(参赛)“蓝色妖姬”——采用恒温(30℃-50℃)蒸发结晶法制备的硫酸铜晶体
李艺良
广东技术师范大学
全桥整流2022/02/17原创 晶体养成所科创茶话
中文摘要
采用恒温蒸发结晶法快速制备较大型硫酸铜晶体
关键词
晶体培养恒温蒸发结晶硫酸铜

晶体展示:

IMG_20220216_220240.jpg

制作背景:

冰川之心——主动蒸发法制作大尺寸硫酸铜单晶https://www.kechuang.org/t/84561

平常使用的结晶方法多为降温结晶法和常温蒸发结晶法,他们二者的优劣显而易见,网上对应的教程也数不胜数,但使用恒温(35℃-55℃)蒸发结晶的相关教程和经验介绍并不多。我尝试结合上述两种方法的优缺点,采用恒温蒸发结晶法,用加热片、温控模块组装一套简单的恒温装置,通过这套装置把漫长的结晶等待时间缩短(由于种种原因不能在学校培养晶体,只能寒假暑假回家培养晶体,时间上较紧张)。


本次制作所用到的试剂和主要物品,如下:

烧杯、漏斗、电子天平、硫酸铜试剂、100mm直径结晶皿(刚刚好,不大不小)、28x28cm 恒温加热垫、可循环硅胶吸湿剂、滤纸、蒸馏水、镊子、数显温度计、10x10x0.1cm铝板、储物用箱子、100x10x0.5cm保温棉、40x30cm亚克力板、补光台灯、红外测温枪等。


制作恒温部分:

思路1.0:制作一个箱子然后整个箱子用保温棉包裹,保温棉和箱子之间放置可调温恒温加热垫,里面放置吸湿硅胶来制造高温低湿的环境,并放置数显温度计来确定恒温箱的大概温度,箱内放置结晶皿,箱子开口用亚克力板遮挡,架设摄影机补光灯等设备。

制作1.0:失败。

原因分析:

1、发热不均匀,接触也不好,造成加热垫的温度过高,触发温度保护。

2、箱子影响操作,如转移晶体。

3、吸湿硅胶吸湿效果不佳,而且按照我的思路这套装置的蒸发量会很大,吸湿硅胶吸湿能力有限,不能满足我的需求。

4、我家人对于我长时间打开补光灯和摄影机这件事强烈反对,认为存在意外失火的风险,因此不允许我进行长时间的录像和延时摄影操作。

 

思路2.0:不用箱子,最下面铺隔热棉,减少热损失,然后放置恒温加热垫,上面放置铝导热板使之加热均匀,铝导热板上覆盖一张a4纸(白色背景便于观察结晶情况)隔开铝导热板和结晶皿之间的直接接触。(虽然这样就用不了吸湿硅胶了,但问题不大,我所在的城市空气湿度不高,而且液体温度较高,蒸发速率也大,没必要(吸湿硅胶吸水性也跟不上)用吸湿硅胶)

制作2.0:基本成功,测试结果符合预期指标,能有效缩短结晶时间,特别是对于制作大晶体而言,此装置既能保证结晶温度相对稳定(相当于常温蒸发结晶而言,溶液的昼夜温差可达数十度),也能保持较大的蒸发量(结晶速度快),还具有一定的容错性(放入晶种进行二次结晶时如果出现大饼(晶体沿容器底部析出并连成一大块)征兆,可以迅速升温,提高溶解度,消除大饼的征兆用镊子贴着结晶皿底部推动,很明显的顿挫感,推动不流畅或是用强光手电筒照射结晶皿底部,底部出现众多微小反光,把大饼扼杀在萌芽之中)。

温度参数(平均值):室温17   高温档约50℃  中温档约40  低温档约30

屏幕截图 2022-02-16 150836.png

1644998390873.jpg



在实际操作中的问题和改进方法:

