Международный школьный научный вестник
Научный журнал для старшеклассников и учителей ISSN 2542-0372

О журнале Выпуски Правила Олимпиады Учительская Поиск Личный портфель

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ И РОСТА СИЛИКАТНЫХ И ЦИАНОФЕРРАТНЫХ «ВОДОРОСЛЕЙ»

Корнева С.А. 1
1 п. Онохой, Республика Бурятия, МБОУ «Онохойская СОШ №2», 9 класс
Кунгурова И.А. (п. Онохой, Республика Бурятия, МБОУ «Онохойская СОШ №2»)
1. А.О. Ольгин «Чудеса на выбор» М., 2006г.
2. А.К. Ризванов «Химические опыты», Химия в школе №1 2007г.
3. С.А. Лыгин «Выращиваем кристаллы», Химия в школе №7 2011г.
4. Л.А. Яковишин «Занимательные опыты по выращиванию окрашенных кристаллов», Химия в школе №9 2007г.
5. http://mirdetok.tomsk.ru/index.phpoption=com_content&task=view&id=120
6. http://www.evangelie.ru/forum/t33107-132.html
7. http://chemistry-chemists.com/N3/108-139.htm
8. http://verba1501.livejournal.com/151766.

Актуальность темы: Заинтересовавшись вопросом многообразия кристаллов в природе, работая над проектом, мы попытались познакомиться с существующими методиками выращивания кристаллов в лабораторных условиях и внести в них свои коррективы, выяснив условия, влияющие на рост кристаллов.

Цель работы: вырастить кристаллы, в результате взаимодействия раствора силикатного клея и гексацианоферрата калия с солями различных металлов.

Задачи исследовательской работы:

1. Получить кристаллы в результате взаимодействия солей с силикатным клеем и гексацианоферратом калия.

2. Выявить зависимость роста кристаллов от выбранного раствора, его концентрации, температуры и состава взятой соли

3. Выяснить, как условия выращивания влияют на рост кристаллов.

Гипотеза: можно вырастить кристаллы различной окраски и формы в результате взаимодействия растворов различных солей

Объект исследования: физико-химические закономерности процесса кристаллизации

Предмет исследования: кристаллы.

Для решения поставленных задач в процессе исследования использовались следующие методы:

1. Теоретический (изучение и анализ литературы, постановка целей и задач).

2. Экспериментальный (постановка химических опытов).

3. Эмпирический (наблюдения, описания и объяснения результатов эксперимента).

Практическая значимость заключается в систематизации сведений о способах выращивания кристаллов.

Оборудование и реактивы:

· весы, химическая посуда (стаканчики, воронки, колбы), штативы, дистиллированная вода, соли (хлориды различных металлов), стеклянные палочки, силикатный клей и желтая кровяная соль.

1. Немного истории

С кристаллами человечество познакомилось в глубокой древности. Связано это, в первую очередь, с их часто реализующейся в природе способностью самоограняться, т. е. самопроизвольно принимать форму изумительных по совершенству полиэдров. Даже современный человек, впервые столкнувшись с природными кристаллами, чаще всего не верит, что эти многогранники не являются делом рук искусного мастера. Три столетия подряд кристаллография находилась далеко впереди всех прочих областей естествознания. Свой закон целочисленных отношений Гаюи вывел на основе первого каталога кристаллов, составленного другим французским исследователем Роме де Лилем. В 1783 г. этот каталог содержал описания 500 кристаллических веществ. Но еще в начале XVII века Кеплер, а позднее Ньютон, Гюйгенс и Ломоносов независимо друг от друга объясняли форму и оптические свойства кристаллов упорядоченным расположением составляющих частиц, для которых тогда не было даже общепринятого термина. Все различные законы таких расположений были выведены в 1891 году нашим замечательным соотечественником, родоначальником современной кристаллографии Е. С. Федоровым (1853-1919). Правильные формы кристаллических многогранников легко объясняются в рамках этих законов. И сами эти законы настолько красивы, что не раз служили основой для создания произведений искусства.

2. М.В. Ломоносов и кристаллография

Внимание Ломоносова привлекала кристаллография – наука о строение физических свойствах и образовании кристаллов. Еще на севере он наблюдал, процессы кристаллизации поваренной соли при ее выварке, интересовался распадающимися кусочками слюды, которую добывали на побережье Белого моря. Затем, занимаясь минералогией, Ломоносов обратился к изучению структуры кристаллов, стремясь установить зависимость между их формой, физико-химическими свойствами, качеством руд и характером технологических процессов. В ряде своих работ, но главным образом диссертации «О рождении и природе селитры», ученый изложил важные идеи о строении кристаллов и их природе. Он сформулировал закон постоянство углов кристаллов для различных кристаллических веществ, причем это «постоянство фигуры» служило для него и характеристикой физических и химических качеств. Перечисляя различные способы образования кристаллов, Ломоносов рассматривает их как проявление единого общего процесса, в котором «многообразная натура» раскрывает себя в обилии «различий и новых произведений ». Мысли Ломоносова о природе кристаллов близки, а подчас и идентичны идеям ученых – минералогов и кристаллографов ХlХ – ХХ вв.

