W świecie kryształów, chemia, Krystalografia, rentgenografia, chemia strukturalna
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
chemia praktyczna NA S£ODKO Z zawodu chemik. Z pasji Ï po- pularyzator nauki. Z charakteru nieugięty bojownik o prawdę. Żołnierz AK, powstaniec war- szawski. W czasie czynnego ży- cia zawodowego kierownik Pra- cowni Badań Jakości Powłok w Instytucie Mechaniki Precyzyj- nej. Autor wielu prac naukowych i ponad 50 książek popularno- naukowych. Na tych publika- cjach wychowały się już 2 poko- lenia chemikw. Już od 1952 ro- ku pisze do âMłodego TechnikaÒ. Dotychczasowe nasze doœwiadczenia dotyczy³y prawie wy³¹cznie zwi¹zków nieorganicznych. A przecie¿ wielka rodzina zwi¹zków or- ganicznych mo¿e siê posz- czyciæ nie tylko dorodnymi, ale bardzo smacznymi kry- szta³ami. Turyœci, którzy mieli okazjê zwiedzaæ Fryzjê Wschodni¹, a wiêc pó³noc- no-zachodni¹ czêœæ Dolnej Stefan Sękowski W świecie kryształów – na słodko, analiza i konkurs Stefan S ę kowski – atomy Ï atomy wodoru Ï atomy tlenu Ï atomy węgla – atomy – atomy Struktura przestrzenna cząsteczki kryształu sacharozy. Wielkość kulek nie reprezentuje ściśle rzeczywistych rozmiarw atomw. Pokazane na rysunku kulki zaznaczają tylko położenie rżnych atomw w cząsteczce sacharozy 1 Siatka przestrzenna kryształu sa- charozy Saksonii, zetknêli siê ze specjalnym ceremonia³em przyrz¹dzania i picia herbaty. Poza doskona³ym gatunkiem herbaty, wod¹ i œmietank¹, konieczny jest jeszcze i kandyz, a wiêc cukier w postaci nie kostek, ale piêknych przezroczystych kryszta³ów. W³aœnie takie kryszta³y nauczymy siê zaraz hodowaæ. Na rysunku widzimy strukturê kryszta³u sacharozy, a dorodne kryszta³y tego zwi¹zku na rysunku . I jeszcze jedno wa¿ne wyjaœnienie. Sacharoza to chemicz- na nazwa popularnego cukru. Mo¿e on byæ trzcinowy, buraczany czy z soku klonowego. W tej chwili najwa¿niejsze dla nas jest to, ¿e tworzy ona zawsze kryszta³y szeœcioœcienne. W takich krysz- ta³ach uk³ad atomów w cz¹steczkach jest identyczny jak podany na rysunku . Kryszta³ sacharozy jest dlatego warty omówie- nia, poniewa¿ ma dwukrotn¹ oœ symetrii. ¯eby to przedstawiæ obrazowo, zacznijmy od przyk³adu domku bliŸniaka . Widzimy, ¿e ma on jedn¹ oœ symetrii, zupe³nie podobnie jak w krysztale siarczanu amonu . Inaczej angielski tramwaj piêtrus. Ten ma dwie osie sy- metrii, bo mo¿emy go przeci¹æ i wzd³u¿ i w poprzek . Podob- nie kryszta³ sacharozy mo¿na przekroiæ wzd³u¿ i w poprzek, bo ma w³aœnie dwie osie symetrii . 1 2 3 4a 4b 5a 58 2 Dorodny kryształ sacharozy 5b – atomy – atomy – atomy 3 a b 4 Hodowlê s³odkich kryszta³ów prowadzaæ bêdzie- my w pó³litrowej zlewce albo w s³oiku. Do jednego z tych naczyñ wlewamy wody destylowanej do 3/4 objêtoœci i tak odmierzon¹ iloœæ wody przelewamy do metalowego naczynia i ogrzewamy. Gdy woda ju¿ wrze, stale miesza- j¹c, wsypujemy cukier. Dodajemy go do naczynia tyle ile siê tylko uda rozpuœciæ w tej iloœci gor¹cej wody . 