[IUCr Home Page] [Commission Home Page]

KRYSTALY – příručka pro učitele

Elizabeth A.Wood, 1972

Napsáno pro komisi pro výuku krystalografie při Mezinárodní krystalografické unii.

Předmluva

Všem učitelům:

Mezinárodní krystalografická unie dala podnět k napsání této příručky pro komisi, která se zabývá výukou krystalografie. Mezinárodní krystalografická unie podporuje rozvoj krystalografie na celém světě a spojuje lidi, kteří krystaly zkoumají.

Mnoho učitelů zjistilo, že se děti zajímají o krystaly. To je dobrý důvod k tomu, aby je učitel v tomto jejich zájmu podpořil. Děti mohou provádět jednoduché pokusy s krystaly a tak mít dojem, že sami dělají vědecká pozorování a získávají zkušenosti vlastními experimenty. O krystaly se zajímají chemici, fyzici, geologové, biologové i matematici. Studium krystalů je součástí jejich oborů a jsou si vědomi, že příroda není rozdělena do chemie, fyziky, geologie a biologie.

Většina dnešních učitelů se o krystalech ve škole neučila. Cílem této příručky je proto poskytnout určitý základ k porozumění krystalům tak, aby učitelé mohli přitažlivě pracovat s dětmi, které se o krystaly zajímají. Není to systematický kurz krystalografie. To by nebylo vhodné. Je to příručka pro vaši zábavu. Studenti, kteří se chtějí dovědět o krystalografii více, mohou pozdě i studovat krystalografii na univerzitě.

V příručce se, pokud je to možné, neužívá odborných výrazů ne pro ulehčení, ale aby nedocházelo k učení se pojmů místo pochopení toho, co se děje.

Děti si myslí, že vědí, proč jablko padá, protože znají slovo gravitace (zemská přitažlivost), ale pro kvalifikované vědce je způsob, jakým se jabko a Země přitahují, hádankou.

Ve většině knih o krystalografii, jak se nazývá předmět, který se zabývá studiem krystalů, klade se při třídění krystalů důraz na symetrii. Nicméně, většina krystalů, které si děti sami vypěstují nebo naleznou v přírodě, má tvary, které nejsou dokonale symetrické, protože růstové podmínky nebyly v okolí krystalu stejné. K tomu, abychom si dovedli si představit, jak by měl takový krystal vypadat, kdyby růstové podmínky byly jednotné, je potřeba již dostatek představivosti a zkušenosti s některými symetrickými krystaly. Budou-li studenti chtít, mohou se sami ze svých vlastních pozorování přesvědčit, že symetrie je pro třídění krystalů užitečná. Není třeba je nechat učit se nazpaměť odborné pojmy, jestliže neznají jejich význam.

Základem vědy je pozorování a údiv, zvědavost a úsilí k uspokojení této zvědavosti. Učení se o tom, co vynalezli jiní, je součástí učení o vědě, ale v první řadě musíme vědět, jak sami vědci poznávají přírodu, abychom se přesvědčili, že jejich výsledky jsou založeny na experimentech, které se dají zopakovat.

Z těchto důvodů se příručka nezabývá systematickou klasifikací (tříděním) krystalů podle jejich symetrie. Chce vám dodat kuráž k pozorováním a experimentům a položit základy pro další studium krystalografie Pozorování dovedou po čase studenty k následujícím závěrům:

1. Za vhodných podmínek nabývají některé látky pevných, pravidelných forem, tvoří krystaly.

2. Krystaly se zvětšují, jestliže na jejich vnějších plochách přibývá hmoty.

3. Krystaly se vylučují z roztoků při vypařování rozpouštědla. Krystaly se vytváří chladnutím taveniny. Krystaly se tvoří z horké páry, jestliže se pára setká s chladnějším povrchem.

4. Krystaly různých látek mají různý tvar.

5. Krystaly různých látek mají rozdílné vlastnosti, to znamená, že některé jsou barevné a jiné ne, některé rostou dobře a jiné ne, některé se štípají (bude o tom řeč později) a jiné ne, některé jsou mezi zkříženými polarizátory světlé (viz oddíl D) a jiné ne.

6. (Pro starší studenty). V tom, jak krystal roste, musí být určitá zákonitost (řád), která je zodpovědná za jeho hladké plochy, jejich charakteristický tvar a způsob, jakým odrážejí světlo. Tato zákonitost musí být pro různé látky různá.

Jestliže mají vaši studenti svůj názor (přesvědčení) na závěry plynoucí z jejich vlastních pozorování, budou mít dobrý základ pro krystalografickou vědu.

* * *

Krystal dané látky je vystavěn z ploch, které spolu svírají vždy stejný úhel a má další vlastnosti, které vyplývají z uspořádanosti atomů, iontů nebo molekul, ze kterých je utvořen. Tato uspořádanost struktury (struktura krystalu je vnitřní uspořádání základních stavebních částic (atomů, iontů, molekul) v krystalu. Ilustrovaný encyklopedický slovník, Encyklopedický institut ČSAV, Academia 1982, pozn. př.) je nalezena ve většině pevných látek i když některé látky jsou více uspořádané než jiné. I ve dřevě jsou molekuly uspořádány podél vláken, ačkoliv vlákna samotná uspořádaná moc nejsou. Je dřevo krystal? Nemá lesklé plochy. Někteří krystalografové (lidé, kteří studují krystaly) by řekli, že vlákna dřeva krystaly jsou, jiní že ne.

Sloučenina, která je utvořena z krystalů se nazývá krystalická. Někdy se užívá slovo polykrystalická pro označení, že sloučenina je složena z mnoha krystalů. V jednom krystalu (monokrystalu) uspořádanost řad atomů není přerušena a nemění směr. Rostou-li dva krystaly vedle sebe, pak místo, kde uspořádání jednoho svírá s uspořádáním druhého určitý úhel, se nazývá hranice. Na nákresu je naznačen řez čtyřmi krystaly s takovými hranicemi. Plné čáry představují hranice mezi krystaly (nazývané též hranice zrn). Tečkované čáry znázorňují vrstvy atomů, iontů nebo molekul.

[4 crystals with grain boundaries]

Většina látek, které známe, je vytvořena z uspořádaných krystalů, které nemají hladké plochy, protože sousední krystaly vyrostly vedle sebe s nepravidelnými hranicemi. Téměř všechny horniny jsou utvořeny z krystalů a v hornině můžeme často rozlišit jejich různé druhy. Kovové předměty jsou utvořeny z těsně spojených krystalů. Někdy jsou na ulomených mosazných klikách viditelné hranice krystalů ze kterých je klika zhotovena.


[Brass door handle]

Látka ve které atomy, ionty nebo molekuly nejsou pravidelně uspořádány, se nazývá sklovitá. Známý příklad je okenní sklo. Sopečné sklo a některé druhy sopečného popela jsou také sklovité – nejsou krystalické. Existuje sklovitý druh cukroví (bonbonů). Je lesklé, obvykle má uvnitř oříšek. Připravuje se rychlým zchlazením roztaveného cukru, aby se dříve, než kapalina ztuhne, nevytvořily krystaly. Molekulám se tak nedovolí, aby zaujaly své správné polohy k vytvoření krystalu. Rychlým ochlazením mohou být připraveny i jiné sklovité látky. To je případ sopečného skla a také některých skel připravených ve sklárnách. V továrně zhotovené sklo může obsahovat příměsi, které způsobí, že sklo může být zchlazeno vhodnou rychlostí, aniž by zkrystalizovalo. V některém skle zhotoveném starší technikou se po létech začnou tvořit krystaly, atomy se pomalu přemisťují do uspořádaných poloh přitahovány silami, které mezi nimi působí. Neexistuje velmi staré sopečné sklo, neboť za stovky a tisíce let měly atomy čas vytvořit krystaly.

Mladí lidé se nejlépe učí tvořivou činností, ne nasloucháním. Nejlepší způsob pro mladého člověka jak se dovědět něco o krystalech je jeho vlastní zkušenost a ne, aby mu někdo o nich jen povídal. Nechte ho pozorovat, uvažovat a ptát se. Pak mu můžete pomoci s hledáním odpovědí. Nebudeme zkoušet definovat slovo krystal, dokud nemáme s krystaly zkušenosti (pokud o nich nic nevíme). Je třeba, abyste i vy, učitel, měl své vlastní zkušenosti a tak se mohl těšit z objevů spolu se svými žáky.

Zbytek této příručky je napsán pro studenty. Jestliže tam bude něco, co už znáte, nezapomeňte, že byla napsána pro školy na celém světě.

