KRYSTALY – pøíruèka pro uèitele

Elizabeth A.Wood, 1972

Napsáno pro komisi pro výuku krystalografie pøi Mezinárodní krystalografické unii.

Pøedmluva

Všem uèitelùm:

Mezinárodní krystalografická unie dala podnìt k napsání této pøíruèky pro komisi, která se zabývá výukou krystalografie. Mezinárodní krystalografická unie podporuje rozvoj krystalografie na celém svìtì a spojuje lidi, kteøí krystaly zkoumají.

Mnoho uèitelù zjistilo, že se dìti zajímají o krystaly. To je dobrý dùvod k tomu, aby je uèitel v tomto jejich zájmu podpoøil. Dìti mohou provádìt jednoduché pokusy s krystaly a tak mít dojem, že sami dìlají vìdecká pozorování a získávají zkušenosti vlastními experimenty. O krystaly se zajímají chemici, fyzici, geologové, biologové i matematici. Studium krystalù je souèástí jejich oborù a jsou si vìdomi, že pøíroda není rozdìlena do chemie, fyziky, geologie a biologie.

Vìtšina dnešních uèitelù se o krystalech ve škole neuèila. Cílem této pøíruèky je proto poskytnout urèitý základ k porozumìní krystalùm tak, aby uèitelé mohli pøitažlivì pracovat s dìtmi, které se o krystaly zajímají. Není to systematický kurz krystalografie. To by nebylo vhodné. Je to pøíruèka pro vaši zábavu. Studenti, kteøí se chtìjí dovìdìt o krystalografii více, mohou pozdì i studovat krystalografii na univerzitì.

V pøíruèce se, pokud je to možné, neužívá odborných výrazù ne pro ulehèení, ale aby nedocházelo k uèení se pojmù místo pochopení toho, co se dìje.

Dìti si myslí, že vìdí, proè jablko padá, protože znají slovo gravitace (zemská pøitažlivost), ale pro kvalifikované vìdce je zpùsob, jakým se jabko a Zemì pøitahují, hádankou.

Ve vìtšinì knih o krystalografii, jak se nazývá pøedmìt, který se zabývá studiem krystalù, klade se pøi tøídìní krystalù dùraz na symetrii. Nicménì, vìtšina krystalù, které si dìti sami vypìstují nebo naleznou v pøírodì, má tvary, které nejsou dokonale symetrické, protože rùstové podmínky nebyly v okolí krystalu stejné. K tomu, abychom si dovedli si pøedstavit, jak by mìl takový krystal vypadat, kdyby rùstové podmínky byly jednotné, je potøeba již dostatek pøedstavivosti a zkušenosti s nìkterými symetrickými krystaly. Budou-li studenti chtít, mohou se sami ze svých vlastních pozorování pøesvìdèit, že symetrie je pro tøídìní krystalù užiteèná. Není tøeba je nechat uèit se nazpamì odborné pojmy, jestliže neznají jejich význam.

Základem vìdy je pozorování a údiv, zvìdavost a úsilí k uspokojení této zvìdavosti. Uèení se o tom, co vynalezli jiní, je souèástí uèení o vìdì, ale v první øadì musíme vìdìt, jak sami vìdci poznávají pøírodu, abychom se pøesvìdèili, že jejich výsledky jsou založeny na experimentech, které se dají zopakovat.

Z tìchto dùvodù se pøíruèka nezabývá systematickou klasifikací (tøídìním) krystalù podle jejich symetrie. Chce vám dodat kuráž k pozorováním a experimentùm a položit základy pro další studium krystalografie Pozorování dovedou po èase studenty k následujícím závìrùm:

1. Za vhodných podmínek nabývají nìkteré látky pevných, pravidelných forem, tvoøí krystaly.

2. Krystaly se zvìtšují, jestliže na jejich vnìjších plochách pøibývá hmoty.

3. Krystaly se vyluèují z roztokù pøi vypaøování rozpouštìdla. Krystaly se vytváøí chladnutím taveniny. Krystaly se tvoøí z horké páry, jestliže se pára setká s chladnìjším povrchem.

4. Krystaly rùzných látek mají rùzný tvar.

5. Krystaly rùzných látek mají rozdílné vlastnosti, to znamená, že nìkteré jsou barevné a jiné ne, nìkteré rostou dobøe a jiné ne, nìkteré se štípají (bude o tom øeè pozdìji) a jiné ne, nìkteré jsou mezi zkøíženými polarizátory svìtlé (viz oddíl D) a jiné ne.

6. (Pro starší studenty). V tom, jak krystal roste, musí být urèitá zákonitost (øád), která je zodpovìdná za jeho hladké plochy, jejich charakteristický tvar a zpùsob, jakým odrážejí svìtlo. Tato zákonitost musí být pro rùzné látky rùzná.

Jestliže mají vaši studenti svùj názor (pøesvìdèení) na závìry plynoucí z jejich vlastních pozorování, budou mít dobrý základ pro krystalografickou vìdu.

* * *

Krystal dané látky je vystavìn z ploch, které spolu svírají vždy stejný úhel a má další vlastnosti, které vyplývají z uspoøádanosti atomù, iontù nebo molekul, ze kterých je utvoøen. Tato uspoøádanost struktury (struktura krystalu je vnitøní uspoøádání základních stavebních èástic (atomù, iontù, molekul) v krystalu. Ilustrovaný encyklopedický slovník, Encyklopedický institut ÈSAV, Academia 1982, pozn. pø.) je nalezena ve vìtšinì pevných látek i když nìkteré látky jsou více uspoøádané než jiné. I ve døevì jsou molekuly uspoøádány podél vláken, aèkoliv vlákna samotná uspoøádaná moc nejsou. Je døevo krystal? Nemá lesklé plochy. Nìkteøí krystalografové (lidé, kteøí studují krystaly) by øekli, že vlákna døeva krystaly jsou, jiní že ne.

Slouèenina, která je utvoøena z krystalù se nazývá krystalická. Nìkdy se užívá slovo polykrystalická pro oznaèení, že slouèenina je složena z mnoha krystalù. V jednom krystalu (monokrystalu) uspoøádanost øad atomù není pøerušena a nemìní smìr. Rostou-li dva krystaly vedle sebe, pak místo, kde uspoøádání jednoho svírá s uspoøádáním druhého urèitý úhel, se nazývá hranice. Na nákresu je naznaèen øez ètyømi krystaly s takovými hranicemi. Plné èáry pøedstavují hranice mezi krystaly (nazývané též hranice zrn). Teèkované èáry znázoròují vrstvy atomù, iontù nebo molekul.

[4 crystals with grain boundaries]

Vìtšina látek, které známe, je vytvoøena z uspoøádaných krystalù, které nemají hladké plochy, protože sousední krystaly vyrostly vedle sebe s nepravidelnými hranicemi. Témìø všechny horniny jsou utvoøeny z krystalù a v horninì mùžeme èasto rozlišit jejich rùzné druhy. Kovové pøedmìty jsou utvoøeny z tìsnì spojených krystalù. Nìkdy jsou na ulomených mosazných klikách viditelné hranice krystalù ze kterých je klika zhotovena.


[Brass door handle]

Látka ve které atomy, ionty nebo molekuly nejsou pravidelnì uspoøádány, se nazývá sklovitá. Známý pøíklad je okenní sklo. Sopeèné sklo a nìkteré druhy sopeèného popela jsou také sklovité – nejsou krystalické. Existuje sklovitý druh cukroví (bonbonù). Je lesklé, obvykle má uvnitø oøíšek. Pøipravuje se rychlým zchlazením roztaveného cukru, aby se døíve, než kapalina ztuhne, nevytvoøily krystaly. Molekulám se tak nedovolí, aby zaujaly své správné polohy k vytvoøení krystalu. Rychlým ochlazením mohou být pøipraveny i jiné sklovité látky. To je pøípad sopeèného skla a také nìkterých skel pøipravených ve sklárnách. V továrnì zhotovené sklo mùže obsahovat pøímìsi, které zpùsobí, že sklo mùže být zchlazeno vhodnou rychlostí, aniž by zkrystalizovalo. V nìkterém skle zhotoveném starší technikou se po létech zaènou tvoøit krystaly, atomy se pomalu pøemisují do uspoøádaných poloh pøitahovány silami, které mezi nimi pùsobí. Neexistuje velmi staré sopeèné sklo, nebo za stovky a tisíce let mìly atomy èas vytvoøit krystaly.

Mladí lidé se nejlépe uèí tvoøivou èinností, ne nasloucháním. Nejlepší zpùsob pro mladého èlovìka jak se dovìdìt nìco o krystalech je jeho vlastní zkušenost a ne, aby mu nìkdo o nich jen povídal. Nechte ho pozorovat, uvažovat a ptát se. Pak mu mùžete pomoci s hledáním odpovìdí. Nebudeme zkoušet definovat slovo krystal, dokud nemáme s krystaly zkušenosti (pokud o nich nic nevíme). Je tøeba, abyste i vy, uèitel, mìl své vlastní zkušenosti a tak se mohl tìšit z objevù spolu se svými žáky.

