Kristallzüchten
Erfahre, wie du mit einfachen Materialien faszinierende Kristalle herstellen kannst. Vom industriellen Kristallwachstum bis zum eigenen Versuch daheim – hier erfährst du alles Wichtige über Techniken und Abläufe. Neugierig geworden? Das und vieles mehr findest du im folgenden Text!
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Grundlagen zum Thema Kristallzüchten
Kann man Kristalle selbst züchten? – Chemie
Sie sind bunt, glitzern und funkeln: Kristalle und Edelsteine. Sie kommen in einer großen Farb- und Formenvielfalt vor und erfreuen sich großer Beliebtheit als Schmucksteine. Zum Beispiel Rubine und Quarze werden jedoch auch in elektronischen und optischen Geräten verbaut. Dies geschieht in sogenannten Kristallziehanlagen. Um Kristalle zu züchten, braucht man jedoch keine großen Anlagen. Ein paar wenige Utensilien reichen hier für den Experimentaufbau. Aber was braucht man, um Kristalle zu züchten? Welche Kristalle kann man züchten? Und was passiert beim Kristallezüchten? Das wollen wir uns in diesem Text genauer ansehen.
Kristallzucht – Methoden
Bevor es darum geht, wie man aus Salzen im Chemieunterricht Kristalle züchten kann, wird zuerst die Kristallzucht in der Industrie betrachtet. Um zum Beispiel Rubine und Saphire künstlich herzustellen, kommt das Verneuil-Verfahren zum Einsatz. Aluminiumoxid wird dabei auf so hohe Temperaturen erhitzt, dass es schmilzt. Dann werden Zusätze hinzugefügt, die farbige Ionen enthalten, damit die herzustellenden Kristalle eine bestimmte Farbe erhalten. Diese flüssige Masse lässt man langsam erstarren. Dieser Vorgang wird auch Kristallisieren genannt. Der Silizium-Einkristall kommt in der Halbleitertechnik zum Einsatz. Hergestellt wird dieser Kristall in Kristallziehanlagen.
Kristalle züchten – Experiment
Jetzt bist du sicher gespannt darauf, zu erfahren, wie du deine eigene Kristallzucht starten kannst. Für die Kristallzucht wird ein wasserlösliches Salz benötigt. Welche Salze sich eignen, wird weiter unten erläutert. Zunächst erhältst du eine Anleitung, um Kristalle selbst zu züchten:
- Du benötigst zwei Gläser, einen Löffel, einen glatten Wollfaden (Nähgarn eignet sich am besten), einen Holzstab, einen Filter, ein Filterpapier, ein geeignetes Salz und Wasser.
- In einem Glas wird das Salz in warmem oder besser heißem Wasser gelöst, bis eine gesättigte Lösung entsteht.
- Wenn die Lösung trübe, also übersättigt ist, muss sie filtriert werden, um eine klare Lösung zu erhalten. Die Lösung wird also durch einen Trichter mit Filterpapier in das andere Glas gegossen.
- Der Faden wird auf einer Seite an dem Holzstab befestigt.
- Der Holzstab wird so auf dem mit der Lösung gefüllten Glas platziert, dass der Faden in die Lösung eintaucht.
- Das Wasser verdunstet nun langsam und am Faden entstehen kleine Kristalle. Diese können nun als Impfkristalle verwendet werden, um einen einzigen großen Kristall zu erhalten. Dazu bindet man wieder einen Faden an das Holzstäbchen, diesmal benutzen wir allerdings einen glatten Faden (Zwirnsfaden). Der Faden muss glatt sein, da sich sonst erneut viele kleine Kristalle anstelle eines großen Kristalls bilden würden.
- Nach einiger Zeit bildet sich um den Impfkristall ein immer größer werdender Kristall aus. Manchmal muss die gesättigte Lösung nachgefüllt werden, weil sie sich durch die Kristallbildung aufbraucht.