POMŮCKY A CHEMIKÁLIE

A. Základní

Chemikálie Pomůcky
sůl (sůl kuchyňská, chlorid sodný, NaCl) sklenice, kádinka (o objemu asi 250 ml)
cukr (třtinový cukr nebo řepný cukr, C12H22O11) lžička na čaj
voda nit nebo tenký provázek

Doporučené vybavení

Chemikálie Pomůcky
borax (Na2B4O7.7H2O) lupa
síran hlinito amonný (NH4Al(SO4)2.12 H2O) pinzeta
síran hlinito draselný (KAl(SO4)2.12 H2O) mikroskopické sklíčko (může být použito i dno převrácené sklenice)
síran měďnatý (CuSO4.5 H2O) svíčka nebo zápalky
síran hořečnatý (MgSO4.7 H2O) tepelný zdroj pro ohřátí vody
fenyl salicylát (HOC6H4COOC6H5) lednička k dosažení teploty pod 0° C
bismut (Bi) dva polarizační filtry, např. firmy Polaroid
naftalen (C10H8)  

KRYSTALY VE TŘÍDĚ A DOMA

Příprava krystalů z roztoku

1. Sůl (kuchyňská sůl, chlorid sodný NaCl)

Začneme se solí, protože je dosažitelná pro každého. Zatímco bude probíhat experiment se solí, můžete si připravovat věci, které budete potřebovat pro další experimenty.

a. Příprava krystalů a pozorování jejich růstu.

Dejte tři čajové lžičky soli do sklenice naplněné z jedné třetiny vodou. Dobře rozmíchejte. Většina soli se rozpustí a utvoří roztok soli ve vodě, ale část zůstane na dně nádoby a roztok se zdá zakalený. (Někteří výrobci soli pokrývají zrnka soli, aby se ve vlhku nelepily k sobě, neškodnou nerozpustnou látkou. Následující postup je použit k oddělení této látky od nerozpuštěné soli.) Nechte směs stát přes noc. Ráno bude roztok čirý. Přelijte čirý roztok opatrně do široké nádoby, abyste nepohnuli usazeným zbytkem na dně. (Tento postup oddělení kapaliny od pevné látky jednoduchým odlitím kapaliny se nazývá dekantace). Pevný zbytek vyhoďte. Nechte čirý roztok stát nezakrytý několik dní. Proti prachu můžete na nádobu dát překlopenou krabici.

Dané množství jakéhokoliv rozpouštědlajako je voda, udrží v roztoku určité množství sloučeniny. Toto množství sloučeniny vytvoří v roztoku nasycený roztok. Je-li množství sloučeniny menší, je roztok nenasycený. V některých případech sloučenina potřebuje zárodek – velmi malý krystalek většinou stejného složení, který způsobí počátek krystalizace pevné látky z roztoku. V případě, kdy nasycený roztok stojí a rozpouštědlo se vypařuje, roztok se stává přesyceným. V přesyceném roztoku způsobí přídavek malého množství rozpouštěné sloučeniny vyloučení jejího přebytku na dně nádoby.

Podívejte se lupou na první pevné částečky, které se objeví na dně roztoku soli. Věnujte zvláštní pozornost jednomu krystalku a pozorujte, jak se den ode dne mění. Je-li nádoba skleněná, položte ji na papír, na kterém vám značky pomohou najít sledovaný krystalek. (Při okraji roztoku, kde dochází k rychlému odpařování rozpouštědla, se tvoří bílý škraloup. O tom si povíme později.) Při pozorování vám pomůže i silné osvětlení ze strany.

Částice, které se postupně vylučují z roztoku, jsou krystaly soli. Jestliže budete pozorovat první stadia jejich tvorby, uvidíte, že mají tvar čtverce. Podíváte-li se na ně ze strany zjistíte, že jsou čtvercové nebo obdélníkové. Jejich stěny svírají po celou dobu růstu pravé úhly.

Přemýšlejte o tom! Z beztvarého roztoku se tvoří tyto dokonale utvořené pevné tvary, ať odpařujete roztok ve Španělsku nebo na Sibiři, v Africe, Americe nebo Australii, v ponorce nebo v letadle. Pevná látka, která se tvoří z roztoku soli má tvar malých krystalků s lesklými plochami, které svírají pravý úhel. Víte, proč k tomu dochází?

Vyjměte pinzetou (máte-li ji) jeden z malých krystalků z nádoby a osušte ho. Můžete ho dát do krabičky. Pokud nebude ve vlhku, nezmění se. Při velké vlhkosti vzduchu se může na krystalu usazovat voda a rozpustit ho. Zbylé krystalky v nádobě se s postupným odpařováním vody zvětšují. Sůl, kterou jste ve vodě rozpustili, přechází z roztoku na krystalky a ty se zvětšují. Tak se přidává vrstva k vrstvě, každá hladká plocha se zvětšuje a všechny spolu svírají pravý úhel.

Co se stane, jestliže se dotknou dva krystaly, které rostou vedle sebe? Dívejte se pozorně a uvidíte. Většinou rostou společně, nepravidelně, zatímco jejich krásné hladké plochy rostou na vnějších volných stranách, kde nejsou ve styku s jinými. Po určité době společného růstu je vyndejte pinzetou. Můžete říci, kde končí jeden krystal a začíná druhý? V některých případech je to lehké, v jiných ne. Můžete je oddělit?

Jak se rozpouštědlo dále odpařuje, začíná růst na dně nádoby mnoho krystalků společně. Bílý povlak na stěně nádobky je tvořen ze stejných krystalků, které také rostou společně, ale jsou velice malé. Je-li odpařování rychlé, začne růst najednou mnoho krystalků. Brzy ale narazí na sousední krystal, takže žádný z nich nevyroste velký.

Kapilární síly v úzkém prostoru mezi vrstvou krystalků a nádobou způsobí, že roztok stoupá po stěnách nádobky nahoru, kde se rychle odpařuje a vytváří se další bílý povlak.

Jak to udělat, aby vyrostl velký krystal, který má neporušený tvar, protože nepřijde do styku se sousedním krystalem? Než začnete číst dále, pokuste se na to dpovědět sami.

Můžete zkusit dva způsoby:

1. Rychlé odpařování rozpouštědla způsobilo, že začalo růst více krystalků najednou vedle sebe. Zabráníme-li rychlému odpařování rozpouštědla, poroste méně krystalků ve větší vzdálenosti od sebe. Nádobku proto přikryjte víkem, ale ne těsně, aby se úplně nezabránilo odpařování, ale přece jen těsněji, než jen převrácenou krabicí. Papír nebo látka přichycená gumičkou přes nádobku také zpomalí odpařování. 2. Můžeme vyndat jeden pěkný krystalek a dát do nasyceného roztoku v jiné nádobě. Takto použitý krystalek se nazývá zárodečný krystal (zárodek). Možná, že vzroste jen jeden krystal. (Na krystalu, který jste vyndali pinzetou nebo prsty, ulpívá roztok, který je nasycený. Vypařuje-li se, rostou rychle malé krystalky a vytváří další zárodky, které soutěží o látku, ze které rostou. Osušte proto rychle krystal čistou látkou nebo čistým kapesníkem a umyjte a osušte pinzetu a ruce.

Roste-li krystal položený na plochu, pak tato plocha nemá dostatek látky (hmoty) a krystal nemůže růst. Aby krystal rostl na všech stranách, je třeba ho zavěsit na nit do roztoku. Navázat krystalek na nit není lehké. Můžeme také přilepit krystalek na nit malým množstvím ve vodě nerozpustného lepidla, které se používá pro slepení talířů. Před ponořením nalepeného krystalku do roztoku necháme lepidlo přes noc zaschnout.

b. Pokusy s krystaly

1. Z krystalů vyndaných v různých stupních růstu můžeme vytvořit názornou výstavku. Krystaly nalepte malým množstvím lepidla na tvrdý papír (černý nebo tmavě zbarvený) a napište pod ně dobu, jak dlouho rostly. Posloupnost od malého k velkému ukáže, jak si krystal při růstu stále zachovává svůj tvar.

[sequence of crystals by size]

Nevybírejte kousky, které obsahují více než jeden krystal, protože to znesnadňuje pozorování tvaru a velikosti.

[two crystals] Dva krystaly

2. Rozbijte některé krystaly. Uhoďte jemně na krystal malým kladívkem nebo rukojetí nože, šroubováku nebo kulatou částí lžíce. Rozbije se podél plochy rovnoběžné s vnější rovinou.

[one crystal] Toto se rozbije na ... tyto    [many small pieces]

Tyto části se mohou rozbít na menší kousky opět s rovinnou plochou (která se leskne v silném světle) rovnoběžnou s původní. Mohou se rozbít kdekoliv a povrchy budou vždy spolu rovnoběžné. Tato vlastnost krystalu rozdělit se podél rovinných ploch s v určitém směru je známa jako štěpení. Ne všechny krystaly se štěpí. Některé z nich se rozbijí jako kus skla.

