Amazing Rust.com – Bismutkristallen

Hoe maak je Bismutkristallen

Bismutkristallen

Bismut (element #83 op het periodiek systeem) vormt prachtig gekleurde en geometrisch ingewikkelde hopper-kristallen, zoals te zien is op de afbeelding links, wanneer het langzaam afkoelt en stolt vanuit zijn gesmolten toestand.

De kenmerkende, ‘hopperige’ vorm van een Bismutkristal is het resultaat van een hogere groeisnelheid rond de buitenranden dan aan de binnenkant. De hogere groeisnelheid aan de randen vormt een kristal dat gedeeltelijk lijkt te zijn uitgehold in een rechthoekig-spiraalvormig traptredenontwerp.

De opvallende reeks kleuren van het kristal is het resultaat van de vorming van een dunne oxidelaag op zijn oppervlak. De kleuren op Bismutkristallen ontstaan op een gelijkaardige manier als die op een zeepbel of een dunne film van olie op water, waarbij licht dat weerkaatst tegen de boven- en onderkant van de film interferentiemaxima van een bepaalde kleur produceert, afhankelijk van de dikte van de film. Een dunne laag bismutoxide op het verder zuivere bismutkristal zorgt ervoor dat licht van bepaalde golflengten bij weerkaatsing constructief interfereert, waardoor de kleur ontstaat die op het oppervlak te zien is. Door variaties in de dikte van de oxidelaag is het kristal niet één kleur maar eerder een regenboog van kleuren die overeenkomt met de golflengten (en kleuren) van het licht dat op elke plaats constructief interfereert.
Voor een meer diepgaande uitleg van dit verschijnsel onderzoek het onderwerp van dunne film interferentie.

Kweken van Bismutkristallen

Om kristallen van hoge kwaliteit te kweken, moet zeer zuiver Bismutmetaal worden gebruikt. Een zuiverheid van 99,99% Bismut, of beter, verdient de voorkeur voor het kweken van kristallen van hoge kwaliteit.

Een andere belangrijke factor die de kwaliteit en grootte van Bismutkristallen beïnvloedt, is de koeltijd. Grotere kristallen kunnen worden geproduceerd door de Bismut langzaam te laten afkoelen en stollen vanuit zijn gesmolten toestand.

Het smeltpunt van Bismut is relatief laag vergeleken met andere metalen op slechts 271 °C (520 °F), wat laag genoeg is om gemakkelijk te smelten met behulp van een kleine propaanbrander of zelfs een laboratorium hete plaat. Vergeet echter niet dat u nog steeds te maken hebt met zeer heet gesmolten metaal, dat net als elke vloeistof kan vloeien en spatten en pijnlijke brandwonden kan veroorzaken.

Afhankelijk van het gebruikte volume Bismut, zijn een verscheidenheid van containers geschikt om het Bismut te houden terwijl het smelt. Een kleine tot middelgrote, stalen, maatbeker is aangetoond goed te werken voor het bereiden van Bismutkristallen.

Stap 1: Het smelten van het Bismut

Plaats stukjes Bismut in een stalen maatbeker en smelt op een hete plaat bij hoge hitte.

Terwijl het Bismut smelt, zal het blootgestelde oppervlak van de vloeistof snel oxideren als gevolg van de hoge temperatuur en de aanwezigheid van zuurstof in de omgevingslucht, wat leidt tot de vorming van een grijze “huid” op het bovenste oppervlak; dit is normaal.

Stap 2: Het gieten van het gesmolten Bismut

Nadat het Bismut is gesmolten, giet u het vloeibare Bismut langzaam en voorzichtig in een andere schone, voorverwarmde, stalen maatbeker.

Door het Bismut over te gieten in een nieuwe beker kan men de dikke oxidelaag verwijderen die zich op het oppervlak van het Bismut heeft gevormd en die een negatieve invloed kan hebben op de kristalgroei. Men kan het schone, zilverachtige, vloeibare Bismut langzaam uitgieten van onder de grijze oxidelaag die in het oorspronkelijke vat is achtergebleven.

Stap 3: Bismut laten afkoelen

Zet het Bismut in zijn nieuwe houder op een goed geïsoleerd en hittebestendig oppervlak om af te koelen en te beginnen te stollen. Door het Bismut terug te plaatsen op de hete plaat (met de stroom uitgeschakeld) zal het langzaam afkoelen tot kamertemperatuur.