Zbytek této pøíruèky je napsán pro studenty. Jestliže tam bude nìco, co už znáte, nezapomeòte, že byla napsána pro školy na celém svìtì.

POMÙCKY A CHEMIKÁLIE

A. Základní

Chemikálie Pomùcky
sùl (sùl kuchyòská, chlorid sodný, NaCl) sklenice, kádinka (o objemu asi 250 ml)
cukr (tøtinový cukr nebo øepný cukr, C12H22O11) lžièka na èaj
voda nit nebo tenký provázek

Doporuèené vybavení

Chemikálie Pomùcky
borax (Na2B4O7.7H2O) lupa
síran hlinito amonný (NH4Al(SO4)2.12 H2O) pinzeta
síran hlinito draselný (KAl(SO4)2.12 H2O) mikroskopické sklíèko (mùže být použito i dno pøevrácené sklenice)
síran mìïnatý (CuSO4.5 H2O) svíèka nebo zápalky
síran hoøeènatý (MgSO4.7 H2O) tepelný zdroj pro ohøátí vody
fenyl salicylát (HOC6H4COOC6H5) lednièka k dosažení teploty pod 0° C
bismut (Bi) dva polarizaèní filtry, napø. firmy Polaroid
naftalen (C10H8)  

KRYSTALY VE TØÍDÌ A DOMA

Pøíprava krystalù z roztoku

1. Sùl (kuchyòská sùl, chlorid sodný NaCl)

Zaèneme se solí, protože je dosažitelná pro každého. Zatímco bude probíhat experiment se solí, mùžete si pøipravovat vìci, které budete potøebovat pro další experimenty.

a. Pøíprava krystalù a pozorování jejich rùstu.

Dejte tøi èajové lžièky soli do sklenice naplnìné z jedné tøetiny vodou. Dobøe rozmíchejte. Vìtšina soli se rozpustí a utvoøí roztok soli ve vodì, ale èást zùstane na dnì nádoby a roztok se zdá zakalený. (Nìkteøí výrobci soli pokrývají zrnka soli, aby se ve vlhku nelepily k sobì, neškodnou nerozpustnou látkou. Následující postup je použit k oddìlení této látky od nerozpuštìné soli.) Nechte smìs stát pøes noc. Ráno bude roztok èirý. Pøelijte èirý roztok opatrnì do široké nádoby, abyste nepohnuli usazeným zbytkem na dnì. (Tento postup oddìlení kapaliny od pevné látky jednoduchým odlitím kapaliny se nazývá dekantace). Pevný zbytek vyhoïte. Nechte èirý roztok stát nezakrytý nìkolik dní. Proti prachu mùžete na nádobu dát pøeklopenou krabici.

Dané množství jakéhokoliv rozpouštìdlajako je voda, udrží v roztoku urèité množství slouèeniny. Toto množství slouèeniny vytvoøí v roztoku nasycený roztok. Je-li množství slouèeniny menší, je roztok nenasycený. V nìkterých pøípadech slouèenina potøebuje zárodek – velmi malý krystalek vìtšinou stejného složení, který zpùsobí poèátek krystalizace pevné látky z roztoku. V pøípadì, kdy nasycený roztok stojí a rozpouštìdlo se vypaøuje, roztok se stává pøesyceným. V pøesyceném roztoku zpùsobí pøídavek malého množství rozpouštìné slouèeniny vylouèení jejího pøebytku na dnì nádoby.

Podívejte se lupou na první pevné èásteèky, které se objeví na dnì roztoku soli. Vìnujte zvláštní pozornost jednomu krystalku a pozorujte, jak se den ode dne mìní. Je-li nádoba sklenìná, položte ji na papír, na kterém vám znaèky pomohou najít sledovaný krystalek. (Pøi okraji roztoku, kde dochází k rychlému odpaøování rozpouštìdla, se tvoøí bílý škraloup. O tom si povíme pozdìji.) Pøi pozorování vám pomùže i silné osvìtlení ze strany.

Èástice, které se postupnì vyluèují z roztoku, jsou krystaly soli. Jestliže budete pozorovat první stadia jejich tvorby, uvidíte, že mají tvar ètverce. Podíváte-li se na nì ze strany zjistíte, že jsou ètvercové nebo obdélníkové. Jejich stìny svírají po celou dobu rùstu pravé úhly.

Pøemýšlejte o tom! Z beztvarého roztoku se tvoøí tyto dokonale utvoøené pevné tvary, a odpaøujete roztok ve Španìlsku nebo na Sibiøi, v Africe, Americe nebo Australii, v ponorce nebo v letadle. Pevná látka, která se tvoøí z roztoku soli má tvar malých krystalkù s lesklými plochami, které svírají pravý úhel. Víte, proè k tomu dochází?

Vyjmìte pinzetou (máte-li ji) jeden z malých krystalkù z nádoby a osušte ho. Mùžete ho dát do krabièky. Pokud nebude ve vlhku, nezmìní se. Pøi velké vlhkosti vzduchu se mùže na krystalu usazovat voda a rozpustit ho. Zbylé krystalky v nádobì se s postupným odpaøováním vody zvìtšují. Sùl, kterou jste ve vodì rozpustili, pøechází z roztoku na krystalky a ty se zvìtšují. Tak se pøidává vrstva k vrstvì, každá hladká plocha se zvìtšuje a všechny spolu svírají pravý úhel.

Co se stane, jestliže se dotknou dva krystaly, které rostou vedle sebe? Dívejte se pozornì a uvidíte. Vìtšinou rostou spoleènì, nepravidelnì, zatímco jejich krásné hladké plochy rostou na vnìjších volných stranách, kde nejsou ve styku s jinými. Po urèité dobì spoleèného rùstu je vyndejte pinzetou. Mùžete øíci, kde konèí jeden krystal a zaèíná druhý? V nìkterých pøípadech je to lehké, v jiných ne. Mùžete je oddìlit?

Jak se rozpouštìdlo dále odpaøuje, zaèíná rùst na dnì nádoby mnoho krystalkù spoleènì. Bílý povlak na stìnì nádobky je tvoøen ze stejných krystalkù, které také rostou spoleènì, ale jsou velice malé. Je-li odpaøování rychlé, zaène rùst najednou mnoho krystalkù. Brzy ale narazí na sousední krystal, takže žádný z nich nevyroste velký.

Kapilární síly v úzkém prostoru mezi vrstvou krystalkù a nádobou zpùsobí, že roztok stoupá po stìnách nádobky nahoru, kde se rychle odpaøuje a vytváøí se další bílý povlak.

Jak to udìlat, aby vyrostl velký krystal, který má neporušený tvar, protože nepøijde do styku se sousedním krystalem? Než zaènete èíst dále, pokuste se na to dpovìdìt sami.

Mùžete zkusit dva zpùsoby:

1. Rychlé odpaøování rozpouštìdla zpùsobilo, že zaèalo rùst více krystalkù najednou vedle sebe. Zabráníme-li rychlému odpaøování rozpouštìdla, poroste ménì krystalkù ve vìtší vzdálenosti od sebe. Nádobku proto pøikryjte víkem, ale ne tìsnì, aby se úplnì nezabránilo odpaøování, ale pøece jen tìsnìji, než jen pøevrácenou krabicí. Papír nebo látka pøichycená gumièkou pøes nádobku také zpomalí odpaøování. 2. Mùžeme vyndat jeden pìkný krystalek a dát do nasyceného roztoku v jiné nádobì. Takto použitý krystalek se nazývá zárodeèný krystal (zárodek). Možná, že vzroste jen jeden krystal. (Na krystalu, který jste vyndali pinzetou nebo prsty, ulpívá roztok, který je nasycený. Vypaøuje-li se, rostou rychle malé krystalky a vytváøí další zárodky, které soutìží o látku, ze které rostou. Osušte proto rychle krystal èistou látkou nebo èistým kapesníkem a umyjte a osušte pinzetu a ruce.

Roste-li krystal položený na plochu, pak tato plocha nemá dostatek látky (hmoty) a krystal nemùže rùst. Aby krystal rostl na všech stranách, je tøeba ho zavìsit na nit do roztoku. Navázat krystalek na nit není lehké. Mùžeme také pøilepit krystalek na nit malým množstvím ve vodì nerozpustného lepidla, které se používá pro slepení talíøù. Pøed ponoøením nalepeného krystalku do roztoku necháme lepidlo pøes noc zaschnout.

b. Pokusy s krystaly

1. Z krystalù vyndaných v rùzných stupních rùstu mùžeme vytvoøit názornou výstavku. Krystaly nalepte malým množstvím lepidla na tvrdý papír (èerný nebo tmavì zbarvený) a napište pod nì dobu, jak dlouho rostly. Posloupnost od malého k velkému ukáže, jak si krystal pøi rùstu stále zachovává svùj tvar.