               问题

                  改进方法

卖到掺假试剂

试剂购买选择西陇和国药,天津“杂牌”厂质量感人。(你也不想事倍功半吧)。

基础器材的购买

结晶皿(析晶,放溶液都要用到。别用培养皿啦,太矮了),漏斗,滤纸(过滤和防尘),烧杯,玻璃棒,温度计,天平,手套,镊子。

鱼丝的选择

鱼丝线径越小越好,小线径柔软,容易捆绑晶体,大线径难捆绑(要拉很紧晶体才不滑脱,但这样做对晶体观赏性有影响)。

无尘(接近无尘)环境

模仿魔神的方法,在刚洗完澡的浴室中配置溶液(但要注意温度,刚洗完澡浴室温度较室温高十几度,此时的溶液大概率非饱和)。但通过我的实际试验发现配置溶液时的无尘环境对晶体结晶、晶形控制帮助不大,因此后来也就没有在无尘环境中操作了,只是盖张滤纸在上面。在后续的晶体培养中,强光下甚至可以明显看见众多毛絮悬浮其中,但并没有出现大饼等异常状况,只在晶种处结晶。推测为晶种的存在导致溶液难以严重过饱和,因此无法出现大饼等异常情况。

配置饱和溶液

买个天平(作用很大,没有试剂加少了溶液不饱和的烦恼),对照溶解度表,配置饱和溶液,一定要多加点试剂和用蒸馏水(效果好很多,不易爬晶和大饼)。有时气温稍微变化一下就又不饱和了,推荐试剂瓶,容量大,一次配置多次使用,也可以直接用温的蒸馏水配置,快速高效,也可以先配置好溶液后水浴加热试剂瓶(不要把底部的固体试剂全部溶解,后续的降温流程充当晶种,防止溶液降温后晶体无法析出而处于过饱和状态),等它降温,此时的溶液基本上就是饱和溶液。

过滤很慢,等到心态崩了

用快速滤纸,慢速滤纸确实搞心态。无毒的试剂可以用眼镜布过滤(眼镜布记得清洗干净,并用待过滤溶液“润洗”),快速高效。

转移液体

最好买根玻璃棒引流用,稍不留神容易撒液体。

制作晶核

推荐使用降温结晶法,质量不够,数量来凑,多搞几个容器来结晶。小拇指指甲盖左右差不多了,太小很难绑定,完美的晶核看运气。

转移晶体(取出晶核)

最好不要用不锈钢镊子,各种化学反应你懂的,碳纤维那种个人认为一般,全塑料的比较好用(主要看购买的镊子和个人习惯),对晶体的损伤小(力度容易控制,小晶体没这么容易夹出裂缝,影响美观)。如果觉得镊子夹持不稳,可以用高粘性防水胶把镊子头部包裹起来(加了个保护壳,不锈钢镊子也能派上用场了),胶水干燥后再去夹持晶体,这样子既能夹得稳,也能保护晶体(增大与晶体的接触面积)。

转移晶体的时候扰动结晶皿中的液体导致大饼。

 

转移晶体的时候往结晶皿中加入蒸馏水(可以用喷壶加,更均匀。)以降低溶液浓度。或者直接升高温度增加溶解度。

晶体长好了拿出来准备收藏或是换个容器继续培养

千万千万不要放在纸巾上,干了就沾到晶体上了,还很难撕掉,可以找个空烧杯直接挂着,也可以提前配置饱和溶液,放到里面,之前也有用过滤纸垫着晶体,但也不好,很容易干,虽然可以分离两者,但差不多是强行扯开的,对晶体后续培养会造成影响,而且滤纸上会用细小的晶体颗粒,沾附在晶种上对二次结晶造成影响,也可以不擦干晶体直接放入干净的自封袋中。

