Tinh thể là những vật thể cấu tạo bởi các nguyên tử, ion, hoặc phân tử có ảnh hưởng nhiễu xạ chủ yếu là gián đoạn.
Ví dụ: muối ăn, đường, tuyết và một số kim loại là các vật liệu ở dạng tinh thể. Cấu trúc tinh thể là cấu trúc có tính tuần hoàn, gọi là cấu trúc trật tự kéo dài. Cấu trúc và tính chất vật lý của các tinh thể có thể không đối xứng theo các hướng trong không gian. Các vật thể rắn trong thiên nhiên hầu hết đều có cấu trúc tinh thể. Thể khí, thể lỏng và các vật chất phi tinh thể (như chất rắn vô định hình) trong một số điều kiện thích hợp cũng có thể chuyển biến thành tinh thể (ví dụ tinh thể lỏng). Tinh thể hình thành nhờ quá trình kết tinh.
Người ta phân chia các mạng tinh thể thành 7 kiểu cơ bản, gọi là mạng Bravais, trong mỗi kiểu cơ bản có nhiều kiểu cụ thể khác nhau, theo liệt kê ở bảng dưới đây
Sự kết tinh là một quá trình tự nhiên hoặc nhân tạo, sau quá trình này sẽ hình thành các tinh thể rắn kết tủa từ dung dịch. Kết tinh cũng là một kỹ thuật tách chất lỏng hóa chất rắn, trong đó sẽ xảy ra quá trình chuyển đổi chất tan trong dung dịch lỏng vào trong pha rắn mà ở đó tinh thể hình thành ở dạng tinh sạch nhất. Sự kết tinh trải qua hai giai đoạn chính, hình thành mầm tinh thể và sự phát triển của mạng tinh thể. Tạo mầm là bước mà các phân tử chất tan phân tán trong dung môi bắt đầu tập hợp thành cụm.
Liệu có thể nuôi tinh thể tại nhà được không? Khoảng bao lâu thì có được một em tinh thể? Tinh thể đương nhiên là có thể nuôi được tại nhà nhưng còn tùy chất nữa. Thực hành tại gia thì chúng ta nên nuôi các loại dễ hình thành mầm, dụng cụ thí nghiệm và thao tác đơn giản (như phèn chua, phèn Nhôm kết hợp phèn Crom, Đồng (II) sunfat,…), quan trọng hơn hết là chúng không (ít) độc hại. Mỗi chất có cách nuôi tinh thể khác nhau và nó sẽ đơn giản hoặc phức tạp phụ thuộc vào hình dạng mà chúng ta muốn nuôi. vì vậy trong bài viết này, tôi chỉ giới thiệu sơ lược một số phương pháp nuôi mà tôi biết được cho đến nay, còn cụ thể từng bước làm hoặc liều lượng hóa chất thì tôi sẽ viết ở những bài sau. Đơn tinh thểĐơn tinh là nuôi 1 tinh thể. Thông thường, chúng ta sẽ pha dung dịch của chất cần nuôi ở mức bão hòa, sau 1 khoảng thời gian nhất định sẽ thấy các hạt tinh thể nhỏ (mầm tinh thể) kết tinh ở bên dưới đáy cốc. Lúc này, ta sẽ chọn ra 1 đến 2 hạt mầm đẹp nhất rồi cột dây (sợi cước trong suốt) vào và tiếp tục ngâm trong dung dịch bão hòa. Chờ vài tuần (hoặc vài tháng) sau là ta đã có được đơn tinh thể như ý muốn.  