[sequence of crystals by size]

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

[two crystals] Dva krystaly

2. Rozbijte nìkteré krystaly. Uhoïte jemnì na krystal malým kladívkem nebo rukojetí nože, šroubováku nebo kulatou èástí lžíce. Rozbije se podél plochy rovnobìžné s vnìjší rovinou.

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

Tyto èásti se mohou rozbít na menší kousky opìt s rovinnou plochou (která se leskne v silném svìtle) rovnobìžnou s pùvodní. Mohou se rozbít kdekoliv a povrchy budou vždy spolu rovnobìžné. Tato vlastnost krystalu rozdìlit se podél rovinných ploch s v urèitém smìru je známa jako štìpení. Ne všechny krystaly se štìpí. Nìkteré z nich se rozbijí jako kus skla.

V soli jsou štìpné plochy rovnobìžné s rùstovými plochami. U krystalu jiné slouèeniny nemusí být štìpné roviny s rùstovými plochami rovnobìžné.

Co to je, co nutí krystaly chloridu sodného rùst ve tvaru obdélníkù a štípat se podél rovin k sobì kolmých? Krystalografové pøemýšleli a uvažovali nad tìmito otázkami po mnoho let. Až ve 20. století se pomocí rentgenové difrakce podaøilo vysvìtlit jak uspoøádání atomù, iontù a molekul v krystalu, tak zpùsob jejich rùstu a štìpení a další vlastnosti. Rentgenové paprsky jsou atomy rozptýleny a studiem smìru jejich rozptylu krystalografové zjistí, jak jsou krystaly složeny dohromady.

V chloridu sodném, obyèejné kuchyòské soli, nalezli, že sodíkové a chloridové ionty se takto støídají:


[Sodium chloride model]

Je zapotøebí 1017 takovýchto blokù ke zhotovení jedné krychle zrnka soli o rozmìrech 1 x 1 x 1 mm. Tedy 100 000 000 000 000 000. To je sto milionkrát tisíc milionù. Oèekávali byste, že tak velké množství je potøeba k vytvoøení uspoøádaných, pravidelných krystalù. Mùžete také pøedpokládat, že velmi snadno dojde k vychýlení vrstev sodíkových nebo chloridových iontù.

Každý krystal má své charakteristické uspoøádání atomù, iontù nebo molekul, které je zodpovìdné za tvar, ve kterém roste a za jeho vlastnosti.

3. Ponechte si nejlepší krystaly v malé krabièèce nebo obálce pro další pokusy (viz pokus s polarizovaným svìtlem v èásti D).

4. Dejte krystal na sklíèko nebo jiný èistý povrch, kápnìte na nìj trochu vody a pozorujte lupou, jak se ve vodì rozpouští. Rohy se zakulacují, protože mají vystaveny rozpouštìdlu tøi plochy. Hrany se zakulacují o nìco pomaleji, protože mají jen dvì plochy vystavené pùsobení rozpouštìdla. Jestliže krystal zachráníte pøed úplným rozpuštìním, osušíte ho èistou látkou, nebo èistým kapesníkem a znovu dáte do nasyceného roztoku, zaène znovu rùst. Zaplní hrany a rohy a získá pùvodní tvar.

5. Krystaly použijte jako zárodky pro vypìstování vìtších krystalù z nasyceného roztoku té samé slouèeniny. Èím použijete menší krystaly, tím lépe.

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

Co jsme se dovìdìli.

Krystal soli roste tak, že pøibírá na sebe sùl z vodného roztoku soli, která ho obklopuje. Není-li jeho rùst pøerušen, roste s hladkými, lesklými plochami, které svírají pravé úhly.

Poznatek, že se tyto krystaly štìpí, znamená, že vlastnosti uvnitø krystalu nejsou ve všech smìrech stejné. Druh a uspoøádání atomù, iontù nebo molekul v krystalu, urèuje jeho tvar a další vlastnosti.

Pro oddìlení kapaliny od pevné látky se užívá dekantace. Rùstu vìtších monokrystalù dosáhneme pomocí zárodeèného krystalu. Na bílém škraloupu, který se rozprostøe na hladinì roztoku a postupuje nahoru kapilární pøilnavostí, lze pozorovat, že krystaly vyrostlé z tìsnì uspoøádaných krystalkù, nemohou vyrùst do velkých rozmìrù.

Sledovali jsme, jakým zpùsobem se z roztoku utváøí pevná látka krychlových tvarù.

BORAX (Na2B4O7.10 H2O) VE VODÌ

Aèkoliv cukr je snadnìji dosažitelný než borax, je borax druhý v poøadí pokusù, protože tvoøí velmi rychle krásné krystaly. Borax se používá jako èistící prostøedek. Jestliže se polyká, škodí.

Borax je více rozpustný v horké, než ve studené vodì. To nemusí být obvyklé. Napøíklad sùl je témìø stejnì rozpustná ve studené i v teplé vodì.

a. Pøíprava krystalù a pozorování jejich rùstu

Dejte jednu èajovou lžièku boraxu do sklenice z poloviny naplnìné horkou vodou, a smìs míchejte, dokud se borax úplnì nerozpustí. Po vychladnutí vyroste mnoho krásných krystalù.

b. Pokusy s krystaly

Pokusy navržené pro zkoumání krystalù chloridu sodného jsou vhodné i pro borax. Mùžete si také udìlat výstavku stadií rùstu boraxových krystalù. Zkuste jejich štìpnost. Vyndejte z roztoku jeden krystal, usušte a pøipevnìte 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. Pøelijte nasycený roztok do další nádoby o stejné teplotì (vyndejte nìkolik malých krystalkù, které v nìm rostou) a na boraxovém zárodku zavìšeném v roztoku se bude vyluèovat borax.

Nejlepší je dát zárodek boraxu blízko dna nádoby. Dùvod pro to je následující. Hustota nasyceného roztoku témìø každé látky je vìtší než hustota nenasyceného roztoku. Jak se borax ukládá na krystal, roztok, ze kterého roste se stává slabším a øidším. Hustší, nasycený roztok (váží víc na jednotku objemu) se pohybuje, aby pøinesl vícelátky na zárodeèný krystal. Je-li zárodek v blízkosti povrchu roztoku, obklopuje ho øidší (ménì hustý), nenasycený roztok. Na povrchu, kde je roztok ve styku se vzduchem a odpaøuje se, dochází ke krystalizaci. Zárodky se zde také zvìtšují, ale krystal mùže rùst jen na jedné stranì a má proto vždy nepravidelný tvar.

Porovnejte tvar krystalù boraxu a soli.

Podívejte se na velmi malé krystalky soli a boraxu lupou mezi zkøíženými polarizátory (viz oddíl -D). Jev mùže být ménì znatelný u velkých krystalù, které mají lesklé plochy nebo obsahují neèistoty, které odrážejí svìtlo

Molekuly vody náleží také mezi èástice, ze kterých jsou utvoøeny krystaly boraxu. Jsou-li krystalky boraxu dlouho ponechány na teplém, suchém místì, èást vody unikne do vzduchu. Èást krystalu, která ztratila vodu, se rozpadne na prášek. Malé èástice prášku rozptylují svìtlo a vypadají bíle. Proces ztráty vody se nazývá dehydratace.

c. Co jsme se dovìdìli.

Krystaly boraxu, tvoøí plochy, které nesvírají pravé úhly. Porovnáme-li krystaly boraxu a soli vidíme, že se jejich tvary liší. Borax a sùl se na svìtle chovají rùznì, jak je znatelné z jejich chování ve zkøížených polarizátorech. Na základì pozorovaných vlastností mùžeme obì látky od sebe rozeznat. Mají rozdílnou rozpustnost, jejich krystaly se liší tvarem, štìpností a chováním v polarizovaném svìtle. Je zøejmé, že borax tvoøí krystaly z roztoku odlišným zpùsobem než sùl.

CUKR ( SACHAROZA, ØEPNÝ CUKR, C12H22O11) VE VODÌ

a. Pøíprava krystalù a pozorování jejich rùstu

Je tìžké vypìstovat pìkné krystaly cukru. Cukr tvoøí ve vodì viskózní (syrupovitou) kapalinu a molekuly cukru se nemohou rychle pohybovat roztokem, aby se spojily s jinými molekulami cukru do upoøádané formy, kterou nazýváme krystal. Tajemství úspìchu je udržovat roztok dostateènì teplý, abychom podpoøili pohyblivost molekul, ale souèasnì nezpùsobili rychlé odpaøování na povrchu, které by mìlo za následek tvorbu škraloupu. Proto postupujte následujícím zpùsobem.