悬线法和恒温结晶法所培养的晶体的区别

如果想要大体积,建议使用悬线法,但这样出来的晶体透明度普遍较低。如果追求高透明度,菱角分明,建议直接把晶体平放在结晶皿底部,减少晶体的厚度(晶体底面因为贴着结晶皿底部,几乎不会结晶)。当然,使用第二种方法来培养大晶体也是没有问题的。

溶液发霉(硫酸铝钾)

加点山梨酸钾防腐剂,无需太多,据网友实践,3g/L足矣。

绑晶体

如果蒸发结晶我觉得用热熔胶直接粘上去好一点,最重要的是热融胶很容易拉丝(线径很小很小),还透明。不能高温环境使用是硬伤,溶液还要略微过饱和(晶体溶解就掉了)。用小线径的鱼丝也是一个不错的选择。

没有鱼丝绑不了晶体(这个问题很早解决了,拿出来供各位参考)

笔芯烤融然后拉丝(我觉得这个比女生头发好一点,拉丝透明的,观赏性更高,但是很难把晶体绑起来(线会卷成一团))

爬晶导致覆盖结晶皿的纸湿了

建议重新再搞,溶液要过滤之后才能再用(土豪随意)。洗干净结晶皿,控制蒸发速度,及时清理(爬晶用镊子捅下去就行,一般来说出现大面积爬晶就要更换个培养皿继续培养)

因为没有配置好饱和溶液或者是温度不稳定等原因,绑好的晶体放进去没多久就融了。

刚绑好的晶体最好先放进去已经过饱和的溶液(最好有碎晶(悬线法适用),确保饱和)里培养一段时间(这一步晶体成长速度比较慢),等捆绑的线基本被埋没(防止松脱)再放进没有碎晶的培养液中培养(快速成长)

温度波动大,某些晶体(如硫酸铜)单位温度下(表述可能不太准确)的溶解度变化大(我的恒温模块的调温误差为±1.5摄氏度)。

实测这个题的响(针对大饼等异常状况而言)不大。

蒸发实在是太快了,容易大饼。或者是结晶速度实在是太慢了,一个星期都不析出晶体。

 

结晶速度过快调到中温或低温(针对我的加热设备而言),及时加入晶种防止溶液严重过饱和而出现不可控的局面。结晶速度过慢考虑溶液是否未饱和(反思配置溶液的过程,溶液未饱和就别想着结晶了),溶液是否过于干净没有凝结核(过滤过有可能出现这个情况),所处环境温度是否较低(蒸发忙,结晶自然慢)。

上面出现晶膜下面又大饼

其实这个情况是不太正常的,这杯溶液可以考虑回炉重造了,要过滤之后才能用。培养晶体最好有个目标,如果是追求体积,悬线法,勤更换培养液。如果追求高透明度,我建议用a4纸防尘(透气性很低,水蒸发很慢,几乎不会出现白斑和裂缝),蒸发慢一般不会出现大饼(经验所得),如果实在忍受不了大饼的苦恼,可以考虑氯化钠晶体,几乎不会大饼。

晶体收藏

建议直接用自封袋保存即可,也可以用亚克力盒收藏,易风化的可以喷清漆(喷完后晶体的形态光泽有概率会没有以前的好看),水晶滴胶(一般用于存封小晶体)也是可以的,不建议用指甲油(原液严重改变晶体的形状,据网友所言要稀释才能用,而且指甲油刷晶体效率多少有点低)。

以上就是我使用这套恒温蒸发装置和使用降温结晶法以及常温蒸发结晶法多次培养晶体中所产生的问题和我的解决方法,希望能够为其他朋友在晶体培养的过程中提供帮助。


以下为使用恒温蒸发装置培养硫酸铜晶体的主要过程(晶体培养中的大部分问题和解决方案都按顺序写在了上表中,下面是培养过程的梗概。):

1、配置饱和溶液

   对照溶解度表直接在结晶皿中加入试剂(40℃下对应的硫酸铜试剂)和蒸馏水。加热装置调至50℃(确保可以把晶体完全溶解),此时的溶液基本上就是饱和(或接近饱和)溶液。也可以加热(50)加入了过量试剂试剂瓶,再把加热后的溶液倒到结晶皿。