V soli jsou štěpné plochy rovnoběžné s růstovými plochami. U krystalu jiné sloučeniny nemusí být štěpné roviny s růstovými plochami rovnoběžné.

Co to je, co nutí krystaly chloridu sodného růst ve tvaru obdélníků a štípat se podél rovin k sobě kolmých? Krystalografové přemýšleli a uvažovali nad těmito otázkami po mnoho let. Až ve 20. století se pomocí rentgenové difrakce podařilo vysvětlit jak uspořádání atomů, iontů a molekul v krystalu, tak způsob jejich růstu a štěpení a další vlastnosti. Rentgenové paprsky jsou atomy rozptýleny a studiem směru jejich rozptylu krystalografové zjistí, jak jsou krystaly složeny dohromady.

V chloridu sodném, obyčejné kuchyňské soli, nalezli, že sodíkové a chloridové ionty se takto střídají:


[Sodium chloride model]

Je zapotřebí 1017 takovýchto bloků ke zhotovení jedné krychle zrnka soli o rozměrech 1 x 1 x 1 mm. Tedy 100 000 000 000 000 000. To je sto milionkrát tisíc milionů. Očekávali byste, že tak velké množství je potřeba k vytvoření uspořádaných, pravidelných krystalů. Můžete také předpokládat, že velmi snadno dojde k vychýlení vrstev sodíkových nebo chloridových iontů.

Každý krystal má své charakteristické uspořádání atomů, iontů nebo molekul, které je zodpovědné za tvar, ve kterém roste a za jeho vlastnosti.

3. Ponechte si nejlepší krystaly v malé krabiččce nebo obálce pro další pokusy (viz pokus s polarizovaným světlem v části D).

4. Dejte krystal na sklíčko nebo jiný čistý povrch, kápněte na něj trochu vody a pozorujte lupou, jak se ve vodě rozpouští. Rohy se zakulacují, protože mají vystaveny rozpouštědlu tři plochy. Hrany se zakulacují o něco pomaleji, protože mají jen dvě plochy vystavené působení rozpouštědla. Jestliže krystal zachráníte před úplným rozpuštěním, osušíte ho čistou látkou, nebo čistým kapesníkem a znovu dáte do nasyceného roztoku, začne znovu růst. Zaplní hrany a rohy a získá původní tvar.

5. Krystaly použijte jako zárodky pro vypěstování větších krystalů z nasyceného roztoku té samé sloučeniny. Čím použijete menší krystaly, tím lépe.

6. Použijte krystaly jako výchozí látku pro nový, stejný pokus. Roztok je nyní čirý, bez nerozpustné látky.

Co jsme se dověděli.

Krystal soli roste tak, že přibírá na sebe sůl z vodného roztoku soli, která ho obklopuje. Není-li jeho růst přerušen, roste s hladkými, lesklými plochami, které svírají pravé úhly.

Poznatek, že se tyto krystaly štěpí, znamená, že vlastnosti uvnitř krystalu nejsou ve všech směrech stejné. Druh a uspořádání atomů, iontů nebo molekul v krystalu, určuje jeho tvar a další vlastnosti.

Pro oddělení kapaliny od pevné látky se užívá dekantace. Růstu větších monokrystalů dosáhneme pomocí zárodečného krystalu. Na bílém škraloupu, který se rozprostře na hladině roztoku a postupuje nahoru kapilární přilnavostí, lze pozorovat, že krystaly vyrostlé z těsně uspořádaných krystalků, nemohou vyrůst do velkých rozměrů.

Sledovali jsme, jakým způsobem se z roztoku utváří pevná látka krychlových tvarů.

BORAX (Na2B4O7.10 H2O) VE VODĚ

Ačkoliv cukr je snadněji dosažitelný než borax, je borax druhý v pořadí pokusů, protože tvoří velmi rychle krásné krystaly. Borax se používá jako čistící prostředek. Jestliže se polyká, škodí.

Borax je více rozpustný v horké, než ve studené vodě. To nemusí být obvyklé. Například sůl je téměř stejně rozpustná ve studené i v teplé vodě.

a. Příprava krystalů a pozorování jejich růstu

Dejte jednu čajovou lžičku boraxu do sklenice z poloviny naplněné horkou vodou, a směs míchejte, dokud se borax úplně nerozpustí. Po vychladnutí vyroste mnoho krásných krystalů.

b. Pokusy s krystaly

Pokusy navržené pro zkoumání krystalů chloridu sodného jsou vhodné i pro borax. Můžete si také udělat výstavku stadií růstu boraxových krystalů. Zkuste jejich štěpnost. Vyndejte z roztoku jeden krystal, usušte a připevněte na nit a použijte jako zárodek, který vložíte do dalšího nasyceného roztoku. Roztok, ve kterém rostou krystaly, musí být nasycený. V nenasyceném roztoku by se krystaly rozpustily. Přelijte nasycený roztok do další nádoby o stejné teplotě (vyndejte několik malých krystalků, které v něm rostou) a na boraxovém zárodku zavěšeném v roztoku se bude vylučovat borax.

Nejlepší je dát zárodek boraxu blízko dna nádoby. Důvod pro to je následující. Hustota nasyceného roztoku téměř každé látky je větší než hustota nenasyceného roztoku. Jak se borax ukládá na krystal, roztok, ze kterého roste se stává slabším a řidším. Hustší, nasycený roztok (váží víc na jednotku objemu) se pohybuje, aby přinesl vícelátky na zárodečný krystal. Je-li zárodek v blízkosti povrchu roztoku, obklopuje ho řidší (méně hustý), nenasycený roztok. Na povrchu, kde je roztok ve styku se vzduchem a odpařuje se, dochází ke krystalizaci. Zárodky se zde také zvětšují, ale krystal může růst jen na jedné straně a má proto vždy nepravidelný tvar.

Porovnejte tvar krystalů boraxu a soli.

Podívejte se na velmi malé krystalky soli a boraxu lupou mezi zkříženými polarizátory (viz oddíl -D). Jev může být méně znatelný u velkých krystalů, které mají lesklé plochy nebo obsahují nečistoty, které odrážejí světlo

Molekuly vody náleží také mezi částice, ze kterých jsou utvořeny krystaly boraxu. Jsou-li krystalky boraxu dlouho ponechány na teplém, suchém místě, část vody unikne do vzduchu. Část krystalu, která ztratila vodu, se rozpadne na prášek. Malé částice prášku rozptylují světlo a vypadají bíle. Proces ztráty vody se nazývá dehydratace.

c. Co jsme se dověděli.

Krystaly boraxu, tvoří plochy, které nesvírají pravé úhly. Porovnáme-li krystaly boraxu a soli vidíme, že se jejich tvary liší. Borax a sůl se na světle chovají různě, jak je znatelné z jejich chování ve zkřížených polarizátorech. Na základě pozorovaných vlastností můžeme obě látky od sebe rozeznat. Mají rozdílnou rozpustnost, jejich krystaly se liší tvarem, štěpností a chováním v polarizovaném světle. Je zřejmé, že borax tvoří krystaly z roztoku odlišným způsobem než sůl.

CUKR ( SACHAROZA, ŘEPNÝ CUKR, C12H22O11) VE VODĚ

a. Příprava krystalů a pozorování jejich růstu

Je těžké vypěstovat pěkné krystaly cukru. Cukr tvoří ve vodě viskózní (syrupovitou) kapalinu a molekuly cukru se nemohou rychle pohybovat roztokem, aby se spojily s jinými molekulami cukru do upořádané formy, kterou nazýváme krystal. Tajemství úspěchu je udržovat roztok dostatečně teplý, abychom podpořili pohyblivost molekul, ale současně nezpůsobili rychlé odpařování na povrchu, které by mělo za následek tvorbu škraloupu. Proto postupujte následujícím způsobem.

Zahřejte mírně nádobu, ve které je jeden malý šálek cukru a jeden malý šálek vody. Míchejte, až se všechen cukr rozpustí a roztok je čirý. Dejte nádobu do zavařovací sklenice, položte na sklenici víčko, ale nazašroubujte je. Sklenici nechte delší dobu na teplém místě. (Můžete ji dát na věčný hořáček plynových kamen.) Voda, která se odpařuje se sráží na víčku a padá zpět na hladinu a zabraňuje tvorbě škraloupu. Trochu vody se vypaří, protože víko není pevně uzavřené. Růst pokračuje pomalu po dlouhou dobu. Když krystal vyroste, bude mít krásný tvar, charakteristický pro krystaly cukru. Roztok cukru má zajímavou vlastnost: stáčí rovinu polarizovaného světla (viz oddíl III-D). Toto stáčení je pro různé barvy světla rozdílné. Podržíte-li sklenici s cukrovým roztokem mezi zkříženými polarizátory a budete ji pozorovat v prošlém bílém světle, uvidíte, že sklenice nevypadá černě jako roztok soli, ale barevně. Otáčíte-li jedním nebo druhým polarizátorem (v jeho rovině ve směru hodinových ručiček) a ostatní neměníte, barva se mění.

b. Pokusy s krystaly

Všechny pokusy s krystaly soli a borax můžete provést i s krystaly cukru. Porovnejte tvar krystalu cukru s tvary krystalů boraxu a soli.

c. Co jsme se dověděli

Krystaly cukru se liší tvarem a pomalou rychlosti růstu od snadno rostoucích krystalů soli, další známé látky na našem jídelním stole. Mají také odlišný tvar od snadno rostoucích krystalů boraxu. Při vylučování cukru z roztoku mají jeho krystaly jinou stavbu než krystaly soli nebo boraxu. Každá sloučenina má svůj vlastní způsob uspořádání částic, které tvoří krystal.