3. Кристаллы – что это?

Слово «кристалл» – греческое (κρισταλλος), исходное его значение – «лед». Однако уже в античное время этот термин был перенесен на прозрачные природные многогранники других веществ (кварца, кальцита и т. п.), так как считалось, что это тоже лед, получивший в силу каких-то причин устойчивость при высокой температуре. В русском языке это слово имеет две формы: собственно «кристалл», означающее возникшее естественным путем многогранное тело, и «хрусталь» – особый сорт стекла с высоким показателем преломления, а также прозрачный бесцветный кварц («горный хрусталь»).

Кристаллов в природе существует великое множество и так же много существует различных форм кристаллов. В реальности, практически невозможно привести определение, которое подходило бы ко всем кристаллам. Во всех без исключения кристаллических постройках из атомов можно выделить множество одинаковых атомов, расположенных наподобие узлов пространственной решетки.

Сегодня уже нет сомнений в том, что кристаллы растут из паров, расплавов и из слабо пересыщенных растворов.

Выращивание кристаллов – это искусство. Немного настойчивости, упорства, аккуратности, и вы станете обладателями красивых кристаллов.

Самый простой, но очень важный метод – выращивание кристаллов из растворов.

Экспериментальная часть

Опыт №1. Коллоидный сад или «силикатные водоросли» [Приложение 1]

В пробирки налили по 5 мл силикатного клея, разбавив его водой в соотношение 1:1. В каждую пробирку добавили по 0,1 г солей меди, железа, никеля и алюминия. Наблюдали рост «химических водорослей», которые состоят из нерастворимых силикатов металлов и напоминают настоящие нитчатые водоросли. Цвет водорослей зависит от металла. Через 15-20 минут в стакане появятся «заросли», напоминающие деревья или водоросли. Из кристалла опущенной соли вытягивается тоненькая полая трубочка, стенки которой состоят из образующегося осадка. Трубочка представляет собой полупроницаемую мембрану, через которую вода поникает во внутрь. Наблюдается осмос- одностороннее перемещение вещества через полупроницаемую мембрану. В результате этого в некоторых местах трубочка рвется. Вновь образуется осадок.

korneeeva1.tiff

По секундомеру засекли время начала роста кристаллов.

Соль

Начало роста кристалла

Уравнение реакции

Признаки реакции

Соли легких металлов

1

AlСl3

С 9 секунд

3Na2SiO3+2AlСl3>Al2(SiO3)3v+6NaСl

«Водоросли» белого цвета

окончание табл.

Соль

Начало роста кристалла

Уравнение реакции

Признаки реакции

2

МgСl2

С 15 секунд

Na2SiO3 +МgСl2 >MgSiO3v+ 2NaСl

«Водоросли» белого цвета

3

BaСl2

С 25 секунд

Na2 SiO3 + BaСl2 > BaSiO3v + 2NaСl

«Водоросли» белого цвета

Соли тяжелых металлов

4

СuСl2

С 12 секунд

Na2SiO3+СuСl2>СuSiO3v+ 2NaСl

«Водоросли» зеленого цвета

5

МпСl2

С 7 секунд

Na2 SiO3 +МпСl2>MnSiO3v+ 2NaСl

«Водоросли» бледно-розового цвета

6

FeCl3

С 1 секунды

3 Na2SiO3 +2FeCl3>Fe2(SiO3)3v+6NaСl

«Водоросли» коричневого цвета

7

NiСl2

С 13 секунды

Na2 SiO3 + NiСl2 > NiSiO3v + 2NaСl

«Водоросли» зеленого цвета

Из данных таблицы видно, что начало роста «силикатных водорослей» зависит от металла входящего в состав соли. Силикаты железа, марганца и алюминия начали расти достаточно быстро. А силикаты магния, меди и никеля не очень. Позднее всех начали расти кристаллы силиката бария.

В течение 10 минут замеряли высоту растущих кристаллов и данные заносили в таблицу.

