Общая информация о металлических кристаллах

1.1. Металлические кристаллы в природе

Никого не удивишь тем, что в природе есть кристаллы горного хрусталя, берилла (изумруд, аквамарин и др.), корунда (сапфиры, рубины) или алмаза. Но мало кто знает, что в природе есть кристаллы самородных металлов или самородки. Как правило, они имеют особую ветвистую форму – форму дендритов. Дендриты также встречаются и у некоторых минералов, например барита, малахита, кальцита, арагонита, окислов марганца (пиролюзит), лимонита, гетита, пирита, галенита, а также ими являются ледяные узоры и снежинки.[6] Для образования столь необычной формы необходимо, чтобы кристаллы одного вещества прорастали между частицами другого вещества, чаще всего кварца. Именно поэтому белый кварц с микроскопическими чешуйками золота или серебра является вернейшим спутником самородков своего элемента, что крайне важно для геологов. Средой для меди обычно служат обычно её силикаты или карбонаты, а также кварциты.

В природе встречаются самородки: серебра, золота, платины, меди, свинца, цинка, хрома, висмута, мышьяка, теллура, сурьмы, осмий, иридий (все образуют дендриты), ртути [1]. Также встречаются самородки железа и никеля, метеоритного происхождения. Самородки могут иметь различную массу так, например самородок платины «Уральский Гигант» весит 7кг 860г, самородок золота «Плита Холтермана» весит 93.3 кг, а самородок серебра из Саксонии весил более 20 тонн. [2].

Фото 1. Самородная медь (дендриты)

Источник: http://geo. web. ru/druza/m-novmirK_98.htm

Фото2. Самородное серебро (дендриты)

Источник: http://commons. wikimedia. org/wiki/File:Silber_mineral_erz. jpg? uselang=ru

Фото 3. Самородное золото (дендриты, Якутия)

Источник: http://www. fmm. ru/specimens/gold/33434c1.htm

1.2. Методы выращивания кристаллов

В промышленности получение чистых металлических кристаллов осуществляется методами зонной плавки, или иодидного рафинирования. Также можно получать кристаллы из переохлаждённых расплавов. В школьной лаборатории кристаллы можно получать реакцией замещения.

Иодидное рафинирование основано на получении иодидов металлов. При нагревании иодиды металлов превращаются в газ. Затем на пути у газа оказывается накалённая проволока, обычно из того металла который нужно получить, и под действием высоких температур иодиды металлов разлагаются, а металл осаждается на проволоку.[3,9] В результате образуются абсолютно чистые кристаллы, но обычно дендриты. Этот способ является разновидностью газотранспортных реакций, в которых могут браться любые галогены, углекислый газ, вода, кислород, водород или углеводороды. [7]

Зонная плавка основана на том, что примеси, как правило, лучше растворяются в расплаве. Поэтому на металлическом стержне делают несколько зон, в которых металл расплавлен и медленно их перемещают по стержню. В то время расплав обогащается примесями, а металл становится чистым, и имеет кристаллическую структуру.[8]

Выращивание кристаллов из переохлажденных расплавов основано на том, что если в расплав металла при температуре, ниже температуры его плавления, кинуть затравку (маленький кусочек металла) и резко её достать, то он превратится в кристалл или несколько кристаллов этого металла. Лучше всего этот опыт проводить с металлами, стоящими в таблице Менделеева между полуметаллами и переходными металлами. Среди них наиболее легкоплавкие: алюминий, галлий, индий, олово, талий, свинец и висмут.[10]

Выращивание кристаллов методом реакции замещения – самый простой метод. Он основан на том, что металл с более высокими восстановительными свойствами – железо или цинк ­ вытесняет из растворов солей металл менее активный.

Часть 2.

Получение металлических кристаллов реакцией замещения и исследование с помощью цифрового микроскопа

Для получения металлических кристаллов реакцией замещения я использовал два способа.

Первый способ. В кристаллизатор или чашку Петри насыпал хлорид натрия, а сверху соль металла (в отношении близком к 4:1). Для проведения опытов я использовал следующие соли – сульфат меди (II), нитрат свинца (II) и ацетат свинца (II). В опыте №3 и №4 менял местами поваренную соль и соль металла. На соль помещал круг из фильтровальной бумаги, а на фильтр  очищенные наждачной бумагой железные гвозди или пластины. Заливал всё это насыщенным раствором поваренной соли. Соль служит ингибитором роста кристаллов, ведь очень важно, чтобы кристалл рос медленно, в противном случае образуются губчатые наросты. Причём, как показали опыты, очень важно, чтоб ингибитор имел ионную связь. Попытки заменить соль сахаром были безуспешны.

Результаты опыта хорошо видны через сутки. Далее препаровальной иглой захватывал кристаллы и изучал их под цифровым микроскопом.