Částice, které tvoří krystal se musí volně pohybovat, aby se spolu setkaly a utvořily krystal. Roztok cukru je tak viskózní, že zpomaluje pohyb a krystaly cukru nerostou tak snadno jako krystaly soli nebo boraxu.

Vodný roztok cukru na rozdíl od vodných roztoků soli a boraxu stáčí rovinu polarizovaného světla (viz oddíl D).

4. KAMENCE (síran hlinito-amonný NH4Al(SO4)2.12 H2O nebo síran hlinito-draselný KAl(SO4)2.12 H2O) VE VODĚ

Krystaly kamenců rostou snadněji než krystaly soli a mnohem snadněji než krystaly cukru. Mají lesklé plochy a malé krystalky se hezky lesknou. Kamenec je k dostání ve většině drogerií. Je užíván jako prostředek k zástavě krvácení z malých ranek.

a. Příprava krystalů a pozorování jejich růstu

Dejte čtyři čajové lžičky práškového kamence do nádoby z poloviny naplněné horkou vodou. Míchejte, abyste pomohli rozpouštění. Po nějaké době se všechen prášek rozpustí a roztok je čirý.

Zakryjte lehce nádobu kusem papíru, aby se do ní neprášilo. S postupným odpařováním vody se objevují krásné krystaly kamence.

Dívejte se na krystaly pozorně a porovnejte jejich tvary s jinými krystaly. Jsou jasnější než krystaly soli? Povšimněte si, že kamenec podobně jako borax obsahuje jako součást svého složení vodu (H2O). Bude zajímavé porovnat vzhled a snadnost růstu z vodného roztoku těchto krystalů, které obsahují molekuly vody ve složení, s těmi, které ji neobsahují.

Pokusy s krystaly

1. Uspořádejte výstavku z jejich postupného růstu jako v případě krystalů soli.

2. Rozbijte je. Zjistíte, že na rozdíl od soli, podobně jako cukr, kamenec nemá štěpné plochy.

3. Dejte některé do označené krabičky nebo obálky a vhodně je použijte při dalších pokusech.

4. Částečně rozpusťte a znovu vypěstujte krystal kamence, jako v B 4 při pokusu se solí.

5. Zavěšte malý zárodek krystalu kamence do nasyceného roztoku kamence a vyroste krasavec.

6. Podívejte se na krystal kamence mezi zkříženými polarizátory (viz oddíl D).

c. Co jsme se dověděli

Krystaly kamence jsou odlišné od krystalů soli nebo cukru. Rostou velké a mnohem rychleji. Mají jiné tvary než krystaly soli nebo cukru. Jako krystaly cukru – na rozdíl od krystalů soli – se neštěpí, ale rozbijí se nepravidelně. Jako krystaly soli – ale na rozdíl od krystalů cukru nebo boraxu – vypadají tmavé, podíváme-li se na ně zkříženými polarizátory.

5. SÍRAN MĚĎNATÝ PENTAHYDRÁT (SKALICE MODRÁ, CuSO4.5H2O) VE VODĚ

POZOR!! JE ZDRAVÍ ŠKODLIVÝ !!

Síran měďnatý můžete koupit v drogerii. Používá se v některých bazénech k zamezení růstu řas, ale je zdraví škodlivý. Studentům by nemělo být dovoleno, aby si ho vzali domů. Po manipulaci s práškem, roztokem nebo krystaly síranu měďnatého si pořádně si umyjte ruce. (Prášek je také utvořen z malých krystalů, ale je to většinou bezvodý síran měďnatý, který tvoří část složení).

a. Příprava krystalů a pozorování jejich růstu

Dejte čtyři čajové lžičky síranu měďnatého do sklenice z poloviny naplněné horkou vodou a míchejte, dokud se prášek úplně nerozpustí. Jak se roztok vypařuje, škraloup síranu měďnatého vystupuje po stěně nádobky až přes její okraj. Síran měďnatý je v tomto ohledu horší než roztok soli, takže je dobré dát nádobku na talíř nebo talířek.

Po dostatečném odpaření vody, začnou růst jasně modré krystalky. Studujte jejich tvary a dívejte se každý den, jak se vyvíjí.

Zkuste si krásný pokus. Smíchejte prášky kamence a síranu měďantého a tuto směs rozpusťte (například dvě čajové lžičky každé sloučeniny do sklenice z poloviny naplněné vodou). Bezbarvé krystaly kamence rostou ve svých typických tvarech jako v předešlých pokusech a světle modré krystaly síranu měďnatého si také zachovávají svůj tvar. Mohou se setkat a dotýkat se jeden druhého, jeden může růst kolem druhého, ale nikdy se nesmíchají. Uspořádání kamence je jiné než síranu měďnatého a každá sloučenina vytváří své vlastní krystaly.

b. Pokusy s krystaly

MĚJTE NA PAMĚTI, ŽE SÍRAN MĚĎNATÝ JE ZDRAVÍ ŠKODLIVÝ. Neměl by se dostat do rukou malým dětem. Starší děti by si měly při jakékoliv manipulaci s ním vždy umýt ruce!

1. Z krystalů různých velikostí můžete připravit výstavku, podobně jako z předešlých.

2. Zkoumejte jejich tvary a porovnejte je s tvary kamence, cukru, boraxu a soli.

3. Zkuste namalovat vypěstované krystaly. Malování pomáhá při pozorování.

4. Zkuste je rozštěpit. (Síran měďnatý nevykazuje štěpení).

5. Jestliže se uchovávají velmi dlouho na teplém, suchém místě, modrá skalice, podobně jako kamenec a borax, dehydratuje (ztrácí vodu).

6. Škraloup, který se tvoří na stěnách nádoby se skládá většinou z bezvodého síranu měďnatého. Můžete ho seškrábat a znovu rozpustit.

c. Co jsme se dověděli

Z porovnání dříve a nově připravených krystalů vyplývá, že krystaly každé látky mají svůj vlastní, pro ně typický tvar a vlastnosti. Nyní byla přidána další vlastnost – barva.

Při zkoumání směsi kamence a modré skalice si všimneme, že každá sloučenina vytváří své vlastní krystaly a bere si na stavbu svých krystalů z roztoku částice, které ji náleží a nepřibírá jiné, které nepatří do stavby jejího krystalu.

6. SÍRAN HOŘEČNATÝ HEPTAHYDRÁT (MgSO4.7 H2O) VE VODĚ

Síran hořečnatý je součástí vlhkých obinadel používaných při pohmoždění, vyvrknutí nebo při kousnutí hmyzu. Je k dostání téměř ve všech drogeriích.

a. Příprava krystalů a pozorování jejich růstu

Síran hořečnatý je velmi rozpustný ve vodě. V nádobě z jedné čtvrtiny naplněné horkou vodou rozpusťte 6 čajových lžiček síranu hořečnatého. Po několik minut roztokem míchejte. Jestliže se sůl nerozpouští, přidejte velmi malé množství vody a míchejte, až je roztok čirý.

Krystaly rostou jako dlouhé jehly, jiného tvaru než krystaly soli, boraxu, cukru, kamence nebo modré skalice. Protože síran hořečnatý je velmi rozpustný, obsahuje kapka roztoku po odpaření vody dostatek látky k vytvoření malých krystalků. Jestliže kápneme trochu roztoku na hladký povrch jako je sklo, povrch kapky se pokryje krystalky, které brání dalšímu odpařování vody. Lepší je kápnout roztok na savý povrch jako je karton nebo nehlazený papír. Pozorovat lupou vznik malých krystalků je úžasná podívaná.

b. Pokusy s krystaly

Jehlicovitý tvar malých krystalků síranu hořečnatého je vhodný pro přivázání na nit. Malá jehlička síranu hořečnatého zavěšená v jeho nasyceném roztoku vyroste do krystalu tyčinkového tvaru. Síran hořečnatý ztrácí vodu (dehydratuje) rychleji, než krystaly solí obsahující vodu, které jste již připravili. Krystaly si podrží svůj tvar, ale povrch bude vypadat jako by byl pomalován matnou bílou barvou. Můžete seškrábat dehydratovaný povrch a uvidíte pod ním jasný krystal, který dosud neztratil své molekuly vody.

