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Como fazer cristais de Bismuto

Bismuth Crystals

>Bismuto (elemento #83 na tabela periódica) forma cristais de tremonha lindamente coloridos e geometricamente intrincados, mostrados na imagem à esquerda, uma vez que arrefece e solidifica lentamente a partir do seu estado fundido.

A forma distinta, ‘hoppered’, de um cristal de Bismuto resulta de uma maior taxa de crescimento em torno de suas bordas externas do que em sua face interna. A maior taxa de crescimento nas bordas forma um cristal que parece ser parcialmente escavado em um desenho de escada retangular-espiral.

O conjunto de cores atraentes do cristal resulta da formação de uma fina camada de óxido em sua superfície. As cores dos cristais de Bismuto surgem de uma forma semelhante às de uma bolha de sabão ou de uma película fina de óleo sobre a água, na qual a luz que reflecte a parte superior e inferior da película produz máximos de interferência de uma determinada cor, dependendo da espessura da película. Uma fina camada de Óxido de Bismuto sobre o cristal de Bismuto, de outra forma puro, faz com que a luz de certos comprimentos de onda interfira construtivamente na reflexão, dando origem à cor vista na superfície. Devido a variações na espessura da camada de óxido, o cristal não é uma cor sólida mas sim um arco-íris de cores correspondentes aos comprimentos de onda (e cores) da luz que interferem construtivamente em cada local.
Para uma explicação mais completa deste fenômeno, pesquisar o tópico de interferência de película fina.

Cristais de Bismuto em crescimento

Para cultivar cristais de alta qualidade, deve ser usado metal de Bismuto muito puro. Uma pureza de 99,99% de Bismuto, ou melhor, é preferível para o cultivo de cristais de alta qualidade.

Outro fator importante que afeta a qualidade e tamanho dos cristais de Bismuto é o tempo de resfriamento. Cristais maiores podem ser produzidos permitindo que o Bismuto esfrie e solidifique lentamente a partir do seu estado fundido.

O ponto de fusão do Bismuto é relativamente baixo comparado com outros metais a apenas 271 °C (520 °F), que é baixo o suficiente para derreter facilmente usando uma pequena tocha de propano ou mesmo uma placa quente de laboratório. Não se esqueça, porém, que você ainda está lidando com metal fundido muito quente, que pode fluir e borrifar como qualquer líquido e pode causar queimaduras dolorosas.

Dependente do volume de Bismuto usado, uma variedade de recipientes são adequados para segurar o Bismuto enquanto ele derrete. Um copo medidor de Bismuto de tamanho pequeno a médio, de aço, tem mostrado funcionar bem na preparação de cristais de Bismuto.

Passo 1: Derretendo o Bismuto

Coloque pedaços de Bismuto em um copo medidor de aço e derreta em uma placa quente em altas temperaturas.

Como o Bismuto derrete, a superfície exposta do líquido oxidará prontamente devido à alta temperatura e presença de oxigênio no ar ambiente resultando na formação de uma ‘pele’ cinza na superfície superior; isto é normal.

Passo 2: Verter o Bismuto fundido

Após o Bismuto ter derretido, verter lenta e cuidadosamente o Bismuto líquido em outro copo de medição limpo, pré-aquecido, de aço.

Ao transferir o Bismuto para um novo recipiente, pode-se remover a pele espessa de óxido que se formou na superfície do Bismuto e que pode afetar negativamente o crescimento do cristal. Pode-se verter lentamente o Bismuto limpo, prateado e líquido por baixo da camada de óxido cinza que permanece no recipiente original.

Passo 3: Deixar o Bismuto esfriar

Pôr o Bismuto, no seu novo recipiente, numa superfície bem isolada e resistente ao calor para esfriar e começar a solidificar. Colocando o Bismuto de volta na placa quente (com a energia desligada) permitirá que o Bismuto esfrie muito lentamente à medida que volta à temperatura ambiente.

