Build an alum crystal

Alum is a salt you can grow at home into clear, eight-sided crystals. Inside, its atoms sit in one exact pattern that repeats over and over. Here you rebuild one block of that pattern. You can also build it wrong on purpose and see what you get.

The pieces

Aluminium, a metal Potassium, a metal Water Sulfate: a yellow sulfur holding four red oxygens

The block has 27 places for metals, in a 3 × 3 × 3 cube. Between them are 8 small cube-shaped spaces called rooms.

How to play

Metals: choose Aluminium or Potassium, then click a dashed circle. Click again to remove.
Sulfates: choose Sulfate, then click the metal where the arrow should begin. Rings appear on every metal where it can end: only the far corners of the rooms around it, along a diagonal. Click one of those, and the sulfate lands in that room, sitting next to the first metal and pointing at the second. You can begin at any metal and put as many sulfates in a room as you like. The Eraser takes one out.
Turn the block by dragging. Scroll or pinch to zoom.
New here? Press Tutorial at the top for a guided introduction with a voice.
Nothing judges you while you build. Press Check my crystal on the right when you want to know what you have made.

Rule 1: a 3D chessboard of metals

The two metals take turns in every direction, also up and down. Two of the same are never neighbours. Different neighbours get a bridge of two waters by itself.

Rule 2: one sulfate per room, next to a potassium

It sits close to a potassium corner and points at the aluminium in the far opposite corner. The yellow arrow shows which way it points.

Rule 3: seesaws

Every potassium holds two sulfates in a straight slanted line, like a seesaw. In this block, rooms in opposite corners of the block are partners: same slant, arrows pointing opposite ways.

Rule 4: the cross rule

X: good same slant: wrong

Seen straight on, the block has four windows. Each shows two arrows, from the room in front and the room behind. They must cross like an X.

This must hold from the Top, the Front and the Side. You do not need to judge angles by eye: the three window maps on the right always draw each view flat. After a check, a green window has an X and a red window has two arrows on the same slant.

That is the secret of alum: it looks the same from all three directions. Such crystals are called cubic, which is why alum grows into such a regular gem shape. Of 65,536 ways to put sulfates next to potassiums here, only 8 obey every rule, and all 8 are alum.

When you have made alum

Press Real crystal to see where the atoms truly sit, measured with X-rays, including the purple hydrogen bonds that hold each sulfate. Kit view brings back the tidy version.

Notes for chemists
  • Compound: potassium alum, KAl(SO₄)₂·12H₂O, α-alum type. Cubic, space group Pa3̄ (No. 205), a = 12.135 Å at 173 K, Z = 4. The block you build is one unit cell.
  • Source: single-crystal X-ray structure by Nyburg, Steed, Aleksovska and Petruševski, Acta Cryst. B56 (2000) 204–209, coordinates from Crystallography Open Database entry 2102034. “Real crystal” plots those coordinates.
  • Sites: Al on 4a and K on 4b form a rock-salt arrangement. S is on 8c, on the threefold axes, which do not intersect in Pa3̄. That is the “four diagonals” pattern, the same site arrangement as pyrite.
  • Coordination: [Al(H₂O)₆]³⁺ octahedra with Al–O 1.87 Å; K⁺ with six waters at 2.92 Å. In the majority orientation no sulfate oxygen touches a metal, so the yellow arrow is a guide, not a bond.
  • Hydrogen bonds (O···O): Al-water to sulfate 2.61 Å, Al-water to K-water 2.62 Å, K-water to sulfate 2.75 Å (two kinds). Each sulfate accepts nine: three on the axial oxygen, two on each of the others.
  • Simplifications: hydrogens are omitted and each water is one ball. Only the majority sulfate orientation (79%) is shown; the other 21% are reversed along the threefold axis. Kit view straightens the water bridges. The K–water sticks are ion–dipole contacts.
  • The rules: “crosses in every window” restates the Pa3̄ symmetry at the level of the sulfate axes. Of the 4⁸ = 65,536 ways to give each octant one K-to-Al axis, 8 satisfy all rules, and all 8 are symmetry-equivalent settings of alum. The 16 layouts reported as “a different crystal” (for example all axes parallel, which would be rhombohedral) are hypothetical.

Zbuduj kryształ ałunu

Ałun to sól, z której w domu można wyhodować przezroczyste, ośmiościenne kryształy. W środku jego atomy ułożone są według jednego, dokładnego wzoru, który powtarza się w kółko. Tutaj odbudujesz jeden klocek tego wzoru. Możesz też celowo zbudować go źle i zobaczyć, co wyjdzie.

Elementy

Glin, metal Potas, metal Woda Siarczan: żółta siarka trzymająca cztery czerwone tleny

Klocek ma 27 miejsc na metale, ułożonych w sześcian 3 × 3 × 3. Pomiędzy nimi jest 8 małych sześciennych przestrzeni, które nazywamy pokojami.