Ze všech hydratovaných krystalů, které jste připravili, kamenec drží vodu nejpevněji. Nicméně kterýkoliv z nich může být přinucen, aby se vody zbavil teplem zápalky. Dejte malý krystalek na skleněné mikroskopické sklíčko nebo na alobalovou folii. Podržte pod nimi zapálenou zápalku. Teplem zápalky z každého krystalku unikne živě voda. Přestanete-li zahřívat krystalek, který obsahuje ještě dost vody, znovu se zregeneruje. Pokračujete-li v zahřívání dokud všechna voda neuteče, utvoří se bílá, bezvodá látka.

c. Co jsme se dověděli

Síran hořečnatý je ve vodě velmi rozpustný. Jako u boraxu a kamence, je součástí sloučeniny síranu měďnatého voda a soli mohou přejít na bezvodé. Je-li sloučenina ve vodě dobře rozpustná, pak kapka nasyceného roztoku obsahuje hodně této sloučeniny.

Nyní. když jste připravili několik druhů krystalů, můžete si z nich uspořádat výstavku. Na fotografii jsou krystaly kamence, připravené podle výše uvedených postupů.


[Crystals of alum]

7. CO DÁLE?

Jsou další sloučeniny rozpustné ve vodě. Budou se vždy tvořit krystaly při odpařování vody? Ne, ale nebudete si jisti, které to jsou, pokud si to sami nezkusíte. Ustalovač (thiosíran sodný Na2S2O3), který používají fotografové k ustálení filmu po jeho vyvolání, bude tvořit krystaly z roztoku. Podobně i vínan sodno-draselný KNa(C4H4O6). 4 H2O (Seignetova sůl). Postup, jak připravit velké krystaly Seignetovy soli a další nápady k zajímavým experimentům jsou uvedeny v knize Holdena a Singera: Crystals and Crystal Growing (viz seznam literatury na konci příručky).

B. Krystaly z taveniny (tavenina má stejné složení, jako krystal).

1. LED (PEVNÁ VODA, H2O)

Led je jednou z mála sloučenin, která má jiný název pro pevnou látku a kapalinu. Voda je tak rozšířená, že je užitečné mít různá jména pro různé stavy, ve kterých se vyskytuje: led, sníh, jinovatka, rosa, déšť, pára, mlha, mrak.

Led patří k nemnoha látkám, které zmenší svůj objem, jestliže je zahřejeme, tj. přejde do kapalného stavu (skupenství). Kus ledu má větší objem než voda. Jinak řečeno, zvážíme-li stejný objem ledu a vody, pak led váží méně. To je proto, že led má menší hustotu než voda. Proto pluje na vodě. Jestliže voda zmrzne v nádobě, která se nemůže roztáhnout, nádoba praskne. Protože voda zabírá méně místa než led, můžete přeměnit led ve vodu, jestliže na něj vynakládáte tlak. To je jeden z důvodů, proč je led kluzký, když na něm stojíte (kloužete se), nebo bruslíte. Tlakem se utvoří mezi vámi (bruslemi) a ledem tenká vrstva vody, která působí jako maz podporující klouzání.

Můžete povést přeměnu ledu na vodu stlačením a uvolněním tlaku na led následujícím pokusem. Dejte kostku ledu na převrácenou sklenici. Uvažte oba konce krátkého drátku k dřívku (nebo silnějším špejlím). Položte drátek přes vršek kostky ledu a táhněte dolů oba konce drátku, jak je ukázáno na obrázku. Drátek se bude pohybovat kostkou dolů, led se bude pod tlakem drátku rozpouštět a nad drátkem bude tuhnout, protože tam je tlak uvolněn.

[pulling wire through ice]

a. Příprava krystalů

Jedním ze způsobů, jak připravit krystaly ledu, je nechat širokou misku s vodou v mrazicí části ledničky, nebo venku, je-li venkovní teplota menší než 0 ° C. Asi za 2 hod (při teplotě @ -10 ° C) se část vody přemění v led. Některé krystaly budou dlouhé a tenké a mohou být srostlé dohromady s dalšími krystaly. Vyndejte je z nádoby a podívejte se na ně. Vhodný způsob, jak nalézt hranice mezi sousedními krystaly, je podívat se na ně zkříženými polarizátory (viz následující část b). Krystaly ledu připravíte také kápnutím vody na mikroskopické sklíčko či na dno převrácené sklenice nebo na jiný rovný povrch a vložením do mrazicího boxu.

b. Pokusy s krystaly

Podívejte se na krystaly zkříženými polarizátory a k držení polarizátorů použijte uspořádání uvedené v části D.

Podržte ze spoda osvětlené sklíčko se zmrzlou kapkou vody vodorovně a pozorujte polarizátory změny barvy ztenčujíciho se krystalu při tání. Otáčejte sklíčkem ve směru hodinových ručiček. Povšimněte si, že krystaly se zdají v určitých polohách tmavé a v jiných světlé. Část, která se chová stále stejně, náleží jednomu krystalu. Mezi ní a další částí, která se chová jinak, je hranice krystalu. Může se stát, že část je tmavá při všech polohách otáčení. Tato část má optickou osu ve směru, kterým se díváte (viz lit. 3). Jestliže sklíčko nakloníte, bude tato část světlá.

[examining crystals with polarisers]

Na vrstvě ledu tenké 2 – 3 mm, můžete vidět mezi zkříženými polarizátory něco zvláštního. Držte polarizátory svisle, aby se nezamáčely. Najděte velkou část vrsvy ledu, která zůstává tmavá při otáčení ve zkřížených polarizátorech. Držte ji blízko polarizátoru, ke kterému dejte oko co nejblíže. Uvidíte tmavý kříž na šedém pozadí a je-li led dostatečně tenký, uvidíte žlutý kruh kolem kříže a vně červený kruh. To krystalografové znají jako interferenční obrazce (lit. 3).

c. Co jsme se dověděli

Krystaly ledu mohou být připraveny z roztaveného ledu (tj.z vody).

V ledové vrsvě najdeme hranice krystalů zkříženými polarizátory.

Protože voda má větší hustotu než led, může být led přeměněn na vodu tlakem. Při teplotě nižší než 0 ° C, se po uvolnění tlaku přemění znovu na led. (Všimněte si, že led, jako pevná látka, je chladnější, než je jeho teplota tání. Lidem se někdy zdá divné, že směs vody a ledu má vždy teplotu 0 ° C.

2. SALOL (FENYL SALICYLÁT HOC6H4COOC6H5)

Salol je v Anglii prodáván v lékárnách jako lék proti střevním poruchám. (U nás lze salol koupit např. u firmy ALDRICH). Je nerozpustný v čisté vodě, ale je rozpustný v ethylalkoholu. Taje při 42° C.

a. Příprava krystalů a pozorování jejich růstu

Dejte trochu salolového prášku na podložku, která vydrží plamen zápalky. Můžete použít mikroskopické či jiné sklíčko nebo kousek alobalu. Použijte malé množství prášku, asi o velikosti hrášku. Zapálenou zápalku držte v dostatečné vzdálenosti od sklíčka, aby se nezačernilo sazemi. Jakmile se salol taví, přestaňte zahřívat. Očekáváte, že salol přejde do pevného stavu, jakmile se tavenina ochladí. To se však stane pouze v případě, že je přítomen zárodečný krystalek pevného salolu. Protože je salolový prášek utvořen z malých krystalků, poslouží malé zrnko prášku jako zárodek pro začátek krystalizace, bude-li tavenina dostatečně chladná. Přidáme-li do taveniny hodně prášku, začne růst mnoho krystalů a brzy si začnou v růstu překážet. Neuvidíte pak žádné krásné rovné hranice, které se vytvoří, jen když rostou krystaly salolu volně, aniž by narazily na nějakou překážku. Tvar salolových krystalů je podobný kosočtverci na hracích kartách. Při pozorování růstu krystalů lupou uvidíte, že se plochy zvětšují, ale zachovávají si při růstu svůj počáteční tvar. Vrstva za vrstvou narůstá rychlostí tisíce vrstev za vteřinu a všechny jsou uspořádány tak, že strany krystalu jsou dokonale rovné a pokračují ve tvorbě pod stejným úhlem s vedlejšími stranami.