Второй способ. Опыты проводились прямо на предметном стекле. На стекло помещал восстановитель – железо или цинк. Из пипетки капал на восстановитель раствор соли металла. Я использовал растворы следующих солей – хлорид меди (II), сульфат меди (II), нитрат свинца (II) и ацетат свинца (II), нитрат серебра. Рост кристаллов наблюдал непосредственно под цифровым микроскопом.

Кристаллы металлов, полученные во всех опытах, имели форму дендритов. Дендриты – кристаллы, имеющие форму схожую с ветвями деревьев (от греческого дЭндспн — дерево).

2.1. Получение Дендритов свинца

Опыт 1. Получение дендритов свинца реакцией ацетата свинца с железом

Pb(Ch4COO)2 + Fe = (Ch4COO)2Fe + Pb

Результаты опыта: образовались мелкие дендриты, отходящие от головок гвоздей, имели тёмно серый, почти чёрный цвет. К сожалению, свинец очень мягкий металл, из-за чего не получилось снять дендриты с фильтра, между волокнами которого они росли.

Раствор соли залит 20.11.13. в 14:45, кристаллы изъяты 21.11.13 в 13:10, тогда же и были сделаны фотографии.

Фото 1. Свинец (дендриты)

Опыт 2. Получение дендритов свинца реакцией нитрата свинца с железом

Pb (NO3)2  + Fe = Fe(NO3)2 + Pb

Результаты опыта: дендриты получились лучше и правильнее чем в ходе первого опыта. Дендриты тёмно-серые, приросшие к фильтровальной бумаге. Нитрат железа прозрачный и лучше растворимый в воде, из-за чего кристаллы были видны лучше.

Раствор соли залит 20.11.13 в 14:50, кристаллы изъяты 21.11.13 в13.00, тогда же и были сделаны фотографии.

Фото 2. Свинец (дендриты)

Опыт 3. Выращивание кристаллов свинца на предметном стекле под микроскопом реакцией ацетата свинца с цинком

Pb(Ch4COO)2 + Zn = (Ch4COO)2Zn + Pb

Для опытов я использовал раствор ацетата свинца, в который помещал цинковую гранулу.

Образовывались красивые, напоминающие узоры на стекле, перья или ветви ели, кристаллы. Реакция проходила прямо на глазах, мне даже удалось снять видео.

Опыты проведёны 09.01.14 г. в 11-12 часов.

Фото 3. Свинец

2.2. Опыты по получению дендритов никеля

Опыт 4. Получение дендритов никеля реакцией сульфата никеля (II) c цинком

Описание: опыт не удался, предположительно из-за гидролиза сульфата никеля.

Результаты опыта: дендритов не наблюдалось, цинковые зёрна попросту покрылись тончайшим слоем никеля.

Опыт 5. Получение кристаллов никеля под микроскопом

На предметное стекло наносил раствор сульфата никеля, как с хлоридом натрия, так и без, и погружал в него цинковую гранулу.

Опыт не удался, кристаллов не обнаружено. Единственное, что наблюдалось это выделение большого количества пузырьков, предположительно водорода.

Время проведения опыта 09.01.14 г. в 11.30.

Фото 4. Пузырьки водорода на поверхности цинка

2.3. Опыты по получению дендритов меди

Опыт 6. Получение дендритов меди реакцией сульфата меди (II) с железом (1)

CuSO4 + Fe = FeSO4 + Cu

Целью опыта №6 и №7 было изучение влияния расположения солей на рост дендритов. В опыте №6 медный купорос находился в нижнем слое на дне кристаллизатора, а сверху – хлорид натрия.

Результаты опыта. В основном образовались губчатые и ватообразные наросты на гвоздях. Лишь под фильтром и по краям чашки образовались правильные перьеобразные дендриты. Однако на второй день гвозди были усыпаны перьеобразными кристаллами  меди, однако под фильтром они стали ещё больше.

Раствор соли залит 20.11.13 в 14:45, часть образцов была изъята 21.11.13, а другие 22.11.13.

Фото 5. Медь (дендриты)

Опыт 7. Получение дендритов меди реакцией сульфата меди (II) с железом (2)

CuSO4 + Fe = FeSO4 + Cu

В этом опыте в отличие от предыдущего хлорид натрия находился на дне кристаллизатора, а медный купорос сверху.

Результаты опыта. Кристаллы образовались в первый же день и имели красивую перьеобразную форму. На второй день они лишь увеличили свои размеры, также стали появляться кристаллы другой формы, напоминающей листья папоротника. Опыт показывает, что расположение ингредиентов очень важно для образования кристаллов, и значительно влияет на их форму.

Раствор соли залит 20.11.13 в 14:45, част образцов была изъята 21.11.13, а другие 22.11.13.