Соли

Высота кристаллов исследуемых солей (мм)

через 1 мин

через 2 мин

через 3 мин

через 4 мин

через 5 мин

через 10 мин

Характеристика выросшего кристалла

AlСl3

24 мл

29 мл

35 мл

40 мл

40 мл

40 мл

Нить белого цвета, росла по стенке, сломалась и всплыла

МgСl2

8 мл

14 мл

15 мл

16 мл

17 мл

25 мл

Крупные «водоросли» переходят в множество тонких

BaСl2

2 мл

3 мл

4 мл

4 мл

5 мл

5 мл

Белый, маленький кристалл

СuСl2

5 мл

6 мл

7 мл

9 мл

10 мл

22 мл

От основной массы растут длинные кристаллы

МпСl2

7 мл

10 мл

10 мл

11 мл

12 мл

23 мл

От сгустка отходят очень тонкие, бледно-розовые нити

FeCl3

26 мл

28 мл

Сломался

Коричневые, тонкие кристаллы быстро растут, ветвятся и обламываются

NiСl2

1 мл

9 мл

11 мл

13 мл

14 мл

24 мл

От зеленого сгустка отходит толстый кристалл переходящий в тонкий

По данным таблицы видно, что лучше всего рост наблюдался при опускании в силикатный клей кристалликов солей алюминия и железа. Остальные легкие металлы росли очень медленно, а тяжелые быстрее.

Опыт №2. Выявление зависимости роста кристаллов от концентрации раствора силикатного клея [Приложение № 2]

Характеристики

Концентрация раствора силикатного клея

100%

75%

50%

25%

5%

Начало кристаллизации

Кристаллики соли плавают на поверхности роста кристаллов не происходит

Во всех пробирках «химические водоросли» начали расти сразу после опускания кристалликов солей в силикатный клей

Высота кристалла через 5 минут

45 мм

50 мм

35 мм

15 мм

характеристика

выросшего кристалла

трубчатые бурно ветвящиеся образования коричневого цвета до дна не упали

тонкие коричневые нити по всему объему пробирки и сгустки на поверхности клея

плотные трубчатые образования коричневого цвета на дне пробирки

Единичные, светло коричневые желеобразные, тонкие нити

В пять пробирок налили по 5 мл силикатного клея разной концентрации и опустили в каждую по 0,1 г соли железа. В течение 5 минут наблюдали за ростом кристаллов.

Следовательно, наиболее благоприятные условия для роста кристаллов – это растворы клея 50 и 75%.

Опыт №3. Выявление зависимости роста кристаллов от температуры раствора силикатного клея [Приложение № 3]

Поочередно нагревали 50% раствор силикатного клея до определенной температуры, опускали в него кристаллики соли железа и наблюдали за процессом кристаллизации. Результаты наблюдений занесли в таблицу.

Характеристики

Температура раствора силикатного клея

28С

35С

45С

55С

70С

Начало кристаллизации

Во всех пробирках «химические водоросли» начали расти сразу после опускания кристалликов солей в силикатный клей

Высота кристалла через 5 минут

22 мм

24 мм

50 мм за 5 секунд

25 мм

15 мм

характеристика выросшего кристалла

трубчатые

трубчатые

нитчатые многочисленные

трубчатые

трубчатые

Вывод: наиболее благоприятной температурой для роста кристалла из соли железа является раствор силикатного клея температурой 45С. При повышении температуры раствора от комнатной до 45С наблюдается усиление процесса кристаллизации, а при нагревании раствора до более высоких температур рост кристаллов замедляется.

Опыт №4. Цианоферратные кустарники М.В. Ломоносова

Изумительные «растения», похожие на нитевидные «водоросли» или ветки «подводного кустарника», вырастают в сосудах при взаимодействии в водном растворе гексацианоферратов калия с хлоридом марганца (II), никеля (II), меди (II), железа (III). Для этого в раствор 30-50 г желтой кровяной соли – гексацианоферрата (II) калия K4[Fe(CN)6] в 1 л воды добавляем два-три кристаллика этих солей.

Появление водных «растений» связано с реакциями, в которых выпадают в осадок малорастворимые комплексные соли. Эти соединения покрывают внесенные кристаллики полупроницаемой пленкой. Через пленку просачивается вода из раствора. Давление под пленкой возрастает, в некоторых местах она прорывается, и там начинают расти длинные изогнутые «трубочки» – «ветки» диковинных растений. Рост будет продолжаться до тех пор, пока не израсходуется весь кристалл внесенной соли.

Цвет водных «растений» зависит от металла : соли меди – вырастают бурые водоросли, железа – синие водоросли, никеля – бирюзовые, марганца- белые, кобальта -зеленые.