Jakmile přestanou krystaly růst, podívejte se na ně pozorně lupou. Většina z nich nemá kosočtvercový tvar, protože se setkala se sousedními krystaly a tak rostl jeden přes druhý. Při prohlížení krystalů v jasném světle se světlo odráží od jejich dokonale rovných ploch. Krystalky salolu mohou být roztaveny a znovu použity ke krystalizaci.

b. Pokusy s krystaly

Salol nelepí, neleptá, není jedovatý, ani nepoškozuje tkaninu. Připravíte-li sklo s větším množstvím krystalů na jednom konci a s menším na druhém, můžete větší množství roztavit, zatímco menší zůstane chladné a pevné. Kousek z menší části sloupněte a použijte jako zárodek. Dáte-li tenkou vrstvu roztaveného salolu mezi dvě mikroskopická sklíčka a ta mírně stlačíte, až salol ztuhne (skla se slepí), můžete pozorovat zajímavý jev. Pozorujte sklo-salol-sklo sendvič mezi dvěma zkříženými polarizátory (viz část D). Nechte polarizátory zkřížené a otáčejte salolovým sendvičem ve směru hodinových ručiček. Nejsou-li barvy krystalů salolu vidět, je vrstva salolu příliš silná. Roztavte ho a při chladnutí stlačte sklíčka více k sobě a pozorování opakujte.

Roztavte trochu salolu ve středu sendviče. Jakmile se začne tavit, přestaňte zahřívat. Jinak se roztaví celá vrstva salolu a sklíčka se od sebe oddělí. Opět pozorujte salolový sendvič mezi zkříženými polarizátory. (Pozor!!! Polarizační filtr se zahřátím ničí, držte ho proto v dostatečné vzdálenosti od horkého sklíčka. Držák popsaný v části D vám v tom pomůže). Kapalná část se jeví mezi zkříženými polarizátory černá, ale krystaly salolu, které ji obklopují, jsou jasné. Pozorujte lupou jasné hrany krystalků salolu, vrůstající do tmavé oblasti jako neuspořádánaé částice, které zabraňují přísunu taveniny k růstu uspořádaných krystalků.

c. Co jsme se dověděli

Zahřátí způsobí, že uspořádaná pevná (tuhá) látka přejde do neuspořádaného tekutého stavu. Tavenina sice připomíná vodu, ale není to voda, protože nevře při teplotě plamene zápalky a přemění se v pevný salol při mnohem vyšší teplotě, než při které se voda přemění v pevnou vodu – led.

Krystal získá své dokonalé tvary a blyštivé plochy přidáváním tisíců vrstev neviditelných částí.

Kapalný salol je mezi zkříženými polarizátory tmavý jako sklo a voda, ale krystaly salolu v dostatečně tenké vrstvě jsou mezi zkříženými polarizátory jasné a barevné.

Kapalný salol neutvoří krystaly (tj. nepřemění se v pevný salol), nepřidáme-li do něj na začátku zárodečný krystalek.

3. BISMUT (KOV, Bi)

Bod tání kovového prvku bismutu je 271 ° C. Podobně jako voda, zvětší objem, přejde-li do pevného stavu. Bismut můžete koupit u společností, které prodávají chemikálie.

a. Příprava krystalů a pozorování jejich růstu

Roztavte bismut v širší ohnivzdorné misce. Po jeho úplném roztavení odstavte misku z tepla. Při chladnutí se tvoří na vnitřní ploše krystaly bismutu. Možná, že je neuvidíte, ale s chemickými kleštěmi je můžete pod povrchem neprůhledné taveniny nahmatat. Vyndejte je kleštěmi a opatrně z nich setřepte přebytek taveniny. Krystaly bismutu mají na povrchu hodně malých výstupků.

b. Pokusy s krystaly

Otáčejte krystaly v jasném světle přicházejícím z mírně vzdáleného zdroje. Všimněte si, že světlo se odráží od povrchu malých výstupků stejně. Aby se tak stalo, musí výstupky svírat s paprsky světla stejný úhel. To znamená, že musí být vzájemně rovnoběžné. Skládají se z vrstev stavebních bloků, které jsou v uspořádaném krystalu bismutu navzájem rovnoběžné. To svědčí o tom, že výstupky nejsou různé krystaly, ale že náleží jednomu krystalu. Sousední krystal bude mít jiný soubor stupňových ploch, které budou odrážet světlo pod jiným úhlem.

Při zkoumání krystalů bismutu pozorujte duhový lesk na jejich povrchu, jako na pavích perech nebo mýdlových bublinách. Je to způsobeno přítomností tenké vrstvy oxidu bismutitého, který se někdy tvoří na povrchu krystalů při chladnutí. Je tak tenký, že jím světlo prochází na povrch krystalu bismutu a zde se odráží. Na své zpáteční cestě se setkává se světlem odraženým od povrchu oxidové vrstvy. Oba světelné paprsky se spolu skládají – interferují. Tím se vyloučí jedna barva z bílého světla složeného ze všech barev duhy. Po vyloučení jedné barvy, světlo nezůstane bílé, ale je barevné, takže povrchy bismutových krystalů se zdají barevné. Tenká vrstva oleje na vodě se barví stejným způsobem. Stejně tak paví pera a mýdlová bublina. Barvy takto vzniklé se nazývají interferenční barvy.

c. Co jsme se dověděli

Povrch krystalu může být přerušen výstupkem a na obou stranách výstupku je stále ten samý krystal.

Paprsek bílého světla, který se odráží od dvou povrchů tenké vrstvy může interferovat a stát se barevným.

C. Krystaly z par (plynná forma té samé sloučeniny)

1. LED

V přírodě se led někdy tvoří z páry. Je-li velký mráz a vlhko,na stromech se vytváří námraza. Stromy ve velkých výškách mají často námrazové jehličky. Na velmi studených oknech se tvoří led z vodní páry.

a. Příprava krystalů a pozorování jejich růstu

V dostatečně vlhké místnosti se budou tvořit na vnější stěně skleněné nebo kovové nádoby naplněné rozdrceným ledem a alkoholem, krystaly ledu z páry. Občas směsí zamíchejte. Krystaly nebudou mít hezké plochy, ale uvidíte, jak se jemné plochy blyští, posvítíte-li na zmrzlý povrch světlem.

b. Pokusy s krystaly

Vyprázdněte sklenici a podívejte se na zmrzlou taveninu. Nevznikla z kapalné vody, ale z vody plynné, která přešla přímo do pevného skupenství. Po zahřátí se změní v kapalinu. Necháte-li skleněnou nebo kovovou nádobu stát po nějakou dobu v místnosti, voda opět přejde do plynného skupenství – vypaří se.

c. Co jsme se dověděli

Vodní pára, což je voda v neviditelném plynném skupenství, je kolem nás v ovzduší. Na velmi chladných plochách se tvoří led (nebo voda na méně chladnějších).

2. NAFTALEN (prášek proti molům C10H8)

POZOR HOŘLAVÝ !!!

Tato sloučenina, která byla dlouho užívána k ochraně vlněných tkanin před moly, by se neměla zaměnit s jinými, (např. paradichlorbenzen) připravenými v nedávné době pro stejný účel. Je obvykle prodáván ve tvaru velkých bílých vloček v papírové krabičce. (U nás dostanete naftalen ve formě tabletek v drogerii.)

a. Příprava krystalů a pozorování jejich růstu

Mírným zahřátím přechází naftalen přímo do plynného skupenství. (Má bod tání 80° C). Jeho velká schopnost přecházet do plynného skupenství je jednou z vlastností, která je užitečná pro dlouhodobou ochranu tkanin.

JE VELMI HOŘLAVÝ A NESMÍ BÝT ZAHŘÍVÁN V BLÍZKOSTI OTEVŘENÉHO PLAMENE !!!

Vhodný způsob přípravy naftalenových krystalů je následující. Dejte trochu vloček (polovinu čajové lžičky) na dno vyšší, úzké sklenice. Vršek nádoby přikryjte. Stačí alobalová folie, velké víčko nebo větší kus papíru. Víčko nezašroubujte, protože páry, které by nemohly unikat by způsobily explozi.

Podržte dno nádoby nad žárovkou rozsvícené lampy. Velmi brzy (při 100 W žárovce) uvidíte, jak se tvoří malé krystalky v horní části nádoby, kde se teplá, neviditelná pára naftalenu ochlazuje a vzájemná přitažlivost neviditelných naftalenových částeček je sdružuje do uspořádaného krystalu. Některé jsou rozvětvené a připomínají větvičkovitou námrazu na oknech. Některé vytváří velmi tenké plošky, které vykazují barevnou interferenci, jak se světlo odráží od obou povrchů, podobně jako u tenké olejové vrstvy na vodě nebo na mýdlové bublině. (Viz část o bismutu).

