III Международный конкурс
научно-исследовательских и творческих работ учащихся
«СТАРТ В НАУКЕ»
 
     

ВОДА КАК РАСТВОРИТЕЛЬ. ВЫРАЩИВАНИЕ КРИСТАЛЛОВ ИЗ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ СОЛЕЙ
Мойсеева Д.Д.
Текст научной работы размещён без изображений и формул.
Полная версия научной работы доступна в формате PDF


Научно-исследовательская работа

Вода как растворитель.

Выращивание кристаллов из водных растворов солей

Выполнила:

Мойсеева Дарья Денисовна

учащаяся 5 класса

МБОУ «СОШ № 8 г. Выборга»

Руководитель:

Егорова Татьяна Юрьевна

учитель химии МБОУ «СОШ № 8 г. Выборга»

Оглавление

Введение

3

1. Литературный обзор. Основные сведения о кристаллизации из водных растворов

4

  1.  
    1. Растворимость веществ в воде

4

  1.  
    1. Кристаллизация из водных растворов солей

5

  1.  
    1. История изучения кристаллов в России

5

  1. Практическая часть. Выращивание кристаллов из водных растворов солей

6

  1.  
    1. Ознакомление с образцами солей для выращивания кристаллов

6

  1.  
    1. Приготовление насыщенных растворов солей

7

  1.  
    1. Подготовка затравки

9

  1.  
    1. Выращивание кристаллов

10

Заключение

12

Список литературы

14

Приложения

15

Введение

Растворы играют важную роль в природе, науке и технике. Вода, столь широко распространенная в природе, всегда содержит растворенные вещества. В пресной воде рек и озер их мало, в то время как в морской воде содержится около 3,5% растворенных веществ. Человек употребляет для питья воду, содержащую от 0,02 до 2 граммов минеральных веществ в 1 литре. Большое значение имеют вещества, находящиеся в малых дозах, но играющие важную роль во многих физиологических процессах организма.

Проблема: вода, широко распространена в природе, всегда содержит растворенные вещества.

Гипотеза: вода – хороший растворитель солей для получения различных растворов и выращивания кристаллов.

Мы решили приготовить водные растворы разных солей и вырастить из них кристаллы.

Актуальность работы: роль растворов в природе, науке и технике.

Цель работы: исследование процесса растворения и кристаллизации солей на примере выращивания кристаллов солей из их водных растворов.

Задачи:

  1. Изучить общие сведения о воде как растворителе, используя литературные источники.

  2. Приготовить водные растворы солей и вырастить из них кристаллы.

  3. Провести наблюдение за процессами растворения и кристаллизации.

  4. Проанализировать результаты исследований.

Методы исследования:

  1. Работа с источниками информации. Теоретические исследования.

  2. Экспериментальные методы.

  3. Наблюдение и фотографирование.

  4. Анализ полученных результатов.

1. Литературный обзор. Основные сведения о кристаллизации из водных растворов 1.1. Растворимость веществ в воде

Вода является универсальным растворителем значительного количества веществ, в связи с чем в природе химически чистой воды нет. В первичном океане массовая доля солей, по предположениям, была низка, около 1%.

«Именно в этом растворе впервые зародились живые организмы» - так оценивает роль растворов в возникновении и развитии жизни на Земле известный американский химик, лауреат Нобелевской премии Лайнус Полинг. (Приложение1 рис.1)

Внутри нас, в каждой нашей клеточке – воспоминание о первичном океане, в котором зародилась жизнь, - водном растворе, обеспечивающем саму жизнь. В каждом живом организме бесконечно течёт по сосудам – артериям, венам и капиллярам – волшебный раствор, составляющий основу крови, массовая доля солей в нём такая же, как в первичном океане, - 0,9%. Сложные процессы, происходящие в организмах человека и животных, также протекают в растворах. Усвоение пищи связано с переводом питательных веществ в раствор. Природные водные растворы участвуют в процессах почвообразования и снабжают растения питательными веществами. Воду, содержащую значительное количество солей кальция и магния, называют жесткой в отличие от мягкой воды, например, дождевой. Жесткая вода дает мало пены с мылом, а на стенках и спирали чайников при её кипячении образуется накипь. Жесткость воды зависит от количества растворенных в ней солей. Многие технологические процессы в разных отраслях промышленности протекают в растворах. Растворимость веществ в воде зависит от температуры. Как правило, растворимость твёрдых веществ в воде увеличивается с повышением температуры. (Приложение 1 рис. 2). Вещество считают хорошо растворимым, если при комнатной температуре в 100 г воды растворяется больше 1 г этого вещества. 1.Совершенно нерастворимых веществ в природе не существует.

