Amazing Rust.com – Cristale de bismut

Cum să faci cristale de bismut

Cristale de bismut

Bismutul (elementul nr. 83 din tabelul periodic) formează cristale de buncăr frumos colorate și complicate din punct de vedere geometric, așa cum se arată în imaginea din stânga, pe măsură ce se răcește și se solidifică încet din starea sa topită.

Forma distinctivă, „cu tolbă”, a unui cristal de bismut rezultă dintr-o rată de creștere mai mare în jurul marginilor sale exterioare decât pe fața sa interioară. Rata mai mare de creștere de pe margini formează un cristal care pare a fi parțial golit în formă de treaptă de scară dreptunghiulară-spirală.

Gama de culori atrăgătoare a cristalului rezultă din formarea unui strat subțire de oxid pe suprafața sa. Culorile de pe cristalele de bismut apar într-un mod similar cu cele de pe un balon de săpun sau de pe o peliculă subțire de ulei pe apă, în care lumina care se reflectă în partea superioară și inferioară a peliculei produce maxime de interferență de o anumită culoare, în funcție de grosimea peliculei. Un strat subțire de oxid de bismut pe cristalul de bismut, de altfel pur, face ca lumina cu anumite lungimi de undă să interfereze constructiv la reflexie, dând naștere la culoarea observată pe suprafață. Datorită variațiilor în grosimea stratului de oxid, cristalul nu are o singură culoare solidă, ci mai degrabă un curcubeu de culori care corespunde lungimilor de undă (și culorilor) ale luminii care interferează constructiv în fiecare locație.
Pentru o explicație mai amănunțită a acestui fenomen, cercetați subiectul interferenței peliculelor subțiri.

Creșterea cristalelor de bismut

Pentru a crește cristale de înaltă calitate, trebuie folosit un metal de bismut foarte pur. O puritate de 99,99% Bismut, sau mai bună, este preferată pentru a crește cristale de înaltă calitate.

Un alt factor important care afectează calitatea și dimensiunea cristalelor de Bismut este timpul de răcire. Cristale mai mari pot fi produse dacă se lasă Bismutul să se răcească și să se solidifice lent din starea sa topită.

Punctul de topire al Bismutului este relativ scăzut în comparație cu alte metale, la numai 271 °C (520 °F), ceea ce este suficient de scăzut pentru a fi ușor de topit cu ajutorul unei mici torțe cu propan sau chiar a unei plăci fierbinți de laborator. Nu uitați, totuși, că aveți totuși de-a face cu un metal topit foarte fierbinte, care poate curge și stropi la fel ca orice lichid și poate provoca arsuri dureroase.

În funcție de volumul de Bismut folosit, o varietate de recipiente sunt potrivite pentru a ține Bismutul în timp ce se topește. S-a demonstrat că o cană de măsurare din oțel, de mărime mică sau medie, funcționează bine pentru prepararea cristalelor de Bismut.

Pasul 1: Topirea Bismutului

Puneți bucățile de Bismut într-o cană de măsurare din oțel și topiți-le pe o placă fierbinte la căldură mare.

În timp ce Bismutul se topește, suprafața expusă a lichidului se va oxida ușor datorită temperaturii ridicate și prezenței oxigenului din aerul ambiant, ducând la formarea unei „piei” gri pe suprafața superioară; acest lucru este normal.

Pasul 2: Turnarea Bismutului topit

După ce Bismutul s-a topit, turnați încet și cu grijă Bismutul lichid într-o altă cană de măsurare din oțel, curată și preîncălzită.

Prin transferarea Bismutului într-un nou recipient se poate îndepărta pielea groasă de oxid care s-a format pe suprafața Bismutului și care poate afecta negativ creșterea cristalelor. Se poate turna încet Bismutul curat, argintiu, lichid, de sub stratul de oxid gri care a rămas în urmă în recipientul original.

Pasul 3: Se lasă Bismutul să se răcească

Se așează Bismutul, în noul său recipient, pe o suprafață bine izolată și rezistentă la căldură pentru a se răci și a începe să se solidifice. Plasarea Bismutului din nou pe placa fierbinte (cu alimentarea oprită) va permite Bismutului să se răcească foarte încet, pe măsură ce revine la temperatura camerei.