Naftalen je nerozpustný ve vodě nebo v alkoholu. Z vnitřku nádoby ho odstraníte buď odlakovačem na nehty (který obsahuje aceton) nebo benzenem. Obě sloučeniny jsou hořlavé a poněkud jedovaté. Dobře místnost větrejte a k odstranění použijte papírový kapesník nebo ubrousek, který vyhoďte na místo, kde nemůže být zapálen.

b. Pokusy s krystaly

Tenké naftalenové lístky, jsou velmi hezké podíváte-li se na ně lupou mezi zkříženými polarizátory. Barvy, které některé krystaly mají mezi zkříženými polarizátory nejsou způsobeny odrazem světla ze dvou blízkých povrchů jako je tomu u mýdlové bubliny. Jsou důsledkem jevu, že uvnitř krystalu je světlo rozděleno na dva paprsky o různé rychlosti. Je to interference (skládání) těchto dvou, různě skloněných paprsků co způsobuje zabarvení.

c. Co jsme se dověděli

I jiné sloučeniny než voda mohou krystalizovat přímo z plynného skupenství.

D. POKUSY S POLARIZOVANÝM SVĚTLEM

1. Povaha polarizovaného světla a způsob, jak ho získat

Podle okolností užíváme k vysvětlení optických jevů buď vlnového nebo částicového charakteru světla. Pro následující výklad je vhodné uvažovat vlnovou povahu světla – jako je vzruch, který pohybuje vlnou vpřed kmitavým pohybem, podobně jako je tomu u mořských vln. Vlnová délka viditelného světla je 0.4 – 0.75 . 10-6 m

Na rozdíl od mořských vln světelné vlny nekmitají jen nahoru a dolů. Kmitají ve všech směrech a amplitudy kmitů svírají pravý úhel se směrem, kterým se světlo pohybuje. Existují zařízení, která dovolí, aby jimi prošlo jen „světlo“, jehož amplituda leží pouze v jedné rovině. Takové světlo se nazývá lineárně polarizované světlo. Tuto vlastnost můžeme alespoň částečně získat například odrazem od hladkého nekovového povrchu. Pravděpodobně nejvýhodnějším polarizátorem pro zkoumání krystalů je polarizační filtr. Budeme-li jím pozorovat světlo odražené například od okenního rámu a budeme-li filtrem otáčet kolem osy kolmé k jeho ploše, budeme pozorovat, že v někteých polohách filtru je rám tmavý, někdy světlý.

2. Krystaly mezi zkříženými polarizátory

Pro zkoumání krystalů připevněte gumičkou dva polarizátory na jednu stranu malé krabičky.

[holding polarisers]

Dvojitě zakončená šipka na nákresu označuje dovolený směr kmitání pro světlo, které prochází každým polarizátorem. Jsou-li polarizátory uspořádány tak, že jeden z těchto směrů je kolmý k druhému, nazývají se zkřížené. Jsou-li polarizátory dokonalé, neprojde zkříženými polarizátory žádné světlo. I když neznáte dovolený směr ani jednoho z polarizátorů, můžete je dát do zkřížené polohy tím, že najdete orientaci, kdy jsou nejtmavší, jsou-li položeny na sobě. Účelem této příručky není podat úplný popis chování krystalů v polarizovaném světle. (Doporučujeme k přečtení knihu J.Fuka a kol. Optika )

Natočte dva polarizátory navzájem tak, aby jimi neprocházelo světlo. Pak jsou navzájem zkřížené. Budete-li mezi ně vkládat krystaly, můžete je na základě jejich chování mezi zkříženými polarizátory rozdělit do dvou skupin.

Krystaly, které vypadají tmavé při každé orientaci – kuchyňská sůl, kamenec.

Krystaly, které vypadají světlé při většině orientacích – borax, cukr, modrá skalice, síran hořečnatý, led, salol, naftalen.

Ty, které jsou při většině orientacích světlé, jsou při některých tmavé. Jehličky síranu hořečnatého např. vypadají tmavě kdykoliv jsou jejich dlouhé hrany rovnoběžné s dovoleným směrem jednoho polarizátoru.

[appearance in different orientations]

Krystal, který vypadá světlý mezi zkříženými polarizátory, se bude zdát barevný, bude-li dostatečně tenký. Projde-li světlo takovýmto krystalem, rozdělí se do dvou paprsků, které kmitají v navzájem kolmých směrech. Jeden paprsek má větší rychlost, než druhý. Po projití krystalem a druhým polarizátorem interferují podobným způsobem jako dva paprsky popsané v části o bismutových krystalech. Ačkoliv důvod interference je v tomto případě jiný, nazývají se barvy též interferenční.

Polarizátory jsou zvláště užitečné pro určení, zdali se část vzorku skládá z jednoho nebo více krystalů. Napůl roztavený kousek ledu nemusí vykazovat v normálním světle žádné hranice, ale mezi zkříženými polarizátory můžete vidět, že v jedné poloze je část tmavá a v jiné poloze je jiná část tmavá. V takovém případě se jedná o dva krystaly.

[joined ice crystals]

3. Led a slída

V části pojednávající o ledu byl popsán interferenční obrazec – černý kříž na šedém pozadí, který může být viděn za příznivých podmínek. Není lehké ho vidět. Potřebujeme k tomu opravdu silný kus ledu s hladkými plochami a část plochy, která je tmavá při všech orientacích a to je tehdy, je-li vrstva ledu rovnoběžná s rovinou polarizátorů.

Interferenční obrazec se dvěma „oky“ místo jednoho uvidíme, dáme-li velký kuse slídy mezi zkřížené polarizátory. Oko pozorovatele musí být u slídy co nejblíže. Protože slída neporuší polarizátory, jako to učiní vlhký led, můžeme je držet blízko druhé strany slídy. Jestliže nakláníte celý sendvič sem a tam v různých úhlech od směru, kterým se díváme, se objeví dvě „oka“. Úplný popis interferenčních obrazců je podán v Crystals and Light.

4. Roztok cukru

Jev, že krystal vypadá světlý mezi zkříženými polarizátory, neznamená, že stáčí rovinu polarizovaného světla. Jestliže je otočen do polohy, ve které se zdá tmavý, neznamená to, že je opticky aktivní, ale roztok cukru je opticky aktivní – stáčí rovinu polarizovaného světla. To znamená, že se směr kmitání světla postupně mění (jako při šroubování šroubu) jak světlo prochází roztokem.

Jestliže roztok cukru stáčel (viz pokus 7B1b) rovinu polarizace ve stejném směru pro všechny barvy, pak můžeme otáčet blízko polarizátoru ve vztahu ke vzdálenějšímu vpravo a roztok se bude zdát mezi nastavenými polarizátory tmavý. Rovina polarizace pro každou barvu světla se stáčí v opačném smyslu pro danou délku dráhy v roztoku. Takže, když se bližší polarizátor otáčí vpravo, aby byl „zkřížený“ pro jednu barvu, bude ostatní barvy procházet. Se světelným zdrojem poskytujícím pouze jednu barvu bude dosaženo tmy. Můžete to zkusit s kouskem červeného nebo modrého či žlutého skla nebo plastiku.

KRYSTALY MIMO DOMOV A TŘÍDU

A. V muzeích

1. Mineralogické sbírky hornin a minerálů

Většina muzeí vlastní vzorky hornin a minerálů, někdy velmi krásných. Minerály jsou krystaly, které se vyskytují v přírodě v zemské kůře. Výlet do muzea bude vhodným úvodem k seznámení se s krystaly, které můžete nalézt v přírodě.

2. Návrhy na výlety

Zaměstnanci muzea vám určitě poradí s výběrm míst, kde najdete krystaly. Krystaly různých hornin rostou společně bez pravidelnýh hranic. Řekněte zaměstnancům muzea, že chcete sbírat minerály hornin bez hladkých ploch, ale také ty s dokonalými vnějšími formami.

B. Vycházky

Jestliže žijete v místech, kde jsou velké nezarostlé skály, můžete vidět, co je to vyvřelina, (která vykrystalizovala z tavenin), usazenina (usazenina z vody) nebo metamorfovaná (přeměněná teplotou a tlakem, i když na začátku byla jednou z výše uvedených).

1. Vyvřeliny, které vznikly pomalým ochlazováním, obsahují velká zrna minerálů, ze kterých jsou utvořeny. Protože ve stejnou dobu začlo růst najednou málo krystalů, žádný nenarazil na sousední a tak mohly vyrůst velké. Byly vytvořeny hluboko pod povrchem. (Velké krystaly se mohly také vytvořit, když tavenina bohatá na vodu vyvřela na povrch horniny a voda zpomalila krystalizaci). Minerály, které obvykle tvoří takovéto horniny jsou: křemen (šedobílý, podobný sklu, tvrdý, neštěpí se), živec (růžový, bílý nebo šedý, není lesklý, štěpí se), slída (bezbarvá, šedá nebo černá, dobře se štěpí, láme, odlupuje se ve vrstvách (lístcích)), amfibol (černý, krátké tyčky, nepatrně se štěpí, malá zrna). Když se roztavená hornina rychle ochladí, obsahuje mnoho zrn různých minerálů, které je těžké rozlišit, ale obvykle se jedná o stále stejné minerály.