- Wenn man nur einen einzigen großen Kristall züchten möchte, kann man den Kristall alle paar Tage entnehmen und mit einem Messer reinigen. Nur der größte Kristall wird weiterverwendet.
Was passiert beim Kristalle züchten?
Nun haben wir gesehen, wie man einen Kristall ganz einfach selbst züchten kann. Aber wieso kristallisieren die Kristalle am Faden?
Als Kristallisation bezeichnet man den Vorgang der Verhärtung, der dann zur Bildung der Kristalle führt. Damit sich überhaupt ein Kristall bilden kann, muss das gelöste Salz zunächst in Übersättigung gebracht werden. In unserem Experiment der Kristallzucht geschieht dies durch Abkühlung und Verdunstung. Dabei lagern sich die zuvor gelösten Moleküle in einer regelmäßigen und verdichteten Form am Faden an. Es entsteht ein sogenannter Kristallisationskeim, an dem sich nun laufend weitere Moleküle anlagern. Der Kristall beginnt zu wachsen.
Der Kristallisationsprozess kann beschleunigt werden, indem Impfkristalle hinzugefügt werden, die dann in der übersättigten Lösung weiterwachsen.
Welches Salz eignet sich zum Kristallezüchten?
Viele Salze eignen sich für eine eigene Kristallzucht. Beispielsweise lassen sich mit Kupfersulfat $\ce{CaSO4}$ gut Kristalle züchten. Wichtig ist jedoch immer, dass du eine gesättigte Lösung herstellst. Das erkennst du daran, dass die Lösung trüb ist und sich kein weiteres Salz mehr löst.
Wichtige Salze, die sich zur Kristallzucht eignen, sind:
| Name des Salzes | Chemische Formel |
|---|---|
| Magnesiumsulfat (Bittersalz) | $\ce{MgSO4}$ |
| Mangansulfat | $\ce{MnSO4}$ |
| Nickelsulfat | $\ce{NiSO4}$ |
| rotes Blutlaugensalz | $\ce{C6N6FeK3}$ |
| Kaliumchromalaun | $\ce{KCr(SO4)2}$ |
Man kann knallbunte Kristalle erhalten, wenn man der Lösung Lebensmittelfarbe beigibt.
Dieses Video
In diesem Video wird erklärt, wie man Kristalle züchten kann, und du lernst, wie sich in der Chemie Salzkristalle bilden. Nach dem Betrachten des Videos hast du die Möglichkeit, Übungen und Arbeitsblätter zum Thema Kristalle züchten zu bearbeiten. Viel Spaß!
Transkript Kristallzüchten
Guten Tag und herzlich willkommen. In diesem Video geht es um das Kristallzüchten. Der Film gehört zur Reihe "Salze". An Vorkenntnissen solltest du dich mit Kochsalz und Salzen schon ganz gut auskennen. Der Film ist als Einführung in die Züchtung von Kristallen gedacht. Das Video besteht aus 7 Abschnitten: 1. Kristalle, Kristalle, Kristalle; 2. Nicht nur schön; 3. Künstliche Edelsteine; 4. Wir kristallisieren selber; 5. Was benötigt man? 6. Die Züchtung und 7. Ausblick. 1. Kristalle, Kristalle, Kristalle: Wenn man sich Kristalle anschaut, ist man immer wieder erstaunt, wie schön sie doch sind. Die Natur bringt eine riesige Vielfalt an Formen und Farben hervor. 2. Nicht nur schön: Natürlich ist es naheliegend, dass solche schönen Steine in erster Linie als Schmuck- und Edelsteine verwendet werden. Es gibt jedoch für sie auch ein großes Feld für praktische Verwendung. Elektronische Geräte und optische Geräte können ohne bestimmte Edelsteine oder natürliche Steine nicht auskommen. Hauptsächlich handelt es sich dabei um Rubin und Quarz. 3. Künstliche Edelsteine: Den Wissenschaftlern ist es gelungen, Edelsteine auch künstlich herzustellen. Eine Methode dafür ist das Verneuil-Verfahren. Bei dieser Methode wird mit hohen Temperaturen gearbeitet. Die Temperatur ist so hoch, dass Aluminiumoxid geschmolzen wird. Man gibt bestimmte Zusätze dazu, die farbige Ionen enthalten. Durch langsames Erstarren kristallisieren die Edelsteine aus. Aus Aluminiumoxid gewinnt man Rubine und Saphire. Gewissermaßen kann man die Halbleiter auch als moderne Edelsteine bezeichnen. Hier das Bild eines Silizium-Einkristalls, der in der Elektronik große Bedeutung besitzt. Um solche großen Kristalle herzustellen, gibt es Kristall-Ziehanlagen. 