Фото 6. Медь (дендриты)

Опыт 8. Выращивание кристаллов меди под микроскопом

CuSO4 + Zn = ZnSO4 + Cu

На предметное стекло поместил гранулу цинка и кристаллы поваренной соли и добавил раствор медного купороса. Дендриты меди проросли между кристаллами поваренной соли.

Опыт проведен 09.01.14 в 12.00.

Фото 7. Медь (дендриты)

Опыт 9. Выращивание кристаллов меди из смеси солей

CuSO4 + Zn = ZnSO4 + Cu

CuCl2 + Zn = ZnCl2 + Cu

Медный купорос, поваренную соль и хлорида меди (II) смешал в равных соотношениях и растворил в воде. В полученный раствор поместил гранулу цинка.

В результате выросли длинные раскидистые дендриты, наиболее схожие с природными дендритами.

Фото 8. Медь (дендриты)

Опыт 10. Выращивание кристаллов меди на предметном стекле реакцией хлорида меди (II) с цинком.

Уравнение реакции:        CuCl2 + Zn = ZnCl2 + Cu

Результаты опыта. Раствор хлорида меди и цинк, дали замечательные результаты – получились красивые дендриты, отличающиеся сильной удлинённостью и разбросанностью. Дендриты состояли из щетинок мелких кристаллов меди.

Фото 9. Медь (дендриты)

Фото 10. Медь (дендриты)

2.4. Выращивание кристаллов серебра

Опыт 11. Взаимодействие нитрата серебра с железом

2AgNO3+Fe = Fe(NO3)2 + 2Ag

На предметное стекло помещал железную стружку и на неё капал раствор нитрата серебра. Серебро выпало в осадок, образовав множество блёсток, которые засохнув, стали похожи на поверхность зеркала.

Фото 11. Серебро

Опыт 12. Взаимодействие нитрата серебра с цинком

2AgNO3+Fe = Fe(NO3)2 + 2Ag

На предметное стекло помещал цинковую гранулу и на неё капал раствор нитрата серебра. В результате получились очень красивые дендриты серебра, длинные, игольчатые. Интересно, что реакция проходит моментально, дендриты выросли менее чем за минуту.

Фото 12. Серебро(дендриты)

Фото 13. Серебро (дендриты)

Заключение

Таким образом, проведенные опыты показали, что форма, размеры и скорость роста дендритов металлов зависят от условий проведения реакции замещения:

    от растворимости солей: чем больше растворимость соли, тем более правильную имеют дендриты. от количества соли-ингибитора: Чем больше содержание соли-ингибитора, тем  более правильную форму имеют дендриты меди; со свинцом – всё наоборот. от расположения реактивов в чашке для выращивания кристаллов: если поваренная соль находилась под солью металла, дендриты получались более крупные и более правильной формы. от расположения восстановителя в электрохимическом ряду напряжений металлов: чем левее находится металл - восстановитель, тем выше скорость роста дендритов. Быстрее всего дендриты вырастали, если в качестве восстановителя я использовал цинк. 

Таким образом, все поставленные задачи были выполнены. Был установлен целый ряд факторов, влияющих на форму и размеры кристаллов. Это достаточно важно для геологов, так как я объяснил возможные способы формирования самородков в природе путём реакции замещения. Также я смог показать наглядно, как именно образуются дендриты, а значит объяснить, как они могли бы образоваться в природе.

Также форма кристаллов может указывать геологам условия, в которых он сформировался. По форме кристалла можно предсказать минералы, образующие месторождения некоторых минералов. Так, скорее всего, присутствие тонких, раскидистых дендритов со щетинками, подобно тем, которые мы наблюдали в опыте 10,  могут являться спутниками минералов диаболеита, бандилита, эрнохальцита и атакамита, которые являются хлоридами меди. К сожалению это всего лишь предположение, не подкреплённое доказательствами, да и к тому же эти минералы крайне редкие. Самородный свинец ещё более редкое явление и, если наблюдаются дендриты, то, скорее всего они росли среди соленого раствора или расплава. А если кристаллы имеют правильную форму и бороздки, то, скорее всего, рос в среде без соли, методом схожим с газотранспортным синтезом. Эти предположения также исходят из теории о том, что природа и механизмы образования дендритов в природе схожи с теми, которые мы наблюдали в школьной лаборатории.

Дендриты меди достаточно красивы и могут использоваться как сувениры[5]. На практике это известно давным-давно, правда используются природные дендриты, и, к сожалению, они достаточно дорогие и не каждому по карману. Но если ускорить процесс роста дендритов, то их можно производить в больших количествах гораздо дешевле. Стоит опробовать ряд опытов с песком, хлоридами и нитратами меди, повысить температуру с 15 градусов до 50-100, пробовать повысить давление.  Если скорость роста кристаллов меди будет такой же, какой я наблюдал в лаборатории, то, чтобы достигнуть природных аналогов им понадобится несколько месяцев.

