Concetti chiave
Chimica
Solubilità
Saturazione
Cristalli
Purificazione
Introduzione
Ti sei mai chiesto come sono fatti i cristalli? I cristalli sono disponibili in tutte le diverse forme e dimensioni. I cristalli più puri e puliti, tuttavia, di solito sono anche quelli che crescono fino a raggiungere le dimensioni più grandi. In questa attività confronterai le dimensioni e la forma dei cristalli cresciuti a diverse temperature. Con solo acqua e borace, un prodotto per la pulizia della casa, puoi scoprire il metodo per far crescere cristalli grandi e puri!
Sfondo
Le reazioni chimiche avvengono costantemente intorno a te e dentro di te. Per esempio, una reazione chimica può trasformare il metallo in ruggine rosso-marrone (il ferro nel metallo reagisce con l’ossigeno nell’aria o nell’acqua, e il prodotto finale è quello che riconosciamo come ruggine). I chimici eseguono reazioni chimiche per cambiare un composto chimico in un altro. A volte, quando si formano più prodotti, il chimico potrebbe voler separare un composto dagli altri. Un modo in cui questo può essere fatto è usando un processo chiamato ricristallizzazione, dove una soluzione di composti può essere dissolta in acqua calda e poi raffreddata. Mentre si raffredda, una sostanza si cristallizza (diventa cristalli), e può essere rimossa dal resto del liquido, che contiene l’altro composto.
Perché i cristalli appaiono quando la miscela si raffredda? Ha a che fare con la solubilità, o la più grande quantità di qualcosa che può essere dissolta in qualcos’altro, come la dissoluzione del prodotto di pulizia in polvere, il borace, in acqua. La solubilità della maggior parte dei solidi aumenta con la temperatura. In altre parole, più borace può essere sciolto in acqua calda che in acqua fredda. Quindi, se una miscela calda e satura viene raffreddata, c’è più borace di quanto possa essere contenuto dall’acqua più fredda, e quindi il borace può cadere dalla miscela, formando cristalli.
Materiali
– Grande ciotola
– Cubetti di ghiaccio
– Acqua
– Spago
– Forbici
– Due matite
– Due barattoli identici o bicchieri grandi
– Pentola da cucina
– Borace, chiamato anche detergente domestico 20-Mule Team. Si può trovare nella corsia delle pulizie di molti negozi di alimentari. (Usare cautela quando si maneggiano i detergenti – possono danneggiare la pelle e gli occhi, e non devono essere inalati.)
– Cucchiaio dosatore
– Pellicola di plastica
Preparazione
– Riempire la ciotola grande per metà di cubetti di ghiaccio e poi aggiungere acqua fino a quando la ciotola è piena per circa tre quarti.
– Tagliare due pezzi di corda (dovrebbero essere lunghi almeno quanto l’altezza dei barattoli o bicchieri grandi). Legare l’estremità di una corda intorno a ciascuna delle due matite. Regola la lunghezza delle corde in modo che quando la matita è appoggiata sulla parte superiore di uno dei barattoli o bicchieri grandi, l’estremità della corda pende appena sopra il fondo del barattolo. Fate in modo che le corde abbiano la stessa lunghezza.
– Il borace è dannoso se ingoiato, inalato o a contatto con gli occhi, e in rare occasioni toccarlo può provocare eruzioni cutanee. Si consiglia cautela e la supervisione di un adulto quando lo si maneggia.
Procedura
– Riempi una pentola da cucina con abbastanza acqua da riempire entrambi i vasi quasi completamente. Poi porta l’acqua ad ebollizione sul fornello. Una volta che l’acqua bolle, spegnere il bruciatore in modo che l’acqua smetta di bollire. (Poiché il borace è nocivo se inalato o a contatto con gli occhi, si consiglia di non scioglierlo con l’acqua bollente.)
– Aggiungere un cucchiaio di borace all’acqua e mescolare finché non si scioglie. Continuare ad aggiungere un cucchiaio alla volta fino a quando non si scioglie più. Probabilmente avrete bisogno di circa tre cucchiai di borace per ogni tazza d’acqua. Come appare la soluzione satura?