4. Wir kristallisieren selber: Zum Herstellen von Kristallen benötigt man zuerst ein Salz, nicht unbedingt Kochsalz. Dieses Salz soll so beschaffen sein, dass es sich in Wasser auflöst. Man erhält eine Salzlösung. Jetzt muss man nur noch lang genug warten, damit ein Teil des Wassers aus der Lösung verdampft. Dadurch bilden sich auf dem Boden des Gefäßes Kristalle. Die entstandenen Kristalle sind häufig zu klein und zu unregelmäßig geformt. Wie erhält man schöne, große und regelmäßige Kristalle? 5. Was benötigt man? Zunächst erstmal ein Salz, das wasserlöslich ist. Dann ein Becherglas, einen Spatellöffel, Wasser, einen Wollfaden, Holzstäbchen, ein Messer, einen Kühlschrank, einen Trichter und Filterpapier. 6. Die Züchtung: Aus Wasser und dem Salz stellen wir eine gesättigte Salzlösung her. Wenn sie trübe, also übersättigt ist, so müssen wir filtrieren, um eine klare Lösung zu erhalten. Die Lösung stellen wir nun zum Abkühlen in den Kühlschrank. Auf das Becherglas legen wir ein Holzstäbchen, an das wir ein Wollfädchen anbinden, das in die Lösung eintaucht. Wenn wir lang genug warten, bilden sich am Wollfädchen kleine Kristalle. Diese Kristalle verwenden wir als Impfkristalle. Wir binden sie wieder an das Holzstäbchen, diesmal allerdings mit einem glatten Faden. Wir stellen das Gefäß wieder in den Kühlschrank. Im Laufe der Zeit bildet sich um den Impfkristall ein immer größer werdender Zeit aus. Das ist der eigentliche Vorgang der Kristallzüchtung. Der erfordert sehr viel Zeit. Auf diese Art und Weise kann man große, schöne Kristalle züchten. Und noch einmal: Das Fädchen darf kein Baumwoll- oder Wollfädchen sein. Es muss ein glatter Zwirnsfaden sein, sonst würden sich nämlich viele kleine Kristalle bilden. Wir wollen aber nur einen haben. Ab und zu muss man die Lösung nachfüllen, weil sie sich durch die Kristallbildung aufbraucht. Nicht immer bildet sich nur ein einziger Kristall. Man muss die Kristalle mit dem Fädchen ab und zu entnehmen und mit dem Messer vorsichtig reinigen. Der größte Kristall wird wieder in die Lösung gehängt und so weiter. Ganz wichtig ist: Wir müssen immer mit gesättigten Lösungen arbeiten. Sonst bilden sich keine Kristalle. An einigen Beispielen möchte ich zeigen, wie groß die Löslichkeit einiger Salze ist, aus denen man Kristalle züchten kann. Die Angaben sind gerundet. Kupfersulfat: 300 g/l, Magnesiumsulfat: 700g/l, Mangansulfat: 1700g/l, Nickelsulfat: 600g/l, rotes Blutlaugensalz: 400g/l und Kaliumchromalaun: 250g/l. Und zum Schluss noch eine Warnung: Fast alle verwendeten Verbindungen, ich habe sie hier mit Sternchen gekennzeichnet, sind giftig. Das heißt, vorsichtig arbeiten. 7. Ausblick: Beim Kristallzüchten handelt es sich um ein wirkliches Handwerk. Man benötigt dafür Zeit, Geduld und, ich muss es leider sagen, auch etwas Verstand. Für das Kristallzüchten ist es immer gut, wenn man sich vorher eine entsprechende Arbeitsvorschrift heraussucht. Im Internet findet ihr ausführliche Vorschriften auf Professor Blumes Bildungsserver. Ich danke für eure Aufmerksamkeit und wünsche euch alles Gute. Auf Wiedersehen
Kristallzüchten Übung
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Gib an, in welchen Bereichen Kristalle verwendet werden.
