РЬ(NO3)2 + 2KBr (KI, КСl) = РЬВr2 (РbI2, РЬСl2) + 2KNO3;
РЬ(NO3)2 + 2K2SO4 = PbSO4 + 2KNO3;
ВаСl2 + Na2S2O3 = BaS2O3 + 2NaCl;
СаСl2 + 2NaOH = Са(OН)2 + 2NaCl;
СаСl2 + Na2CO3 = СаСО3 + 2NaCl;
В большой стакан помещают стаканы малого объёма (удобны аптекарские пенициллиновые пузырьки), в которых находятся концентрированные растворы исходных солей с небольшим количеством соли (1/6 часть) на дне, на расстояние 5–6 см. Теперь в стакан наливают воду (аккуратно!) по палочке или через воронку с длинным отводом (это может быть надетый шланг). Жидкости будут отличаться по плотностям и перемешиваться сразу не будут. Слой воды над пузырьками должен составить 8-10 см. Сверху раствор заливают маслом или парафином и оставляют при комнатной температуре.
Уже спустя 2–3 дня вы заметите появление следов осадка возле одного из пузырьков (процесс диффузии), а спустя неделю, на отверстии пузырька появится что-то напоминающее кристалл. У хлорида свинца, карбоната кальция это будут длинные игольчатые кристаллы, у иодида свинца — стружки и плитки (рис. 6). По мере концентрированного раствора соли в пузырьке, будет расходоваться заранее положенный избыток. Чем дальше будут удалены пузырьки в сосуде, чем больше будет сосуд, тем больше вероятность создать условия для медленного роста большого кристалла.
Рис. 6. Сросшиеся кристаллы PbI2
Примечание: Нами создаются неидеальные природные условия, так как у природы в ещё фигурирует давление и время. Вы ни за что не получите таким образом малахитовые (СuОН)2СОЗ пласты с соответствующим узором, исландский шпат СаСО3, имеющий вид скошенного куба. Опыты следует проводить только с теми веществами, ПР (произведение растворимости) которых не меньше 10–10. А для получения искусственного малахита необходим гидротермальный синтез (от греч. "гидор" — вода и "термос" — горячий) Этот процесс моделирует образование минералов в земных недрах. Он основан на способности воды растворять при высоких температурах (до 500 °C) и очень высоком давлении (до 3000 атм) вещества, которые в обычных условиях практически не растворимы, например, основной карбонат меди (СuОН)2СО3.
Здесь не пойдёт речь о методах зонной плавки или йодного рафинирования, которые используются для получения сверхчистых монокристаллов простых веществ (германия Ge, кремния Si, циркония Zr, титана Ti и т. п.).
Выращивать кристаллы металлов мы будем из раствора. И, конечно же, это будут металлы неактивные, невзаимодействующие с водой (медь, сурьма, висмут, серебро, золото, свинец, олово и т. п.). Описание опыта будет сведено к выращиванию кристаллов меди.
Для эксперимента нам понадобится медный купорос (тв.), хлорид натрия (тв. и конц. р-р), дистиллированная вода, стакан (от 50 мл до 700 мл) или обычная пробирка, фильтровальная бумага, железные скрепки, кнопки и т. п.
Начинающему можно посоветовать для начала попробовать провести опыт в пробирке. Так он поймёт немного суть процесса и получит первый навык.
Если вы опустите железный гвоздь в стакан с медным купоросом, то он мгновенно покроется розовой плёнкой, состоящей из очень мелких кристалликов восстановленной меди. Такая плёнка легко стирается и особого интереса не представляет, а дальнейшее содержание железа в растворе даст губчатую медь, а не кристаллы. Для получения кристаллов нужно создать среду-ингибитор, такой средой в нашем случае будет хлорид натрия.
В чистый стакан (рис. 7) насыпают медный купорос очень тонким слоем, чтобы он покрыл дно, утрамбовывают.