Соль

Начало роста кристалла

Уравнение реакции

Признаки реакции

Соли легких металлов

1

AlСl3

нет кристалла

В ходе реакции образуются растворимые комплексные соли, поэтому видимых признаков реакции не наблюдается

Осадок не образуется

2

МgС2

3

BaСl2

Соли тяжелых металлов

4

СuСl2

С 1 секунды

K4[Fe(CN)6] + 2CuCl2> Cu2[Fe(CN)6]v+4KCl гексацианоферрат меди

Падают сверху вниз трубчатые, красно-коричневые кристаллы

5

МпСl2

С 1 секунды

K4[Fe(CN)6] + MnCl2 > KMn[Fe(CN)6] v + 3KCl гексацианоферрат марганца калия

Образуются мелкие кристаллики белого цвета

6

FeCl3

С 1 секунды

K4[Fe(CN)6] + FeCl3 > KFe[Fe(CN)6] + 3KCl гексацианоферрат калия железа (III)

Появился осадок синего цвета (берлинская лазурь)

7

NiСl2

Со 2 секунды

K4[Fe(CN)6] + NiCl2 > KNi[Fe(CN)6] v + 3KCl гексацианоферрат никеля калия

Кристаллы падают с верху в низ, на дне образуется осадок голубого цвета который постепенно стал зеленым

Из данных таблицы видно, что соли легких металлов не реагируют с желтой кровяной солью (гексацианофератом калия). При взаимодействии соли трехвалентного железа с желтой кровяной солью протекает качественная реакция, в результате которой образуется берлинская лазурь. Настоящие трубчатые кристаллы образуются только при взаимодействии желтой кровяной соли и хлорида меди, а остальные соли тяжелых металлов прореагировали с образованием мелкокристаллических осадков разного цвета.

Приложение 1

Опыт 1. Колоидный сад или «силикатные «водоросли»

korneeeva2.tiff

korneeeva3.tiff

korneeeva4.tiff

korneeeva5.tiff

1) korneeeva6.tiff

2) korneeeva7.tiff

Al2(SiO3)3 (1-2)

3) korneeeva8.tiff

4) korneeeva9.tiff

MgSiO3 (3-4)

5) korneeeva10.tiff

6) korneeeva11.tiff

BaSiO3 (5-6)

7) korneeeva12.tiff

8) korneeeva13.tiff

MnSiO3 (7-8)

9) korneeeva14.tiff

10) korneeeva15.tiff

СuSiO3 (9-10)

11) korneeeva16.tiff

12) korneeeva17.tiff

Fe2(SiO3)3 (11-12)

13) korneeeva18.tiff

14) korneeeva19.tiff

NiSiO3 (13-14)

Приложение 2

Опыт 2. Выявление зависимости роста кристаллов от концентрации раствора силикатного клея

korneeeva20.tiff

Приложение 3

Опыт 3. Выявление зависимости роста кристаллов от температуры раствора силикатного клея

korneeeva21.tiff

Приложение 4

Опыт №4: Цианоферратные кустарники Ломоносова

korneeeva22.tiffkorneeeva23.tiff

korneeeva24.tiff

korneeeva25.tiff

Заключение

В химии есть много занимательных опытов. Выращивание кристаллов – очень интересное занятие. Смотришь, вроде нет ничего, и вот спустя несколько минут появляются иглы, затем начинают ветвиться, а через 10- 15 минут в сосуде вырастают целые деревца. Хочется создавать все новое и новое. Созданные формы привлекательны с эстетической точки зрения.

Производя наблюдения за процессом роста кристаллов, мы пришли к следующим выводам:

1. Кристаллы разного цвета можно выращивать из раствора силикатного клея и желтой кровяной соли с солями разных металлов.

2. Кристаллы разной формы можно получить, меняя температуру и концентрацию раствора силикатного клея, создавая тем самым оптимальные для роста условия

3. Для получения ярких кристаллов, необходимо использовать соли тяжелых металлов.

Возможно, наше исследование поможет в приобретении необходимых навыков для получения замечательных кристаллических тел. Мы желаем всем поближе познакомиться с удивительным и прекрасным миром кристаллов. Исследовав свойства кристаллов, мы пришли к выводу: кристаллы – это не только чудо природы. Это чудо можно сотворить своими руками и управлять этим процессом. Изучив влияние различных условий на рост кристаллов, человек может управлять процессом кристаллизации, получая при этом кристаллы с необходимыми свойствами, возможно, будущее новейших технологий принадлежит кристаллам и кристаллическим агрегатам.

Чешский писатель К. Чапек, восхищаясь природными формами кристаллов, писал: «…Число и фантазия, закон и изобилие – вот живые творческие силы природы; не сидеть под земным деревом, а создавать кристаллы и идеи, вот, что значит быть воедино с природой!»


Библиографическая ссылка

Корнева С.А. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ И РОСТА СИЛИКАТНЫХ И ЦИАНОФЕРРАТНЫХ «ВОДОРОСЛЕЙ» // Международный школьный научный вестник. – 2018. – № 5-5. – С. 872-879;
URL: http://school-herald.ru/ru/article/view?id=756 (дата обращения: 23.10.2019).