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[感受化学之美] 【晶体化学】晶体制作入门【转载】

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发表于 2014-2-22 15:10:53 | 显示全部楼层 |阅读模式

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转载自百度晶体化学吧谢谢原作者

正文开始！
这篇文章的主要♂受♂众是初来的新手和一些刚刚入门对一切还不大清楚的新人，老人可以无视。
我之所以在标题里面打的是“晶体制作”，是因为这与晶体化学是有区别的。晶体制作只是晶体化学里的一部分，皮毛而已，甚至算不上一个分支，只能说是一个步骤。甚至我们现在做的晶体与晶体化学实验室里面做出来的晶体也有极大的差距。人家用水热法之类的东西做了N多种我们做不出来的晶体，哪怕是用和我们一样的溶解法，他们也是要求千分之几的温度差，少则几月多则一年的蒸发时间……当然我们没有必要追求那么多，晶体制作我们只需要知道里面的一丢丢只是就可以了。（笔者不是专们研究这个的，只是粗粗看了一两个文献，做了几种晶体罢了，而且我学历也不高，只是粗三党，如有错误欢迎指正）
那啥，和机油花了一周写出来的，有些吧里已经有了就没写。还有那啥文章太长没仔细检查，有错别字就无视吧，神奇的输入法~

首先我们要明确你想成为那种晶体er。第一种就是尝鲜，送妹纸。这些人做过几次就不做了，故此只需要低端的配置即可，大部分可以用家里的东西代替。第二种是普通实验党，他们能做许多常规的晶体且可以一直做下去，他们喜欢这门技术（指晶体制作），他们希望在这方面有所造诣。第三种是大土豪，他们未必对着门技术有太大的兴趣，但他们有专业的设备，故此可以用更少的时间和精力做出更多更稀奇古怪的晶体。还有一种是学术党，他们不一定有设备，他们可能没做过多少晶体，但他们在晶体化学这门学科（不止是技术了）里面懂得比常人多得多。
对于尝鲜者，他们可以用这些东西（仅指装备）：天然气灶（加热），烧杯培养皿（析晶，放溶液），竹签（搅拌），漏斗眼镜布（过滤）。
对于普通实验党，他们需要：小功率电炉（酒精灯什么的有点土豪），烧杯培养皿，玻璃棒，漏斗滤纸，温度计，天平，手套。
对于大土豪，在实验党的基础上他们还需要：大功率电炉，磁力搅拌器，恒温水浴锅，恒温漏斗，抽滤装置（全套），防毒面具，通风橱，高精度电子称（十毫克甚至更精确）。。。
对于学术党，他们可以没有装备，但他们一定要有书。你要尊重学术党，他们会为我们的想法找到一条切实可行的路，甚至可以引发一张晶体革命。
当然我希望的完美晶体er是集后三者的优点于一身的。
其次我们要知道我们能做哪些晶体。一般而言最初入门是明矾，之后可以试着去做硫酸铜、氯化钾、硫酸铬钾，如果你对常温蒸发掌握得不错可以去试着做重铬酸钾、氯化钠。做完这些你估计可以对晶体制作有一定的了解了，后面你该做什么你自己应该就知道了。你可以向同质类晶，复盐，络合物方向发展。当然你也可以去挑战常规晶体的极限，比如做出玉玺那么大的氯化钠←_←
有些物质比较特别，他们不溶于纯净水，但在某些特别的溶液或者是溶剂中会溶解，你可以去试着做这些东西。比如说硫。
还有一些东西它难以溶于常规的溶剂，但他们熔点比较低，一般可以用常规方法熔化（甚至有些在常温下就是液态的），你可以用熔化-凝固法去做这些晶体（这个名字是我自己想出来的）。比如说铋、镓。还有一些不是单质的也可以，比如说叔丁醇、水（←_←）。
理论上一切纯净物都是可以做晶体的，只不过很多我们做不到足够让它结出晶体的条件（例如高温高压），所以请不要再问什么东西可以做晶体之类的问题。
当然在做这些东西之前你要知道这些东西的毒理，还有他们会不会在某些条件下生成一些危险的东西。你要去看一些毒理贴。如果物质的化学式里面有些奇怪的东西要小心（如CN N3 N2H4 Cr Ni），还有一些有机物，你要先上网查一下这些东西的毒理再去操作。有些物质在特定条件下会和环境中的东西发生反应或者是自分解（比如说黄血盐、赤血盐），还有些东西会和某些可能的残余物质反应（比如说脑残物和酸，当然你一般弄不到脑残物），你要特别小心，毕竟生命只有一次。对于普通的东西，不吃即可，对于一些奇怪的东西，除了不吃你还不能用皮肤碰。当然了，最好是不要睡在晶体培养的地方。虽然说理论上溶液蒸发是不会损失溶质的，但是毕竟分子在永不停息地做无规则运动，总有某些不安分的家伙会因为一些原因扩散到空气中。如果你不得不睡在一起，请把培养皿放到一个大箱子里（不要太小否则就没蒸发空间了，而且要定期打开通风），睡觉时盖上盖子，还要保持房间通风，而且奉劝你不要做那些毒性较大的晶体了。
知道了你要做哪些晶体，下面你应该知道晶体是怎么制作出来的。相信你一定已经看过一些晶体的教程（如果没有等看完这篇再去看也无妨），你一定惊讶于这些透明的溶液里面怎么会出来这些可耐的小家伙，现在就让我来告诉你一些吧。

