[高考改革研究性学习]关于溶液中杂质对硫酸铜晶体的影响的研究(结论概要)
被酰基化的皓月2019/12/26原创 化学
关键词
晶体化学歪晶硫酸铜晶体

    自皓月月做“饱和硫酸铜溶液中杂质对其结晶影响的研究”已经快三年了,课题基本告一段落,在此报告一下得出的结论

    晶体化学吧在数年前开始流行所谓“硫酸铜-硫酸铝钾‘混晶,这是一种蓝色,外形近似方形的晶体,我在九年级,制作这种晶体时对此种称呼产生了怀疑:这种晶体到底是什么晶体?便在进入高中后开展研究。



一、关于形状改变的蓝色晶体究竟为什么晶体。

    丹麦学者斯丹诺发现:同种物质组成的矿物晶体,往往有不同形状,但晶面间的夹角却是相同的。形状各异的原因便是晶体生长过程中受到了外界环境的影响,这样的晶体被称为“歪晶”。

QQ图片20191226204603.jpg

尼古拉斯 斯丹诺  绘图者:苏易醒(晶体化学吧)

本研究中制作的晶体并非是混晶或者复盐,而是纯净的硫酸铜晶体,由以下EDS检测报告可以看出。由于资金问题,未将所有晶体都送去检测,但这几种已经可以确定为纯净的硫酸铜晶体。


能谱1.jpg

上图为硫酸铜晶体(0.2mol/L硫酸铝钾)的检测结果,无明显硫酸铝钾存在迹象


能谱2.jpg

上图为硫酸铜晶体(0.2mol/L铝离子)的检测结果无明显硫酸铝存在迹象


能谱3.jpg

上图为硫酸铜晶体(0.2mol/L钾离子)的检测结果,无明显钾离子存在迹象



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上图为硫酸铜溶液中加入硫酸铝钾后在析出的晶体底部观察到的生长纹

观察其它几种在杂质离子影响下改变形状的硫酸铜晶体的底部生长纹后,可以看出硫酸铜晶体也是由正常形状随着生长逐渐变为新的形状,且晶体本身晶面夹角没有明显变化,可以确定是纯净的硫酸铜晶体,这些晶体在外界特殊环境——杂质离子的影响下产生外形的变化,是为歪晶。

*该种在尿素影响下生长的氯化钠晶体同样也是歪晶,生长模式与硫酸铜歪晶异曲同工。

2017-11-26 160834.png


图片来自高等教育出版社《无机化学》北京师范大学、华中师范大学、南京师范大学无机化学教研室编(2002年8月第四版)



二、各种杂质离子对硫酸铜晶体的具体影响
    *加入阳离子时以硫酸盐形式加入,加入阴离子时以铜盐形式加入。
    *该贴主要为结论概括,则挑选有代表性的晶体。

1、钾离子,使硫酸铜“缺角”并使其多余的面所占比例越来越大最后变为近似方形的纯净硫酸铜晶体。(如下图)

2018-03-25 202247.jpg

2、铝离子,使硫酸铜晶体拉长。(如下图)

2018-04-03 174325.jpg

3、镁离子,使硫酸铜晶体变薄,略微拉长(如下图)

2017-11-25 163314.jpg

2017-11-25 163319.jpg


4、钠离子,使硫酸铜晶体明显变薄(如下图)

IMG_20190317_101235.jpg

5、锌离子,使硫酸铜晶体略微变薄(如下图)(目视不明显故不确定)

image.png image.png

6、铁离子,类似钾离子影响,有一定差别(如下图),看似有两种,实则旋转90度后外观一致,加硫酸钾的未出现该种现象,此为差别。

image.png image.png



在硫酸铜溶液中加入阴离子对析出晶体的影响不明显。

image.png image.png

IMG_20181020_082010.jpg

*由于观测条件的限制,锌离子、各种阴离子的影响暂时确定如此,由于实验条件限制可能有误,待后续使用育晶器等设备进行研究。


三、对硫酸铜晶体的影响程度与硫酸铜晶体本身大小、杂质浓度的关系

    经过屡次实验,得到以下结论
(1)硫酸铜晶体的质量(尺寸)相同时,溶液中杂质离子的浓度越大,晶体形状的变化越明显。
(2)溶液中杂质浓度相同时,硫酸铜晶体质量(尺寸)越大,晶体形状的变化越明显。


四、制作注意事项
  杂质离子的浓度不宜过高,推荐在0.5mol/L以下,若杂质本身的饱和溶液的浓度低于0.5mol/L,则请不要使杂质离子在溶液中饱和或过饱和。
  硫酸铜溶液中加入钾离子时,请勿将溶液加热超过60℃,会产生沉淀,推测为复盐或络合物或者硫酸钾本身,具体产物待解答。
  加入不同的杂质,对单晶的制作难度亦有影响(原因暂不完全明确)
由制作经验得出的加入杂质的难度分类:
简单——硫酸铝钾、硫酸铝、硫酸钠
中等——硫酸镁、硫酸锌
困难——硫酸钾、硫酸铁、乙酸铜
地狱——硝酸铜、氯化铜
  如使用蒸发结晶,则溶液中的杂质离子的浓度会逐渐升高,过高时制作难度会大幅上升,这是可以将同种溶液下的大饼加水转为饱和溶液稀释杂质离子,或直接加入饱和纯硫酸铜溶液稀释。