La scurt timp după ce a turnat Bismutul în noul său recipient, va deveni vizibil un nou strat de oxidare. Noul strat de oxid nu va fi la fel de gros ca și stratul anterior. Pe măsură ce noul strat de oxid devine mai gros, acesta își va schimba treptat culoarea pe măsură ce diferite lungimi de undă ale luminii interferează constructiv după ce se reflectă pe suprafața sa (din același motiv pentru care cristalele de Bismut în sine sunt colorate).

Pasul 4: Turnarea surplusului de Bismut

Înainte ca bismutul să se solidifice complet, turnați excesul de bismut lichid într-un alt recipient. Nu lăsați Bismutul să se solidifice complet; dacă nu se toarnă la timp excesul de lichid, cristalele vor rămâne blocate în interiorul bucății de metal rezultate.

Cristalele se vor forma și se vor mări progresiv pe măsură ce Bismutul îngheață. Un timp de creștere mai lung duce de obicei la cristale mai mari. Dar dacă se așteaptă prea mult, excesul de Bismut care nu a intrat încă în formarea cristalului se va solidifica și va prinde cristalele care s-au format.

Nu există o perioadă de timp prestabilită pe care trebuie să o așteptăm înainte de a turna excesul de Bismut, deoarece aceasta va varia în funcție de condițiile experimentului. Se poate testa starea Bismutului prin bătăi ușoare pe recipient. Dacă se observă ondulații care se deplasează pe suprafață, atunci cea mai mare parte a bismutului este încă lichidă. Pe măsură ce o cantitate mai mare de bismut îngheață, undele vor avea mai puțin spațiu pentru a se deplasa, iar zonele în care se formează cristale devin vizibile. Aveți grijă să nu deranjați prea mult Bismutul care se răcește, deoarece ar putea declanșa formarea de noi cristale; în loc să se producă doar unul (sau câteva) cristale mari, se pot forma multe cristale mult mai mici.

Este posibil să fie nevoie de mai multe încercări pentru a reuși să vă dați seama când să turnați excesul de Bismut lichid. Dacă se așteaptă prea mult și cristalele rămân blocate, trebuie doar să se topească din nou Bismutul și să se încerce din nou. Se poate încerca chiar să se folosească excesul de Bismut care se toarnă pentru a forma cristale suplimentare în recipiente secundare.

Pasul 5: Îndepărtarea cristalelor

După ce se toarnă excesul de Bismut lichid ar trebui să se poată vedea cristalele de Bismut care au crescut în interiorul recipientului. Culoarea cristalelor ar trebui să se dezvolte în câteva secunde la expunerea la aer, pe măsură ce pe suprafața lor se formează un strat subțire de oxidare. Cristalele vor fi probabil lipite de fundul și de părțile laterale ale recipientului; de asemenea, este probabil ca acestea să fie parțial topite cu Bismut necristalin. După ce se răcesc, se pot rupe ușor cristalele de Bismutul necristalin din interiorul recipientului.

Lăsând cristalele să se formeze pe suprafețele interioare ale recipientului provoacă imperfecțiuni inerente în forma cristalelor, deoarece va exista întotdeauna un punct pe cristal în care acesta a fost atașat anterior de acea suprafață. Se poate evita această imperfecțiune prin utilizarea unui mic cristal de Bismut de sămânță suspendat în Bismut topit pentru a acționa ca un punct de nucleare în timpul creșterii cristalelor. Ulterior, se poate ridica pur și simplu cristalul din Bismut lichid, în loc să fie nevoie să se toarne excesul de Bismut într-un recipient separat (ca în etapa 4). Aveți grijă să nu lăsați cristalul de sămânță suspendat prea mult timp, deoarece Bismutul se poate solidifica în jurul acestuia și poate face imposibilă extragerea lui. În plus, cristalul poate crește atât de mare încât poate fuziona cu alte cristale din jurul său, prinzându-l astfel și pe acesta înăuntru.

Ca apa / gheața, Bismutul are proprietatea interesantă de a se extinde pe măsură ce se solidifică, făcând astfel ca cristalele de Bismut solide, neatacate, să plutească în mediul lor mai dens, lichid, din jur.

Imagini ale unor cristale mari de Bismut

Aceasta este o serie de imagini a trei cristale mari de Bismut, cu dimensiuni cuprinse între aproximativ 2,5 și 5 cm lățime. Este cu siguranță posibil să crească cristale mult mai mari decât acestea.