1.2. Кристаллизация из водных растворов солей

Кристаллизация – от греческого - лёд – процесс образования кристаллов из газов, расплавов, растворов. 4

В самом солёном из морей мира – Мёртвом море – концентрация солей так велика, что на любом помещённом воду этого моря предмете нарастают причудливые кристаллы. Мгновенная кристаллизация вещества происходит из пересыщенного раствора. Пересыщенным называют такой раствор, в котором при данной температуре находится в растворённом состоянии больше вещества, чем в его насыщенном растворе при тех же условиях. 1 Из некоторых веществ легко получить пересыщенные растворы. Например, глауберова соль и медный купорос. Приготовить пересыщенный раствор соли можно следующим способом. При высокой температуре воды (близкой к кипению) приготовить насыщенный раствор соли. 5. Насыщенным называют такой раствор, в котором при данной температуре вещество больше не растворяется 1. Затем избыток соли нужно отфильтровать и медленно охладить при комнатной температуре. Если в такой пересыщенный раствор нести стеклянную палочку, на кончике которой имеется несколько крупинок этой соли, - немедленно начнётся её кристаллизация из раствора. 5.

1.3. История изучения кристаллов в России

Одним из основоположников учения о кристаллах в России был ближайший преемник М.В. Ломоносова по кафедре химии Петербургской Академии наук - Товий Егорович Ловиц (1757-1804гг). (Приложение 1, рис 3).

Исключительно ценными оказались результаты исследований учёного в области кристаллизации. Т.Е. Ловиц применил процесс перекристаллизации растворенных веществ в фармацевтических опытах, широко используя этот метод для очистки веществ. Вместе с тем он внёс важный вклад в теорию процессов кристаллизации. Т.Е. Ловиц различал два вида кристаллизации – принудительную (при выпаривании раствора) и самопроизвольную (при переохлаждении) – и установил, что состав кристаллов в обоих случаях может быть различным. Он описал метод зародышивания при инициировании процесса кристаллизации. Вместе с тем, он разработал условия получения кристаллов правильной формы, а также кристаллов большого размера, применяя медленную кристаллизацию из теплых растворов. Т.Е. Ловиц был первым учёным, систематизировавшим кристаллы. Он лично изготовил восковые модели 288 форм кристаллов. [3] Т.Е. Ловиц разработал также метод качественного микрохимического анализа, кристаллизуя вещества из капли раствора и рассматривая получившиеся кристаллы под микроскопом. 3. Если взять каплю насыщенного раствора обычной поваренной соли, поместить ее на предметное стекло, поднести к микроскопу, подождать, когда лишняя вода испарится, то можно рассмотреть получившиеся кристаллы.

Наш эксперимент – приготовить водные растворы разных солей и вырастить из них кристаллы, наблюдая за их ростом.

2. Практическая часть. Выращивание кристаллов из водных растворов солей

Обычная поваренная соль, которой мы каждый день пользуемся на кухне, имеет химическое название – хлорид натрия. Эта соль белого цвета. Есть ещё цветные соли.

2.1. Ознакомление с образцами солей для выращивания кристаллов

Результат ознакомления с солями изложен в виде таблицы

Таблица 1. Свойства солей

Вещество

Цвет

Прозрачность

Образец 1

(поваренная соль)

Белый

Прозрачная

Образец 2

(медный купорос)

Ярко-голубой

Непрозрачный

Образец 3

(железный купорос)

Светло-зеленый

Прозрачный

(Приложение 2, фото 4-6).

Поваренная соль – химическая формула NaCl (хлорид натрия)

Медный купорос - химическая формула CuSO4∙5Н2О (сульфат меди пятиводный).

Железный купорос – FeSO4∙7Н2О (сульфат железа семиводный)

Вывод: рассматриваемые соли – рассыпчатые кристаллические вещества, которые отличаются цветом.

2.2. Приготовление насыщенных растворов солей

Для приготовления раствор, необходимо навеску соли растворить в воде. Какую воду лучше взять для приготовления раствора: холодную или горячую?