6 a ) Domek bliźniak ma jedną oś symetrii. Jeśli przekroimy go na środku, to obie jego połwki są do siebie symetryczne, b ) Podobnie i kryształ siarczanu amonu ma też jedną oś symetrii a Dwukrotna oœ symetrii b Dwukrotna oœ symetrii a ) Natomiast angielski doczepny wagon tramwajo- wy ma dwie osie symetrii i dlatego możemy go prze- kroić wzdłuż i w poprzek, a symetria zostanie zacho- wana, b ) Rwnież kryształ sacha- rozy ma dwie osie symetrii Roztwór nasycony Tu przypomnimy, ¿e roztwór, w którym w danej temperaturze mimo mieszania nie mo¿e siê ju¿ wiêcej rozpuœciæ cukru, soli czy innej substancji, nazywamy roztworem nasyconym. Ju¿ sporz¹dzony gor¹cy wodny roztwór cukru przelewamy do uprzednio przygotowanej zlewki czy s³oika. Teraz na krawêdzi naczynia k³adziemy prêcik al- bo rurkê szklan¹ z przywi¹zan¹ do niej bawe³nian¹ nit- k¹. Na koñcu nitki zawieszamy spinacz albo pinezkê. D³ugoœæ nitki razem z „obci¹¿nikiem”: dobieramy w ten sposób, ¿eby nie dotyka³a dna. W miarê stygniêcia roztworu rozpuszczalnoœæ cukru w wodzie maleje i jego nadmiar gromadzi siê na nitce. Z wydzielaj¹cego siê cukru powstaj¹ na nitce b³yszcz¹ce, przezroczyste kryszta³y. Po kilku dniach stania naczynia w ciep³ym miejscu, a wiêc po paru dniach odparowywania wody, na naszej nitce urosn¹ du¿e okaza³e kryszta³y tzw. cukru lodowego. Mo¿na tu dodaæ, ¿e swoj¹ nazwê cukier lodowy zawdziêcza wielkiemu podobieñstwu do kryszta³ów lodu. Przyjrzyjmy siê im jeszcze raz – s¹ bezbarwne i przezroczyste. Prawda, ¿e przypominaj¹ sople lodu? W trakcie próbowania te du¿e, piêkne kryszta³y wydaj¹ siê nam ma³o s³odkie. Bior¹c do ust ³y¿eczkê cukru, czujemy intensywn¹ s³odycz, a spory kryszta³ cukru lodowego robi wra¿enie niezbyt s³odkiego. Co mo¿e byæ tego powodem? Ca³e to zamieszanie w odczuciu naszego podnie- bienia sprowadza siê do ró¿nicy szybkoœci rozpuszcza- nia. Powierzchnia kilku tysiêcy drobnych kryszta³ów cukru, mieszcz¹cych siê w jednej ³y¿eczce, jest tak wielka, ¿e rozpuszczanie przebiega bardzo szybko. A powierzchnia nawet bardzo du¿ego kryszta³u jest wielokrotnie mniejsza, a tym samym i rozpuszczalnoœæ znacznie wolniejsza, a wiêc i mniej intensywne odbie- ranie wra¿eñ smakowych. Woda destylowana a b Cukier c Roztwór cukru d 6 Cykl hodowli kryształw sacharozy a), b), c) sporządzanie nasyconego wodnego roztworu sa- charozy, d) wzrost kryształw sacharozy na nitce. 59 5 NaNO 3 7 Krystalizacja na szkiełku przedmiotowym takiej mikrokrystalicznej analizy? Niewiele: – lupa binokularowa albo najprostszy mikroskop, czyli urz¹dzenie umo¿liwiaj¹ce obserwacjê preparatów powiêkszonych 50–100-krotnie, – szkie³ka przedmiotowe, – ma³e pipetki, – prêciki szklane z cienko wyci¹gniêtymi koñcami i – du¿o starannoœci, cierpliwoœci i spostrzegawczoœci. Bardzo wygodne i przyspieszaj¹ce pracê jest przy- gotowanie sobie kilkunastu ma³ych buteleczek 10–20 cm 3 z gotowymi ju¿, 1% roztworami odpowiednich czynników. Do tego celu doskonale nadaj¹ siê buteleczki z kroplomie- rzami po lekarstwach, np. po kroplach do oczu czy do no- sa. Po dok³adnym umyciu, buteleczki te nape³niamy 1% wodnymi roztworami nastêpuj¹cych czynników: A – zwi¹zki organiczne 1 – chinosol (tabletki do p³ukania gard³a) 2 – urotropina 3 – tiomocznik 4 – ditizon 5 – kwas pikrynowy 6 – alizaryna S 7 – kwas sulfosalicylowy 8 – benzydany 9 – l-nitro b-naftol 10 – dwumetyloglioksym 11 – rodizomian sodu 12 – glikosalobis 13 – chloroform 14 – rubean 15 – dwufenylokarbazyd 16 – chloramina T albo woda chlorowa B – zwi¹zki nieorganiczne 1 – azotan srebra 2 – azotan amonu 3 – jodek potasu 