TippsErinnere dich, welche Eigenschaften Kristalle haben.
LösungIn den Bereichen, in denen Kristalle verwendet werden, ist entweder ihre Kristallstruktur und/oder ihre Fähigkeit zur entsprechenden Lichtbrechung wichtig. Durch Struktur und Lichtbrechung erhalten Schmucksteine ihre Schönheit. Die Kristallgitterstruktur ermöglicht den Schmuck- und Edelsteinen eine Haltbarkeit, die Jahrhunderte überdauert (z.B. die Kronjuwelen des englischen Königshauses). Auch in der elektrischen und optischen Industrie spielt die Lichtbrechung und Reflexion von Licht eine große Rolle.
Zwar werden Salze auch in der Ernährung und der Landwirtschaft verwendet, hier spielt aber weder ihre Struktur noch ihre Fähigkeit zur Lichtbrechung eine große Rolle. In diesen Bereichen ist die Zusammensetzung der Salze und damit ihre Wirkung wichtiger und große Kristallstrukturen eher ungünstig.
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Stelle die Materialien zusammen, die für die Herstellung von Kristallen wichtig sind.
TippsGehe im Kopf durch, wie man Kristalle züchtet. Dann fällt dir auch ein, was du brauchst.
LösungVielen hilft es beim Lernen von Versuchsaufbauten, wenn sie sich beschriftete Skizzen selbst erstellen. Eine Material- oder Geräteliste hilft immer dann sehr gut, wenn man selbst das Experiment durchführen möchte, da man dann alles zusammen hat und nicht während das Experiment schon läuft noch Material zusammensuchen muss.
Hier noch einmal die vollständige Materialliste:
- 2. Bechergläser
- Spatellöffel
- Wollfaden
- glatter Garnfaden (z.B. Nähseide)
- Holzstäbchen
- Kühlschrank
- Filterpapier
- Messer
- Trichter
- wasserlösliches Salz
- Wasser
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Bestimme die Löslichkeiten folgender Salze in Wasser.
TippsVergleiche die Werte der anderen Salze mit einem bekannten Salz, wie Natriumchlorid.
LösungDie Löslichkeit von Salzen gibt an, wie viel Gramm Salz sich in einem Liter Wasser lösen.
Damit ist die vollständige Lösung des Salzes im Wasser gemeint.
Betrachte einmal den Wert für Natriumchlorid: Kochsalz kennst du und weißt, dass es sich gut in Wasser löst. Es hat eine Löslichkeit von 358 g/l. Das bedeutet, dass du 358 g Kochsalz im Wasser vollständig lösen kannst. Salze, deren Löslichkeit über dem Wert von Natriumchlorid liegt, sind also gut löslich. Bei Salzen wie NaF erkennt man schon ein deutlich schlechteres Lösungsverhalten, auch wenn sich immerhin noch rund 42 Gramm in einem Liter Wasser lösen lassen. Ab 1-10 g/l spricht man von schwer löslichen Salzen. Unter diesem Wert sind Salze sehr schwer löslich bis unlöslich.
