Mikrokristalle aus Schmelzen von Stoffmischungen.

Hallo liebe Freunde der Mikrokristalle,

viele chemische Substanzen bilden schöne Kristallformen aus Schmelzen heraus.

Manchmal ergeben sich überraschende Kristallformen, wenn man ein Stoffgemisch aufschmilzt. Auch wenn eine chemische Verbindung nicht thermostabil ist und nur unter Zersetzung schmilzt, kann es sinnvoll sein, sie gemeinsam mit einer anderen aufzuschmelzen um den Schmelzpunkt zu senken.

Fragen wir uns einmal was passiert, wenn man ein Zweistoffgemisch zum Schmelzen bringt und langsam wieder abkühlen läßt. Das folgende Phasendiagramm beschreibt diesen Vorgang. Es gilt für Zweistoffsysteme, bei denen beide Komponenten in der Schmelze vollkommen löslich und im festen Zustand vollkommen unlöslich sind. Letzteres bedeutet, daß sie keine Mischkristalle bilden können.

Phasendiagramm

Phasendiagramm

Stellen wir uns vor, wir haben eine Mischung aus 2 Komponenten, wir nennen sie A und B. Auf der waagerechten Achse des Phasendiagramms sind die prozentualen Anteile der Komponenten aufgetragen. Ganz links beginnt Stoff A mit 100% und endet ganz rechts mit 0%. Umgekehrt beginnt B ganz rechts mit 100% und endet ganz links mit 0%. An jeder Stelle der Achse addieren sich A+B zu 100%. Wir wollen annehmen, in unserer Mischung hat A den prozentualen Anteil A1.  Dann hat B den Anteil 100-A1.  A1 ist rot im Phasendiagramm eingezeichnet.

Auf der linken senkrechten Achse ist die Temperatur aufgetragen. Wir erwärmen unsere Mischung, bis sie vollkommen geschmolzen ist. Im Phasendiagramm befinden wir uns jetzt im oberen Bereich der Schmelze. Nun lassen wir die Schmelze langsam abkühlen. Wenn die Temperatur den Punkt T1 erreicht hat, stoßen wir auf die linke Liquiduslinie. Sobald diese Linie erreicht ist, beginnt die Kristallisation von Stoff A, meist in großen Kristallen. Bei weiterem Abkühlen erreichen wir die Temperatur Te und eine Linie, die Soliduslinie genannt wird. Ab dieser Temperatur kristallisiert der ganze Rest der Schmelze, der aus bis dahin noch nicht kristallisiertem Stoff A und dem gesamten Stoff B besteht. Die Kristalle des Gemenges aus A +B sind meist sehr feinkörnig, da die Kristallisation sehr schnell erfolgt. Auf der linken Liquiduslinie liegen somit die Temperaturen, bei denen, in Abhängigkeit von der Zusammensetzung der Stoffmischung, A aus der Schmelze zu kristallisieren beginnt. Das Gleiche gilt für Stoff B auf der rechten Liquiduslinie.

Wir sehen im Phasendiagramm, daß die zwei Liquiduslinien in einem Punkt (rot eingezeichnet) auf die Soliduslinie treffen. Zu diesem Punkt gehören die Konzentrationen Ae und Be. Dieser Punkt ist der  eutektische Punkt. Wählt man eine Mischung von A und B mit den Konzentrationen Ae und Be, so geht die gesamte Schmelze, wie man an dem Diagramm ablesen kann, bei der Temperatur Te schlagartig in ein feinkristallines Gemenge von A+B (Eutektikum genannt) über. Es kristallisiert vorher also keine der reinen Komponenten aus. Die Temperatur Te ist die niedrigste Erstarrungstemperatur die bei einem Gemisch von A und B möglich ist.

Wählt man in einer Mischung aus A und B die Konzentration von A größer Ae, bewegen wir uns auf der linken Liquiduslinie und es  wird aus der Schmelze immer zuerst A alleine auskristallisieren, und dann erst unterhalb Te der Rest von A mit dem gesamten B als feinkristallines Gemenge.