1644568215535.jpg

微信图片_20220211154841.jpg

2、获得晶种

   关闭加热装置,将溶液降温,促进晶体析出。在降温过程中每隔半小时使用镊子或者玻璃棒此类物品轻点(轻微扰动溶液即可,等到出现晶种即止)液面,不用害怕会出现大饼(大饼一般在溶液严重过饱和的情况下才会发生),可较容易获得独立且透明度较高的晶种。

3、晶种临时保存

   晶体临时保存可以不擦干表面水渍(更少灰尘依附在晶体表面)直接放入干净的自封袋中。 

1644567519784.jpg   

4、明确培养目标

   如果想要大体积,建议使用悬线法,但这样出来的晶体透明度普遍较低。如果追求高透明度,菱角分明,建议直接把晶体平放在结晶皿底部,减少晶体的厚度(晶体底面因为贴着结晶皿底部,几乎不会结晶)。当然,使用第二种方法来培养大晶体也是没有问题的。

微信图片_20220211163851.jpg


5、以培养目标为方向进行二次结晶(使用恒温结晶法培养大晶体)

  把上述步骤获得的晶种放入40℃下的硫酸铜饱和溶液(澄清,容器底部无颗粒物)中,并把溶液温度升高至50℃(提高溶解度,把转移晶体过程中产生的细小晶体溶化)直到晶种出现肉眼可见的轻微溶解(边角稍微圆润)后温度调至40℃,等待晶体的边角重新尖锐后,温度可调至30℃(减少缺陷)或者保持40℃不变(体积迅速增大,培养时间减少)。如果在培养过程中出现大饼前兆(见上文),意外出现的独立的小晶体(影响到主晶体的结晶),需要取出个别晶体等情况可以考虑把溶液温度升高,增加溶液溶解度后立即使用镊子进行所需的操作(不升温直接操作会扰动溶液,有大饼的风险)。

1644569078921.jpg

微信图片_20220211163857.jpg

IMG_20220215_233920.jpg

上图是出现了大饼征兆的溶液,下图为升温后的溶液。

IMG_20220216_115833.jpg

IMG_20220213_233233.jpg

6、取出晶体

  用镊子夹出晶体,如果觉得镊子夹持不稳,可以用高粘性防水胶把镊子头部包裹起来,胶水干燥后再去夹持晶体,这样子既能夹得稳,也能保护晶体(增大与晶体的接触面积,不容易夹裂晶体)。也可带手套抓取(乳胶手套,黄色那种,防滑很好)。

1644566655229.jpg

7、封装保存展示晶体

用自封袋保存即可,亦可放入亚克力盒中当做摆件欣赏。该晶体培养时间为六天(仅仅用了六天时间,就获得了常温蒸发结晶数月方可获得的大晶体)。

IMG_20220215_214551.jpg

IMG_20220216_223147.jpg

IMG_20220216_214641.jpg IMG_20220216_215746.jpg IMG_20220216_220240.jpg

参赛维度:封装,摄影,报告

[修改于 4个月7天前 - 2022/02/26 20:49:28]

+16.66  科创币    snsn    2022/03/20 河南拔智齿
+150  科创币    科创人民很行    2022/05/27 单项一等奖-封装/策展
+100  科创币    科创人民很行    2022/05/27 单项二等奖-摄影
+150  科创币    科创人民很行    2022/05/27 单项一等奖-报告
+1000  科创币    科创人民很行    2022/05/27 综合奖-金奖
来自:晶体培育 / 晶体养成所综合交流区 / 科创茶话动手实践:实验报导
20
8
全桥整流 作者
4个月17天前
1楼

总算是完成了,4700字报告,打字手都抽筋了😂



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2
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全桥整流作者
4个月14天前
2楼
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哈哈哈哈哈士奇
4个月12天前
3楼