Jak grać

Metale: wybierz Glin albo Potas i kliknij przerywane kółko. Kliknij jeszcze raz, żeby usunąć.
Siarczany: wybierz Siarczan i kliknij metal, przy którym strzałka ma się zaczynać. Na każdym metalu, na którym może się kończyć, pojawi się obwódka: to tylko przeciwległe rogi sąsiednich pokoi, po przekątnej. Kliknij jeden z nich, a siarczan trafi do tego pokoju: usiądzie przy pierwszym metalu i będzie celował w drugi. Możesz zacząć od dowolnego metalu i wstawić do pokoju tyle siarczanów, ile chcesz. Gumka usuwa siarczan.
Obracaj klocek, przeciągając. Przewijaj albo rozsuwaj palce, żeby przybliżyć.
Pierwszy raz? Naciśnij u góry Samouczek, żeby przejść wprowadzenie z lektorem.
Podczas budowania nikt cię nie ocenia. Kiedy chcesz się dowiedzieć, co powstało, naciśnij Sprawdź mój kryształ po prawej.

Zasada 1: trójwymiarowa szachownica z metali

Dwa metale występują na zmianę w każdym kierunku, także w górę i w dół. Dwa takie same nigdy nie sąsiadują. Między różnymi sąsiadami sam pojawia się mostek z dwóch cząsteczek wody.

Zasada 2: jeden siarczan w każdym pokoju, obok potasu

Siedzi blisko rogu z potasem i celuje w glin w przeciwległym rogu. Żółta strzałka pokazuje, w którą stronę celuje.

Zasada 3: huśtawki

Każdy potas trzyma dwa siarczany na jednej ukośnej linii prostej, jak huśtawka. W tym klocku pokoje w przeciwległych rogach klocka tworzą pary: ten sam skos, strzałki skierowane w przeciwne strony.

Zasada 4: zasada krzyżyków

X: dobrze ten sam skos: źle

Klocek oglądany na wprost ma cztery okna. W każdym widać dwie strzałki: z pokoju z przodu i z pokoju z tyłu. Muszą się krzyżować jak X.

Tak musi być z góry, z przodu i z boku. Nie trzeba oceniać kątów na oko: trzy mapy okien po prawej zawsze rysują każdy widok na płasko. Po sprawdzeniu zielone okno ma X, a czerwone ma dwie strzałki o tym samym skosie.

To cały sekret ałunu: wygląda tak samo z trzech kierunków. Takie kryształy nazywamy regularnymi (sześciennymi) i dlatego ałun rośnie w tak równy kształt. Spośród 65 536 sposobów ustawienia siarczanów obok potasów w tym klocku tylko 8 spełnia wszystkie zasady i wszystkie 8 to ałun.

Kiedy zbudujesz ałun

Naciśnij Prawdziwy kryształ, żeby zobaczyć, gdzie atomy naprawdę się znajdują (zmierzono to promieniami rentgenowskimi), razem z fioletowymi wiązaniami wodorowymi, które trzymają każdy siarczan. Widok modelu przywraca uporządkowaną wersję.

Uwagi dla chemików
  • Związek: ałun potasowy, KAl(SO₄)₂·12H₂O, typ α. Układ regularny, grupa przestrzenna Pa3̄ (nr 205), a = 12,135 Å w 173 K, Z = 4. Budowany klocek to jedna komórka elementarna.
  • Źródło: rentgenowska struktura monokryształu: Nyburg, Steed, Aleksovska i Petruševski, Acta Cryst. B56 (2000) 204–209, współrzędne z bazy Crystallography Open Database, wpis 2102034. „Prawdziwy kryształ” rysuje właśnie te współrzędne.
  • Pozycje: Al w 4a i K w 4b tworzą układ typu soli kamiennej. S zajmuje 8c na osiach trójkrotnych, które w Pa3̄ się nie przecinają. Stąd wzór „czterech przekątnych”, taki sam układ pozycji jak w pirycie.
  • Koordynacja: oktaedry [Al(H₂O)₆]³⁺, Al–O 1,87 Å; K⁺ z sześcioma cząsteczkami wody w odległości 2,92 Å. W orientacji większościowej żaden tlen siarczanu nie dotyka metalu, więc żółta strzałka jest tylko wskazówką, a nie wiązaniem.
  • Wiązania wodorowe (O···O): woda przy Al do siarczanu 2,61 Å, woda przy Al do wody przy K 2,62 Å, woda przy K do siarczanu 2,75 Å (dwa rodzaje). Każdy siarczan przyjmuje dziewięć: trzy na tlenie osiowym i po dwa na pozostałych.
  • Uproszczenia: pominięto wodory, a każda cząsteczka wody to jedna kulka. Pokazano tylko większościową orientację siarczanu (79%); pozostałe 21% jest odwrócone wzdłuż osi trójkrotnej. Widok modelu prostuje mostki wodne. Pręciki K–woda to oddziaływania jon–dipol.
  • Zasady gry: „krzyżyki w każdym oknie” to symetria Pa3̄ wyrażona na poziomie osi siarczanów. Spośród 4⁸ = 65 536 sposobów przypisania każdemu oktantowi jednej osi K→Al wszystkie zasady spełnia 8 i wszystkie są symetrycznie równoważnymi ustawieniami ałunu. 16 układów opisywanych jako „inny kryształ” (na przykład wszystkie osie równoległe, co dałoby układ romboedryczny) jest hipotetycznych.