Zahøejte mírnì nádobu, ve které je jeden malý šálek cukru a jeden malý šálek vody. Míchejte, až se všechen cukr rozpustí a roztok je èirý. Dejte nádobu do zavaøovací sklenice, položte na sklenici víèko, ale nazašroubujte je. Sklenici nechte delší dobu na teplém místì. (Mùžete ji dát na vìèný hoøáèek plynových kamen.) Voda, která se odpaøuje se sráží na víèku a padá zpìt na hladinu a zabraòuje tvorbì škraloupu. Trochu vody se vypaøí, protože víko není pevnì uzavøené. Rùst pokraèuje pomalu po dlouhou dobu. Když krystal vyroste, bude mít krásný tvar, charakteristický pro krystaly cukru. Roztok cukru má zajímavou vlastnost: stáèí rovinu polarizovaného svìtla (viz oddíl III-D). Toto stáèení je pro rùzné barvy svìtla rozdílné. Podržíte-li sklenici s cukrovým roztokem mezi zkøíženými polarizátory a budete ji pozorovat v prošlém bílém svìtle, uvidíte, že sklenice nevypadá èernì jako roztok soli, ale barevnì. Otáèíte-li jedním nebo druhým polarizátorem (v jeho rovinì ve smìru hodinových ruèièek) a ostatní nemìníte, barva se mìní.

b. Pokusy s krystaly

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

c. Co jsme se dovìdìli

Krystaly cukru se liší tvarem a pomalou rychlosti rùstu od snadno rostoucích krystalù soli, další známé látky na našem jídelním stole. Mají také odlišný tvar od snadno rostoucích krystalù boraxu. Pøi vyluèování cukru z roztoku mají jeho krystaly jinou stavbu než krystaly soli nebo boraxu. Každá slouèenina má svùj vlastní zpùsob uspoøádání èástic, které tvoøí krystal.

Èástice, které tvoøí krystal se musí volnì pohybovat, aby se spolu setkaly a utvoøily 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 roztokù soli a boraxu stáèí rovinu polarizovaného svìtla (viz oddíl D).

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

Krystaly kamencù rostou snadnìji než krystaly soli a mnohem snadnìji než krystaly cukru. Mají lesklé plochy a malé krystalky se hezky lesknou. Kamenec je k dostání ve vìtšinì drogerií. Je užíván jako prostøedek k zástavì krvácení z malých ranek.

a. Pøíprava krystalù a pozorování jejich rùstu

Dejte ètyøi èajové lžièky práškového kamence do nádoby z poloviny naplnìné horkou vodou. Míchejte, abyste pomohli rozpouštìní. Po nìjaké dobì se všechen prášek rozpustí a roztok je èirý.

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

Dívejte se na krystaly pozornì a porovnejte jejich tvary s jinými krystaly. Jsou jasnìjší než krystaly soli? Povšimnìte si, že kamenec podobnì jako borax obsahuje jako souèást svého složení vodu (H2O). Bude zajímavé porovnat vzhled a snadnost rùstu z vodného roztoku tìchto krystalù, které obsahují molekuly vody ve složení, s tìmi, které ji neobsahují.

Pokusy s krystaly

1. Uspoøádejte výstavku z jejich postupného rùstu jako v pøípadì krystalù soli.

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

3. Dejte nìkteré do oznaèené krabièky nebo obálky a vhodnì je použijte pøi dalších pokusech.

4. Èásteènì rozpuste a znovu vypìstujte krystal kamence, jako v B 4 pøi pokusu se solí.

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

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

c. Co jsme se dovìdìli

Krystaly kamence jsou odlišné od krystalù soli nebo cukru. Rostou velké a mnohem rychleji. Mají jiné tvary než krystaly soli nebo cukru. Jako krystaly cukru – na rozdíl od krystalù soli – se neštìpí, ale rozbijí se nepravidelnì. Jako krystaly soli – ale na rozdíl od krystalù cukru nebo boraxu – vypadají tmavé, podíváme-li se na nì zkøíženými polarizátory.

5. SÍRAN MÌÏNATÝ PENTAHYDRÁT (SKALICE MODRÁ, CuSO4.5H2O) VE VODÌ

POZOR!! JE ZDRAVÍ ŠKODLIVÝ !!

Síran mìïnatý mùžete koupit v drogerii. Používá se v nìkterých bazénech k zamezení rùstu øas, ale je zdraví škodlivý. Studentùm by nemìlo být dovoleno, aby si ho vzali domù. Po manipulaci s práškem, roztokem nebo krystaly síranu mìïnatého si poøádnì si umyjte ruce. (Prášek je také utvoøen z malých krystalù, ale je to vìtšinou bezvodý síran mìïnatý, který tvoøí èást složení).

a. Pøíprava krystalù a pozorování jejich rùstu

Dejte ètyøi èajové lžièky síranu mìïnatého do sklenice z poloviny naplnìné horkou vodou a míchejte, dokud se prášek úplnì nerozpustí. Jak se roztok vypaøuje, škraloup síranu mìïnatého vystupuje po stìnì nádobky až pøes její okraj. Síran mìïnatý je v tomto ohledu horší než roztok soli, takže je dobré dát nádobku na talíø nebo talíøek.

Po dostateèném odpaøení vody, zaènou rùst jasnì modré krystalky. Studujte jejich tvary a dívejte se každý den, jak se vyvíjí.

Zkuste si krásný pokus. Smíchejte prášky kamence a síranu mìïantého a tuto smìs rozpuste (napøíklad dvì èajové lžièky každé slouèeniny do sklenice z poloviny naplnìné vodou). Bezbarvé krystaly kamence rostou ve svých typických tvarech jako v pøedešlých pokusech a svìtle modré krystaly síranu mìïnatého si také zachovávají svùj tvar. Mohou se setkat a dotýkat se jeden druhého, jeden mùže rùst kolem druhého, ale nikdy se nesmíchají. Uspoøádání kamence je jiné než síranu mìïnatého a každá slouèenina vytváøí své vlastní krystaly.

b. Pokusy s krystaly

MÌJTE NA PAMÌTI, ŽE SÍRAN MÌÏNATÝ JE ZDRAVÍ ŠKODLIVÝ. Nemìl by se dostat do rukou malým dìtem. Starší dìti by si mìly pøi jakékoliv manipulaci s ním vždy umýt ruce!

1. Z krystalù rùzných velikostí mùžete pøipravit výstavku, podobnì jako z pøedešlých.

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

3. Zkuste namalovat vypìstované krystaly. Malování pomáhá pøi pozorování.

4. Zkuste je rozštìpit. (Síran mìïnatý nevykazuje štìpení).

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

6. Škraloup, který se tvoøí na stìnách nádoby se skládá vìtšinou z bezvodého síranu mìïnatého. Mùžete ho seškrábat a znovu rozpustit.

c. Co jsme se dovìdìli

Z porovnání døíve a novì pøipravených krystalù vyplývá, že krystaly každé látky mají svùj vlastní, pro nì typický tvar a vlastnosti. Nyní byla pøidána další vlastnost – barva.

Pøi zkoumání smìsi kamence a modré skalice si všimneme, že každá slouèenina vytváøí své vlastní krystaly a bere si na stavbu svých krystalù z roztoku èástice, které ji náleží a nepøibírá jiné, které nepatøí do stavby jejího krystalu.

6. SÍRAN HOØEÈNATÝ HEPTAHYDRÁT (MgSO4.7 H2O) VE VODÌ

  Síran hoøeènatý je souèástí vlhkých obinadel používaných pøi pohmoždìní, vyvrknutí nebo pøi kousnutí hmyzu. Je k dostání témìø ve všech drogeriích.

a. Pøíprava krystalù a pozorování jejich rùstu

Síran hoøeènatý je velmi rozpustný ve vodì. V nádobì z jedné ètvrtiny naplnìné horkou vodou rozpuste 6 èajových lžièek síranu hoøeènatého. Po nìkolik minut roztokem míchejte. Jestliže se sùl nerozpouští, pøidejte velmi malé množství vody a míchejte, až je roztok èirý.

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

b. Pokusy s krystaly

Jehlicovitý tvar malých krystalkù síranu hoøeènatého je vhodný pro pøivázání na nit. Malá jehlièka síranu hoøeènatého zavìšená v jeho nasyceném roztoku vyroste do krystalu tyèinkového tvaru. Síran hoøeènatý ztrácí vodu (dehydratuje) rychleji, než krystaly solí obsahující vodu, které jste již pøipravili. Krystaly si podrží svùj tvar, ale povrch bude vypadat jako by byl pomalován matnou bílou barvou. Mùžete seškrábat dehydratovaný povrch a uvidíte pod ním jasný krystal, který dosud neztratil své molekuly vody.