Интернет-ресурсы

[1] Самородные элементы. Материал из Википедии. http://ru. wikipedia. org/wiki/Самородные_элементы

[2] Интересные факты о металлахhttp://itaught. pilipok. ru/node/178

[3] , . Образование и рост дендритов свинца в PbF2 при протекании постоянного электрического тока.

http://www. jetpletters. ac. ru/ps/291/article_4703.pdf

[4] Кристаллы.

http://www. zircon81.narod. ru/Metodica. html

[5]

http://miig. /sites/default/files/bumagin1.pdf

[6] Дендрит. Материал из википедии

http://ru. wikipedia. org/wiki/Дендрит_(кристалл)

[7] . Возможности иодотранспорта для синтеза порошков.

http://borey-i. narod. ru/Lit/l16.rus. pdf

[8] , . Чистые химические вещества. Зонная плавка.

http://alhimik. ru/kunst/react06.html

[9] Иодидное рафинирование титана.

http://xn--80akufbmfke. xn--p1ai/publ/stati/iodidnoe_rafinirovanie_titana/5-1-0-99

[10] Теоретические основы металлургического производства. Переохлаждение металла.

http://steeltimes. ru/books/theory/tomp/21/21.php

pandia.ru

способ выращивания нитевидных металлических кристаллов

Изобретение относится к области гальваностегии и может быть применено для выращивания нитевидных кристаллов путем электроосаждения металлов из электролита. Нитевидные металлические кристаллы осаждают из электролита на электропроводную подложку, выполненную из материала с низкой теплопроводностью. Сначала на подложке электроосаждением выращивают кристаллы с пентагональной симметрией, после достижения выращенными кристаллами заданной длины подложку вынимают из электролита и выбирают из числа кристаллов, образовавшихся на подложке, пентагональный кристалл в форме трубки или стержня для использования его в качестве затравочного кристалла, к одному из его торцов приваривают металлическую проволоку, затем отрывают этот кристалл от подложки и, используя приваренную к нему проволоку в качестве держателя, опускают свободный торец кристалла в электролит, после чего ведут процесс выращивания нитевидного кристалла на этот торец, вынимая затравочный кристалл из электролита со скоростью роста нитевидного кристалла, при этом затравочный кристалл используют в качестве катода. Изобретение позволяет получать нитевидные пентагональные кристаллы высокой прочности и адсорбционной способности. 2 ил.

Изобретение относится к области гальваностегии и может быть применено для выращивания нитевидных кристаллов путем электроосаждения металлов из электролита.

Известен способ выращивания монокристаллов (Кремпл П., Валльнефер В., Криспел Ф. и Таннер Г., Патент РФ №2194100, от 28.11.2000 г., МКИ 7 С30В 7/10, 29/14). По этому способу кристаллы выращивают из раствора с применением затравочных кристаллов. Используют затравочный кристалл, который имеет, по меньшей мере, два расположенных под углом друг к другу стержневидных или пластинчатых участка, охватывающих основную область роста кристаллов и в выращенном монокристалле расположенных эксцентрически. Это позволяет получать качественные кристаллы больших размеров.

Однако известный способ не обеспечивает возможности получать нитевидные микрокристаллы с пятерной симметрией, обладающие развитой свободной поверхностью и высокой адсорбционной способностью.

Известно, что при электроосаждении меди из раствора электролита можно получать кристаллы, имеющие пятерную симметрию (Викарчук А.А., Воленко А.П. Пентагональные кристаллы меди:, многообразие форм роста и особенности внутреннего строения / Физика твердого тела, 2005, Том 47, вып.2, С.339...344). Способ получения таких кристаллов принят за прототип. По прототипу пентагональные кристаллы получают электроосаждением из сернокислого электролита меднения на подложку из электропроводного материала с низкой теплопроводностью. Эти кристаллы, образуясь из некристаллических зародышей, могут принимать форму трубок, ежей, конусов, многогранников и т.п. с развитой свободной поверхностью. Это резко увеличивает адсорбционную способность материала. Строение пентагональных кристаллов препятствует трансляционному скольжению дислокаций, что повышает механические свойства материала.

Однако пентагональные кристаллы, получаемые электроосаждением, имеют размеры от 1 до 300 мкм и образуются на подложке в виде покрытия. Малые размеры кристаллов и их адгезионная связь с поверхностью подложки затрудняют использование их уникальных свойств, которые могли бы быть в полной мере использованы, например, в конструкциях фильтров, композиционных материалов и т.п., если бы можно было получить пентагональные кристаллы в виде отдельных нитей, стержней или трубок.