Существует гипотеза: соль лучше растворяется в горячей воде.

Провела небольшой опыт. (Приложение 2, фото 7).

Цель опыта: сравнить растворимость соли при разной температуре растворителя (воды).

Сырье: поваренная соль, медный купорос, железный купорос.

Ход работы: в две одинаковые пробирки я насыпала по 0,5 г соли (объем приблизительно со спичечную головку). Налила в первую пробирку 1 мл холодной воды (примерно 10 капель). Налила во вторую пробирку 1 мл горячей воды. Наблюдала за процессом растворения в течение 1-й минуты.

Результат опыта зафиксирован в таблице

Таблица 3.Зависимость растворимости соли от температуры воды

Наименование соли

Растворимость солей в воде

Горячая вода +80

Холодная вода +17

Образец 1

(поваренная соль)

На 20-й секунде эксперимента соль полностью растворилась

Соль растворилась через 50 секунд

Образец 2

(медный купорос)

Соль растворилась на 40-й секунде.

Соль растворилась больше чем через одну минуту (1мин. 23 сек.)

Образец 3

(железный купорос)

Соль растворилась на 28-й секунде.

Соль растворилась через 52 секунды.

Гипотеза подтвердилась: в горячей воде легче приготовить сильно-концентрированный раствор, так как соль растворяется быстрее, чем в холодной.

Исследование процесса растворения отражено в таблице

Таблица 4. Наблюдение за процессом растворения

Что делаю?

Что наблюдаю?

На лабораторных весах отмерила навески трёх солей: 50гр каждого образца пересыпала в химические стаканы соответственно №1, №2, №3.

 

В химический стакан с навеской образца добавила 100 мл горячей воды.

При добавлении воды частицы соли начали оседать и растворяться в воде.

Смесь соли и воды размешала стеклянной палочкой с резиновым наконечником.

При размешивании соль в воде растворяется быстрее.

Продолжила перемешивание до полного растворения соли.

При длительном и интенсивном размешивании соль полностью растворилась.

На лабораторных весах отмерила дополнительную навеску соли и добавила часть в химический стакан с раствором.

При постепенном подмешивании дополнительной навески соли, она уже не так быстро растворялась.

Добавила в раствор вторую часть навески.

При добавлении очередной порции соли, она начала оседать на дно стакана и даже совсем перестала растворяться, то есть – раствор стал насыщенным.

Результат: в 100 мл воды растворилось:

поваренной соли – 50 г,

медного купороса – 65 г,

железного купороса –140 г.

В горячей чистой воде (кипяток не нужен, 70-80 ˚C) растворяем порошок медного купороса с расчетом 100-150 г медного купороса на 200 мл воды. Перемешиваем раствор палочкой до тех пор, пока купорос не перестанет растворяться в воде.

В определённый момент раствор может настолько насытиться солью, что превратится в «насыщенный» раствор. Раствор может быть ненасыщенным (это явление наблюдалось в начале приготовления раствора) и насыщенным (это явление я обнаружила в конце процесса растворения).

Результат: получены насыщенные растворы солей. (Приложение 2, фото 8).

Для чистоты эксперимента растворы нужно фильтровать.

Исследование процесса фильтрования отражено в таблице

Таблица 5. Наблюдение за процессом фильтрования

Что делаю?

Что наблюдаю?

Приготовленный раствор осторожно наливаю на фильтр по стеклянной палочке тонкой струёй, направляя её на стенку воронки

Через фильтр проходит прозрачный чистый раствор (фильтрат), а на бумажном фильтре задерживается осадок из механических примесей и примесей нерастворимых веществ, присутствующих в рабочем образце (их оказалось очень мало)

Фильтрование необходимо для того, чтобы избавиться от примесей, присутствующих в рабочих образцах солей.

Результат: получен чистый фильтрат. (Приложение 2, фото 9-10).

Нужно вырастить затравку для будущего кристалла.

Затравка – это небольшой кристалл (размером чуть меньше горошины), который опускается в подготовленный раствор. Для затравки добавили в полученный фильтрат несколько маленьких кристалликов соли – это центры кристаллизации, вокруг которых будут расти кристаллы.

Рабочие растворы оставили на один день.

