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Come fare cristalli di bismuto

Cristalli di bismuto

Il bismuto (elemento #83 sulla tavola periodica) forma cristalli a tramoggia splendidamente colorati e geometricamente intricati, mostrati nell’immagine a sinistra, quando si raffredda lentamente e si solidifica dal suo stato fuso.

La caratteristica forma “a tramoggia” di un cristallo di bismuto deriva da un tasso di crescita più alto intorno ai suoi bordi esterni che sulla sua faccia interna. Il più alto tasso di crescita sui bordi forma un cristallo che sembra essere parzialmente incavato in un disegno a scala rettangolare-spirale.

L’accattivante gamma di colori del cristallo deriva dalla formazione di un sottile strato di ossido sulla sua superficie. I colori sui cristalli di bismuto sono simili a quelli di una bolla di sapone o di una sottile pellicola di olio sull’acqua, in cui la luce che si riflette sulla parte superiore e inferiore della pellicola produce massimi di interferenza di un colore particolare a seconda dello spessore della pellicola. Un sottile strato di ossido di bismuto sul cristallo di bismuto altrimenti puro fa sì che la luce di certe lunghezze d’onda interferisca costruttivamente alla riflessione dando origine al colore visto sulla superficie. A causa delle variazioni nello spessore dello strato di ossido, il cristallo non è un unico colore solido, ma è piuttosto un arcobaleno di colori corrispondenti alle lunghezze d’onda (e ai colori) della luce che interferiscono costruttivamente in ogni posizione.
Per una spiegazione più approfondita di questo fenomeno, consultare l’argomento dell’interferenza del film sottile.

Crescita di cristalli di bismuto

Per far crescere cristalli di alta qualità, si deve usare bismuto metallico molto puro. Una purezza del 99,99% di bismuto, o migliore, è preferita per la crescita di cristalli di alta qualità.

Un altro fattore importante che influenza la qualità e la dimensione dei cristalli di bismuto è il tempo di raffreddamento. Cristalli più grandi possono essere prodotti permettendo al bismuto di raffreddare e solidificare lentamente dal suo stato fuso.

Il punto di fusione del bismuto è relativamente basso rispetto ad altri metalli a soli 271 °C (520 °F), che è abbastanza basso per fondere facilmente utilizzando una piccola torcia di propano o anche una piastra di laboratorio. Non dimenticare, tuttavia, che hai ancora a che fare con metallo fuso molto caldo, che può scorrere e schizzare proprio come qualsiasi liquido e può causare ustioni dolorose.

Dipendendo dal volume di Bismuto utilizzato, una varietà di contenitori sono adatti a tenere il Bismuto mentre si fonde. Un misurino d’acciaio di piccole e medie dimensioni ha dimostrato di funzionare bene per la preparazione dei cristalli di bismuto.

Passo 1: Fondere il Bismuto

Porre pezzi di Bismuto in una tazza d’acciaio e fonderlo su una piastra calda a calore elevato.

Quando il bismuto si scioglie, la superficie esposta del liquido si ossiderà facilmente a causa dell’alta temperatura e della presenza di ossigeno nell’aria ambiente con la conseguente formazione di una ‘pelle’ grigia sulla superficie superiore; questo è normale.

Passo 2: Versare il Bismuto fuso

Dopo che il Bismuto si è sciolto, versare lentamente e con attenzione il Bismuto liquido in un altro misurino d’acciaio pulito e preriscaldato.

Trasferendo il Bismuto in un nuovo contenitore si può rimuovere la spessa pelle di ossido che si è formata sulla superficie del Bismuto che può influenzare negativamente la crescita dei cristalli. Si può versare lentamente il Bismuto liquido pulito, argenteo, da sotto lo strato di ossido grigio che rimane nel contenitore originale.

Passo 3: Lasciare raffreddare il Bismuto

Porre il Bismuto, nel suo nuovo contenitore, su una superficie ben isolata e resistente al calore per raffreddarsi e cominciare a solidificare. Rimettere il Bismuto sulla piastra calda (con l’alimentazione spenta) permetterà al Bismuto di raffreddarsi molto lentamente mentre ritorna a temperatura ambiente.