Технический результат предлагаемого способа заключается в обеспечении возможности получения нитевидных пентагональных кристаллов и использования их высокой прочности и адсорбционной способности.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что нитевидные кристаллы выращивают путем их осаждения из электролита с использованием электропроводной подложки, выполненной из материала с низкой теплопроводностью. В отличие от прототипа сначала на подложке электроосаждением выращивают кристаллы с пентагональной симметрией. После достижения выращенными кристаллами заданной длины подложку вынимают из электролита и выбирают из числа кристаллов, образовавшихся на подложке, пентагональный кристалл в форме трубки или стержня для использования его в качестве затравочного кристалла. К одному из торцов выбранного кристалла приваривают металлическую проволоку. Затем отрывают кристалл от подложки. Используя приваренную проволоку в качестве держателя, опускают свободный торец кристалла в электролит, после чего ведут процесс выращивания нитевидного кристалла на этом торце, вынимая затравочный кристалл из электролита, со скоростью роста нитевидного кристалла. При этом затравочный кристалл используют в качестве катода.

Способ иллюстрируется чертежом, где на фиг.1 показан микрокристалл меди в виде трубки с пятерной симметрией, а на фиг.2 - микрокристаллы серебра, которые могут служить затравочными кристаллами для выращивания нитевидного кристалла.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

Электропроводную подложку, выполненную из материала с низкой теплопроводностью, помещают в электролит, содержащий ионы осаждаемого металла. В этот же электролит помещают электрод, выполненный из осаждаемого металла. Электрод используют в качестве анода, а подложку - в качестве катода. Пропуская через электрод, электролит и подложку электрический ток, производят процесс осаждения металла на подложку. Параметры и условия проведения процесса электроосаждения подбирают таким образом, чтобы на подложке образовывались кристаллы с пятерной симметрией. После окончания процесса электроосаждения и достижения выращенными кристаллами заданной длины и формы трубки или стержня подложку вынимают из электролита и выбирают из числа кристаллов, образовавшихся на подложке, кристалл в виде трубки или стержня с пентагональным строением для использования его в качестве затравочного кристалла. К одному из торцов выбранного кристалла приваривают металлическую проволоку. Затем отрывают этот кристалл от подложки и, используя приваренную к нему проволоку в качестве держателя, опускают свободный торец кристалла в электролит. Через электрод, электролит и затравочный кристалл пропускают электрический ток и ведут процесс выращивания нитевидного кристалла, вынимая затравочный кристалл из электролита со скоростью его роста. Затравочный кристалл при этом используют в качестве катода.

В результате получают пентагональный кристалл в виде сплошной или полой нити любой требуемой длины. Это позволяет использовать пентагональные кристаллы в технических устройствах, используя их высокие механические и адгезионные свойства, и создает предпосылки для промышленного производства пентагональных нитевидных кристаллов.

Для осуществления предлагаемого способа могут быть использованы известные в технике средства и материалы. Электроосаждение при выращивании как затравочного, так и нитевидного кристаллов может вестись в известных гальванических ваннах, применяемых для осуществления известных способов. В качестве материала подложки может служить, например, хромоникелевая сталь, графит или нитрид титана. Поскольку пентагональные кристаллы имеют микро- или наноразмеры, выбор затравочного кристалла и приварку к его торцу проволоки можно производить с помощью оптического микроскопа, обеспечивающего увеличение в 300...500 раз. Приваривать к торцу затравочного кристалла можно выпускаемую промышленностью медную проволоку диаметром 0,05 мм. Конец ее можно заточить путем химического травления. Приварить проволоку к торцу затравочного кристалла можно разрядом конденсатора с помощью маломощной машины для конденсаторной сварки, применяемой в сварочной технике. Опускание торца затравочного кристалла в электролит и подъем его в процессе роста нитевидного кристалла можно осуществить микрометрическим винтом с регулируемым электромеханическим приводом. Наличие в пентагональном нитевидном кристалле дисклинации, обуславливающей его пентагональное строение, обеспечивает его рост только в длину.

Примером применения предлагаемого способа может служить выращивание нитевидного кристалла с использованием в качестве затравочного кристалла микротрубки пятиугольного сечения длиной 20 мкм и шириной 1 мкм. Трубку получили на подложке из стали 1Х18Н10Т толщиной 2 мм. В качестве анода применяли пластину из меди M1. Подложку и медную пластину опускали в сернокислый электролит меднения, приготовленный на бидистилляте и содержащий 250 г/л CuSO4·5H 2O и 90 г/л h3SO4 . Через электрод, электролит и подложку пропускали электрический ток плотностью 0,05 А/дм2. На подложке получили слой осажденной меди, состоящий из пентагональных кристаллов длиной до 20 мкм. Часть их была получена в виде полых трубок пятиугольного сечения (фиг.1).

К торцу одной из этих трубок разрядом конденсатора была приварена медная проволока диаметром 0,05 мм и трубка была отделена от подложки. Затем, используя приваренную проволоку, как держатель, свободный торец трубки вручную погрузили в электролит и начали процесс электроосаждения атомов меди на его поверхность, используя затравочный кристалл - трубку в качестве катода. Довести процесс выращивания нитевидного кристалла до макроразмеров не удалось, поскольку вручную регулировать скорость перемещения затравочного кристалла практически невозможно, однако этот эксперимент показал принципиальную возможность осуществления предложенного способа.