Ze všech hydratovaných krystalù, které jste pøipravili, kamenec drží vodu nejpevnìji. Nicménì kterýkoliv z nich mùže být pøinucen, aby se vody zbavil teplem zápalky. Dejte malý krystalek na sklenìné mikroskopické sklíèko nebo na alobalovou folii. Podržte pod nimi zapálenou zápalku. Teplem zápalky z každého krystalku unikne živì voda. Pøestanete-li zahøívat krystalek, který obsahuje ještì dost vody, znovu se zregeneruje. Pokraèujete-li v zahøívání dokud všechna voda neuteèe, utvoøí se bílá, bezvodá látka.

c. Co jsme se dovìdìli

Síran hoøeènatý je ve vodì velmi rozpustný. Jako u boraxu a kamence, je souèástí slouèeniny síranu mìïnatého voda a soli mohou pøejít na bezvodé. Je-li slouèenina ve vodì dobøe rozpustná, pak kapka nasyceného roztoku obsahuje hodnì této slouèeniny.

Nyní. když jste pøipravili nìkolik druhù krystalù, mùžete si z nich uspoøádat výstavku. Na fotografii jsou krystaly kamence, pøipravené podle výše uvedených postupù.


[Crystals of alum]

7. CO DÁLE?

Jsou další slouèeniny rozpustné ve vodì. Budou se vždy tvoøit krystaly pøi odpaøování vody? Ne, ale nebudete si jisti, které to jsou, pokud si to sami nezkusíte. Ustalovaè (thiosíran sodný Na2S2O3), který používají fotografové k ustálení filmu po jeho vyvolání, bude tvoøit krystaly z roztoku. Podobnì i vínan sodno-draselný KNa(C4H4O6). 4 H2O (Seignetova sùl). Postup, jak pøipravit velké krystaly Seignetovy soli a další nápady k zajímavým experimentùm jsou uvedeny v knize Holdena a Singera: Crystals and Crystal Growing (viz seznam literatury na konci pøíruèky).

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

1. LED (PEVNÁ VODA, H2O)

Led je jednou z mála slouèenin, která má jiný název pro pevnou látku a kapalinu. Voda je tak rozšíøená, že je užiteèné mít rùzná jména pro rùzné stavy, ve kterých se vyskytuje: led, sníh, jinovatka, rosa, déš, pára, mlha, mrak.

Led patøí k nemnoha látkám, které zmenší svùj objem, jestliže je zahøejeme, tj. pøejde do kapalného stavu (skupenství). Kus ledu má vìtší objem než voda. Jinak øeèeno, zvážíme-li stejný objem ledu a vody, pak led váží ménì. To je proto, že led má menší hustotu než voda. Proto pluje na vodì. Jestliže voda zmrzne v nádobì, která se nemùže roztáhnout, nádoba praskne. Protože voda zabírá ménì místa než led, mùžete pøemìnit led ve vodu, jestliže na nìj vynakládáte tlak. To je jeden z dùvodù, proè je led kluzký, když na nìm stojíte (kloužete se), nebo bruslíte. Tlakem se utvoøí mezi vámi (bruslemi) a ledem tenká vrstva vody, která pùsobí jako maz podporující klouzání.

Mùžete povést pøemìnu ledu na vodu stlaèením a uvolnìním tlaku na led následujícím pokusem. Dejte kostku ledu na pøevrácenou sklenici. Uvažte oba konce krátkého drátku k døívku (nebo silnìjším špejlím). Položte drátek pøes vršek kostky ledu a táhnìte dolù oba konce drátku, jak je ukázáno na obrázku. Drátek se bude pohybovat kostkou dolù, led se bude pod tlakem drátku rozpouštìt a nad drátkem bude tuhnout, protože tam je tlak uvolnìn.

[pulling wire through ice]

a. Pøíprava krystalù

Jedním ze zpùsobù, jak pøipravit krystaly ledu, je nechat širokou misku s vodou v mrazicí èásti lednièky, nebo venku, je-li venkovní teplota menší než 0 ° C. Asi za 2 hod (pøi teplotì @ -10 ° C) se èást vody pøemìní v led. Nìkteré krystaly budou dlouhé a tenké a mohou být srostlé dohromady s dalšími krystaly. Vyndejte je z nádoby a podívejte se na nì. Vhodný zpùsob, jak nalézt hranice mezi sousedními krystaly, je podívat se na nì zkøíženými polarizátory (viz následující èást b). Krystaly ledu pøipravíte také kápnutím vody na mikroskopické sklíèko èi na dno pøevrácené sklenice nebo na jiný rovný povrch a vložením do mrazicího boxu.

b. Pokusy s krystaly

Podívejte se na krystaly zkøíženými polarizátory a k držení polarizátorù použijte uspoøádání uvedené v èásti D.

Podržte ze spoda osvìtlené sklíèko se zmrzlou kapkou vody vodorovnì a pozorujte polarizátory zmìny barvy ztenèujíciho se krystalu pøi tání. Otáèejte sklíèkem ve smìru hodinových ruèièek. Povšimnìte si, že krystaly se zdají v urèitých polohách tmavé a v jiných svìtlé. Èást, která se chová stále stejnì, náleží jednomu krystalu. Mezi ní a další èástí, která se chová jinak, je hranice krystalu. Mùže se stát, že èást je tmavá pøi všech polohách otáèení. Tato èást má optickou osu ve smìru, kterým se díváte (viz lit. 3). Jestliže sklíèko nakloníte, bude tato èást svìtlá.

[examining crystals with polarisers]

Na vrstvì ledu tenké 2 – 3 mm, mùžete vidìt mezi zkøíženými polarizátory nìco zvláštního. Držte polarizátory svisle, aby se nezamáèely. Najdìte velkou èást vrsvy ledu, která zùstává tmavá pøi otáèení ve zkøížených polarizátorech. Držte ji blízko polarizátoru, ke kterému dejte oko co nejblíže. Uvidíte tmavý køíž na šedém pozadí a je-li led dostateènì tenký, uvidíte žlutý kruh kolem køíže a vnì èervený kruh. To krystalografové znají jako interferenèní obrazce (lit. 3).

c. Co jsme se dovìdìli

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

V ledové vrsvì najdeme hranice krystalù zkøíženými polarizátory.

Protože voda má vìtší hustotu než led, mùže být led pøemìnìn na vodu tlakem. Pøi teplotì nižší než 0 ° C, se po uvolnìní tlaku pøemìní znovu na led. (Všimnìte si, že led, jako pevná látka, je chladnìjší, než je jeho teplota tání. Lidem se nìkdy zdá divné, že smìs vody a ledu má vždy teplotu 0 ° C.

2. SALOL (FENYL SALICYLÁT HOC6H4COOC6H5)

Salol je v Anglii prodáván v lékárnách jako lék proti støevním poruchám. (U nás lze salol koupit napø. u firmy ALDRICH). Je nerozpustný v èisté vodì, ale je rozpustný v ethylalkoholu. Taje pøi 42° C.

a. Pøíprava krystalù a pozorování jejich rùstu

Dejte trochu salolového prášku na podložku, která vydrží plamen zápalky. Mùžete použít mikroskopické èi jiné sklíèko nebo kousek alobalu. Použijte malé množství prášku, asi o velikosti hrášku. Zapálenou zápalku držte v dostateèné vzdálenosti od sklíèka, aby se nezaèernilo sazemi. Jakmile se salol taví, pøestaòte zahøívat. Oèekáváte, že salol pøejde do pevného stavu, jakmile se tavenina ochladí. To se však stane pouze v pøípadì, že je pøítomen zárodeèný krystalek pevného salolu. Protože je salolový prášek utvoøen z malých krystalkù, poslouží malé zrnko prášku jako zárodek pro zaèátek krystalizace, bude-li tavenina dostateènì chladná. Pøidáme-li do taveniny hodnì prášku, zaène rùst mnoho krystalù a brzy si zaènou v rùstu pøekážet. Neuvidíte pak žádné krásné rovné hranice, které se vytvoøí, jen když rostou krystaly salolu volnì, aniž by narazily na nìjakou pøekážku. Tvar salolových krystalù je podobný kosoètverci na hracích kartách. Pøi pozorování rùstu krystalù lupou uvidíte, že se plochy zvìtšují, ale zachovávají si pøi rùstu svùj poèáteèní tvar. Vrstva za vrstvou narùstá rychlostí tisíce vrstev za vteøinu a všechny jsou uspoøádány tak, že strany krystalu jsou dokonale rovné a pokraèují ve tvorbì pod stejným úhlem s vedlejšími stranami.

