Выращивание кристаллов меди
Добрый день, уважаемые читатели.
Сегодня мы поговорим с вами о том, как самостоятельно вырастить кристаллы металлической меди.
Итак, медь — это пластичный металл золотисто-розового цвета (практически розового при отсутствии оксидной пленки). Хорошо проводит тепло и электрический ток. Температура плавления — 1083 градуса Цельсия, температура кипения — 2562 градусов Цельсия. Медь относится к широко используемым в промышленности металлам. Сегодня мы попробуем вырастить кристаллы металлической меди из её соли.
Для проведения опыта необходимо на дно колбы (или банки) насыпать слой соли меди толщиной 3-5 см. Воспользуемся сульфатом меди пятиводным т.е. медным купоросом. Поверх слоя меди насыплем слой хлорида натрия (поваренной соли. Желательно использовать соль с крупными кристаллами) толщиной 5-7 сантиметров. Сверху соль закроем слоем фильтровальной бумаги (я использовал бумагу от кофейного фильтра). Теперь необходимо поверх бумаги положить кусочки железа либо цинка (см. фото ниже).
Далее аккуратно заполняем ёмкость насыщенным раствором хлорида натрия (поваренной соли) так, что бы кусочки железа (цинка) были скрыты слоем раствора хотя бы в 2-3 см. По мере пропитывания хлорида натрия и сульфата меди необходимо доливать раствор.
Теперь остаётся только ждать… Размер кристаллов, а так же процесс роста за 2 недели показан в подборке фото ниже.
Ещё через 2 недели выросшие кристаллы мной были аккуратно извлечены и промыты. Сделать это оказалось достаточно трудно т.к. основная часть кристаллов имеет губчатую структуру т.е. выросла в виде дендритов вокруг кристаллов хлорида натрия. Кроме того кристаллы меди на воздухе достаточно быстро окисляются, что при даёт им грязно-красноватый оттенок.
Но что же у нас происходит с точки зрения химии при росте кристаллов? Давайте разбираться вместе.
Итак, после того, как ёмкость будет заполнена насыщенным раствором хлорида натрия начинает протекать ряд процессов:
Во-первых, хлорид натрия взаимодействует с медным купоросом с образованием комплексного тетрахлоркупрат-аниона. Именно поэтому слой хлорида натрия со временем становится насыщенно-зелёного цвета. Процесс частичного растворения медного купороса и диффузии в слой хлорида натрия занимает некоторое время — поэтому изменение окраски происходит не сразу.
Во-вторых, железо вытесняет медь из раствора её комплексной соли. Именно по такому механизму растут кристаллы металлической меди.
В-третьих, образующийся хлорид железа(II) окисляется растворённым кислородом воздуха до соединений трёхвалентного железа. В концентрированном растворе хлорида натрия ионы трехвалентного железа не остаются в форме простого аквакомплекса, а немедленно гидролизуются, образуя смесь аква-, гидроксо-, и хлорокомплексов переменного состава. Кроме того, и само железо в насыщенном растворе хлорида натрия активно корродирует. Именно соединения трехвалентного железа придают раствору характерный зеленовато-коричневый цвет и рыжий осадок в виде мути.
В достаточно упрощённом виде без учёта ряда протекающих процессов это выглядит вот так:
Плюс вот так:
В-четвёртых, когда кристаллы металлической меди прорастают до зоны с высокой концентрацией тетрахлоркупрат-аниона начинает протекать побочная реакция травления кристаллов самой меди с образованием дихлоркупрат-аниона. При этом параллельно медь(I) в составе дихлоркупрат-аниона диспропорционирует на металлическую медь и тетрахлоркупрат-анион. Данный процесс хорошо знаком тем, кто хотя бы раз травил печатные платы в смеси медного купороса и хлорида натрия. Именно этим побочным процессом (наложением цветов комплексов и мелкодисперсной металлической меди) и обусловлено образование тёмной, зеленовато-черной зоны в месте контакта хлорида натрия, медного купороса и металлической меди.
В-пятых, крупные кристаллы поваренной соли, как и слой фильтровальной бумаги, дополнительно выполняют роль диффузионного барьера, позволяя сформироваться крупным кристаллам металлической меди.
В противном случае будет образовываться рыхлый, губчатый или мелкокристаллический осадок меди, а не крупные кристаллы и дендриты (см. видео ниже с примером проведения качественной реакции на ионы меди(II) — в данном случае реакция замещения протекает без замедляющей процесс среды).
Для проведения опыта необходимо взять 2-3г сульфата меди(II) пентагидрата и растворить в 80-100 мл воды. Если теперь в такой раствор опустить металл, стоящий левее меди в ряду напряжения (например цинк или железо), то на поверхности будет восстанавливаться металлическая медь.
Как говорится — разница очевидна…
Кстати, примерно по таким же механизмам растут дендриты на поверхности печатных плат и во внутренних слоях при недостаточно тщательной отмывке травильных растворов, растворов для химической металлизации, а также некоторых флюсов.
А на этом на сегодня всё. Спасибо что дочитали до конца!