По предлагаемому способу можно выращивать нитевидные кристаллы из других металлов. Например, на подложке из хромоникелевой стали с покрытием из нитрида титана, используя в качестве анода пластину из серебра и при плотности тока 2 мА/см 2, получали пентагональные кристаллы серебра в виде стержней длиной до 20...30 мкм и 2...3 мкм в поперечном сечении (фиг.2). Такие кристаллы могут быть использованы в качестве затравочных для выращивания нитевидных кристаллов серебра. Имеются теоретические предпосылки для получения пентагональных кристаллов в виде стержней и трубок из никеля.

Таким образом, предлагаемый способ выращивания нитевидных кристаллов, имеющих пятерную симметрию, обеспечивает технический эффект, заключающийся в возможности получения нитевидных пентагональных кристаллов и использования их высокой прочности и адсорбционной способности. Способ может быть осуществлен с помощью известных в технике средств. Следовательно, предлагаемый способ обладает промышленной применимостью.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Способ выращивания нитевидных металлических кристаллов путем их осаждения из электролита с использованием электропроводной подложки, выполненной из материала с низкой теплопроводностью, отличающийся тем, что сначала на подложке электроосаждением выращивают кристаллы с пентагональной симметрией, после достижения выращенными кристаллами заданной длины подложку вынимают из электролита и выбирают из числа кристаллов, образовавшихся на подложке, пентагональный кристалл в форме трубки или стержня для использования его в качестве затравочного кристалла, к одному из его торцов приваривают металлическую проволоку, затем отрывают этот кристалл от подложки и, используя приваренную к нему проволоку в качестве держателя, опускают свободный торец кристалла в электролит, после чего ведут процесс выращивания нитевидного кристалла на этот торец, вынимая затравочный кристалл из электролита со скоростью роста нитевидного кристалла, при этом затравочный кристалл используют в качестве катода.

www.freepatent.ru

Способы выращивания кристаллов

Кристаллизацию можно вести разными способами. Один из них - охлаждение насыщенного горячего раствора. При каждой температуре в данном количестве растворителя (например, в воде) может раствориться не более определенного количества вещества. Например, в 100 г воды при 90° С может раствориться 200 г алюмокалиевых квасцов. Такой раствор называется насыщенным. Будем теперь охлаждать раствор. С понижением температуры растворимость большинства веществ уменьшается. Так, при 80° С в 100 г воды можно растворить уже не более 130 г квасцов. Куда же денутся остальные 70 г? Если охлаждение вести быстро, избыток вещество просто выпадет в осадок. Если этот осадок высушить и рассмотреть в сильную лупу, то можно увидеть множество мелких кристалликов.

При охлаждении раствора частички вещества (молекулы, ионы), которые уже не могут находиться в растворенном состоянии, слипаются друг с другом, образуя крошечные кристаллы-зародыши. Образованию зародышей способствуют примеси в растворе, например пыль, мельчайшие неровности на стенках сосуда (химики иногда специально трут стеклянной палочкой по внутренним стенкам стакана, чтобы помочь кристаллизации вещества). Если раствор охлаждать медленно, зародышей образуется немного, и, обрастая постепенно со всех сторон, они превращаются в красивые кристаллики правильной формы. При быстром же охлаждении образуется много зародышей, причем частички из раствора будут «сыпаться» на поверхность растущих кристалликов, как горох из порванного мешка; конечно, правильных кристаллов при этом не получится, потому что находящиеся в растворе частицы могут просто не успеть «устроиться» на поверхности кристалла на положенное им место. Кроме того, множество быстро растущих кристалликов так же мешают друг другу, как несколько паркетчиков, работающих 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.

Охладив насыщенный при 90° С раствор квасцов до комнатной температуры, мы получим в осадке уже 190 г, потому что при 20° С в 100 г воды растворяется только 10 г квасцов. Получится ли при этом один большой кристалл правильной формы массой 190 г? К сожалению, нет: даже в очень чистом растворе вряд ли начнет расти один-единственный кристалл: масса кристалликов может образоваться на поверхности остывающего раствора, где температура немного ниже, чем в объеме, а также на стенках и дне сосуда.

Метод выращивания кристаллов путем постепенного охлаждения насыщенного раствора неприменим к веществам, растворимость которых мало зависит от температуры. К таким веществам относятся, например, хлориды натрия и алюминия, ацетат кальция.

Другой метод получения кристаллов - постепенное удаление воды из насыщенного раствора. «Лишнее» вещество при этом кристаллизуется. И в этом случае чем медленнее испаряется вода, тем лучше получаются кристаллы.