2.3. Подготовка затравки

На следующий день на дне химических стаканов образовались кристаллы. (Приложение 3, фото 11-12). Кристаллы высыпала в чашку Петри, выбрала по одному кристаллику разной соли, которые послужат затравками для выращивания кристаллов. (Приложение 3, фото 13).

Взяла карандаш и привязала к нему леску такой длины, чтобы она погрузилась в раствор. К свободному концу лески аккуратно подвязала кристалл. Карандаш закрепила в бумажной самодельной крышке. В три одинаковых стакана с насыщенными растворами №1, 2, 3 опустила по кристаллику на леске и накрыла их крышечками, чтобы не попадала пыль и оставила растворы медленно испаряться. (Приложение 3, фото 14-15).

2.4. Выращивание кристаллов

В течение 25 дней вела наблюдения за состоянием кристаллов, периодически освежая и фильтруя растворы. Образцы находились в одинаковых условиях и содержались при комнатной температуре.

В ходе работы со всех образцов периодически снимались размеры. (Приложение 3, фото 16-17.Приложение 4, фото 18-21).

Таблица 6. Наблюдение за ростом кристаллов

День эксперимента

Размер, мм

образец № 1

образец № 2

образец № 3

1-й день

3

4

6

4-й день

9

15

25

10-й день

12

20

30

15-й день

18

32

36

25-й день

30

50

40

В ходе наблюдений замечено, что кристаллизация начинается при понижении температуры раствора. При этом практически мгновенно возникает множество мелких кристалликов. Кристаллизация начинается у стенок и дна стакана, а затем распространяется на помещенный в раствор кристалл-затравку, который растет, увеличиваясь в размерах, рост граней происходит послойно.

По мере остывания раствора (ближайший час) в стакане резко повышается концентрация соли, т.к. при более низкой температуре в воде растворяется гораздо меньше вещества и лишнее вещество, образующееся при остывании, выпадает в осадок в виде кристаллов. По мере остывания все «лишнее» при данной температуре вещество переходит в твердую фазу, выстраивая кристаллическую структуру в очаге кристаллизации – на леске. В итоге на леске образуется много маленьких кристаллов, которые все новыми слоями наращиваются друг на друга, образуя красивое поликристаллическое тело. Кристаллы образуются не только на леске, но еще на дне и стенках банки. Это вредит нашим целям, т.к. эти кристаллы будут также отбирать из жидкости материал для собственного строительства и нашему основному кристаллу на леске достанется меньше материала для роста и, следовательно, он будет расти гораздо медленнее. За неделю может вырасти кристалл длинной 1 см, за 3-4 недели – 3-4 см. (Приложение 4, фото 22-23).

Если в стакане образуется осадок мелких кристалликов, надо переливать раствор в чистый стакан и помещать в него кристалл. При прикосновении растущих кристаллов их правильная форма может нарушиться, поэтому раствор надо чаще фильтровать.

Чтобы увеличить скорость роста кристалла, нужно обновлять рабочий раствор. Для поддержания уровня раствора в стакане необходимо доливать свежий раствор соли. Рост кристалла происходит за счет соли, растворенной в воде.

Со временем на нитке тоже образуются мелкие кристаллики, которые начинают расти. Избежать этого сложно, разве что можно поднять кристалл повыше, чтобы меньший отрезок нитки контактировал с раствором. Когда концентрация соли в растворе становится ниже, то рост кристалла замедляется.

Вывод: в свежеприготовленном фильтрованном растворе кристалл растет быстрее и имеет более правильную геометрическую форму.

Работа проведена - кристаллы выращены, их нужно сохранить так, чтобы в них не попали примеси. Многие вещества, например, кристаллы сахара, активно поглощают из воздуха пары воды. Чтобы защитить кристаллы от влаги их надо покрыть несколькими слоями прозрачного лака для ногтей.

Заключение

Временной результат моей работы – кристаллы росли 25 дней. В ходе работы я узнала много новой, интересной и полезной информации.

Гипотеза подтвердилась – вода, действительно, хороший растворитель солей для получения различных растворов и выращивания кристаллов. Не все вещества имеют одинаковую растворимость в воде например, растворимость сульфата меди (II) в воде при 20 С. составляет 22,2 г/100 г воды. Данное вещество можно считать хорошо растворимым. Растворимость зависит от температуры воды. Какие-то вещества растворяются лучше, какие-то хуже. Но полностью нерастворимых веществ в природе, оказывается, нет. Даже физико-химические процессы, происходящие в нашем организме, протекают в среде растворов. Многие природные и технологические процессы происходят в растворах. Растворы бывают ненасыщенными, насыщенными и пересыщенными.

