Formazione Di Cristalli E Ordine

Propongo un’attività sperimentale, svolta  qualche anno fa con i miei ragazzi di terza.
Vediamo come si formano i cristalli da una soluzione di solfato di rame (CuSO₄) .
 
Procuriamoci il seguente materiale: solfato di rame (reperibile, solido, anche nei consorzi agrari perché utilizzato in agricoltura). Ne basta una piccola quantità, un paio di manciate andranno bene. Il solfato di rame non è pericoloso, ma non deve essere ingerito così come non va ingerita alcuna altra sostanza reperibile in casa, che è utile, ma sicuramente non a scopo alimentare (ipoclorito di sodio, acetone, detersivi, ecc.). Ricordarsi di pulire bene, con acqua e sapone, il materiale utilizzato nell’esperimento.
Altro materiale: bicchieri di vetro non colorato; un imbuto (anche di plastica, usato in casa); alcuni tovaglioli di carta; un cucchiaio; un piatto piano, di colore bianco; una lente di ingrandimento.

Cristallo in formazione in soluzione satura di solfato di rame

Attività. 1. Riempiamo per metà un bicchiere con l’acqua fredda del rubinetto. 2. Aggiungiamo all’acqua un pizzico di solfato di rame (è sufficiente la punta di un cucchiaio). 3. Agitiamo lentamente con il cucchiaio. L’acqua si colora in azzurro perché il solfato di rame si sta sciogliendo in acqua. Alla fine, non rimane più solido: si è formata una soluzione di solfato di rame.
4. Aggiungiamo altri due cucchiai colmi di solfato di rame. 5. Continuiamo ad agitare per cinque minuti: la soluzione ha ora una intensa colorazione azzurra perché si è sciolto altro solfato di rame.

Sul fondo del bicchiere rimane ancora parecchio solfato di rame che non riesce più a sciogliersi  perché l’acqua ne è ormai satura: si è formata una soluzione satura di solfato di rame. 6. Filtriamo con l’imbuto ed un tovagliolo di carta. 7. Versiamo un po’ di liquido filtrato sul piatto piano, bianco e ben pulito; la quantità deve essere minima, appena un sottile strato di liquido. 8. Lasciamo il piatto per qualche giorno in un luogo tranquillo in cui non si verifichino eccessive variazioni di temperatura né ci siano correnti d’aria. 9. Controlliamo ogni 24 ore lo strato di soluzione. Non tocchiamo né il piatto né il liquido, e riportiamo qualunque cambiamento in una  tabella come la seguente.
 

Considerazioni
1. Partendo da una soluzione satura abbiamo ottenuto cristalli di solfato di rame. L’acqua contenente il solfato di rame era satura di questa sostanza, perciò non appena l’abbiamo messa nel piatto è incominciato il lento processo di cristallizzazione: man mano che l’acqua evaporava e si allontanava nell’aria, le particelle solide di solfato di rame si accostavano le une alle altre, formando i cristalli azzurri, con una configurazione geometrica ben definita.
L’ampia superficie del piatto facilita l’evaporazione dell’acqua esposta all’aria.
Se si lavora bene, si otterranno dei parallelogrammi di differente grandezza con  lati ben diritti e angoli definiti. Prendiamone qualcuno tra le dita e osserviamolo con attenzione.

Cristalli di solfato di rame

2. Lo stesso comportamento del solfato di rame, si osserva in altre sostanze note come lo zucchero (saccarosio) (C₁₂H₂₂O₁₁) e il sale (NaCl).
Ogni sostanza ha una sua solubilità, ma non tutte sono solubili in acqua. Così, ad esempio, l’acido salicilico (C₇H₆O₃) è molto solubile in alcool. Anzi, se vogliamo assistere ad una cristallizzazione rapida, sciogliamo  dell’acido salicilico, (si vende a bustine in farmacia), in alcool e mettiamone delle gocce su un vetrino; evaporando l’alcool, vedremo formarsi i cristalli come aghi sottili. Un microscopio, o anche una lente di ingrandimento, ci aiuterà a osservare la formazione dei cristalli.

Cristalli di saccarosio

 Pertanto, quando si vuol far cristallizzare una sostanza, bisogna conoscere due fattori: il solvente adatto (acqua, alcool, ecc.) e la sua solubilità nel solvente.
Proviamo a mettere qualche pezzetto di solfato di rame in alcool e vediamo se si scioglie.
 
3. Ma c’è un altro fattore importante che permette di ottenere dei bei cristalli: la temperatura.
Infatti, la maggior parte delle sostanze si scioglie facilmente nel suo solvente con l’aumentare della temperatura.
Se abbiamo la possibilità di disporre di acqua calda, proviamo a ripetere l’esperimento precedente, usando l’acqua calda che esce dal rubinetto oppure utilizzando una fonte di riscaldamento: facciamo le nostre osservazioni e riportiamole  nella tabella precedente.

Altre possibilità
1. La forma geometrica finale di un cristallo è il risultato dell’iniziale e continuo disporsi di piccolissime particelle, gli atomi, l’uno accanto all’altro in modo ordinato, come nell’esempio seguente.

 
Le particelle, invisibili al nostro occhio, non sono attaccate le une alle altre, ma tra di esse c’è uno spazio.
 
2. Circa cinque miliardi di anni fa, si cominciò a formare il sistema solare; il nostro pianeta con il passare dei miliardi di anni si raffreddava; ancora non c’erano i mari ma una massa infuocata, che lentamente solidificava. Da quella massa fusa, si è formata la crosta terrestre, che ancora oggi è sottoposta a continui, anche se impercettibili, mutamenti.
I cristalli formatisi in epoche e modi differenti si possono vedere in un Museo di Mineralogia (che spesso si trova nelle sedi universitarie) oppure…in una gioielleria, in cui sono in bella mostra le pietre lavorate.
 
Lo sapete che il diamante e la grafite delle matite sono costituiti dalle stesse particelle elementari, cioè atomi di carbonio?...La differenza sta nel modo in cui cristallizzarono, in epoca remota. Entrambi, se accostati ad una opportuna sorgente di calore, bruciano!
Il chimico Antoine Lavoisier (1743 – 1794) bruciò (sigh!) un diamante tra lo stupore dei suoi contemporanei.

Diamante

Cristalli di grafite

3. Oltre ai cristalli che si formano da una soluzione satura, ci sono cristalli che si formano per raffreddamento di un liquido, come ad esempio nel caso di una massa fusa incandescente (acciaierie, lava delle eruzioni vulcaniche); oppure per raffreddamento, come capita all’acqua che, messa in certi scomparti del frigorifero, diventa ghiaccio ad una temperatura che è stata adottata come punto di riferimento per lo zero della scala dei gradi centigradi.


Guardate il filmato di Scuolanetwork in due parti sui metodi di formazione dei cristalli a partire da soluzioni saline soprasature.

Prima parte

Seconda parte