Đơn tinh thể màu tím bằng phèn Nhôm KAl(SO4)2 và phèn Crom KCr(SO4)2 Phương pháp nuôi đơn tinh như trên tôi đã thực hiện qua và sau thời gian dài cực khổ, tôi đã nuôi thành công cục cưng xinh đẹp như hình bên dưới. Sau này tìm hiểu thêm thì biết được CuSO4 là tinh thể duy nhất khi nuôi đơn người ta ko hề cột dây từ trước đến nay (nghĩa là nó có khả năng tự hình thành và bám dính lên dây) Đa tinh thểMột cụm các hạt tinh thể được gọi là hoa tinh thể hoặc đa tinh thể. Ban đầu lúc mới bắt đầu tìm hiểu về tinh thể, tôi cứ ngỡ nuôi đa tinh dễ hơn nhiều so với đơn tinh vì không cần phải chọn mầm, tách mầm rồi cột dây các thứ nhưng sau này mới biết nuôi đa tinh như thế nào cho đẹp là thật sự rất khó. Người mới nuôi, kĩ thuật chưa cao thì các tinh thể có xu hướng mọc lung tung, không theo một khối nhất định nên phải nuôi nhiều lần mới rút kết ra được kinh nghiệm để đời. Đầu tiên, chúng ta cần pha dung dịch bão hòa ở nhiệt độ thường. Rồi cho tinh thể kết tinh dưới đáy cốc từ khi dung dịch nấu xong, đậy kín và cho nguội tự nhiên. Sau một ngày, đổ dd ra khỏi cốc nếu đã có 1 vỉa tinh thể kết tinh kín cả đáy. Dốc ngược cốc lên tấm vải dày rồi lấy tay đập nhẹ lên đáy cốc đến khi nào vỉa tinh thể lấy ra được thì thôi. Pha thêm dd bão hòa xong để nguội 1 ngày rồi trộn chung với dd cũ vô và đổ vào cốc 1 lít. Trước khi đổ dd, đặt vỉa tinh thể dưới đáy sao cho đối xứng nhất. Sau đó chờ từ 1 đến 2 tuần, kết quả sẽ có tùy vào sự khéo léo của các bạn. Ngoài ra, người ta còn kết hợp nuôi đa tinh thể trên đá trầm tích để cho ra những sản phẩm vô cùng độc đáo và thú vị
Tinh thể Aragonite-CaCO3-Orthorhombic-2/mm
CuSO4 trên nền đá trầm tích (Bột sét kết).
Amonium dihidro photphat (NH4H2PO4) trên đá, nhìn giống san hô hen! Pha tạp“Trong kỹ thuật nuôi tinh thể, pha tạp là một bước mở rộng của việc nuôi tinh thể nhằm để giúp tinh thể lớn mau hơn, kết tinh ổn định hơn hoặc theo định hướng theo hướng người nuôi mong muốn. Pha tạp nghĩa là làm thay đổi thành phần vật chất nguyên thủy vốn có của dung dịch ban đầu mà đảm bảo sao lượng tạp phải nhỏ hơn lượng vật chất khởi thủy rất nhiều theo nồng độ mol CM. Ví dụ như pha thêm 1 lượng nhỏ NaCl vào dd đường glucozo, vậy dung dịch chính là đường glucozo và tạp là NaCl. Tạp chất khi được pha vào trong dung dịch chính, thường ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình sinh thành của tinh thể chính. Tùy theo liều lượng của tạp chất ấy, mà tinh thể chính sẽ thay đổi cấu trúc tinh thể, thay đổi hình thái, gây nên sai hỏng hàng loạt trên bề mặt, có khi không kết tinh bình thường được nữa. Sau đây là 1 vài ví dụ về hệ quả của việc pha tạp ( thông qua hình ảnh ) đối với tinh thể KH2PO4 (Vui lòng xem từng hình )
Mẫu KH2PO4 tinh khiết, nuôi bằng nước cất 2 lần
Mẫu KH2PO4 nuôi bằng nước cất pha tạp KCl
Mẫu KH2PO4 pha tạp 1 lượng rất nhỏ Cr3+
KH2PO4 pha 1 lượng đáng kể Cr3+, gây nên hiện tượng kết tinh siêu nhanh, và tinh thể ra dạng hình rong
Đây là hiện tượng khi pha quá nhiều lượng Cr3+ trong phèn crom dẫn đến tinh thể hình rong xuất hiện và hút sạch nước của dung môi thành 1 khối bông đặc sệt
Khối bông này sau khi đem phơi thì nhỉn khá thú vị, ko óng ánh mà như tuyết bột
KH2PO4 pha tạp màu hữu cơ và Pb2+