В практической части работы приготовлены растворы солей: поваренной соли, медного и железного купоросов. Из полученных насыщенных растворов солей выращены кристаллы (Приложение 4, фото 24-25). Можно вырастить поли- и монокристаллы. Кристаллизация используется для получения веществ в чистом виде, выделения кристаллов заданного размера, при получении концентрированных непищевых продуктов.

На будущий год планируем вырастить многоцветные кристаллы алюмокалиевых (бесцветные) и хромовых (фиолетовые) квасцов.

Выводы:

  1. На основе изучения литературных источников и практических опытов можно сделать вывод, что вода – хороший растворитель. Образцы всех солей, использованных в работе, являются хорошо растворимыми, так как при комнатной температуре в 100 г воды растворяется больше 1 г соли.

  2. Для приготовления водных растворов солей необходимо использовать горячую воду и навеску соли. Оптимальная температура воды при растворении медного купороса для выращивания кристалла - 80С. В практической части работы опытным путём установлено, что в 100 мл горячей воды для получения насыщенного раствора соли, можно растворить поваренной соли – 50г, медного купороса – 65г, железного купороса – 140г. При этом, на дне емкости должен остаться нерастворимый осадок соли.

  3. В практической части работы использован способ, основанный на свойстве кристаллических веществ - выращивание кристаллов из растворов. Кристаллизация – это физико-химический процесс, который широко используется в природе и человечеством. Кристалл растет потому, что вода из насыщенного раствора постепенно испаряется, а кристаллическое вещество переходит из жидкого состояния в твердое.

  4. В ходе работы проведены опыты и наблюдения с фиксацией полученных сведений в рабочую тетрадь. В работе проводились наблюдения за динамикой роста кристаллов разных солей для наблюдения динамики роста в одинаковых условиях содержания. Проведенный практикум показал, что кристаллы разных солей растут по-разному и имеют разную геометрическую форму. Например, кристалл поваренной соли имеет форму куба.

Список литературы
  1. Габриелян О.С. Химия. 8 класс: учеб. для общеобразоват. учреждений – М.: Дрофа, 2013 – 267с

  2. Журин А.А., Зазнобина Л.С. Начала химического эксперимента: Практические занятия по химии. 8-й класс сред. общеобразоват. школы. –М.: Школьная Пресса, 2001 – 128 с.

  3. Крицман В.А. Книга для чтения по неорганической химии. Пособие для учащихся. – М.: Просвещение, 2004 – 303с.

  4. Ушаков Д.Н. Большой толковый словарь современного русского языка. – М.: Роосса, 2008 – 1247с.

  5. Электронный ресурс: статья Кристаллизация на dic.academic.ru.

  6. Электронный ресурс: Словари и энциклопедии на Академике. dic.academic.ru.

Приложения

Приложение 1

Рис. 1 Портрет Лайнуса Полинга. Фото с сайта biopeoples.ru

Рис.2. График растворимости солей в зависимости от температуры растворителя.

Рис.3. Портрет Т.Е. Ловица. Фото с сайта ponipro.ru.

Приложение 2

Фото 4-6. Свойства солей. Фото автора.

Фото 7. Опыт: растворимость соли в зависимости от температуры растворителя. Фото автора.

Фото 8. Насыщенный раствор соли. Фото автора.

Фото 9-10. Процесс фильтрования. Фото автора.

Приложение 3

Фото 11-12. Кристаллы на дне химического стакана. Фото автора.

Фото 13. Образцы для затравки в чашке Петри. Фото автора.

Фото 14-15. Кристаллы в растворах. Фото автора.

Фото 16-17. Замеры образца №1. Фото автора.

Приложение 4

Фото 18-19. Замеры образца №2. Фото автора.

Фото 20-21. Замеры образца №3. Фото автора.

Фото 22. Рост кристаллов в растворе через 1 неделю. Фото автора.

Фото 23. Рост кристаллов в растворе через 4 недели. Фото автора.

Фото 24-25. Выращенные кристаллы. Фото автора.