Рис. 7. Выращивание кристаллов меди:
1 — фильтровальная бумага; 2 — водород; 3 — насыщенный раствор хлорида натрия (гипертонический раствор); 4 — слой из железных предметов; 5 — слой хлорида натрия NaCl; 6 — пузырьки воздуха, которые следует удалить; 7 — слой медного купороса CuSO4
Сверху насыпают хлорид натрия, он должен превышать количество медного купороса в 3–5 раз (чем больше, тем лучше). Слой также трамбуют. Поверх слоёв укладывают круг из фильтровальной бумаги так, чтобы он вплотную прикасался к стенкам стакана. На фильтр высыпают железные предметы. Теперь удерживая фильтр стеклянной палочкой, наливают медленно и тоненькой струйкой концентрированный раствор хлорида натрия. Раствор не должен перевернуть фильтр или перемешать слои! Чтобы все слои хорошо пропитались, и воздух вышел, аккуратно вдоль стенки опускают тонкую упругую проволоку, давая лишний канал раствору до дна. Стакан закрывают фильтровальной бумагой и оставляют стоять при комнатной температуре.
Спустя пару суток (а иногда это видно в первые минуты) слои солей окрасятся в зелёный цвет, это, очевидно, связано с образованием в слоях хлорида меди (II) СuСl2. После того, как "зелень" дойдёт до фильтра, начнут появляться в слое хлорида натрия розовые нити-дендриты (не сформировавшиеся кристаллы) меди, которые иногда приобретают удивительный вид папоротниковых и еловых веточек (рис. 8,б). Если дать им разрастись, то вскоре вы получите обещанные яркорозовые кристаллы меди (рис. 8,а), имеющие вид призм и октаэдров.
Из-за гидролиза соли — в растворе среда кислая и параллельно происходит растворение железа с выделением водорода. Атомарный водород успевает восстановить присутствующие в железе примеси, например углерод до углеводорода. При этом водород имеет мерзкий запах. Помните: такой водород вдыхать опасно!!! Если вы решили использовать вместо железа технический цинк, то реакция пойдёт хуже, но здесь опасность другая: в цинке может содержаться мышьяк, который восстановиться до сильнейшего яда — арсина AsH3.
В такой системе кристаллы могут расти несколько дней и даже недель, но если слои стали чернеть, кристаллы следует вынуть. Когда вы решите вынуть кристаллы, то:
— сначала магнитом удаляют оставшееся железо;
— аккуратно сливают раствор;
— пинцетом и пластмассовой ложкой выгребают слой хлорида натрия и кристаллы меди в чистый, заранее приготовленный стакан;
Затем кристаллы несколько раз заливают тёплой водой, чтобы растворить хлорид натрия. Когда соли не останется, а промывочный раствор будет прозрачен, кристаллы промывают 30 %-ным раствором серной кислоты. Хранят кристаллы в таком же растворе серной кислоты в стеклянной банке с притёртой пробкой, с очень малым содержанием воздуха. Хорошо, если перед хранением раствор кислоты продуть водородом или азотом. На воздухе кристаллы не устойчивы, теряют яркий розовый блеск и разрушаются.
В природе медь растёт таким же образом, но ингибитором здесь станет дерево, кварц (рис. 8,в).
Рис. 8. Искусственно выращенные (а, б) и природные (в) кристаллы меди.
Примечание: Подобным образом растят кристаллы серебра, висмута, сурьмы, только исходные вещества — нитраты, а в случае серебра, реакцию следует проводить в темноте.
В основу образования кристаллов меди положены процессы гидролиза, реакций обмена и замещения. Ионы меди Сu2+ в растворе будут более подвижны, чем сульфат-ионы SO42-. Поэтому происходит обмен между верхним и нижним слоем солей, в ходе которого образуется зелёный хлорид меди. В свою очередь, достигая железа, ионы меди восстанавливаются до металла. Кристаллики, срастаясь в слое хлорида натрия, образуют сначала розовые нити (дендриты), а потом сами кристаллы. Поскольку при гидролизе солей меди появляются ионы Н+, то и они в свою очередь восстанавливаются железом до водорода. Содержащийся в воздухе кислород также способствует его коррозии. В итоге, конечные продукты: сульфаты железа и натрия, хлорид натрия (его мы брали в избытке), гидроксид железа (III), хлориды меды (I) и (II), водород. Но есть и ещё один продукт, который мы можем уловить только носом. В железе, как правило, присутствует углерод и карбиды, которые в свою очередь дадут углеводороды.