Miten valmistetaan vismutti-kiteitä
Vismutti-kiteet
Vismutti (alkuaine nro 83 jaksollisessa järjestelmässä) muodostaa kauniisti värillisiä ja geometrisesti monimutkaisia suppilokiteitä, jotka näkyvät kuvassa vasemmalla, kun se jäähtyy hitaasti ja jähmettyy sulastaan.
Vismutti-kiteen omaleimainen, ”hopperoitu” muoto johtuu siitä, että sen ulkoreunoilla on suurempi kasvunopeus kuin sen sisäpinnalla. Suurempi kasvunopeus reunoilla muodostaa kiteen, joka näyttää olevan osittain ontto suorakulmaisen spiraalimaisen porrasaskelman muodossa.
Kiteen silmiinpistävä värivalikoima johtuu ohuen oksidikerroksen muodostumisesta sen pinnalle. Vismutti-kiteiden värit syntyvät samalla tavalla kuin saippuakuplissa tai ohuessa öljykalvossa veden päällä, jossa kalvon ylä- ja alapuolelta heijastuva valo tuottaa tietyn värisiä interferenssimaksimeja kalvon paksuudesta riippuen. Muuten puhtaan vismutinkiteen päällä oleva ohut vismuttioksidikerros saa aikaan sen, että tiettyjen aallonpituuksien valo interferoi rakentavasti heijastuessaan, jolloin syntyy pinnalla näkyvä väri. Oksidikerroksen paksuuden vaihtelujen vuoksi kristalli ei ole yksivärinen, vaan pikemminkin sateenkaaren värinen, joka vastaa valon aallonpituuksia (ja värejä), jotka interferoivat rakentavasti kussakin kohdassa.
Tämän ilmiön perusteellisemman selityksen saa tutkimalla aihetta Ohutkalvointerferenssi.
Vismutinkiteiden kasvattaminen
Laadukkaiden kiteiden kasvattamiseksi on käytettävä erittäin puhdasta vismuttimetallia. Laadukkaiden kiteiden kasvattamiseen suositellaan 99,99 %:n tai parempaa vismuttipuhtautta.
Toinen tärkeä tekijä, joka vaikuttaa vismutinkiteiden laatuun ja kokoon, on jäähdytysaika. Suurempia kiteitä voidaan tuottaa antamalla vismutin jäähtyä ja jähmettyä hitaasti sulasta tilasta.
Vismutin sulamispiste on muihin metalleihin verrattuna suhteellisen matala, vain 271 °C (520 °F), mikä on riittävän matala sulatettavaksi helposti pienellä propaanipolttimella tai jopa laboratorion keittolevyllä. Älä kuitenkaan unohda, että olet silti tekemisissä hyvin kuuman sulan metallin kanssa, joka voi valua ja roiskua aivan kuten mikä tahansa neste ja aiheuttaa kivuliaita palovammoja.
Vismutin määrästä riippuen erilaiset astiat sopivat pitämään vismuttia sen sulamisen aikana. Pieni tai keskikokoinen, teräksinen mittakuppi on osoittautunut toimivaksi vismutinkiteiden valmistukseen.
Vaihe 1: Vismutin sulattaminen
Teräskuppi, jossa on sulaa vismuttia
Pane vismutinpalat teräksiseen mittakuppiin ja sulata se kuumalla levyllä korkealla lämmöllä.
Vismutin sulaessa nesteen avoin pinta hapettuu helposti korkean lämpötilan ja ympäröivän ilman hapen vaikutuksesta, jolloin yläpintaan muodostuu harmaa ”iho”; tämä on normaalia.
Vaihe 2: Sulan vismutin kaataminen
Sulan vismutin päällä on
paksu kerros
hapettumista ennen kaatamista
Vismutin sulamisen jälkeen kaada nestemäinen vismutti hitaasti ja varovasti toiseen puhtaaseen esilämmitettyyn teräksiseen mittakuppiin.
siirtämällä vismutti uuteen astiaan voidaan poistaa vismutin pinnalle muodostunut paksu oksidihuopa, joka voi vaikuttaa negatiivisesti kristallien kasvuun. Puhdas, hopeanhohtoinen, nestemäinen vismutti voidaan kaataa hitaasti ulos alkuperäiseen astiaan jääneen harmaan oksidikerroksen alta.
Vaihe 3: Vismutin annetaan jäähtyä
Vismutin annetaan jäähtyä
Vismutin annetaan jäähtyä
vismutin jäähtyä välittömästi ennen ensimmäistä
kaadon aloittamista, jotta saadaan irrotettua hapettumiskerroksen
>>sekä kaata. Asettamalla vismutti takaisin kuumalevylle (virta kytkettynä pois päältä) vismutti jäähtyy hyvin hitaasti, kun se palaa huoneenlämpötilaan.
Ei kauan sen jälkeen, kun vismutti on kaadettu uuteen astiaan, uusi oksidikerros tulee näkyviin. Uusi oksidikerros ei ole yhtä paksu kuin edellinen kerros. Uuden oksidikerroksen kasvaessa paksummaksi se vaihtaa vähitellen väriä, kun valon eri aallonpituudet interferoivat rakentavasti heijastuttuaan sen pinnasta (samasta syystä, miksi itse vismutinkiteet ovat värillisiä).