– Versare con attenzione quantità uguali della soluzione satura di borace nei due barattoli. Ogni barattolo dovrebbe essere pieno per circa tre quarti.
– Mettete una matita sulla parte superiore di ogni barattolo in modo che la corda penda verso il basso nella soluzione satura.
– Coprite la parte superiore dei barattoli con una pellicola di plastica.
– Lasciate un barattolo indisturbato su un piano di lavoro o un tavolo a temperatura ambiente. Mettete il secondo barattolo nella ciotola piena di ghiaccio che avete preparato. Se necessario, regolare il livello dell’acqua nella ciotola in modo che l’acqua raggiunga almeno i tre quarti del vaso, ma non sia così alta da entrare nel vaso.
– Non disturbare i vasi per almeno cinque ore. Controllare regolarmente la ciotola del ghiaccio e aggiungere ghiaccio se si è sciolto.
– Controllare i vasi circa una volta all’ora per vedere come si formano i cristalli. Può essere difficile osservare il barattolo nella ciotola – prova a guardare la corda attraverso la copertura di plastica. Vedi cristalli formarsi sul lato di uno dei vasetti? I cristalli si formano in un barattolo prima dell’altro?
– Dopo almeno cinque ore rimuovi attentamente le matite e osserva i cristalli sulle corde. Come si confrontano la dimensione, la forma e il numero di cristalli su ogni filo? Perché pensi che sia così?
– Extra: In questa attività hai esaminato la formazione di cristalli di borace a due diverse temperature, ma potresti provare anche altre temperature; un modo è quello di mettere uno dei barattoli in frigorifero. Come influisce sulla formazione dei cristalli il fatto di far raffreddare la miscela di borace a una temperatura diversa? Prova a fare dei cristalli con altri materiali, come lo zucchero o il sale. Quanto bene si formano i cristalli usando altre miscele con l’acqua? Hai fatto questa attività per almeno cinque ore. Come cambiano i tuoi risultati se fai crescere i cristalli per un periodo di tempo più lungo? Assicurati di continuare ad aggiungere cubetti di ghiaccio al bagno d’acqua per mantenerlo fresco durante l’attività.
Osservazioni e risultati
Si sono formati cristalli più piccoli e abbondanti nel barattolo e sul filo nella ciotola di acqua ghiacciata, mentre cristalli più grandi, meno numerosi e di forma migliore si sono formati nel barattolo a temperatura ambiente?
Quando la miscela calda e satura di borace e acqua si raffreddava, c’era più borace di quanto potesse essere contenuto dall’acqua più fredda, e così questo borace cadeva dalla miscela e formava cristalli. Un cristallo è fatto di molecole di un prodotto che si sono unite in uno specifico schema ripetuto. Quando le molecole del cristallo si uniscono, altri prodotti che sono spesso considerati impurità, o i prodotti indesiderati della reazione chimica, non si adattano bene alla struttura, proprio come il pezzo sbagliato di un puzzle non si adatta. Se i cristalli si formano abbastanza lentamente, le impurità saranno respinte perché non si adattano correttamente, e rimarranno invece nell’acqua. Questo è il motivo per cui i cristalli nel barattolo a temperatura ambiente avrebbero dovuto essere più grandi e cubici. Ma se una soluzione viene raffreddata troppo velocemente, non c’è tempo per espellere le impurità e invece rimangono intrappolate nella struttura del cristallo e il modello viene disturbato. Di conseguenza, i cristalli nella ciotola di acqua ghiacciata avrebbero dovuto formarsi più rapidamente e in maggior numero, ma erano più piccoli e meno cubici perché avevano più impurità.
Altro da esplorare
Cristallizzazione , dal Dipartimento di Chimica e Biochimica dell’Università del Colorado a Boulder
Come far crescere grandi cristalli: Tips, Tricks and Techniques , da About.com
Crystal Chemistry ( pdf ), dalla Royal Society of Chemistry
Crazy Crystal Creations: How to Grow the Best and the Largest Crystals , da Science Buddies
Questa attività vi è stata proposta in collaborazione con Science Buddies