2. Usazeniny se vytvoří, když vrstvy úlomků naplavené proudem řeky, která je nesla do moře, ztvrdly na kámen. Tyto úlomky mají vyvřelinový původ, takže můžete očekávat, že v nich najdete stejné minerály. Nicméně živec a slída se lehce rozbijí, jsou-li zmítány řekou, a mohou se chemicky rozložit. Křemen je tvrdší a neštěpí se, takže omílání proudem snese lépe. Je také chemicky odolný, takže přežije. Křemen je nejobvyklejší minerál v usazeninách, písku a jílovité břidlici (jemně zrnitá). Řeky také přenášejí látky v roztoku. Jednou z nejobvyklejších sloučenin usazených z roztoku je uhličitan vápenatý. Po ztvrdnutí na kámen je obvykle jemně zrnitý, světle šedý nebo téměř bílý, nazývá se vápenec (kalcit). Kalcit se také usazuje z vody v malých bílých žílách (proužcích) v různých horninách. Je lehce rozeznatelný svou dokonalou štěpností ve třech směrech, takže se snadno rozbije na malé kousky. Plošky těchto kousků nejsou obdélníkové, jako u soli, ale mají tvar kosočtverce.

3. Metamorfní horniny vznikly působením tepla a tlaku hluboko v zemi na vyvřeliny a usazeniny, někdy pomocí roztoků různých sloučenin pohybujících se v hornině. Přeměnou vápence vznikne mramor. Přeměnou jílovité břidlice (lupek) vznikne břidlice (břidličný lupek). Další přeměnou břidlice vznikne břidlice krystalická, hornina plná slídy, která se na slunci leskne.

4. Omleté kameny, oblázky, písek. Žijete-li v místech, kde nejsou pro zkoumání velké skály zajímejte se i o malé kamínky, které najdete. Často jsou na povrchu špinavé, ale někdy jejich povrch byl změněn počasím. Rozbijte je, abyste viděli čerstvý povrch. Všechny kousky, které najdete, budou krystalické, to znamená, že budou složeny z krystalů, třebaže velmi malých a nepravidelných. Pojmenování minerálů, ze kterých se skládají horniny, tvoří pouze část jejich poznávání, ne tak důležitou, jako je zkoumání souvislostí mezi nimi. Jste schopni říci, jedná-li se o vyvřelinu, usazeninu nebo přeměněnou horninu. Je-li to vyvřelina, zkuste určit, který minerál krystaloval první a které další se utvořily kolem něj ve volném prostoru.

5. Led je krystalická pevná látka, která se objevuje v přírodě bez lidské pomoci, takže je to vlastně minerál. Námraza na oknech vypadá jako rozvětvené krystalky naftalenu. Rampouch je někdy utvořen z jednoho krystalu ledu. Podívejte se na jeden čirý rampouch mezi zkříženými polarizátory.

Mezi jedny z nejhezčích přírodních krystalů patří ty, které jsme si nechali na konec – sněhové vločky. Žijete-li v oblasti, kde sněží, jděte s lupou ven, když padá sníh. Každá vločka je jeden krystal. (Velké vločky jsou shluky mnoha krystalů). Rozmanitost vzorů sněhových vloček je zdrojem údivu a potěšení pro všechny, kterým se líbí pozorovat svět kolem sebe. Jsou pravděpodobně výsledkem jevu, že růst krystalků ledu je velmi citlivý i k malým změnám vlhkosti a teploty. Vynikající vědec, pozorovatel sněhových vloček Ukichiro Nakaya nalezl, že může připravit v laboratoři vločky dle svého přání, změnou teploty a vlhkosti, při kterých se vločky tvoří. Za víření sněhové bouře dochází v průběhu doby růstu krystalu k mnoha změnám růstových podmínek. Dvě vločky, které rostou několik vteřin za stejných podmínek, brzy od sebe odlétnou a každá pokračuje v růstu za jiných okolností. S tak neustále se měnícím prostředím a s takovou citlivostí k němu, můžeme proto očekávat velkou rozmanitost a tak složitou krásu.

C. Budovy


[Igneous rock]
Vyleštěná vyvřelina, na které je možné rozpoznat bílý živec, šedý křemen a bílou slídu.

1. Dekorace budov a vnitřního zařízení

V mnoha velkých obchodních domech je použito vyleštěného kamene k ozdobě vnějších zdí budov a někdy také uvnitř obchodů. Tyto plochy vznikly přeříznutím krystalů tvořících kámen a jejich vyleštěním.

Lehko najdeme hranice mezi sousedními krystaly a odlišíme od sebe různá krystalická zrna. Obvykle je kámen, složen z jednoho, maximálně ze tří minerálů. Mramor je utvořen převážně z minerálu kalcitu. Nicméně mramor nejvíce ceněný pro výzdobu, má obvykle vměstky (přimíšeniny) jiných sloučenin, které tvoří barevné ozdobné proužky.

Jestliže je vyleštěný povrch vyříznut z krystalu ve směru, který se moc neliší od jeho štěpné roviny, pak krystal, podíváte-li se na něj pod vhodným úhlem, odráží blyštivě světlo. Podívejte se na blýskavé štěpné roviny krystalů, až půjdete kolem vyleštěných barevných kamenných ozdob na budovách. Všechny části, které odráží světlo pod stejným úhlem (blyští se najednou, stojíte-li na jednom místě), náleží jednomu druhu krystalu.

2. Drahé kameny

Téměř všechny drahé kameny jsou složeny z jednoho krystalu. Vyjímkou je jadeit (jadeit bývá vláknitý, jeho masivní agregáty se prodávají coby nefrit) a kočičí oko (je v podstatě prokřemenělý zbytek po vláknitých minerálech a zbytky vláken dělají tento optický efekt), které jsou polykrystalické (skládají se z více krystalů) a opál, který není krystalický vůbec. Většina drahých kamenů je zbroušena na mnoha plochách a na horní a spodní straně. Světlo se odráží z horní obroušené plošky (facety), ale také vniká do drahého kamene a odráží se znovu zpět od spodních ploch. K dosažení krásného lesku se malé povrchy kamene musí brousit v nejvhodnějších úhlech.

3. Drogerie, lékárny

Některé sloučeniny zmiňované v této příručce jsou k dostání v drogeriích. Řeknete-li drogistovi, že se zajímáte o přípravu krystalů, nabídne vám další sloučeniny. Ujistěte se vždy, nejsou-li nebezpečné!!!

Doporučená četba

Zkušenosti s krystaly, které jste si sami připravili nebo které jste nalezli, podnítí vaši zvědavost. Byly napsány stovky knih o krystalech a krystalografii a můžete si je vyhledat v knihovnách. Začátečník je občas zahlcen velkým množstvím informací najednou. V následujícím seznamu jsou uvedeny knihy o růstu krystalů, jedna kniha o horninách a minerálech a jedna o krystalech mezi zkříženými polarizátory. Všechny tři knihy obsahují informace o vnitřní symetrii dokonale utvořených krystalů, symetrii, která je důsledkem symetrie jejich uspořádané struktury. Každý krystal má tuto uspořádanost. Pro většinu z nich můžete určit vhodné podmínky, aby rostly v krásných tvarech a s lesklými plochami.

Literatura

Literatura v angličtině

1. A. Holden, P. Singer: Crystals and Crystal Growing, Doubleday-Anchor, Garden City, NY, USA 1960

2. F.H. Pough: A Field Guide to Rocks and Minerals, Houghton Mifflin, Boston, USA, 1960

3. E.A. Wood: Crystals and Light, an Introduction to Optical Crystallography, Van Nostrand, Princeton, NJ, USA, 1964

Poděkováni

Zvláštní poděkování patří Jovance Kink za scann a korekci původní příručky (červen 1993).

Literatura v češtině

1. videokazeta: Svět krystalů, Fyzikální vědecká sekce Jednoty českých matematiků a fyziků, Edice Cesty k vědění 6 (1999), lze ji objednat na adrese: Sekretariát Fyzikální vědecké sekce JČMF, Na Slovance 2, 180 40 Praha 8

2. ALDRICH, Sigma-Aldrich s.r.o., Pobřežní 46, 186 00 Praha 8

3. J. Fuka, B. Havelka: Optika, SPN, Praha 1961

4. H. Čtrnáctová, J. Holbych, J. Hudeček, J. Šímová: Chemické pokusy pro školu a zájmovou činnost. Prospektrum, Praha 2000

5. M. Jaroš, J. Roneš: Jak dělat chemické pokusy, MF, Praha 1959

6. P- Korbel a kol. : Encyklopedie minerálů, Rebo Productions, 1999

7. Mineralogie, petrografie a geologie pro 1. ročník gymnázií, SPN, Praha 1972


Copyright © 1972, 2001 International Union of Crystallography

IUCr Webmaster