4 – siarczan miedzi (II) 5 – azotan o³owiu (IV) 6 – chlorek cyny (IV) 7 – chlorek niklu (II) 8 – chlorek ¿elaza (III) 9 – chromian potasu 10 – dwuchromian potasu 11 – rodanek amonu 12 – chlorek glinu (III) 13 – octan sodu 14 – ¿elazocyjanek potasu 15 – fosforan dwusodowy 16 – rodanortêcian amonu 17 – chlorek wapnia (II) 19 – azotan rtêci (II) To z tych w³aœnie powodów cukrownie ju¿ od dziesi¹tków lat zaprzesta³y produkcji sacharozy grubo- krystalicznej. Tak zwany cukier dyrektorski by³ kiedyœ bardzo elegancki, ale rozpuszcza³ siê stosunkowo wolno. KRYSTALIZACJA NA S ZKIE£KU PRZEDMIOTOWYM A teraz metoda b³yskawicznej krystalizacji, która ma tê zaletê, ¿e umo¿liwia bardzo dok³adn¹ obserwacjê wzrostu pojedynczego kryszta³u albo grupy kryszta³ów. Surowce bêd¹ proste, tanie, a do tego potrzebne w iloœciach mikroskopijnych, bo ten proces krystalizacji bêdziemy œledzili pod mikroskopem. Nie, nie bêdzie to mikroskop elektronowy, krystalograficzny czy z kontras- tem fazowym. Najzupe³niej wystarczy prosty, ma³y mi- kroskop szkolny o niewielkim powiêkszeniu. Na czyst¹ i koniecznie ogrzan¹ p³ytkê przedmio- tow¹ nanosimy kroplê gor¹cego, stê¿onego roztworu azotanu sodu NaNO 3 albo azotanu o³owiu Pb(NO 3 ) 2 . Kroplê szybko nakrywamy cienkim szkie³kiem pokryw- kowym i przystêpujemy do obserwacji. W miarê styg- niêcia roztworu w polu widzenia pojawi¹ siê maleñkie zarodki, które ju¿ po kilku sekundach przyjm¹ postaæ dobrze widocznych kryszta³ków . Je¿eli teraz uwagê skupimy na jednym kryszta³- ku (przesuñmy go na œrodek pola widzenia cienkim prêcikiem szklanym), to z ³atwoœci¹ zaobserwujemy je- go wzrost. Odnosimy wra¿enie, ¿e kryszta³ puchnie. Tymczasem w rzeczywistoœci substancja z roztworu do³¹cza siê do kryszta³u i powiêksza go, ale w sposób planowy, systematyczny. Kszta³t kryszta³u nie ulega zmianie, zmienia siê natomiast jego wielkoœæ. Zmiany zachodz¹ tym szybciej, ¿e kryszta³ jest ograniczony z dwu stron szkie³kami, roœnie wiêc dwuwymiarowo. 7 Przy sporz¹dzeniu roztworów grupy A i B pamiê- tajmy jednak, ¿eby pozostawiæ sobie po kilka kryszta³ków wymienionych substancji. Bo w niektórych reakcjach ana- litycznych pos³ugiwaæ siê bêdziemy roztworami, a w in- nych trzeba stosowaæ substancje w stanie sta³ym. Jak przeprowadziæ reakcjê mikrokrystaliczn¹? Przeprowadzaæ j¹ bêdziemy nie w naczyniach, ale na szkie³ku przedmiotowym i to na nim w³aœnie bê- d¹ zachodziæ reakcje chemiczne w pojedynczych krop- lach odczynników. Dalej, ca³y przebieg reakcji analitycznych zachodz¹- cych w kroplach odczynników na szkie³ku przedmiotowym obserwowaæ i kontrolowaæ bêdziemy pod mikroskopem. KRYSZTA£Y W ANALITYCE 60 O krystalizacji i o kryszta³ach mo¿na mówiæ i pi- saæ nieskoñczenie. My teraz poœwiêcimy czas jednemu z wa¿niejszych dla chemika zastosowañ krystalizacji, a mianowicie roli, jak¹ odgrywaj¹ kryszta³y w analityce. Dokonywanie identyfikacji ró¿nych substancji na drodze badania ich kryszta³ów ma tê wielk¹ przewagê, ¿e do wykonania wystarczy jedna – podkreœlmy – dos- ³ownie jedna kropla roztworu i do tego rozcieñczonego. I dlatego tê metodê nazywamy analiz¹ mikro- krystaliczn¹. Co bêdzie nam potrzebne do prowadzenia Kroplê badanego roztworu (z naciskiem powta- rzamy – 1 kroplê) umieszczamy na szkie³ku