Jakmile pøestanou krystaly rùst, podívejte se na nì pozornì lupou. Vìtšina z nich nemá kosoètvercový tvar, protože se setkala se sousedními krystaly a tak rostl jeden pøes druhý. Pøi prohlížení krystalù v jasném svìtle se svìtlo 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. Pøipravíte-li sklo s vìtším množstvím krystalù na jednom konci a s menším na druhém, mùžete vìtší množství roztavit, zatímco menší zùstane chladné a pevné. Kousek z menší èásti sloupnìte a použijte jako zárodek. Dáte-li tenkou vrstvu roztaveného salolu mezi dvì mikroskopická sklíèka a ta mírnì stlaèíte, až salol ztuhne (skla se slepí), mùžete pozorovat zajímavý jev. Pozorujte sklo-salol-sklo sendviè mezi dvìma zkøíženými polarizátory (viz èást D). Nechte polarizátory zkøížené a otáèejte salolovým sendvièem ve smìru hodinových ruèièek. Nejsou-li barvy krystalù salolu vidìt, je vrstva salolu pøíliš silná. Roztavte ho a pøi chladnutí stlaète sklíèka více k sobì a pozorování opakujte.

Roztavte trochu salolu ve støedu sendvièe. Jakmile se zaène tavit, pøestaòte zahøívat. Jinak se roztaví celá vrstva salolu a sklíèka se od sebe oddìlí. Opìt pozorujte salolový sendviè mezi zkøíženými polarizátory. (Pozor!!! Polarizaèní filtr se zahøátím nièí, držte ho proto v dostateèné vzdálenosti od horkého sklíèka. Držák popsaný v èásti D vám v tom pomùže). Kapalná èást se jeví mezi zkøíženými polarizátory èerná, ale krystaly salolu, které ji obklopují, jsou jasné. Pozorujte lupou jasné hrany krystalkù salolu, vrùstající do tmavé oblasti jako neuspoøádánaé èástice, které zabraòují pøísunu taveniny k rùstu uspoøádaných krystalkù.

c. Co jsme se dovìdìli

Zahøátí zpùsobí, že uspoøádaná pevná (tuhá) látka pøejde do neuspoøádaného tekutého stavu. Tavenina sice pøipomíná vodu, ale není to voda, protože nevøe pøi teplotì plamene zápalky a pøemìní se v pevný salol pøi mnohem vyšší teplotì, než pøi které se voda pøemìní v pevnou vodu – led.

Krystal získá své dokonalé tvary a blyštivé plochy pøidáváním tisícù vrstev neviditelných èástí.

Kapalný salol je mezi zkøíženými polarizátory tmavý jako sklo a voda, ale krystaly salolu v dostateènì tenké vrstvì jsou mezi zkøíženými polarizátory jasné a barevné.

Kapalný salol neutvoøí krystaly (tj. nepøemìní se v pevný salol), nepøidáme-li do nìj na zaèátku zárodeèný krystalek.

3. BISMUT (KOV, Bi) 

Bod tání kovového prvku bismutu je 271 ° C. Podobnì jako voda, zvìtší objem, pøejde-li do pevného stavu. Bismut mùžete koupit u spoleèností, které prodávají chemikálie.

a. Pøíprava krystalù a pozorování jejich rùstu

Roztavte bismut v širší ohnivzdorné misce. Po jeho úplném roztavení odstavte misku z tepla. Pøi chladnutí se tvoøí na vnitøní ploše krystaly bismutu. Možná, že je neuvidíte, ale s chemickými kleštìmi je mùžete pod povrchem neprùhledné taveniny nahmatat. Vyndejte je kleštìmi a opatrnì z nich setøepte pøebytek taveniny. Krystaly bismutu mají na povrchu hodnì malých výstupkù.

b. Pokusy s krystaly

Otáèejte krystaly v jasném svìtle pøicházejícím z mírnì vzdáleného zdroje. Všimnìte si, že svìtlo se odráží od povrchu malých výstupkù stejnì. Aby se tak stalo, musí výstupky svírat s paprsky svìtla stejný úhel. To znamená, že musí být vzájemnì rovnobìžné. Skládají se z vrstev stavebních blokù, které jsou v uspoøádaném krystalu bismutu navzájem rovnobìžné. To svìdèí o tom, že výstupky nejsou rùzné krystaly, ale že náleží jednomu krystalu. Sousední krystal bude mít jiný soubor stupòových ploch, které budou odrážet svìtlo pod jiným úhlem.

Pøi zkoumání krystalù bismutu pozorujte duhový lesk na jejich povrchu, jako na pavích perech nebo mýdlových bublinách. Je to zpùsobeno pøítomností tenké vrstvy oxidu bismutitého, který se nìkdy tvoøí na povrchu krystalù pøi chladnutí. Je tak tenký, že jím svìtlo prochází na povrch krystalu bismutu a zde se odráží. Na své zpáteèní cestì se setkává se svìtlem odraženým od povrchu oxidové vrstvy. Oba svìtelné paprsky se spolu skládají – interferují. Tím se vylouèí jedna barva z bílého svìtla složeného ze všech barev duhy. Po vylouèení jedné barvy, svìtlo nezùstane bílé, ale je barevné, takže povrchy bismutových krystalù se zdají barevné. Tenká vrstva oleje na vodì se barví stejným zpùsobem. Stejnì tak paví pera a mýdlová bublina. Barvy takto vzniklé se nazývají interferenèní barvy.

c. Co jsme se dovìdìli

Povrch krystalu mùže být pøerušen výstupkem a na obou stranách výstupku je stále ten samý krystal.

Paprsek bílého svìtla, který se odráží od dvou povrchù tenké vrstvy mùže interferovat a stát se barevným.

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

1. LED

V pøírodì se led nìkdy tvoøí z páry. Je-li velký mráz a vlhko,na stromech se vytváøí námraza. Stromy ve velkých výškách mají èasto námrazové jehlièky. Na velmi studených oknech se tvoøí led z vodní páry.

a. Pøíprava krystalù a pozorování jejich rùstu

V dostateènì vlhké místnosti se budou tvoøit na vnìjší stìnì sklenìné nebo kovové nádoby naplnìné rozdrceným ledem a alkoholem, krystaly ledu z páry. Obèas smìsí zamíchejte. Krystaly nebudou mít hezké plochy, ale uvidíte, jak se jemné plochy blyští, posvítíte-li na zmrzlý povrch svìtlem.

b. Pokusy s krystaly

Vyprázdnìte sklenici a podívejte se na zmrzlou taveninu. Nevznikla z kapalné vody, ale z vody plynné, která pøešla pøímo do pevného skupenství. Po zahøátí se zmìní v kapalinu. Necháte-li sklenìnou nebo kovovou nádobu stát po nìjakou dobu v místnosti, voda opìt pøejde do plynného skupenství – vypaøí se.

c. Co jsme se dovìdìli

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

2. NAFTALEN (prášek proti molùm C10H8)

POZOR HOØLAVÝ !!!

Tato slouèenina, která byla dlouho užívána k ochranì vlnìných tkanin pøed moly, by se nemìla zamìnit s jinými, (napø. paradichlorbenzen) pøipravenými v nedávné dobì pro stejný úèel. Je obvykle prodáván ve tvaru velkých bílých vloèek v papírové krabièce. (U nás dostanete naftalen ve formì tabletek v drogerii.)

a. Pøíprava krystalù a pozorování jejich rùstu

Mírným zahøátím pøechází naftalen pøímo do plynného skupenství. (Má bod tání 80° C). Jeho velká schopnost pøecházet do plynného skupenství je jednou z vlastností, která je užiteèná pro dlouhodobou ochranu tkanin.

JE VELMI HOØLAVÝ A NESMÍ BÝT ZAHØÍVÁN V BLÍZKOSTI OTEVØENÉHO PLAMENE !!!

Vhodný zpùsob pøípravy naftalenových krystalù je následující. Dejte trochu vloèek (polovinu èajové lžièky) na dno vyšší, úzké sklenice. Vršek nádoby pøikryjte. Staèí alobalová folie, velké víèko nebo vìtší kus papíru. Víèko nezašroubujte, protože páry, které by nemohly unikat by zpùsobily explozi.

Podržte dno nádoby nad žárovkou rozsvícené lampy. Velmi brzy (pøi 100 W žárovce) uvidíte, jak se tvoøí malé krystalky v horní èásti nádoby, kde se teplá, neviditelná pára naftalenu ochlazuje a vzájemná pøitažlivost neviditelných naftalenových èásteèek je sdružuje do uspoøádaného krystalu. Nìkteré jsou rozvìtvené a pøipomínají vìtvièkovitou námrazu na oknech. Nìkteré vytváøí velmi tenké plošky, které vykazují barevnou interferenci, jak se svìtlo odráží od obou povrchù, podobnì jako u tenké olejové vrstvy na vodì nebo na mýdlové bublinì. (Viz èást o bismutu).