首先我们要知道结晶的过程。首先是溶液饱和了（注意只有饱和了才能析晶），之后溶液会自己长出几个凝结核（你也可以自己加，比如说用晶籽，即小晶核，还可以用灰尘、纸巾等），然后随着溶液的蒸发或者是降温，越来越多的物质析出了，他们纷纷靠向这些先行者——凝结核，然后他们团成团，越滚越大，就像滚雪球一样，滚成了我们看到的晶体。所以你不能让结晶太快，否则溶液会长出太多的凝结核，也会有过多的物质涌向凝结核，于是那里发生事故，前面发生事故了，但后面的物质还在源源不断的涌过来，所以事故会越来越大，导致我们看到的裂痕。当然，当凝结核过多的时候他们会撞车，然后造成晶簇、大饼等。

其次，我们还要知道有个过饱和态存在。即虽然到了该析出晶体的温度，却还没有晶体析出，这是因为溶液里面的溶质往往比较淡定（特别是降到常温之后），他们眷恋溶剂，就像鲁迅深深地眷恋着他回忆中的故乡……所以他们常常会晚到几摄氏度。因此你要淡定，不要看到晶体没析出就去搅和一下，这样会使溶质大量析出的（因为你破坏了溶液的和谐与稳定，还给了溶质凝结核）。So，在析晶的时候不要去动它，让它安静地碎觉觉吧。

当然如果你给它们几个凝结核（注意要在溶液近饱和的时候加进去，否则结果同上段描述的，虽然晶籽或多或少会有溶解，不过只要保证晶籽长大之后比原来的大你就赚了），他们会生长得更好，特别是晶籽比较多的时候。因为他们有了自己人生的方向。而且我们能看到的晶籽往往比溶液自己长出的凝结核的表面积大很多，不容易发生撞车事故。当然你也要小心晶籽上原有的事故扩大化。

根据上面的内容我们可以把溶液这么分。常温饱和、常温不饱和、常温过饱和、热不饱和、热饱和、热过饱和。我们一般在用的是常温饱和和热饱和、热不饱和。

这六个名字按前缀分可以分成常温溶液和热溶液。一般而言常温溶液比热溶液析出的晶体透明度更高，析出单晶的几率比热溶液更大（注意是一般而言）。热溶液析出的晶体透明度较差而且单晶较少，主要是双晶、多晶、晶簇（按容器底形成的饼状的晶簇在这里叫做大饼）。

根据后缀分，可以分为过饱和、饱和、不饱和。学过溶解度的都知道（如果你还不知道溶解度、溶解度曲线什么的，建议去百度百科补习一下，不难的），这和单位溶剂中的溶质有关系。一般而言三者结晶的好坏按从好到坏是不饱和、饱和、过饱和。当然在常温下饱和和常温下不饱和没有太大区别（这是一个习题，聪明的小朋友们，你们知道为什么吗？）。