Wählt man das Mischungsverhältnis von A und B so, daß die Konzentration von A kleiner ist als Ae, bewegen wir uns auf der rechten Liquiduslinie, und es wird beim Abkühlen immer zuerst B auskristallisieren, auch wieder meist in großen Kristallen, bis auch hier die Temperatur  Te erreicht ist, dann kristallisieren A und der Rest von B als Gemenge in kleinen Kristallen.

Wo die linke Liquiduslinie auf die linke Temperaturachse trifft, liegt der Schmelzpunkt von A. Entsprechend liegt der Schmelzpunkt von B an dem Punkt, an dem die  rechte Liqiudusline auf die rechte Temperaturachse trifft.

Soweit die Theorie. Welche praktischen Schlüsse kann man für unsere Mikrokristalle ziehen? In aller Regel haben wir kein Phasendiagramm der Stoffe, die wir mischen wollen zur Hand. Aber wir wissen jetzt, daß bei einer Mischung, egal in welchem Verhältnis wir die Komponenten mischen, der Schmelzpunkt erniedrigt wird. Das kann hilfreich sein, wenn der Stoff von dem wir Kristalle aus der Schmelze erzeugen wollen, nicht thermostabil ist. Ferner sehen wir am Phasendiagramm, daß je nach Mischungsverhältnis, immer einer der Stoffe zuerst und in reiner Form  kristallisiert. Hier muß man mit den Mischungsverhältnissen etwas experimentieren wenn man will, daß ein bestimmter Stoff zuerst kristallisiert. Wichtig ist, daß man langsam abkühlt, weil sonst die Phasen zu schnell durchlaufen werden. Es wird meist auch besser sein, ein Mischungsverhältnis zu wählen, bei dem eine Komponente stark überwiegt.

Auf einem Objektträger wird man, langsames Abkühlen vorausgesetzt, bei Schmelzen aus 2 Komponenten neben meist schönen großen Kristallen feines Grieselzeug (Eutektikum) finden. Hier gleich ein Beispiel: Eine Mischung aus 20% Asparagin und 80% Harnstoff wurde auf einem Objektträger mit Deckglas aufgeschmolzen und langsam auf einer Herdplatte abgekühlt.

Schmelze aus 20% L-Asparagin und 80% Harnstoff

Schmelze aus 20% L-Asparagin und 80% Harnstoff

Ich möchte zwar nicht garantieren, daß die links sichtbaren feinkristallinen Anteile wirklich die Kristalle sind, die unterhalb der eutektischen Temperatur Te schlagartig kristallisiert sind, aber einiges spricht durchaus dafür.

Einen Nachteil hat das Arbeiten mit Mischungen. Reine Stoffe kristallisieren immer besser als verunreinigte. Der Kristallisationsvorgang wird durch Verunreinigungen immer gestört und das Mischen ist in diesem Sinne ja ein gezieltes „Verunreinigen“. Dennoch Experimentieren lohnt sich.

Hier zur Entspannung einige Aufnahmen, die alle aus einer Mischung von 20% L-Asparagin mit 80% Harnstoff entstanden sind. (Harnstoff ist nicht thermostabil und zersetzt sich beim Schmelzen).

 

20% L-Asparagin 80% Harnstaff

20% L-Asparagin 80% Harnstoff

 

20% L-Asparagin 80% Harnstoff

20% L-Asparagin 80% Harnstoff

 

20% L-Asparagin 80% Harnstoff

20% L-Asparagin 80% Harnstoff

 

20% L-Asparagin 80% Harnstoff

20% L-Asparagin 80% Harnstoff

Wer Freude an schönen Bildern von Mikrokristallen hat, sie aber selber nicht fotografieren will, dem empfehle ich meinen neuen Kalender für 2017, der seit dem ersten Juni im Handel ist.

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Titel: Surreale Farbwelten-Mikrokristalle

Autor: Dieter Schenckenberg

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Soviel für heute, liebe Freunde der Mikrokristalle.

Manchmal wirken Mikrokristalle auch im polarisierten Licht farblich nicht sehr beeindruckend. Da kann eine Verzögerungsfolie wahre Wunder wirken. Das wird das Thema meines nächsten Blogbeitrags sein.

Bis dahin wünsche ich eine gute Zeit und erfolgreiche Experimente mit Stoffmischungen.

 

H-D-S

 

 

 

 

 

 

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