KH2PO4 pha tạp với K3Fe(CN)6
KH2PO4 pha tạp với K3Fe(CN)6
KH2PO4 pha tạp với màu mực tím của bút mực với lượng lớn
KH2PO4 pha tạp với màu hữu cơ cùng một số kim loại như Cr và Pb
KH2PO4 nuôi bằng nước máy sinh hoạt Vậy pha tạp thể nào là đúng? Nếu nói đúng thì không đúng, vì ngay từ đầu bài viết ngắn có nói tùy theo mục đích người nuôi hướng đến là gì và khảo sát rồi đi đến lượng tạp chất mình muốn thêm vào bao nhiêu. Pha tạp có 2 cách chính: a/ Dung dịch với dung dịch đã kết tinh b/ Từ lúc pha dung dịch chưa xuất hiện kết tinh Liều lượng pha tạp và lưu ý: Khó có thể đưa ra con số chính xác nên pha bao nhiêu nên admin chỉ có thể đưa ra ví dụ theo các bức hình mà admin từng thực nghiệm. Đa phần qua các kết quả thu được, admin nhận thấy chỉ với 1 lượng rất nhỏ thôi so với dung dịch chính, tinh thể đã thật sự biến đổi nếu tạp chất là loại chất đủ mạnh làm được điều này. Vậy chất nào sẽ nên làm tạp cho chất nào ? Thông thường tạp chất mạnh thường chứa các gốc kim loại chuyển tiếp như Cr, Fe, Co, Ni….ngoài ra có Pb, Al. Chúng gây biến đổi hình thái, có khi cả cấu trúc tinh thể, làm ra 1 loạt sai hỏng trên bề mặt tinh thể nếu lượng tạp càng nhiều. Một số loại như Cr, admin khảo sát khi cho 1 lượng rất nhỏ, có thể thúc đẩy quá trình kết tinh nhưng khi cho quá nhiều, quá trình kết tinh diễn ra rất mãnh liệt đến nỗi mà hút sạch nước của dung môi thành một khối như sợi bông ( với muối KH2PO4 ). Các tạp chất nhóm này thường tạo nên ánh màu cho tinh thể nhưng khá nhợt nhạt. Các tạp chứa gốc kim loại kiềm: thường là tạp ít tác động đến cấu trúc tinh thể, chỉ gây biến đổi hình thái, và có thể gây ức chế kết tinh ( làm quá trình kết tinh diễn ra lâu hơn NaCl). Các chất như KCl thường được thêm vào dung dịch của KH2PO4 có nhiệm vụ làm sạch, hạn chế ion kim loại nặng ảnh hưởng nhiều đến tinh thể chính. Các tạp chất màu hữu cơ: Thường ít ảnh hưởng đến quá trình kết tinh, chủ yếu tạo màu cho tinh thể nhưng nó lại gây đục và nứt tinh thể. Các dung môi hữu cơ như acetone, ancol: làm gia tăng quá trình kết tinh nhờ sự bay hơi lớn Nhiều loại tinh thể khá bền vững nên tạp chất có khi ko ảnh hưởng hoặc ảnh hưởng rất ít đến tinh thể. Ví dụ pha tạp KCl và CuSO4, ko có hiện tượng gì xảy ra ngoài việc kết tinh có phần chậm 1 chút. Chốt lại Pha tạp vẫn là 1 phương pháp còn khá mới mẻ trong kỹ thuật nuôi tinh thể nên nhiều trường đại học trên thế giới ngay cả Việt Nam vẫn đang thực hiện ( điển hình là KH2PO4- Đại học Khoa học tự nhiên- bộ mộn Vật lý ứng dụng ) nên để nói chính xác thì admin vẫn chưa dám vì nhiều cái ko hẳn là đúng nên bài viết này chỉ để các bạn tham khảo và thực nghiệm kiểm tra thêm.
KH2PO4 pha tạp 1 lượng rất nhỏ Cr3+
KH2PO4 trộn chung với NH4H2PO4 Một số phần (được đặt trong ngoặc kép và các hình ảnh) của bài viết được sưu tầm trên trang Tinh thể học – Crystallography MHH – 12.03.2017 |