我们常用的三种方法的优劣如下：
（1）常温饱和：即常温下加到饱和状态，使其析晶。也叫蒸发析晶。制作周期较长，但是晶体一般比较好（投入越大回报越大）。
（2）热不饱和：我要说明一下，这个热不饱和一般是指在热溶液中没达到饱和，但降至常温后到达饱和，开始析晶（如果常温还不饱和就和常温不饱和法一样啦）。这种方法如果控制得当，那么可以既快又好，当然我们那一保证此次都有好运气。
（3）热饱和：对于溶解度变化大的晶体而言，这种方法极易出现大饼，溶解度小的也容易不透明。不过由于这种方法速度快，对于那些对透明度要求不高的（如入门者刚做的晶体，各种晶簇，玫瑰什么的），这真是极好的。

当然了你也要了解一些物质的特性，有些物质最好用降温结晶，有些最好用蒸发结晶，有些要控制结晶温度（比如说在三十多摄氏度以上才会结出α硫酸镍），还有些物质的溶解度曲线比较特别，比如说山峰型的硫酸锰，平胸的氯化钠等等。

我们还知道明矾和铬明矾（硫酸铬钾）是可以形成混晶的（这里说的混晶大概是指染了色不破坏晶型的那种）。那么这是为什么呢？因为他们是同质类晶。同质类晶往往晶型相似，物质组成相似，一般是复盐。所以你不要随便乱混晶，他们一般是无法互相染色的，有些即是染了色也会对晶体的品质造成极大的影响。当然有些时候人品大爆发是会有染色的好晶体出现，不过你最好不要一直迷信这种人品。吧里还有用染料染色的，感觉染出来很不好看，个人感觉无爱。

当然，在知道结晶的一些原理之后，你还要知道如何保养你的晶体（溶液），其实晶体制作和保存难度相差无几，特别是那些难保存的晶体。

你要知道一些溶液是需要加酸的，例如硫酸亚铁、硫酸锰（其实硫酸亚铁铵也最好加酸）。这是为什么呢？因为这些晶体在水溶液中非常容易被氧化，需要加酸来抑制氧化。一般而言加入的是其酸根对应的酸（即常规使用硫酸），当然有人探究过硫酸亚铁加磷酸也是可以达到同样的效果的。我再重申一遍，加酸只是抑制氧化，达不到还原的效果。等溶液已经有变化了再加就没用了。而且这些物质一般不要强加热，强加热是会推动氧化的。

上面说到是要加其酸根对应的酸，这是为什么呢？因为如果你结晶加了别的酸，一来有可能会和溶质发生反应，二来引入多余的离子（如硫酸亚铁加磷酸，磷酸根就是多余的离子）对结晶无益，有时甚至会影响结晶。

不过一般而言氧化的不是特别严重还是可以做晶体的，晶体结出来还是原来的东西。但是毕竟溶剂会有损失，而且听说硫酸铁（Ⅲ）是会析出提供凝结核的（这点有点奇怪，度娘说硫酸铁在存在亚铁离子时溶解度是蛮大的啊）。

有些物质是强水解的，比如说三氯化铁。虽然说溶液红红的很好看，但你一般做不出它的晶体。这东西析晶只会析出氢氧化铁（铁离子电离生成氢氧化铁和盐酸，盐酸挥发使平衡打破），我相信你不会这么土豪以至于可以让它在氯化氢氛围下结晶吧~（我的一个朋友说他不知道可不可以加盐酸来维持平衡，好吧我也不知道……）

有的时候溶液放久了你会发现一些溶剂爬了出来，很吓人。原因有许多种，一种是毛细效应。因为培养皿没有擦干净，壁上残留有灰尘，充当了毛细管的作用，把溶液吸了出去。当你把纸巾的一头浸入水中，会发现液面上的纸巾也有一部分湿了，就是这个原因。还有一种原因是因为溶液装得过满，培养皿的壁沿上面存在溶液，这些溶液蒸发析出的晶体会残留在壁沿上，充当毛细管的作用，把溶液吸上来。这些吸上来的溶液继续蒸发，析出晶体，就导致了我们看到的爬晶。一般第一种的处理方法就是在加溶液之前吧培养皿洗干净。第二种的处理方法即是不要让溶液与壁沿齐平，要及时擦掉在壁沿上的水和溶液
。
知道溶液里发生的一些事情之后，你还要知道在空气中会发生什么，比如说析晶。不要以为你把晶体拿出溶液就不会析晶了。有时候你可能会感觉晶体刚一出水表面光滑如镜，沾了些溶液十分鲜亮，但不就表面就有些粗糙了。你可能会将此怪罪于风化，但其实析晶也是不可忽视的。注意那些表面沾有的溶液。由于表面积过大，他们会在短时间内蒸发完毕，然后在晶体表面留下大量的杂晶，虽然那些杂晶太小了，几乎看不清，但还是十分影响美感的，特别是那些溶解度很大的晶体。所以把晶体夹出啦之后的第一件事就是把表面残留的溶液擦干。

