Илья Леенсон - Удивительная химия
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.
Вещества для опытов с кристалламиПроще 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.).
Хорошие кристаллы получаются из медного купороса — красивого синего порошка. Это вещество хорошо известно садоводам, так как его используют для борьбы с вредителями растений. Купорос — тоже старинное название некоторых солей серной кислоты. Современное название медной соли серной кислоты — сульфат меди. В медном купоросе тоже содержится кристаллизационная вода. Если медный купорос сильно нагреть, он полностью потеряет воду и превратится в невзрачный серый порошок безводного сульфата меди. Но стоит только смочить этот порошок водой или просто оставить на влажном воздухе, как синяя окраска появится снова. Так химики узнали, что своим красивым цветом медный купорос и многие другие соединения меди обязаны совместному присутствию положительно заряженных атомов — ионов меди и молекул воды. Кроме медного бывают железный и цинковый купоросы.
Растворимые соли меди, к которым относится и медный купорос, ядовиты не только для вредителей растений, но и для человека. Поэтому при работе с этим веществом надо быть аккуратным, старайтесь организовать работу так. чтобы полностью исключить возможность попадания крупинок синего порошка на пищевые продукты. Для этого используйте посуду, которая не применяется для пищевых целей. Лучше всего такую посуду пометить, например, наклеить на стенку кусочек пластыря с надписью: «Для опытов». После работы с медным купоросом вымойте руки — это соединение хорошо растворяется в воде и потому легко смывается с кожи, особенно если вымыть руки с мылом.
Очень интересные опыты можно поставить с тиосульфатом натрия. Если. это вещество не содержит воды, оно имеет вид белого порошка. Если же в тиосульфате есть кристаллизационная вода, он образует прозрачные кристаллики, напоминающие сахарный песок. Тиосульфат натрия хорошо знаком всем фотолюбителям. Они часто называют его «гипосульфитом» и используют в качестве фиксажа (закрепителя) при проявлении фотопленок и печатании черно-белых фотографий. Раствор тиосульфата натрия «закрепляет» полученное фотографическое изображение. Раньше существовало еще одно название этого вещества— «антихлор»: растворы тиосульфата натрия очень быстро обезвреживают ядовитый газ хлор. Это свойство использовали солдаты во время Первой мировой войны: при газовой атаке хлором они дышали через марлю, смоченную раствором тиосульфата.
Тиосульфат натрия не ядовит. Его используют в медицине: наружно — для лечения различных кожных заболеваний, в том числе чесотки; внутрь — при отравлении мышьяком, ртутью, свинцом, синильной кислотой и ее солями; вводят внутривенно — при аллергических и некоторых других заболеваниях. Но это не значит, что вы можете разбрасывать тиосульфат где попало. Даже работая с относительно безвредными веществами, надо быть внимательным и аккуратным! Кроме того, кристаллики тиосульфата очень похожи на крупный сахарный песок, поэтому будьте внимательны, чтобы никто не мог случайно перепутать химикат с пищевым продуктом. На воздухе тиосульфат натрия тоже выветривается, при этом на прозрачных кристалликах появляется белый налет.