上海市第一中学

被酰基化的皓月、夜氯素、东南飞

[修改于 2年9个月前 - 2019/12/27 17:06:05]

来自:数理化 / 化学
7
19
Leonard
2年9个月前
1楼

楼主对于晶体生长的研究很深入,已经比我这个材料学专业毕业的渣渣厉害很多了。顺便提一嘴,以后报考材料学专业吧,你绝对有这方面兴趣的。

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航模发烧友
2年9个月前
2楼

有个外行问题,晶体生长时为什么会以特定的外观生长,原子是怎么“知道”他要在那个位置的?

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3DA502
2年9个月前 修改于 2年9个月前
3楼
引用Leonard发表于1楼的内容
楼主对于晶体生长的研究很深入,已经比我这个材料学专业毕业的渣渣厉害很多了。顺便提一嘴,以后报考材料学...

别人都在劝退材化生,转行程序员,就你秀反操作


不过未来的情况真的很难说,目前可以预见的是编程将会是一种基本技能,C语言 本来就没有写作文难,一旦知识的鸿沟被填满,程序员的高薪时代就过去了

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Leonard
2年9个月前 修改于 2年9个月前
4楼
引用3DA502发表于3楼的内容
别人都在劝退材化生,转行程序员,就你秀反操作不过未来的情况真的很难说,目前可以预见的是编程将会是一种...

额,您说的我部分同意,程序语言的确是一门工具而已,但是不同意C语言简单(况且实际上C博大精深,创造者也不敢说全通,不知如何举例,需要一定经验)

也不同意知识的鸿沟能因为会编程而被跨越,只是缩小而已。会语言,不代表编程能力哦。还要辅以一定的系统知识,算法,软件架构,数据结构,网络,硬件底层,计算原理(只说哈弗和冯诺依曼架构,更复杂的不谈)。这个时代,恐怕上面都得会才能够勉强够得上合格程序员。

anyway,程序员还是很容易被淘汰,为啥呢,因为已经有很多前端程序员被机器取代了。

这点我非常赞同,关于跨越编程和软件方面的鸿沟,显然人工智能会比人类更有优势。


回到正题,还是推荐楼主去化学和材料。不是因为程序员过时之类的论调。而是因为楼主显然对“自然”科学有更强的兴趣。另外,个人意见哈,我觉得社会对于IT产业的人的过渡关注和过量投资对于社会没有好处,因为和真正的科学进步相比,IT产业是处于科研鄙视链的最低端的,为啥?不知道。也许这种想法不对。

但是很多人这么想大概是因为,就算机器人革命了,地球还是那个地球,但是所谓真正科学进步是让人类的能源利用级别提升一级?走向星际?这也是受了刘慈欣的一些影响。

但是也许IT行业真的能像是,火之于原始人一样,带领人类走向下一个时代,或者抛弃生物形态,衍生出新文明。

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2年9个月前
5楼
引用3DA502发表于3楼的内容
别人都在劝退材化生,转行程序员,就你秀反操作不过未来的情况真的很难说,目前可以预见的是编程将会是一种...

科创是一个少有的以兴趣爱好为驱动力的科技爱好者网站,楼主本身也是在“高考改革研究性学习”这个大的框架下写的晶体培养的研究。以兴趣爱好为驱动力无论在哪个国家都是以钱为驱动力所无法匹敌的。当然基本的生活如何保证是另外一回事,挣钱谋生方法很多,能不能和兴趣爱好结合这要看个人的造化了。

来科创的人想玩点高大上的东西,英语、高等数学、编程、电子技术这些都只能是基本技能,不要求都深入掌握,在项目需要的时候能找工具、查资料,按照项目的进程进展下去就可以了。

无论材料学还是计算机科学,晶体研究得深了可以发《Nature》、《Science》论文。能提出新的算法也能让你名载史册。

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草虫
2年9个月前
6楼

没想到在这里碰到皓月大佬

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3DA502
2年9个月前
7楼
引用航模发烧友发表于2楼的内容
有个外行问题,晶体生长时为什么会以特定的外观生长,原子是怎么“知道”他要在那个位置的?

分子按照规律排列才能形成稳固的结构,就像乐高积木的卯榫结构,只能按一个方向牢固对接


不按规律排布的分子继续游离,碰撞,直到以合适的角度对接到晶体上


还有一点很关键,过小的晶体溶解和生长动态平衡,只有依附凝结核的大晶体有机会成长


我学过一年物理化学,现在熵焓吉布斯自由能基本都忘光了,就对过饱和这一节印象深刻

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高三学生,研究硫酸铜歪晶、络合物晶体、晶体制作技巧,晶体化学吧杂交之父、大饼他爸,人称月月

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