【成功参赛】作品序号:12;作品类型:晶体创作

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全桥整流作者
4个月10天前
4楼

自顶一下


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全桥整流作者
4个月7天前
5楼

自顶一下。(话说怎么现在没有共享表情了?那个滑稽茶什么的都没了)

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全桥整流作者
4个月5天前
6楼

再次自顶

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全桥整流作者
4个月3天前 修改于 4个月3天前
7楼

再次自顶😂有没有朋友回复一下(批评一下也好,水一下也罢,说不定可以中个红包什么的),评论区就只有我和评委,应该,可能,不至于这么冷清吧,我都怀疑我的文章是不是不合大家口味了😮💨😂


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全桥整流作者
4个月0天前
8楼


再次,自顶🌝


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全桥整流作者
3个月26天前
9楼

自顶😊

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全桥整流作者
3个月19天前
10楼

自顶

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Catal
3个月17天前
11楼

lz好惨。。。3000多观看没评论也是离谱

+0.5
科创币
全桥整流
2022-03-20
终于有朋友回复了😂
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Ender_ren
3个月16天前
12楼

楼主说的太全了,把我们想问的都说了😂

+0.5
科创币
全桥整流
2022-03-26
理由同上😂
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全桥整流作者
3个月15天前 修改于 3个月15天前
13楼
引用Ender_ren发表于12楼的内容
楼主说的太全了,把我们想问的都说了😂

那倒不至于,我觉得还是有不少地方可以优化的。

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全桥整流作者
3个月12天前
14楼

自顶

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全桥整流作者
3个月10天前
15楼

自顶

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全桥整流作者
3个月1天前
16楼

自顶!(现在开始前十位回帖均有kcb奖励(0.5-1))😁


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zRed洲虹
3个月0天前
17楼

挂在杯壁上的冷凝水流入溶液的扰动会不会有什么影响


ps现在共享表情有时有有时没有,好奇怪


+0.5
科创币
全桥整流
2022-04-04
感谢回复
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全桥整流作者
3个月0天前 修改于 3个月0天前
18楼
引用zRed洲虹发表于17楼的内容
挂在杯壁上的冷凝水流入溶液的扰动会不会有什么影响ps现在共享表情有时有有时没有,好奇怪

几乎没有影响

1,杯壁温度比较高,杯壁上比较少冷凝水。(或许可以液面以上的杯壁部分做保温处理?减少冷凝水。)

2,即便有冷凝水滴落,根据我的经验,对溶液的扰动可以忽略,基本并不会引起大饼等异常状态。


共享表情我最近每次想用都找不到,有点奇怪。

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2SC1970
2个月17天前
19楼

不应该用滴胶封晶体。目前市面上滴胶成分不一、质量良莠不齐,我曾用滴胶封CuSO4·5H2O出现边缘发白、封FeSO4·7H2O出现边缘变棕褐色的事故,且滴胶放久了会变黄,严重影响美观;K2Cr2O7等活泼晶体更不能用滴胶。且以上事故发生的概率并不和滴胶价格呈负相关。

石蜡油是比较正确的方案,我的一块6cm长的NiSO4·7H2O(很容易风化)在其中长期保存安然无恙;但是石蜡油比较粘稠,取出时不易擦干。可以考虑改用正己烷等低沸点烷烃,取出后立即挥发干,不影响临时欣赏、拍照。

+1
科创币
全桥整流
2022-04-18
谢谢回复
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全桥整流作者
2个月16天前
20楼
引用2SC1970发表于19楼的内容
不应该用滴胶封晶体。目前市面上滴胶成分不一、质量良莠不齐,我曾用滴胶封CuSO4·5H2O出现边缘发...

我写这篇文章的那个地方时只考虑到了硫酸铜晶体,这点确实是硬伤。石蜡油液封是不错。

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