Химия и Химики № 7 2016. Кристаллизация пересыщенного раствора ацетата натрия ("горячий лед"). Crystallization of supersaturated solution of sodium acetate ("hot ice").

Выращивание сталагмита (используется пересыщенный раствор ацетата натрия)
Stalagmite growing (using supersaturated solution of sodium acetate)

Сталактиты - твердые минеральные образования, которые располагаются в верхней части пещер и растут сверху вниз. Часто сталактиты напоминают сосульки, соломинки, гребешки и аналогичные формы. Эти "сосульки" свисают с потолков пещер и медленно увеличиваются: их подпитывает вода, которая стекает сверху вниз. Из воды медленно выпадают в осадок соли, в основном - кальцит (карбонат кальция). Причем имеет место не просто обратимое "физическое растворение соли", но химическая реакция: карбонат кальция сначала растворяется под действием воды и углекислого газа с образованием гидрокарбоната:

CaCO₃ + H₂O + CO₂ = Ca(HCO₃)₂

Гидрокарбонат кальция, в отличие от карбоната, растворим в воде, но неустойчив, он существует только в растворе (не в твердом виде). Поэтому, если создаются необходимые условия (испарение воды и/или падение парциального давления углекислого газа), карбонат кальция снова выпадает в твердую фазу, в результате сталактит растет.

Ca(HCO₃)₂ = CaCO₃ + H₂O + CO₂

Сталагмиты - аналогичные образования, только растут они снизу вверх (с пола пещеры к потолку). Сталагмиты подпитывает минерализованная вода, которая стекает с потолков пещер.

Сталагмит "Witch's Finger" ("Палец ведьмы") в пещере Carlsbad Caverns, Нью-Мексико
"Witch's Finger": stalagmite in the Carlsbad Caverns, New Mexico

Сталактиты и сталагмиты. Stalagmites and stalactites

Нередко сталактиты и сталагмиты располагаются в одном и том же месте пещеры. Сталактит растет вниз - со сводов пещеры, а под ним расположен сталагмит, который растет вверх - навстречу сталактиту. Иногда растущие сталактиты и сталагмиты встречаются и сливаются.

Если не цепляться к словам, под терминами "сталактит" и "сталагмит" понимают любые образования, похожие на сосульки, которые соответственно растут сверху вниз или снизу вверх. - Растут они совсем не обязательно в пещере и совсем не обязательно их материал - известняк, гипс, соль или другие природные минералы.

В природных условиях требуется десятки и сотни лет, чтобы в пещере выросли сталактиты и сталагмиты. Длина их достигает метров, в некоторых случаях - десятков метров.

В лаборатории сталагмит можно вырастить за несколько минут. Пересыщенный раствор ацетата натрия - подходящий для этого материал. В закрытом сосуде, если нет затравки, пересыщенный раствор ацетата натрия может существовать годами (я хранил такой раствор в колбе семь лет - см. первую часть статьи). Но стоит внести затравку, и раствор быстро кристаллизуется. В этом и состоит суть эксперимента.

На стол ставят чашку Петри (поднос, кристаллизатор или любой другой подходящий сосуд), в центре помещают несколько кристалликов ацетата натрия. Заранее готовят пересыщенный раствор ацетата натрия, как это показано в предыдущих частях статьи. Пересыщенный раствор должен быть охлажден в закрытом сосуде (колбе и т.д.) до КОМНАТНОЙ температуры. Использовать теплый раствор не стоит, поскольку он застывает медленно (жидкость успевает растечься перед тем, как застынет).

Теперь медленно льем пересыщенный раствор на кристаллы-затравки (тонкой струйкой или по каплям), в результате раствор быстро застывает и растет сталагмит. - Белая тонкая "сосулька". Постарайтесь, чтобы фронт кристаллизации не добрался до раствора в колбе. В частности: не подносите колбу слишком близко к "сосульке"; если капля раствора стечет по внешним стенкам колбы, она может застыть, - появится затравка, от контакта с которой может кристаллизоваться весь раствор внутри колбы.

Собственно, и все.

Теперь, как это было на практике. Я взял чашку Петри, немного кристаллов ацетата натрия (затравки) поместил по центру. В колбе было примерно 200 мл пересыщенного раствора. Сначала я охладил раствор недостаточно: он оказался теплым. В результате первые порции раствора застыли не сразу, успев перед этим растечься по чашке. Закрыл колбу, поставил в холодную воду, подождал.

Когда раствор остыл, продолжил лить раствор в чашку. Теперь раствор застывал от контакта с твердым ацетатом почти сразу: в результате начала расти сосулька. Старался лить раствор так, чтобы сосулька росла ровной, без наклона. Почему? Иначе она может упасть, как Пизанская башня. Наклоненная сосулька со временем упадет, один раз такое у меня уже было [1].

Понемногу лил раствор. Тонкая сосулька росла. Сначала она была почти бесцветной, как лед, потом, ее поверхность становилась белой (по-видимому, кристаллы ацетата натрия CH₃COONa·3H₂O выветривались, теряя часть кристаллизационной воды). Вскоре длина сосульки стала почти такой же, как и у тридцатисантиметровой линейки. И тут у меня закристаллизовался раствор ацетата натрия в колбе.

Дело в том, что я несколько раз прекращал лить раствор на сосульку и отставлял колбу в строну - чтобы сосулька успела, как следует, застыть (при кристаллизации выделяется тепло: нужно дать время, чтобы оно рассеялось). Каждый раз последняя капля раствора стекала с горлышка колбы по внешним стенкам и застывала. Я соответствующим образом поворачивал колбу, чтобы струя раствора из колбы не вступила в контакт с застывшим ацетатом на внешних стенках колбы. Но в последний раз это не помогло: раствор в колбе кристаллизовался.

Не беда: прекратил съемку. Растопил этот раствор на водяной бане, поставил остывать. Тем временем, осмотр сосульки показал, что выросла она с угрожающим наклоном и скоро может упасть.

Раствор в колбе остыл, и я возобновил выращивание сталагмита. Удалось достичь длины более 40 см. Причем старые и новые участки сталагмита отличались по цвету: старые участки были более белыми, новые - более бесцветными. Сталагмит представлял собой "Пизанскую башню", разные участки которой были наклонены в разные стороны. Не удивительно, что верхняя часть башни вскоре упала, зато нижняя - так и осталась стоять. Причем башня треснула примерно между "старой" и "новой" частями. Возможно, следовало добавлять раствор медленнее, чтобы дать кристаллической массе, как следует, остыть.

Раствор в колбе еще остался, поэтому смог снова нарастить башню до высоты более 40 см. После чего раствор в колбе закончился. А через несколько минут после окончания эксперимента верхняя часть башни снова упала, нижняя - осталась (разрушение опять произошло примерно в том же месте).

Было бы пересыщенного раствора ацетата натрия больше, например, - литр, вместо одной тонкой сосульки можно было бы вырастить целый замок. Но это уже мечты на будущее.

__________________________________________________
¹ См. Кристаллизация пересыщенного раствора ацетата натрия (вариант 3) [ссылка]

Stalagmite growing
(using supersaturated solution of sodium acetate)

Download the Video / Скачать Видео (213 Мб, .avi )