ВизиЯ Интересный мир Интересно, какие химические процессы стоят за растущими кристаллами?

Что такое пересыщенные растворы?

Могу поспорить, что хоть раз в своей жизни вы натыкались на наглядные инструкции, как вырастить кристаллы в домашних условиях из обычной поваренной соли NaCl или медного купороса CuSO₄.

Что такое супернасыщенные растворы?

А если такие тексты не попадались вам на глаза, то советую посмотреть несколько ссылок на странице соответствующего поискового запроса. Вещь занятная и легко воспроизводимая с помощью подручных материалов. А вот какие химические процессы стоят за растущими кристаллами мы рассмотрим здесь.

Важной характеристикой неорганических и органических соединений является их растворимость, которая показывает, сколько вещества способно раствориться в определенном объёме жидкости. Чаще всего в качестве растворителя рассматривают обычную воду.

Например, растворимость NaCl в воде при комнатной температуре составляет около 36 г/100 мл. Это означает, что мы можем ложкой отсыпать 36 граммов поваренной соли и полностью растворить их в 100 мл воды.

Условно различные неорганические соединения делят на растворимые и малорастворимые. Но стоит отметить, что абсолютно нерастворимых веществ не существует. В той или иной степени все вещества способны растворяться, пусть даже в совершенно незначимых количествах. Поваренная соль относится к хорошо растворимым соединениям. А вот какой-нибудь сульфид ртути HgS — к малорастворимым или практически нерастворимым. В 100 мл воды вы не сможете растворить даже одной молекулы HgS — всё вещество будет осадком лежать на дне. Может быть, взяв объем воды побольше, вам и удастся перевести одну молекулу в растворенную форму, но разве это имеет хоть какое-то значение?

Типы химических растворов

Вернёмся к нашей соли. Если при комнатной температуре мы добавим к воде больше NaCl, чем может раствориться в данном объеме воды, то этот избыток будет лежать на дне в виде кристалликов. Раствор, находящийся в равновесии с твёрдым нерастворившимся веществом, называется насыщенным.

Думаю, вы замечали, что соль в кастрюле с водой лучше растворяется при нагревании. Всё верно, с увеличением температуры увеличивается растворимость. При 100℃ в 100 мл воды растворяется уже почти 40 граммов NaCl.

Собственно, на этом и основано выращивание кристаллов. В горячей воде мы растворяем избыток соли, а при охлаждении он начинает кристаллизоваться на затравке, подвешенной за нитку, потому что растворимость снижается.

Но если мы добьемся, чтобы в нашем сосуде не было центров кристаллизации (пылинок и различных неоднородных примесей), то при охлаждении избыток соли не будет выпадать в осадок, а мы получим пересыщенный раствор. Такие системы неустойчивы (метастабильны) — избыток растворенного вещества легко кристаллизуется при встряхивании или возникновении неоднородностей.

Если в случае с поваренной солью увеличение растворимости при нагревании не так ощутимо, то для других солей, например ацетата натрия, числа принимают более весомые значения (124 г при 20°C и 170г при 100°C на 100 мл воды).

И вот что будет с пересыщенным раствором, если его потревожить.