Vergleicht man die Löslichkeit von Salzen, so ist es auch wichtig darauf zu achten, bei welcher Temperatur die Salze gelöst werden. Vielleicht ist dir schon aufgefallen, dass sich Kochsalz in heißem Wasser besser löst als in kaltem. So ist das bei vielen Salzen. Wasser nimmt mehr Salz auf, wenn es warm ist. Das bedeutet, dass du mehr Salz brauchst bis die Lösung gesättigt ist. Auf diese Weise zubereitete Salzlösungen eignen sich besonders gut zum Kristalle züchten.
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Benenne folgende Metallsalzkristalle.
TippsJedes Metall-Ion beeinflusst die Farbgebung der Kristalle.
Überlege dir einmal, ob dir schon farbige Verbindungen in der Umwelt aufgefallen sind und woraus sie bestehen könnten. Rost ist zum Beispiel bräunlich und Kirchendächer werden mit der Zeit grünlich türkis.
LösungBei der Zusammensetzung von Ionengittern ist das Metall-Ion sehr wichtig. Anhand der Färbung lässt sich auch bei natürlichen Mineralien voraussagen, welche Metall-Ionen für die Farbe zuständig sind.
Kupfer-Ionen sind oft für ein leuchtendes Blau bis Türkis verantwortlich. Chrom-Ionen können ein tiefes Rot erzeugen, aber auch grüne Kristalle hervorbringen. Kobalt-Ionen bilden oft rot-violette Salze. Eisen-Ionen können braun-gelbliche, orange oder auch rote Färbung bei Kristallen verursachen. Nickel ist für die hellgrüne Farbgebung bekannt.
Das Wissen über die farbgebende Wirkung der Metall-Ionen findet auch Verwendung in der Herstellung von Buntglas. Hier werden häufig Schwermetalloxide verwendet, um dem Glas die bunte Färbung zu verleihen.
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Stelle eine Versuchsanordnung zum Kristallzüchten her.
TippsBeachte, bei welchem Schritt welcher Faden verwendet wird.
LösungDie entscheidenden Schritte, die dazu führen, dass dir die Kristallzüchtung gelingt, sind:
- Herstellen der gesättigten Salzlösung
- Erst den Wollfaden in die Salzlösung hängen und Impfkristalle züchten
- Die Impfkristalle an den glatten Faden hängen und wieder in die Salzlösung geben
Tipp: Damit sich das Salz besser im Wasser löst, kann man das Wasser erwärmen.
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Nenne die chemische Formel zu folgenden Kristallnamen.
TippsErinnere dich, welche Kristalle aus dem Vernuil-Verfahren kommen.
Diamant und Graphit sind aus den gleichen Atomen aufgebaut.
Quarz ist in seiner Zusammensetzung nichts anderes als Glas und Sand.
LösungIn der Natur kommen Kristalle und Salze nur sehr selten in Reinform vor. Deshalb sind große Diamanten oder Rubine auch so wertvoll. Sieht man sich aber mal ihre chemische Zusammensetzung an, stellt man fest, dass sie gar nicht so besonders aufgebaut sind. Diamant besteht zum Beispiel einfach aus Kohlenstoffatomen und der Saphir aus Aluminiumoxid. Aluminiumoxid ist eigentlich ein farbloses Pulver. Die Farbigkeit entsteht durch zusätzliche Metall-Ionen. Auch Quarz besteht nur, genau wie Strandsand, aus Siliciumdioxid. Der Topas ist ein Oxid, der sowohl Aluminium als auch Silicium enthält. Besonders wertvoll werden die Edelsteine dann in der Verarbeitung, wenn sie geschliffen werden. Die ursprüngliche Form des Gesteins ist bei Schmucksteinen nicht immer zu erkennen.
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ich meine Kristall
will etwas über das ,,Alexandrid Effekt " wissen das Alexandried ist doch auch ein Effekt
sehr gut
Warum bilden sich regelmäßig geformte Salzkristalle nur,wenn sie frei schwebend ,beispielsweise an einem dünnen Fäden hängend gezüchtet werden?:)
Warum können Salzkristalle durch Verdunsten von Wasser aus einer Salzlösung im Prinzip beliebig groß werden? Das verstehe ich nicht