Третий способ - выращивание кристаллов из расплавленных веществ при медленном охлаждении жидкости. При использовании всех способов наилучшие результаты получаются, если используется затравка - небольшой кристалл правильной формы, который помещают в раствор или расплав. Таким способом получают, например, кристаллы рубина. Выращивание кристаллов драгоценных камней проводят очень медленно, иногда годами. Если же ускорить кристаллизацию, то вместо одного кристалла получится масса мелких.

Кристаллы могут также расти при конденсации паров - так получаются снежинки и узоры на холодном стекле. При вытеснении металлов из растворов их солей с помощью более активных металлов также образуются кристаллы. Например, если в раствор медного купороса опустить железный гвоздь, он покроется красным слоем меди. Но образовавшиеся кристаллы меди настолько мелкие, что их можно разглядеть только под микроскопом. На поверхности гвоздя медь выделяется очень быстро, поэтому и кристаллы ее слишком мелкие. Но если процесс замедлить, кристаллы получатся большими. Для этого медный купорос надо засыпать толстым слоем поваренной соли, положить на него кружок фильтровальной бумаги, а сверху - железную пластинку диаметром чуть поменьше. Осталось налить в сосуд насыщенный раствор поваренной соли. Медный купорос начнет медленно растворяться в рассоле (растворимость в нем меньше, чем в чистой воде). Ионы меди (в виде комплексных анионов CuCl42- зеленого цвета) будут очень медленно, в течение многих дней, диффундировать вверх; за процессом можно наблюдать по движению окрашенной границы.

Достигнув железной пластинки, ионы меди восстанавливаются до нейтральных атомов. Но так как процесс этот происходит очень медленно, атомы меди выстраиваются в красивые блестящие кристаллы металлической меди. Иногда эти кристаллы образуют разветвления - дендриты. Меняя условия опыта (температура, размер кристаллов купороса, толщина слоя соли и т.п.), можно менять условия кристаллизации меди.

vuzlit.ru

Как вырастить кристалл

природные кристаллы горного хрусталя

СОДЕРЖАНИЕ

Кристаллы минералов встречаются в природе повсеместно.  Для их образования нужны специальные условия. Например, горная порода гранит состоит из кристаллов кварца, полевого шпата и слюды, которые раскристаллизовались друг за другом при остывании магмы.

Красивые шестигранные кристаллы горного хрусталя выросли  из горячих водных растворов, насыщенных кремнеземом SiO2.

природные кристаллы серы

 Ромбические  желтые кристаллы серы выросли из сероводородных  вод  горячих источников и гейзеров. 

На берегах соленых озер и морей можно увидеть кубические кристаллы  каменной соли — галита; белые, красные, желтые и даже синие кристаллы карналлита и мирабилита.

Алмазы, самые твердые кристаллы, образовались при гигантском давлении в так называемых трубках взрыва (кимберлитовых трубках).

Итак, природа создала и продолжает создавать кристаллы минералов. Можем ли мы увидеть таинство роста кристаллов? Можем ли  вырастить их сами?  Да, конечно можем. И сейчас я расскажу, как это сделать в домашних условиях.

КАК ВЫРАСТИТЬ КРИСТАЛЛ ИЗ СОЛИ

Выращенные кристаллы поваренной соли

Для того, чтобы вырастить  кристаллы поваренной (каменной) соли (галита —  NaCl), нужно поставить на плиту емкость с водой и довести воду  до кипения. Затем снять емкость с плиты и растворить в ней обычную соль из пачки. Постоянно помешивая раствор, досыпайте соль до тех пор, пока не заметите, что она больше не растворяется.

Полученный соленый раствор нужно отфильтровать и  налить в плоскую посуду, например, в блюдце. Вода остынет и начнет испаряться, а на краях блюдца и на его дне вы увидите прозрачные кубики правильной формы – это и есть  кристаллы каменной соли, галита.

Можно вырастить большой кристалл, или несколько больших кубических кристаллов. Для этого в емкость, в которой вы растворили соль, следует опустить шерстяную нитку. При остывании раствора она покроется кубиками соли. Чем медленнее остывает раствор – тем более правильную форму будут иметь кристаллы. Через некоторое время рост прекратится.

 Чтобы вырастить один большой кристалл, нужно из множества образовавшихся на дне кристаллов выбрать один, самый правильный, положить на дно чистого стакана, а сверху налить  раствор из прежней посуды.

Для роста правильных кристаллов нужен покой. Нельзя трясти или передвигать стол или полку, на которой стоит емкость с растущими кристаллами.

КАК ВЫРАСТИТЬ КРИСТАЛЛ ИЗ САХАРА

Вырастить кристаллы сахара можно точно также, как и кристаллы соли. Кристаллы сахара можно вырастить также на деревянных палочках, это может быть красивым дополнением  к какому-либо праздничному сладкому блюду.  Пищевые красители, добавленные в раствор,  окрасят сахар во все цвета радуги.