Vaihe 4: Ylimääräisen vismutin
Heti sen jälkeen, kun ylimääräinen
nestemäinen vismutti on kaadettu pois. Vasta muodostuneet kiteet
paljastuvat.
Voit ennen kuin vismutti jähmettyy täysin, kaataa ylimääräinen nestemäinen vismutti pois toiseen astiaan. Älä anna vismutin jähmettyä täysin; jos ylimääräistä nestettä ei kaadeta ajoissa pois, kiteet jäävät loukkuun syntyvän metallikimpaleen sisälle.
Kiteet muodostuvat ja kasvavat asteittain suuremmiksi vismutin jäätyessä. Pidemmät kasvuajat johtavat yleensä suurempiin kiteisiin. Mutta jos odotetaan liian kauan, ylimääräinen vismutti, joka ei ole vielä mennyt kiteen muodostamiseen, jähmettyy ja vangitsee muodostuneet kiteet.
Ei ole olemassa määrättyä aikaa, jota pitää odottaa ennen kuin ylimääräinen vismutti kaadetaan pois, koska se vaihtelee kokeen olosuhteista riippuen. Vismutin tilan voi testata naputtelemalla astiaa kevyesti. Jos pinnalla näkyy aaltoilua, suurin osa vismutista on edelleen nestemäistä. Kun suurempi osa vismutista jäätyy, aaltoilulla on vähemmän liikkumatilaa, ja alueet, joilla muodostuu kiteitä, tulevat näkyviin. Varo häiritsemästä jäähtyvää vismuttia liikaa, sillä se voi laukaista uusien kiteiden muodostumisen; sen sijaan, että syntyisi vain yksi (tai muutama) suuri kide, voi muodostua monia paljon pienempiä kiteitä.
Voi kestää useita kokeiluja, ennen kuin pääset jyvälle siitä, milloin ylimääräinen nestemäinen vismutti pitää kaataa pois. Jos odotetaan liian kauan ja kiteet jäävät jumiin, sulatetaan vismutti vain uudelleen ja kokeillaan uudelleen. Voidaan jopa yrittää käyttää pois kaadettua ylimääräistä vismuttia uusien kiteiden muodostamiseen toissijaisissa astioissa.
Vaihe 5: Kiteiden poistaminen
Lähikuvassa äskettäin muodostuneita kiteitä
ennen kuin ne irrotetaan kiteettömästä vismutista, joka on jäänyt
mukiin. Värikäs ja
geometrisesti mielenkiintoinen osa
kiteestä on alaspäin kohti
mukin pohjaa; näkyvä osa on
päällystetty paksulla harmaalla oksidikerroksella.
Ylijäämäisen nestemäisen vismutin poiskaadon jälkeen pitäisi pystyä näkemään astian sisällä kasvaneet vismutinkiteet. Kiteiden värin pitäisi kehittyä muutamassa sekunnissa, kun ne altistuvat ilmalle, kun niiden pinnalle muodostuu ohut hapettumiskerros. Kiteet ovat todennäköisesti kiinni astian pohjassa ja kyljissä; ne ovat myös todennäköisesti osittain sulautuneet ei-kiteisen vismutin kanssa. Kun ne ovat jäähtyneet, kiteet voidaan varovasti irrottaa astian sisällä olevasta ei-kiteisestä vismutista.
Kiteiden antaminen muodostua astian sisäpinnoille aiheuttaa luontaisia epätäydellisyyksiä kiteiden muotoon, koska kiteessä on aina kohta, jossa se on aiemmin ollut kiinni kyseisessä pinnassa. Tämä epätäydellisyys voidaan välttää käyttämällä sulaan vismuttiin suspendoitua pientä vismutin siemenkidettä, joka toimii nukleaatiopisteenä kiteen kasvun aikana. Sen jälkeen kide voidaan vain nostaa nestemäisestä vismutista sen sijaan, että ylimääräinen vismutti kaadettaisiin erilliseen astiaan (kuten vaiheessa 4). Varo, ettet jätä siemenkidettä riippumaan liian pitkäksi aikaa, sillä vismutti voi jähmettyä sen ympärille ja tehdä sen irrottamisen mahdottomaksi. Lisäksi kide voi kasvaa niin suureksi, että se voi sulautua muiden sitä ympäröivien kiteiden kanssa, jolloin myös se jää jumiin.
Veden/jään tavoin vismutilla on mielenkiintoinen ominaisuus laajentua jähmettyessään, jolloin kiinnittymättömät, kiinteät vismutti-kiteet kelluvat tiheämmässä, nestemäisessä ympäristössään.
Kuvia suurista vismutinkiteistä
Alhaalla on kuvasarja kolmesta suuresta vismutinkiteestä, joiden koko vaihtelee noin 1 tuuman ja 3 tuuman välillä. On varmasti mahdollista kasvattaa paljon suurempia kiteitä kuin nämä.
Kide 1
 |
 |
 |
 |
 |
Kristalli 2
 |
 |
 |
 |
Kristalli 3
 |
 |
 |