Não muito depois de despejar o Bismuto no seu novo recipiente, uma nova camada de óxido se tornará visível. A nova camada de óxido não será tão espessa como a camada anterior. À medida que a nova camada de óxido cresce mais espessa, ela irá gradualmente mudar de cor à medida que diferentes comprimentos de onda de luz interferem construtivamente após refletir fora de sua superfície (pela mesma razão pela qual os próprios cristais de Bismuto são coloridos).

Passo 4: Despejando Bismuto extra

Antes do Bismuto se solidificar completamente, despeje o excesso de Bismuto líquido em outro recipiente. Não permita que o Bismuto solidifique totalmente; se não se derramar o líquido em excesso com o tempo, os cristais ficarão presos dentro do nódulo metálico resultante.

Os cristais se formarão e crescerão progressivamente à medida que o Bismuto congela. Tempos de crescimento mais longos geralmente resultam em cristais maiores. Mas se esperarmos muito tempo, o excesso de Bismuto que ainda não entrou na formação do cristal irá solidificar e aprisionar os cristais que se formaram.

Não há tempo definido que se deva esperar antes de derramar o excesso de Bismuto, uma vez que ele irá variar dependendo das condições do experimento. Pode-se testar o estado do Bismuto acendendo uma torneira no recipiente. Se forem vistas ondulações a percorrer a superfície, então a maior parte do Bismuto ainda é líquida. Como mais do Bismuto congela, as ondulações terão menos espaço para viajar e as áreas onde os cristais estão se formando tornarão visíveis. Tome cuidado para não perturbar muito o Bismuto refrescante, pois ele pode desencadear a formação de novos cristais; ao invés de produzir apenas um (ou poucos) cristais grandes, muitos cristais muito menores podem se formar.

Pode ser necessário fazer várias tentativas para saber quando derramar o excesso de Bismuto líquido. Se alguém esperar muito tempo e os cristais ficarem presos basta refazer o Bismuto e tentar novamente. Pode-se até tentar usar o excesso de Bismuto que é derramado para formar cristais adicionais em recipientes secundários.

Passo 5: Remoção de cristais

Após despejar o excesso de Bismuto líquido, deve-se ser capaz de ver os cristais de Bismuto que cresceram dentro do recipiente. A cor dos cristais deve desenvolver-se em segundos após a exposição ao ar como uma fina camada de oxidação que se forma na sua superfície. Os cristais provavelmente serão colados ao fundo e aos lados do recipiente; também é provável que sejam parcialmente fundidos com Bismuto não cristalino. Após o resfriamento, pode-se quebrar suavemente os cristais do Bismuto não cristalino dentro do recipiente.

Permitir que os cristais se formem nas superfícies internas do recipiente causa imperfeições inerentes à forma dos cristais, já que sempre haverá um ponto no cristal onde ele estava anteriormente preso àquela superfície. Pode-se evitar esta imperfeição usando uma pequena semente de cristal de Bismuto suspenso no Bismuto fundido para atuar como um ponto de nucleação durante o crescimento do cristal. Depois disso, pode-se simplesmente levantar o cristal do Bismuto líquido em vez de ter que despejar o excesso de Bismuto para um recipiente separado (como no Passo 4). Tome cuidado para não deixar o cristal de semente suspenso enquanto o Bismuto puder solidificar ao seu redor e tornar impossível a sua extração. Adicionalmente, o cristal pode crescer tão grande que pode se fundir com outros cristais ao seu redor, assim também aprisionando-o dentro.

Como água / gelo, Bismuto tem a interessante propriedade de se expandir à medida que se solidifica, fazendo com que cristais de Bismuto soltos e sólidos flutuem em seu ambiente mais denso, líquido.

Fotos de grandes cristais de Bismuto

A seguir está uma série de imagens de três grandes cristais de Bismuto que variam em tamanho de cerca de 1 polegada a 3 polegadas de largura. É certamente possível cultivar cristais muito maiores do que estes.