Кристаллы сахара

Ниже приводится полная инструкция, как вырастить кристаллы сахара на палочках.

КАК ВЫРАСТИТЬ КРИСТАЛЛ ИЗ МЕДНОГО КУПОРОСА

Медный купорос продается в магазинах для огородников, из него,  и из гашеной извести,  готовят «бордоскую жидкость» для  защиты растений от грибков и различных заболеваний.

Для того, чтобы вырастить  кристалл медного купороса (Cu SO4 * 5h3O)  правильной формы, следует растворить  порошковый медный купорос  в воде  при температуре 80 градусов Цельсия. При более высокой температуре растворимость медного купороса падает.   Растворяем  порошок до тех пор, пока растворение не прекратится. На конец  проволочки или шерстяной нити привязываем затравку – мелкий кристаллик того же медного купороса. Где его взять? Можно поискать в том же пакете, из которого вы сыпали купорос в воду, кристаллик побольше. Если такой не нашелся – оставьте ваш раствор остывать, и через некоторое время вы увидите на дне мелкие кристаллы.

Выберите один и привяжите его (или приклейте) к проволоке или нити. Раствор отфильтруйте. Затем опустите в него приготовленную затравку (кристалл на нити). Ни в коем случае не опускайте затравку в горячий раствор! Затравка  может попросту раствориться. Большой кристалл медного купороса растет несколько недель. Кристалл, выращенный до нужных размеров, нужно покрыть лаком, так как влага, содержащаяся в воздухе, со временем приведет к его оплавлению и разрушению.

Не сложным способом можно вырастить красивые кристаллы меди. Детальное  описание процесса найти в подробной статье «Как вырастить кристаллы меди«.

Кристаллы железного купороса выращивают аналогичным образом, подробную статью об этом можно прочитать, пройдя по ссылке в этом предложении.

КАК ВЫРАСТИТЬ КРИСТАЛЛ ИЗ АЛЮМОКАЛИЕВЫХ КВАСЦОВ

выращенные кристаллы алюмокалиевых квасцов

Алюмокалиевые квасцы (KAI [SO4]2*12h3O  — минерал алунит) продаются в аптеке в виде порошка. Это хорошее средство, которое «сушит кожу» и убивает болезнетворные микроорганизмы, это вещество не вызывает аллергии и оно не токсично. Из порошка алюмокалиевых квасцов можно вырастить хорошие кристаллы.  Квасцы следует растворить в теплой воде до насыщения и раствор отфильтровать. Через несколько дней нахождения в спокойном месте,  при комнатной температуре,  на дне емкости появятся маленькие кристаллы.

алюмокалиевые квасцы (квасцы жженые) можно купить в аптеке

Из этих кристалликов нужно выбрать несколько штук, правильной формы и поместить в другую емкость. Затем их заливают тем же раствором.  Можно подвесить затравки  на тонких ниточках (к нити их можно приклеить прочным водостойким клеем).  Раз в два-три дня кристаллы нужно переносить в новый стакан, а раствор фильтровать и снова заливать им растущие кристаллы.  Кристаллы квасцов, выращенные до нужных размеров, следует покрыть лаком, чтобы они не оплавились от влаги воздуха и не потеряли форму.

Растворы для выращивания кристаллов желательно готовить на дистиллированной воде.

В домашних условиях можно получить искусственный малахит, используя медный купорос и стиральную соду, но это будут не красивые кристаллы или ажурный рисунчатый камень, а зеленый или грязно-зеленый осадок на дне сосуда (порошок).  Красивый малахит, практически не отличающийся от натурального, можно получить только на промышленном оборудовании.

На предприятиях тоже выращивают кристаллы многих минералов. Но дома это повторить невозможно, для этого нужно специальное оборудование.  Большинство кристаллов (кварц, аметист, рубин, изумруд, алмазы, малахит, гранаты и др.) выращивают в чугунных автоклавах под высоким давлением. Температуры достигают 500-1000 градусов, а давление – 3000 атмосфер.

Наборы для выращивания кристаллов

набор для выращивания кристаллов

Сейчас в магазинах игрушек,  в крупных городах, появились  в продаже наборы для выращивания кристаллов. Из порошков дигидрофосфата аммония и калия, в которые добавлены красители, можно вырастить интересные призматические и игольчатые кристаллы. Для того, чтобы кристаллы получились достаточно большими и красивыми, надо строго следовать прилагаемой инструкции.

Странно, но в инструкции, которая находится в изображенной на фотографии коробке, не указано, какое именно химическое вещество используется для выращивания кристаллов и какой краситель используется. В остальном она достаточно подробная.

mineralys.ru


Смотрите также

НАС УЖЕ 77 321

Подпишись на обновления сайта! Получай статьи на почту: