Amazing Rust.com – Wismutkristalle

Wie man Wismutkristalle herstellt

Wismutkristalle

Wismut (Element Nr. 83 im Periodensystem) bildet wunderschön gefärbte und geometrisch komplizierte Trichterkristalle, wie im Bild links zu sehen, wenn es langsam abkühlt und aus dem geschmolzenen Zustand erstarrt.

Die charakteristische, „trichterförmige“ Form eines Wismutkristalls ergibt sich aus einer höheren Wachstumsrate an den Außenkanten als an der Innenfläche. Die höhere Wachstumsrate an den Rändern bildet einen Kristall, der teilweise ausgehöhlt zu sein scheint, wie eine rechteckig-spiralförmige Treppe.

Die auffällige Farbpalette des Kristalls entsteht durch die Bildung einer dünnen Oxidschicht auf seiner Oberfläche. Die Farben auf Wismutkristallen entstehen auf ähnliche Weise wie auf einer Seifenblase oder einem dünnen Ölfilm auf Wasser, wobei das von der Ober- und Unterseite des Films reflektierte Licht je nach Dicke des Films Interferenzmaxima einer bestimmten Farbe erzeugt. Eine dünne Schicht aus Wismutoxid auf dem ansonsten reinen Wismutkristall bewirkt, dass Licht bestimmter Wellenlängen bei der Reflexion konstruktiv interferiert, was zu der auf der Oberfläche sichtbaren Farbe führt. Aufgrund von Schwankungen in der Dicke der Oxidschicht ist der Kristall nicht einfarbig, sondern ein Regenbogen von Farben, die den Wellenlängen (und Farben) des Lichts entsprechen, das an jeder Stelle konstruktiv interferiert.
Für eine gründlichere Erklärung dieses Phänomens recherchieren Sie das Thema der Dünnschichtinterferenz.

Wachsen von Wismutkristallen

Um qualitativ hochwertige Kristalle zu züchten, muss sehr reines Wismutmetall verwendet werden. Ein Reinheitsgrad von 99,99 % oder besser wird für die Züchtung hochwertiger Kristalle bevorzugt.

Ein weiterer wichtiger Faktor, der die Qualität und Größe von Wismutkristallen beeinflusst, ist die Abkühlzeit. Größere Kristalle können erzeugt werden, indem man das Bismut langsam aus dem geschmolzenen Zustand abkühlen und erstarren lässt.

Der Schmelzpunkt von Bismut ist im Vergleich zu anderen Metallen relativ niedrig und liegt bei nur 271 °C (520 °F), was niedrig genug ist, um mit einer kleinen Propanfackel oder sogar einer Laborheizplatte leicht geschmolzen zu werden. Vergessen Sie jedoch nicht, dass Sie es immer noch mit sehr heißem, geschmolzenem Metall zu tun haben, das wie jede andere Flüssigkeit fließen und spritzen und schmerzhafte Verbrennungen verursachen kann.

Abhängig von der Menge des verwendeten Wismuts eignen sich verschiedene Behälter, um das Wismut während des Schmelzens aufzunehmen. Ein kleiner bis mittelgroßer Messbecher aus Stahl hat sich für die Zubereitung von Wismutkristallen als gut geeignet erwiesen.

Schritt 1: Schmelzen des Bismuts

Stücke von Bismut in einen Stahlmessbecher geben und auf einer heißen Platte bei hoher Hitze schmelzen.

Wenn das Bismut schmilzt, oxidiert die freiliegende Oberfläche der Flüssigkeit aufgrund der hohen Temperatur und der Anwesenheit von Sauerstoff in der Umgebungsluft leicht, was zur Bildung einer grauen „Haut“ auf der oberen Oberfläche führt; dies ist normal.

Schritt 2: Ausgießen des geschmolzenen Wismuts

Nachdem das Wismut geschmolzen ist, gießen Sie das flüssige Wismut langsam und vorsichtig in einen anderen sauberen, vorgewärmten Stahlmessbecher.

Indem man das Bismut in ein neues Gefäß umfüllt, kann man die dicke Oxidhaut entfernen, die sich auf der Oberfläche des Bismuts gebildet hat und das Kristallwachstum negativ beeinflussen kann. Man kann das saubere, silbrige, flüssige Wismut langsam unter der grauen Oxidschicht ausgießen, die im ursprünglichen Behälter zurückbleibt.

Schritt 3: Wismut abkühlen lassen

Das Wismut in seinem neuen Behälter auf eine gut isolierte und hitzebeständige Oberfläche stellen, damit es abkühlt und zu erstarren beginnt. Wenn Sie das Wismut zurück auf die Heizplatte legen (bei ausgeschaltetem Gerät), kann es sich langsam auf Raumtemperatur abkühlen.

Nicht lange nachdem Sie das Wismut in seinen neuen Behälter gegossen haben, wird eine neue Oxidschicht sichtbar werden. Die neue Oxidschicht ist nicht so dick wie die vorherige Schicht. Wenn die neue Oxidschicht dicker wird, wird sie allmählich ihre Farbe ändern, da verschiedene Wellenlängen des Lichts nach der Reflexion an ihrer Oberfläche konstruktiv interferieren (aus demselben Grund, aus dem die Wismutkristalle selbst farbig sind).

Schritt 4: Ausgießen von überschüssigem Wismut

Bevor das Bismut vollständig erstarrt, gießen Sie das überschüssige flüssige Bismut in einen anderen Behälter. Lasse das Wismut nicht vollständig erstarren; wenn man die überschüssige Flüssigkeit nicht rechtzeitig ausgießt, werden die Kristalle im Inneren des entstehenden Metallklumpens eingeschlossen.

Die Kristalle bilden sich und werden beim Gefrieren des Wismuts immer größer. Längere Wachstumszeiten führen normalerweise zu größeren Kristallen. Wartet man jedoch zu lange, so erstarrt das überschüssige Wismut, das noch nicht in die Kristallbildung eingeflossen ist, und schließt die bereits gebildeten Kristalle ein.

Es gibt keine feste Zeitspanne, die man abwarten muss, bevor man das überschüssige Wismut ausgießt, da sie von den Versuchsbedingungen abhängt. Man kann den Zustand des Bismuts durch leichtes Klopfen auf den Behälter prüfen. Wenn man Wellen auf der Oberfläche sieht, ist der größte Teil des Wismuts noch flüssig. Je mehr Wismut gefriert, desto weniger Platz haben die Wellen, und die Bereiche, in denen sich Kristalle bilden, werden sichtbar. Achte darauf, das abkühlende Bismut nicht zu sehr zu stören, da dies die Bildung neuer Kristalle auslösen kann; statt nur eines (oder weniger) großer Kristalle können sich viele viel kleinere Kristalle bilden.

Es kann mehrere Versuche erfordern, um herauszufinden, wann man das überschüssige flüssige Bismut ausgießen muss. Wenn man zu lange wartet und die Kristalle eingeschlossen werden, schmilzt man das Wismut einfach wieder und versucht es erneut. Man kann sogar versuchen, das überschüssige Bismut, das abgegossen wird, zur Bildung weiterer Kristalle in zweiten Behältern zu verwenden.

Schritt 5: Entfernen der Kristalle

Nach dem Abgießen der überschüssigen Wismutflüssigkeit sollte man die Wismutkristalle sehen können, die im Inneren des Behälters gewachsen sind. Die Farbe der Kristalle sollte sich innerhalb von Sekunden entwickeln, wenn sie der Luft ausgesetzt werden, da sich eine dünne Oxidationsschicht auf ihrer Oberfläche bildet. Die Kristalle kleben wahrscheinlich am Boden und an den Seiten des Behälters; sie sind wahrscheinlich auch teilweise mit nichtkristallinem Wismut verschmolzen. Nach dem Abkühlen kann man die Kristalle vorsichtig von der nichtkristallinen Wismut im Inneren des Behälters lösen.

Wenn man die Kristalle an den Innenflächen des Behälters wachsen lässt, führt dies zu Unvollkommenheiten in der Form der Kristalle, da es immer einen Punkt auf dem Kristall geben wird, an dem er zuvor an dieser Oberfläche befestigt war. Man kann diese Unvollkommenheit vermeiden, indem man einen kleinen Wismutkristall verwendet, der in der Wismutschmelze schwebt und während des Kristallwachstums als Keimpunkt dient. Danach kann man den Kristall einfach aus dem flüssigen Bismut herausheben, anstatt das überschüssige Bismut in einen separaten Behälter zu gießen (wie in Schritt 4). Achten Sie darauf, den Impfkristall nicht zu lange in der Schwebe zu lassen, da sich das Wismut um ihn herum verfestigen kann, so dass er nicht mehr herausgezogen werden kann. Außerdem kann der Kristall so groß werden, dass er mit anderen Kristallen in seiner Umgebung verschmilzt, wodurch er ebenfalls eingeschlossen wird.

Wie Wasser/Eis hat Wismut die interessante Eigenschaft, sich beim Erstarren auszudehnen, so dass ungebundene, feste Wismutkristalle in ihrer dichteren, flüssigen Umgebung schwimmen.

Bilder von großen Wismutkristallen

Unten finden Sie eine Reihe von Bildern von drei großen Wismutkristallen, die zwischen 1 und 3 Zoll groß sind. Es ist sicherlich möglich, viel größere Kristalle als diese zu züchten.