还有些物质是容易风化的，或者容易在空气中氧化变质。他们一般带有结晶水且结晶水容易被脱去，或他们容易被氧化，比如说七水合硫酸亚铁、四水合硫酸锰、硫酸镍β等。他们需要在液体石蜡中保存。你也可以放到水晶滴胶里面，还可以刷清漆、指甲油之类的。不过有些晶体实在是太容易风化了以至于这些方法都难以保存他们。如果你的晶体已经表面有一些风化了的话（适用于轻微风化，被氧化没用），你可以把晶体浸在近饱和的溶液里几秒钟，然后拿出来，如果表面的无水物还没有除掉就再泡一会，或者直接泡到清水里，不过时间不要过长。

有些物质是容易光解的，比如说硝酸银、硫酸亚铁铵（这东西光解不明显）。这类东西比较少，当然你也需要防止，你总不希望自己辛辛苦苦做出来的东西付之东流吧。

接下来是推荐晶体制作流程：
综上所述，再加上电视机的那个“工业连续结晶”的贴子，我设计了一个对于常规实验党而言可以做到的结晶流程。不是特别土豪，可以将溶液尽可能地利用，结出来的晶体质量也蛮高的，速度也还可以，对环境污染小（母液可以很长时间才换一次）。总之可以做到廉价、高效、环保。当然这只是一个推荐的结晶流程，你们可以根据自己的条件，进行一些改变，甚至是创新。

首先，我们需要配置常温下饱和溶液。我不推荐单纯是按溶解度表去配，因为据我所知溶解度表版本很多，偏差很大，而且溶解度表每个温度差了10℃，比较不精确，我们还需要准确地去称量，还需要去考虑结晶水的问题……我推荐是直接加，先看一下溶液度确定一个大概的量，加进去，等一晚上，如果全溶了就再加一点，知道有剩余。这就是母液，放母液的烧杯称作是母液烧杯。

之后我们需要倾出上层清液（此时清液是饱和的），放到一个新烧杯里，倾出了一丢丢固体没有关系，如果不小心弄出很多就重来一回吧。然后加热这些清液，加热到比室温高十到十五摄氏度（我用的是热不饱和法），得到了温热的不饱和溶液，然后过滤，再把它放进培养皿里面。如果有晶核就放晶核，没晶核就这么放着吧，静置析晶。

等到晶核长大或出现晶核，就可以把溶液倒回母液烧杯里面，然后把成品晶体或是晶核夹出来，不要的杂晶就扔到母液烧杯里面去。然后我们等一两个小时，再把上层清液倾出来，重复这一过程。

注意，要保证母液维持在一定的数量，循环几次之后会发现母液明显减少，这时候我们需要加蒸馏水补充。注意补充完以后要保证母液还是饱和的，所以我们要在等一个晚上，如果底下的杂晶还有，那么溶液差不多就饱和了，如果没了，继续加直至饱和。

在这个体系之中，最重要的是母液烧杯，它就是一个缓冲器。如果溶液不饱和，母液烧杯中的杂晶就会溶解使之维持饱和。如果过饱和，那么溶液会析晶使杂晶长大，使溶液返回饱和。要注意这一平衡过程是需要很长时间的，上面说的等一个晚上、几个小时之类的就是给予时间让他们平衡，在这段时间之中我们最好是要经常去搅拌一下（我听别人说咖啡中的糖不搅拌几万年都不会溶解）。母液烧杯中如果有溶液，而我们没有时间去加热处理，那么最好加一个盖子减少蒸发，补充蒸馏水这步最烦了。。。
注意此法只是对于那些大量制作的晶体而言的，少于100ml的可以不用此法

下面上图：
流程.jpg