przedmioto- wym i tu¿ obok (5 mm) nanosimy kroplê odpowiednie- go odczynnika (lub maleñki kryszta³ek substancji sta- ³ej). Gdy ju¿ ustawimy mikroskop tak, ¿eby kropla ba- danego roztworu by³a dobrze widoczna w polu widze- nia, koñcem cienko wyci¹gniêtej bagietki szklanej wy- konujemy w¹ski kanalik pomiêdzy kroplami. W³aœnie ten w¹ski kanalik jest najwa¿niejszy, bo to w nim na- stêpuje zetkniêcie siê reaguj¹cych ze sob¹ roztworów. W praktyce dziêki takiemu kanalikowi w kroplach z czasem tworz¹ siê strefy o ró¿nych stê¿eniach, co dzia³a niczym nawóz sztuczny na wzrost kryszta³ów. Jeszcze raz przypominamy, ¿e w wiêkszoœci przy- padków przeprowadzenia reakcji mikrokrystalicznych poprzez dodanie kropli do kropli, zamiast po³¹czenia dwu kropli kanalikiem, zaciemni nam tylko obraz two- rz¹cych siê kryszta³ków. Stanie siê tak, bo reakcje zajd¹ zbyt szybko. Mo¿na natomiast – i to siê czêsto stosuje – umieszczaæ ma³y kawa³ek sta³ego odczynnika bezpoœ- rednio w kropli badanego roztworu. A teraz dla przyk³a- du podamy opis wykonania reakcji mikrokrystalicznych, które maj¹ na celu wykrycie kationów srebra Ag + . a) Do kropli roztworu, który mo¿e zawieraæ kation Ag + , dodajemy kroplê 10% HNO 3 i wprowadzamy kryszta- ³ek dwuchromianu potasu K 2 (Cr 2 ) 7 . Tworz¹ siê du¿e p³ytki dwuchromianu srebra o barwie ¿ó³toczerwonej. b) Kroplê badanego roztworu ³¹czymy z kropl¹ urotropi- ny. Tworz¹ siê pierzaste bezbarwne kryszta³ki. c) Kroplê badanego roztworu ³¹czymy z kropl¹ roztworu ditizonu. Powstaje bardzo drobnokrystaliczny osad, zale¿nie od odczynu – fioletowy albo ¿ó³ty. Wszyscy Czytelnicy, którzy wezm¹ udzia³ w zapo- wiadanym naszym konkursie na wyhodowanie dorod- nego kryszta³u, niezale¿nie od zdobycie nagrody, otrzy- muj¹ opisy reakcji mikrokrystalicznych za pomoc¹ któ- rych bêd¹ mogli wykryæ kilkadziesi¹t popularnych ka- tionów i anionów, a tak¿e zwi¹zków, np. kwasów. Konkurs Ogłaszamy konkurs na ładny, samodzielnie wyhodowany kryształ związku organicznego albo nieorganicznego. Warunkiem podstawowym, jak już podawaliśmy, jest praca własnoręczna. Dowodem, że kryształ został samodzielnie wyhodowany, jest obecność nitki, na ktrej ursł. Bez tego dowodu nawet największe i najdorodniejsze kryształy nie biorą udziału w konkursie i są zdyskwalifikowane. Są dwie konkurencje: 1. Kryształy bezbarwne i jednobarwne, np. sacharoza albo siarczan miedzi , 2. Kryształy dwu- lub trjbarwne, np. ałuny . Jeden Czytelnik może brać udział tylko w jednej konkurencji. Jak już sygnalizowaliśmy, głwne nagrody to zestawy szkła laboratoryjnego ufundowane przez firmę CONTIGLASS . Dla uczestnikw konkursu przewidziane są też 3 nagrody książkowe . Kryształy na konkurs należy nadesłać na adres redakcji do 30 X 2006 r . Decyduje data nadania przesyłki. Do eksponatu trzeba dołączyć krtki tekst zawierający opis czynności, jakie zostały wykonane przy hodowli kryształu. Wszyscy uczestnicy konkursu, niezależnie od ewentualnych nag- rd, dostaną opis kilkudziesięciu reakcji mikrokrystalicznych służą- cych do wykrywania ważnych kationw i anionw oraz kwasw or- ganicznych w formie druku i dyskietki. Dlatego ważny jest czytelny adres pocztowy nadawcy. Życzymy powodzenia i z ciekawością czekamy na przesyłki. 61 [ Pobierz całość w formacie PDF ] |