Dlaczego roztwór soli nie krystalizuje jednorodnie?

Pytanie

Pyta Piotr

Dlaczego roztwór soli, którego stężenie jest przecież równe w każdym miejscu roztworu, po wyschnięciu tworzy gdzieniegdzie stosunkowo wielkie kryształu w stosunku do małego „szronu” wokół? Dlaczego sól nie krystalizuje równomiernie po całej powierzchni? I czy rozmieszczenie większych kryształów jest przypadkowe?

Odpowiedź

Odpowiada Damian Zdulski

Kluczowym elementem determinującym  formę i jakość uzyskanej fazy krystalicznej jest początkowy etap przemiany fazowej, zwany nukleacją. Proces ten polega na formowaniu mikroskopijnych zarodków kryształu, które w dalszych etapach rosną i łączą się tworząc wynikowy kryształ. Szczegóły fizyczne procesu nukleacji opisane są w takim artykule. Wyróżnia się dwa typy nukleacji. Pierwszy, homogeniczny, polega na formowaniu się zarodków na skutek spontanicznych fluktuacji stężenia krystalizującej substancji. W drugim, zwanym heterogonicznym, zarodki powstają na zanieczyszczeniach substancji (np. drobinach kurzu, domieszkach innych substancji), małych kawałkach nierozpuszczonego kryształu lub chropowatościach powierzchni naczynia.

Na skutek nukleacji homogenicznej w wolno chłodzonej cieczy powstaje niemalże idealny jednorodny kryształ. Niestety na skutek energii napięcia powierzchniowego między zarodkiem a cieczą mogą przetrwać i rozrastać się tylko zarodki o wystarczająco dużym rozmiarze, które powstają spontanicznie tylko w bardzo mocno przechłodzonych substancjach. Dla przykładu w warunkach równowagowych woda krystalizuje wyłącznie poprzez nukleację homogeniczną dopiero w $-42^{0}C\, !$ Dlatego ten proces dominuje tylko w bardzo czystych cieczach, gdzie nie ma zanieczyszczeń i tym samym niemożliwa jest nukleacja heterogoniczna. Takie parametry nie są osiągalne w warunkach domowych.

W przypadku nukleacji heterogonicznej obecność zanieczyszczeń obniża energię napięcia powierzchniowego zarodków, które powstają na nich. Przez to jest większe prawdopodobieństwo, że te zarodki przetrwają. Źródła zarodków są rozsiane losowo po powierzchni naczynia. Gdy w jakimś miejscu trafi się dużo defektów to powstanie wiele małych kryształków, które będą wzrastać blisko siebie w losowych kierunkach. Na skutek tego zaczną się zrastać, co prowadzi do formowania szronu. Natomiast gdy na dosyć dużym obszarze będzie się znajdowało pojedyncze źródło zarodkowania, to wyrośnie jeden duży kryształ.

Dodatkowo w przypadku roztworu soli duży wpływ na jakość fazy krystalicznej ma prędkość parowania. Gdy jest duża to rośnie częstość zarodkowania. Skutkuje to zwiększeniem ilości małych kryształków i stąd rozmiarów szronu.

Podsumowując, żeby w domowych warunkach uzyskać duże jednorodne kryształy, należy utrzymywać roztwór w stałej, nie za wysokiej temperaturze, co zapewni małą prędkość parowania. Umieścić roztwór w czystej zlewce. Chronić go od kurzu i co pewien czas filtrować z zanieczyszczeń. W ten sposób zmniejszamy ilość potencjalnych źródeł zarodków. Dodatkowo warto wcześniej wyhodować mały kryształek i umieścić go na nitce w roztworze. Będzie on stanowił początkowy zarodek do którego będą się przyczepiać cząsteczki soli. Szczegóły przepisu  na wyhodowanie dużych kryształów można znaleźć w takim filmiku oraz tutaj.