Naftalen je nerozpustný ve vodì nebo v alkoholu. Z vnitøku nádoby ho odstraníte buï odlakovaèem na nehty (který obsahuje aceton) nebo benzenem. Obì slouèeniny jsou hoølavé a ponìkud jedovaté. Dobøe místnost vìtrejte a k odstranìní použijte papírový kapesník nebo ubrousek, který vyhoïte na místo, kde nemùže být zapálen.

b. Pokusy s krystaly

Tenké naftalenové lístky, jsou velmi hezké podíváte-li se na nì lupou mezi zkøíženými polarizátory. Barvy, které nìkteré krystaly mají mezi zkøíženými polarizátory nejsou zpùsobeny odrazem svìtla ze dvou blízkých povrchù jako je tomu u mýdlové bubliny. Jsou dùsledkem jevu, že uvnitø krystalu je svìtlo rozdìleno na dva paprsky o rùzné rychlosti. Je to interference (skládání) tìchto dvou, rùznì sklonìných paprskù co zpùsobuje zabarvení.

c. Co jsme se dovìdìli

I jiné slouèeniny než voda mohou krystalizovat pøímo z plynného skupenství.

D. POKUSY S POLARIZOVANÝM SVÌTLEM

1. Povaha polarizovaného svìtla a zpùsob, jak ho získat

Podle okolností užíváme k vysvìtlení optických jevù buï vlnového nebo èásticového charakteru svìtla. Pro následující výklad je vhodné uvažovat vlnovou povahu svìtla – jako je vzruch, který pohybuje vlnou vpøed kmitavým pohybem, podobnì jako je tomu u moøských vln. Vlnová délka viditelného svìtla je 0.4 – 0.75 . 10-6 m

Na rozdíl od moøských vln svìtelné vlny nekmitají jen nahoru a dolù. Kmitají ve všech smìrech a amplitudy kmitù svírají pravý úhel se smìrem, kterým se svìtlo pohybuje. Existují zaøízení, která dovolí, aby jimi prošlo jen „svìtlo“, jehož amplituda leží pouze v jedné rovinì. Takové svìtlo se nazývá lineárnì polarizované svìtlo. Tuto vlastnost mùžeme alespoò èásteènì získat napøíklad odrazem od hladkého nekovového povrchu. Pravdìpodobnì nejvýhodnìjším polarizátorem pro zkoumání krystalù je polarizaèní filtr. Budeme-li jím pozorovat svìtlo odražené napøíklad od okenního rámu a budeme-li filtrem otáèet kolem osy kolmé k jeho ploše, budeme pozorovat, že v nìkteých polohách filtru je rám tmavý, nìkdy svìtlý.

2. Krystaly mezi zkøíženými polarizátory

Pro zkoumání krystalù pøipevnìte gumièkou dva polarizátory na jednu stranu malé krabièky.

[holding polarisers]

Dvojitì zakonèená šipka na nákresu oznaèuje dovolený smìr kmitání pro svìtlo, které prochází každým polarizátorem. Jsou-li polarizátory uspoøádány tak, že jeden z tìchto smìrù je kolmý k druhému, nazývají se zkøížené. Jsou-li polarizátory dokonalé, neprojde zkøíženými polarizátory žádné svìtlo. I když neznáte dovolený smìr ani jednoho z polarizátorù, mùžete je dát do zkøížené polohy tím, že najdete orientaci, kdy jsou nejtmavší, jsou-li položeny na sobì. Úèelem této pøíruèky není podat úplný popis chování krystalù v polarizovaném svìtle. (Doporuèujeme k pøeètení knihu J.Fuka a kol. Optika )

Natoète dva polarizátory navzájem tak, aby jimi neprocházelo svìtlo. Pak jsou navzájem zkøížené. Budete-li mezi nì vkládat krystaly, mùžete je na základì jejich chování mezi zkøíženými polarizátory rozdìlit do dvou skupin.

Krystaly, které vypadají tmavé pøi každé orientaci – kuchyòská sùl, kamenec.

Krystaly, které vypadají svìtlé pøi vìtšinì orientacích – borax, cukr, modrá skalice, síran hoøeènatý, led, salol, naftalen.

Ty, které jsou pøi vìtšinì orientacích svìtlé, jsou pøi nìkterých tmavé. Jehlièky síranu hoøeènatého napø. vypadají tmavì kdykoliv jsou jejich dlouhé hrany rovnobìžné s dovoleným smìrem jednoho polarizátoru.

[appearance in different orientations]

Krystal, který vypadá svìtlý mezi zkøíženými polarizátory, se bude zdát barevný, bude-li dostateènì tenký. Projde-li svìtlo takovýmto krystalem, rozdìlí se do dvou paprskù, které kmitají v navzájem kolmých smìrech. Jeden paprsek má vìtší rychlost, než druhý. Po projití krystalem a druhým polarizátorem interferují podobným zpùsobem jako dva paprsky popsané v èásti o bismutových krystalech. Aèkoliv dùvod interference je v tomto pøípadì jiný, nazývají se barvy též interferenèní.

Polarizátory jsou zvláštì užiteèné pro urèení, zdali se èást vzorku skládá z jednoho nebo více krystalù. Napùl roztavený kousek ledu nemusí vykazovat v normálním svìtle žádné hranice, ale mezi zkøíženými polarizátory mùžete vidìt, že v jedné poloze je èást tmavá a v jiné poloze je jiná èást tmavá. V takovém pøípadì se jedná o dva krystaly.

[joined ice crystals]

3. Led a slída

V èásti pojednávající o ledu byl popsán interferenèní obrazec – èerný køíž na šedém pozadí, který mùže být vidìn za pøíznivých podmínek. Není lehké ho vidìt. Potøebujeme k tomu opravdu silný kus ledu s hladkými plochami a èást plochy, která je tmavá pøi všech orientacích a to je tehdy, je-li vrstva ledu rovnobìžná s rovinou polarizátorù.

Interferenèní obrazec se dvìma „oky“ místo jednoho uvidíme, dáme-li velký kuse slídy mezi zkøížené polarizátory. Oko pozorovatele musí být u slídy co nejblíže. Protože slída neporuší polarizátory, jako to uèiní vlhký led, mùžeme je držet blízko druhé strany slídy. Jestliže nakláníte celý sendviè sem a tam v rùzných úhlech od smìru, kterým se díváme, se objeví dvì „oka“. Úplný popis interferenèních obrazcù je podán v Crystals and Light.

4. Roztok cukru

Jev, že krystal vypadá svìtlý mezi zkøíženými polarizátory, neznamená, že stáèí rovinu polarizovaného svìtla. Jestliže je otoèen do polohy, ve které se zdá tmavý, neznamená to, že je opticky aktivní, ale roztok cukru je opticky aktivní – stáèí rovinu polarizovaného svìtla. To znamená, že se smìr kmitání svìtla postupnì mìní (jako pøi šroubování šroubu) jak svìtlo prochází roztokem.

Jestliže roztok cukru stáèel (viz pokus 7B1b) rovinu polarizace ve stejném smìru pro všechny barvy, pak mùžeme otáèet blízko polarizátoru ve vztahu ke vzdálenìjšímu vpravo a roztok se bude zdát mezi nastavenými polarizátory tmavý. Rovina polarizace pro každou barvu svìtla se stáèí v opaèném smyslu pro danou délku dráhy v roztoku. Takže, když se bližší polarizátor otáèí vpravo, aby byl „zkøížený“ pro jednu barvu, bude ostatní barvy procházet. Se svìtelným zdrojem poskytujícím pouze jednu barvu bude dosaženo tmy. Mùžete to zkusit s kouskem èerveného nebo modrého èi žlutého skla nebo plastiku.

KRYSTALY MIMO DOMOV A TØÍDU

A. V muzeích

1. Mineralogické sbírky hornin a minerálù

Vìtšina muzeí vlastní vzorky hornin a minerálù, nìkdy velmi krásných. Minerály jsou krystaly, které se vyskytují v pøírodì v zemské kùøe. Výlet do muzea bude vhodným úvodem k seznámení se s krystaly, které mùžete nalézt v pøírodì.

2. Návrhy na výlety

Zamìstnanci muzea vám urèitì poradí s výbìrm míst, kde najdete krystaly. Krystaly rùzných hornin rostou spoleènì bez pravidelnýh hranic. Øeknìte zamìstnancùm muzea, že chcete sbírat minerály hornin bez hladkých ploch, ale také ty s dokonalými vnìjšími formami.

B. Vycházky

Jestliže žijete v místech, kde jsou velké nezarostlé skály, mùžete vidìt, co je to vyvøelina, (která vykrystalizovala z tavenin), usazenina (usazenina z vody) nebo metamorfovaná (pøemìnìná teplotou a tlakem, i když na zaèátku byla jednou z výše uvedených).