Non molto tempo dopo aver versato il Bismuto nel suo nuovo contenitore sarà visibile un nuovo strato di ossido. Il nuovo strato di ossido non sarà spesso come lo strato precedente. Man mano che il nuovo strato di ossido cresce più spesso, cambierà gradualmente colore perché diverse lunghezze d’onda della luce interferiscono costruttivamente dopo la riflessione sulla sua superficie (per la stessa ragione per cui i cristalli di bismuto stessi sono colorati).

Passo 4: Versare il bismuto in eccesso

Prima che il bismuto si solidifichi completamente, versare il bismuto liquido in eccesso in un altro contenitore. Non permettere al Bismuto di solidificarsi completamente; se non si versa il liquido in eccesso in tempo i cristalli rimarranno intrappolati all’interno del grumo di metallo risultante.

I cristalli si formeranno e cresceranno progressivamente più grandi man mano che il Bismuto si congela. Tempi di crescita più lunghi di solito portano a cristalli più grandi. Ma se si aspetta troppo a lungo, il bismuto in eccesso che non è ancora andato a formare il cristallo si solidificherà e intrappolerà i cristalli che si sono formati.

Non c’è una quantità prestabilita di tempo che si deve aspettare prima di versare il bismuto in eccesso poiché varierà a seconda delle condizioni dell’esperimento. Si può testare lo stato del bismuto battendo leggermente sul contenitore. Se si vedono increspature che viaggiano attraverso la superficie, allora la maggior parte del bismuto è ancora liquido. Come più del Bismuto si congela, le increspature avranno meno spazio per viaggiare e le aree dove si stanno formando i cristalli diventano visibili. Fai attenzione a non disturbare troppo il Bismuto che si raffredda perché potrebbe innescare la formazione di nuovi cristalli; invece di produrre solo uno (o pochi) cristalli grandi, potrebbero formarsi molti cristalli molto più piccoli.

Potrebbero essere necessari diversi tentativi per capire quando versare il Bismuto liquido in eccesso. Se si aspetta troppo a lungo e i cristalli rimangono intrappolati, basta rifondere il bismuto e riprovare. Si può anche provare ad usare il bismuto in eccesso che viene versato per formare altri cristalli in contenitori secondari.

Passo 5: Rimozione dei cristalli

Dopo aver versato il Bismuto liquido in eccesso si dovrebbero poter vedere i cristalli di Bismuto che sono cresciuti dentro il contenitore. Il colore dei cristalli dovrebbe svilupparsi in pochi secondi dopo l’esposizione all’aria mentre un sottile strato di ossidazione si forma sulla loro superficie. I cristalli saranno probabilmente attaccati al fondo e ai lati del contenitore; è anche probabile che siano parzialmente fusi con il bismuto non cristallino. Dopo che si sono raffreddati si possono staccare delicatamente i cristalli dal Bismuto non cristallino all’interno del contenitore.

Lasciare che i cristalli si formino sulle superfici interne del contenitore causa imperfezioni intrinseche nella forma dei cristalli, poiché ci sarà sempre un punto sul cristallo dove era precedentemente attaccato a quella superficie. Si può evitare questa imperfezione usando un piccolo cristallo di bismuto sospeso nel bismuto fuso per agire come punto di nucleazione durante la crescita del cristallo. In seguito, si può semplicemente sollevare il cristallo dal Bismuto liquido piuttosto che dover versare il Bismuto in eccesso in un contenitore separato (come nel punto 4). Fai attenzione a non lasciare il cristallo del seme sospeso troppo a lungo perché il Bismuto potrebbe solidificarsi intorno ad esso e renderne impossibile l’estrazione. Inoltre, il cristallo può crescere così grande che può fondersi con altri cristalli che lo circondano, intrappolandolo così anche all’interno.

Come l’acqua / ghiaccio, il bismuto ha l’interessante proprietà di espandersi mentre si solidifica, causando così i cristalli di bismuto non attaccati, solidi, a galleggiare nel loro più denso, liquido, circostante.

Immagini di grandi cristalli di bismuto

Di seguito una serie di immagini di tre grandi cristalli di bismuto che vanno in dimensioni da circa 1 pollice a 3 pollici di larghezza. E’ certamente possibile far crescere cristalli molto più grandi di questi.