Nauwelijks nadat het Bismut in de nieuwe houder is gegoten, zal een nieuwe oxidelaag zichtbaar worden. De nieuwe oxidelaag zal niet zo dik zijn als de vorige laag. Naarmate de nieuwe oxidelaag dikker wordt, zal zij geleidelijk van kleur veranderen doordat verschillende golflengten van het licht constructief interfereren na weerkaatsing op haar oppervlak (om dezelfde reden waarom de Bismutkristallen zelf gekleurd zijn).

Stap 4: Uitgieten van extra Bismut

Voordat het Bismut volledig stolt, het overtollige vloeibare Bismut in een andere houder gieten. Laat het Bismut niet volledig stollen; als men de overtollige vloeistof niet op tijd uitgiet, zullen de kristallen in de resulterende metaalklomp vast komen te zitten.

De kristallen zullen zich vormen en geleidelijk groter worden naarmate het Bismut bevriest. Langere groeitijden resulteren meestal in grotere kristallen. Maar als men te lang wacht, zal het teveel aan Bismut, dat nog niet in de vorming van het kristal is opgegaan, stollen en de gevormde kristallen insluiten.

Er is geen vaste hoeveelheid tijd die men moet wachten alvorens het teveel aan Bismut uit te gieten, aangezien deze varieert naar gelang van de omstandigheden van het experiment. Men kan de toestand van het Bismut testen door lichtjes op de recipiënt te tikken. Als men rimpelingen over het oppervlak ziet gaan, is het grootste deel van het Bismut nog vloeibaar. Naarmate meer Bismut bevriest, zullen de rimpelingen minder ruimte hebben om zich te verplaatsen en zullen de gebieden waar zich kristallen vormen zichtbaar worden. Zorg ervoor dat u het afkoelende Bismut niet te veel verstoort, want dit kan leiden tot nieuwe kristalvorming; in plaats van één (of enkele) grote kristallen te produceren, kunnen zich vele veel kleinere kristallen vormen.

Het kan een aantal pogingen vergen om te bepalen wanneer de overtollige vloeibare Bismut moet worden uitgegoten. Als men te lang wacht en de kristallen komen vast te zitten, smelt dan het Bismut opnieuw en probeer het opnieuw. Men kan zelfs proberen om de overtollige Bismut die wordt afgegoten te gebruiken om extra kristallen te vormen in secundaire containers.

Stap 5: Verwijderen van kristallen

Na het afgieten van de overmaat vloeibaar Bismut moet men in staat zijn de Bismutkristallen te zien die in de beker zijn gegroeid. De kleur van de kristallen zou zich binnen enkele seconden na blootstelling aan de lucht moeten ontwikkelen, wanneer zich op hun oppervlak een dunne oxidatielaag vormt. De kristallen zullen waarschijnlijk vastzitten aan de bodem en de wanden van het potje; ze zullen waarschijnlijk ook gedeeltelijk versmolten zijn met niet-kristallijn Bismut. Na afkoeling kan men de kristallen voorzichtig losbreken van het niet-kristallijne Bismut in de recipiënt.

Door de kristallen zich te laten vormen op de binnenoppervlakken van de recipiënt, ontstaan inherente onvolkomenheden in de vorm van de kristallen, omdat er altijd een punt op het kristal zal zijn waar het eerder aan dat oppervlak vastzat. Men kan deze onvolkomenheid vermijden door een klein zaad-Bismutkristal te gebruiken dat in het gesmolten Bismut is gesuspendeerd en dat tijdens de kristalgroei als kiempunt fungeert. Daarna kan men het kristal gewoon uit het vloeibare Bismut lichten in plaats van het overtollige Bismut in een afzonderlijk vat te moeten gieten (zoals in stap 4). Laat het zaadkristal niet te lang in suspensie, want dan kan het Bismut eromheen stollen en wordt het onmogelijk om het eruit te halen. Bovendien kan het kristal zo groot worden dat het samensmelt met andere kristallen eromheen, waardoor het ook ingesloten raakt.

Zoals water/ijs heeft Bismut de interessante eigenschap uit te zetten als het stolt, waardoor niet-vastzittende, vaste, Bismut-kristallen in hun dichtere, vloeibare omgeving gaan zweven.

Foto’s van grote Bismutkristallen

Hieronder ziet u een serie foto’s van drie grote Bismutkristallen, variërend in grootte van ongeveer 1 inch tot 3 inch breed. Het is zeker mogelijk om veel grotere kristallen te kweken dan deze.