Клуб ведут ученые, преподаватели, аспиранты и студенты Московского ордена Ленина и ордена Трудового Красного Знамени химико-технологического института имени Д. И. Менделеева при участии Всесоюзного химического общества имени Д. И. Менделеева. Председатель клуба — доктор химических наук профессор С. И. Дракин.
В 1672 году изобретательный французский аптекарь Сегнет разработал способ получения соли, которая очень хорошо помогала при заболеваниях желудка. Секрет пролзводства Сегнет долгое время никому не открывал. Теперь, конечно, ни состав соли, названной в честь аптекаря сегнетовой, ни способ приготовления никакой тайны не представляют. Это двойная соль винной кислоты, ее химическая формула KNaC4H4O6 • 4Н2О. Приготовление соли даже в домашних условиях несложно: к раствору винной кислоты Н2С4Н4О6 примешивают раствор поташа К2СО3, происходит замещение одной молекулы водорода, и получается кислый виннокислый калий КНС4Н4О6. Если к нему добавить раствор соды Na2CO3 • 10H2O, то в осадок выпадет сегнетовая соль.
Так и осталась бы соль лишь хорошим слабительным средством, если бы не открытие сделанное в 1880 году братьями Пьером и Жаком Кюри. Они заметили, что при растяжении, сжатии или изгибе некоторых естественных кристаллов на их гранях возникают электрические заряды. Это явление ученые назвали «пьезоэлектричеством», от греческого слова «пьезо» — давить. И когда ученые стали искать кристаллы с хорошим пьезоэффектом, оказалось, что вне конкуренции идет здесь сегнетовая соль. Она дала название новому направлению в технике — сегнетоэлектричеству.
Сегнетовая соль, которую выпускают химические заводы, имеет вид белого мелкокристаллического порошка. В таком виде она негодна для приборов, использующих пьезоэффект. Чтобы изготовить пьезоэлементы из сегнетовой соли, необходимы большие безупречные кристаллы. Промышленное выращивание таких кристаллов производится в термостатах — сосудах, где температура поддерживается неизменной в течение длительного времени или изменяется по желанию. В основу процесса кристаллизации положено свойство большинства солей увеличивать свою растворимость с повышением температуры. Чем выше температура, тем больше можно растворить соли. При выращивании кристаллов таким способом приготовляют насыщенный раствор. Затем в него опускают затравку в виде небольшого кристаллика и температуру в кристаллизаторе немного понижают. Излишки соли, содержащейся в пересыщенном растворе, постепенно усваиваются затравкой. Искусственное пересыщение раствора можно создать и за счет отбора растворителя — воды. С этой целью внутреннюю часть крышки, закрывающей кристаллизатор, изготавливают в виде конуса, а в центре закрепляют чашечку для сбора стекающего с крышки конденсата. Конденсат из чашечки удаляют небольшими порциями с помощью вмонтированного в крышку сифона, изготовленного из тонкой стеклянной трубочки, имеющей на конце сливной кран. Выращивать кристаллы в домашних условиях и в школе можно в очень простом термостате, предложенным А. В. Белюстиным («ЮТ» № 6 за 1976 г.).
НА ЭТОМ РИСУНКЕ ХУДОЖНИК ИЗОБРАЗИЛ:
1. Кристалл сегнетовой соли с обозначенными кристаллографическими осями.
2. При ударном воздействии на пьезоэлемент на его обкладках возбуждается разность потенциалов до 220 вольт.
3. Кристалл сегнетовой соли и направление распила, при котором пьезоэффект проявляется наиболее сильно. Это так называемый срез «а».
4. Принципиальная схема устройства для распиловки кристаллов.
Сегнетовая соль кристаллизуется в виде ромба, наиболее часто наблюдается форма, представляющая комбинацию из десяти граней призмы и двух замыкающих ее граней пинакоида. Иногда при росте кристалла какая-нибудь грань сильно увеличивается в ущерб другой, а некоторые грани вообще не появляются. Для определения граней на таком кристалле пользуются основным законом кристаллографии — законом постоянства углов. Какой бы вид ни имел кристалл, углы между гранями а остаются неизменными. Так что угол между гранями P1 и Р2 всегда равен 163°, между Р и а — 40° и т. д. Знание граней в кристалле необходимо потому, что пьезоэффект проявляется не на всех гранях и не с одинаковой силой. Для сегнетовой соли наибольший пьезоэффект наблюдается на грани а. Для изготовления пьезоэлементов используются не целые кристаллы, а вырезанные из них пластинки. С кристаллографической и физической точек зрения во всяком срезе кристалла, параллельном какой-нибудь грани, раскрывается та же самая грань со всеми присущими ей свойствами. Для получения пьезоэлементов выращенный кристалл сегнетовой соли должен быть распилен на пласты, параллельные грани а. В тех случаях, когда на кристалле грань a отсутствует, необходимое положение разреза определяется по другим существующим граням. Кристаллы сегнетовой соли распиливаются влажной ниткой. Из пластов распиленного кристалла вырезаются нужные по форме и размерам пластинки.
Б. Витовский, Г. Добржанский
Дополнения
Очень дорогая сегнетова соль может дать кристаллы-цилиндры до 30 см длины, но раствор для этих целей должен быть очень чистым (прозрачным и бесцветным, не жёлтым!). Если раствор имеет желтизну, обусловленную органическими примесями, его подвергают очистке: перекристаллизации. Каждый раз выпадающие чистые без включений кристаллы отделяют от раствора, пока не останется осадок (“грязь”), обуславливающий желтизну, который удаляют. Очистка активированным углём не помогает.