1. Vyvøeliny, které vznikly pomalým ochlazováním, obsahují velká zrna minerálù, ze kterých jsou utvoøeny. Protože ve stejnou dobu zaèlo rùst najednou málo krystalù, žádný nenarazil na sousední a tak mohly vyrùst velké. Byly vytvoøeny hluboko pod povrchem. (Velké krystaly se mohly také vytvoøit, když tavenina bohatá na vodu vyvøela na povrch horniny a voda zpomalila krystalizaci). Minerály, které obvykle tvoøí takovéto horniny jsou: køemen (šedobílý, podobný sklu, tvrdý, neštìpí se), živec (rùžový, bílý nebo šedý, není lesklý, štìpí se), slída (bezbarvá, šedá nebo èerná, dobøe se štìpí, láme, odlupuje se ve vrstvách (lístcích)), amfibol (èerný, krátké tyèky, nepatrnì se štìpí, malá zrna). Když se roztavená hornina rychle ochladí, obsahuje mnoho zrn rùzných minerálù, které je tìžké rozlišit, ale obvykle se jedná o stále stejné minerály.

2. Usazeniny se vytvoøí, když vrstvy úlomkù naplavené proudem øeky, která je nesla do moøe, ztvrdly na kámen. Tyto úlomky mají vyvøelinový pùvod, takže mùžete oèekávat, že v nich najdete stejné minerály. Nicménì živec a slída se lehce rozbijí, jsou-li zmítány øekou, a mohou se chemicky rozložit. Køemen je tvrdší a neštìpí se, takže omílání proudem snese lépe. Je také chemicky odolný, takže pøežije. Køemen je nejobvyklejší minerál v usazeninách, písku a jílovité bøidlici (jemnì zrnitá). Øeky také pøenášejí látky v roztoku. Jednou z nejobvyklejších slouèenin usazených z roztoku je uhlièitan vápenatý. Po ztvrdnutí na kámen je obvykle jemnì zrnitý, svìtle šedý nebo témìø bílý, nazývá se vápenec (kalcit). Kalcit se také usazuje z vody v malých bílých žílách (proužcích) v rùzných horninách. Je lehce rozeznatelný svou dokonalou štìpností ve tøech smìrech, takže se snadno rozbije na malé kousky. Plošky tìchto kouskù nejsou obdélníkové, jako u soli, ale mají tvar kosoètverce.

3. Metamorfní horniny vznikly pùsobením tepla a tlaku hluboko v zemi na vyvøeliny a usazeniny, nìkdy pomocí roztokù rùzných slouèenin pohybujících se v horninì. Pøemìnou vápence vznikne mramor. Pøemìnou jílovité bøidlice (lupek) vznikne bøidlice (bøidlièný lupek). Další pøemìnou bøidlice vznikne bøidlice 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. Èasto jsou na povrchu špinavé, ale nìkdy jejich povrch byl zmìnìn poèasím. Rozbijte je, abyste vidìli èerstvý povrch. Všechny kousky, které najdete, budou krystalické, to znamená, že budou složeny z krystalù, tøebaže velmi malých a nepravidelných. Pojmenování minerálù, ze kterých se skládají horniny, tvoøí pouze èást jejich poznávání, ne tak dùležitou, jako je zkoumání souvislostí mezi nimi. Jste schopni øíci, jedná-li se o vyvøelinu, usazeninu nebo pøemìnìnou horninu. Je-li to vyvøelina, zkuste urèit, který minerál krystaloval první a které další se utvoøily kolem nìj ve volném prostoru.

5. Led je krystalická pevná látka, která se objevuje v pøírodì bez lidské pomoci, takže je to vlastnì minerál. Námraza na oknech vypadá jako rozvìtvené krystalky naftalenu. Rampouch je nìkdy utvoøen z jednoho krystalu ledu. Podívejte se na jeden èirý rampouch mezi zkøíženými polarizátory.

Mezi jedny z nejhezèích pøírodních krystalù patøí ty, které jsme si nechali na konec – snìhové vloèky. Žijete-li v oblasti, kde snìží, jdìte s lupou ven, když padá sníh. Každá vloèka je jeden krystal. (Velké vloèky jsou shluky mnoha krystalù). Rozmanitost vzorù snìhových vloèek je zdrojem údivu a potìšení pro všechny, kterým se líbí pozorovat svìt kolem sebe. Jsou pravdìpodobnì výsledkem jevu, že rùst krystalkù ledu je velmi citlivý i k malým zmìnám vlhkosti a teploty. Vynikající vìdec, pozorovatel snìhových vloèek Ukichiro Nakaya nalezl, že mùže pøipravit v laboratoøi vloèky dle svého pøání, zmìnou teploty a vlhkosti, pøi kterých se vloèky tvoøí. Za víøení snìhové bouøe dochází v prùbìhu doby rùstu krystalu k mnoha zmìnám rùstových podmínek. Dvì vloèky, které rostou nìkolik vteøin za stejných podmínek, brzy od sebe odlétnou a každá pokraèuje v rùstu za jiných okolností. S tak neustále se mìnícím prostøedím a s takovou citlivostí k nìmu, mùžeme proto oèekávat velkou rozmanitost a tak složitou krásu.

C. Budovy


[Igneous rock]
Vyleštìná vyvøelina, na které je možné rozpoznat bílý živec, šedý køemen a bílou slídu.

1. Dekorace budov a vnitøního zaøízení

V mnoha velkých obchodních domech je použito vyleštìného kamene k ozdobì vnìjších zdí budov a nìkdy také uvnitø obchodù. Tyto plochy vznikly pøeøíznutím krystalù tvoøících kámen a jejich vyleštìním.

Lehko najdeme hranice mezi sousedními krystaly a odlišíme od sebe rùzná krystalická zrna. Obvykle je kámen, složen z jednoho, maximálnì ze tøí minerálù. Mramor je utvoøen pøevážnì z minerálu kalcitu. Nicménì mramor nejvíce cenìný pro výzdobu, má obvykle vmìstky (pøimíšeniny) jiných slouèenin, které tvoøí barevné ozdobné proužky.

Jestliže je vyleštìný povrch vyøíznut z krystalu ve smìru, který se moc neliší od jeho štìpné roviny, pak krystal, podíváte-li se na nìj pod vhodným úhlem, odráží blyštivì svìtlo. Podívejte se na blýskavé štìpné roviny krystalù, až pùjdete kolem vyleštìných barevných kamenných ozdob na budovách. Všechny èásti, které odráží svìtlo pod stejným úhlem (blyští se najednou, stojíte-li na jednom místì), náleží jednomu druhu krystalu.

2. Drahé kameny

Témìø všechny drahé kameny jsou složeny z jednoho krystalu. Vyjímkou je jadeit (jadeit bývá vláknitý, jeho masivní agregáty se prodávají coby nefrit) a koèièí oko (je v podstatì prokøemenìlý zbytek po vláknitých minerálech a zbytky vláken dìlají tento optický efekt), které jsou polykrystalické (skládají se z více krystalù) a opál, který není krystalický vùbec. Vìtšina drahých kamenù je zbroušena na mnoha plochách a na horní a spodní stranì. Svìtlo se odráží z horní obroušené plošky (facety), ale také vniká do drahého kamene a odráží se znovu zpìt od spodních ploch. K dosažení krásného lesku se malé povrchy kamene musí brousit v nejvhodnìjších úhlech.

3. Drogerie, lékárny

Nìkteré slouèeniny zmiòované v této pøíruèce jsou k dostání v drogeriích. Øeknete-li drogistovi, že se zajímáte o pøípravu krystalù, nabídne vám další slouèeniny. Ujistìte se vždy, nejsou-li nebezpeèné!!!

Doporuèená èetba

Zkušenosti s krystaly, které jste si sami pøipravili nebo které jste nalezli, podnítí vaši zvìdavost. Byly napsány stovky knih o krystalech a krystalografii a mùžete si je vyhledat v knihovnách. Zaèáteèník je obèas zahlcen velkým množstvím informací najednou. V následujícím seznamu jsou uvedeny knihy o rùstu krystalù, jedna kniha o horninách a minerálech a jedna o krystalech mezi zkøíženými polarizátory. Všechny tøi knihy obsahují informace o vnitøní symetrii dokonale utvoøených krystalù, symetrii, která je dùsledkem symetrie jejich uspoøádané struktury. Každý krystal má tuto uspoøádanost. Pro vìtšinu z nich mùžete urèit vhodné podmínky, aby rostly v krásných tvarech a s lesklými plochami.

Literatura

Literatura v angliètinì

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

Podìkováni

Zvláštní podìkování patøí Jovance Kink za scann a korekci pùvodní pøíruèky (èerven 1993).

Literatura v èeštinì

1. videokazeta: Svìt krystalù, Fyzikální vìdecká sekce Jednoty èeských matematikù a fyzikù, Edice Cesty k vìdìní 6 (1999), lze ji objednat na adrese: Sekretariát Fyzikální vìdecké sekce JÈMF, Na Slovance 2, 180 40 Praha 8

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

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

4. H. Ètrnáctová, J. Holbych, J. Hudeèek, J. Šímová: Chemické pokusy pro školu a zájmovou èinnost. Prospektrum, Praha 2000

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

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

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