[科普中国]-美丽的硫酸铜晶体

晶体的世界丰富多彩，晶体的结构纷繁复杂。你见过晶莹剔透、像蓝宝石一样美丽的硫酸铜晶体吗？

图 硫酸铜晶体

硫酸铜晶体的主要成分为五水合硫酸铜，即硫酸铜的水合物，化学式为CuSO4·5H2O，俗称胆矾、蓝矾，三斜晶系，是不规则的块状结晶体，通常为深蓝或浅蓝色，半透明，易碎。硫酸铜晶体加热后会失去结晶水，加热到102℃失去两分子水；113℃时，失去四分子水。只有加热到258℃以上，才能脱去最后一分子水。主要化学过程为：CuSO4·5H2O→CuSO4·3H2O→CuSO4·H2O→CuSO4。由此可见，4个水分子是作为配体，以平行四边形配位在铜离子上的，即[Cu(H2O)4]2+；另一个水分子则结合在硫酸根上，一般认为，这个水分子通过氢键与另外两个配位水分子及硫酸根相结合。CuSO4·5H2O按水分子的结合方式，其结构式可写成[Cu(H2O)4]SO4(H2O)。

图 三斜晶系晶格

如何制作较大块的硫酸铜晶体呢？晶体生成的一般过程是先生成晶核，再逐渐培养。制作较大块的硫酸铜晶体的主要步骤有两步：制备晶种、培养大晶体。

晶种的制备是制备大晶体的一个重要环节，因为晶种是提供晶体生长的位点，能够加速目标晶型的生长速率，同时可以避免初级成核、控制二次成核。具体的操作是：称量60g研细的硫酸铜粉末于烧杯中，加入100 mL蒸馏水，滴加适量稀硫酸使其溶液的pH为2左右，加热，使其充分溶解。趁热过滤，用热烧杯盛接滤液，静置。硫酸铜的溶解度是随温度升高而逐渐增大的，所以当温度降低后会有硫酸铜晶体析出。将溶液静置几个小时后，其中会自然降温结晶出小的单晶，挑选出大小合适、形状规则的小晶体作为晶种。

图 形状规则的小晶体

进行晶种培养时，先用细线系住晶种，然后悬挂在盛有饱和硫酸铜溶液的烧杯里，静置。每日往烧杯里加入少量微热的饱和硫酸铜溶液，小晶体会逐渐长大。在晶种培养过程中，振动会妨碍粒子的有序排列，因此，在培养过程中要尽量避免振动、注意防尘。

用悬挂的方法培养大晶体时细线会留在晶体内，影响美观，因此，也可以直接将晶种放在盛有饱和硫酸铜溶液的烧杯底部进行培养。在培养过程中，若大晶体表面出现小块的杂晶或晶簇可以微微加热使其溶解。

除此之外，还可以培养特殊造型的流通晶体，例如，用滤纸折成一朵玫瑰花的形状。把其放到盛有饱和硫酸铜溶液的烧杯底部，静置，每日再往烧杯里加入少量微热的饱和硫酸铜溶液，使纸花表面结特定形状的晶簇。

图 在纸花表面形成的的硫酸铜晶簇

再如，把铜丝弯成特定的形状（如心形），在铜丝上缠绕细棉线，将缠好的铜丝放在盛有饱和硫酸铜溶液的烧杯底部，静置，每日再往烧杯里加入少量微热的饱和硫酸铜溶液，使铜丝表面结特定形状的晶簇。

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