Гидрофобный песок

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение  

«Рождественская средняя общеобразовательная школа»

Гидрофобный песок - перспективы

Исследовательская работа

Автор:

Антипова Диана,  8 класс

Научный руководитель

Рогачёва Наталья Васильевна

учитель химии

Консультант

Иванникова Светлана Ивановна

учитель экологии

2018

Содержание

Введение

Глава I. Теоретическая часть

        1.1. Песок, виды и свойства

        1.2. Гидрофобность – что это такое?

        1.3. Гидрофобный песок, применение

Глава II. Экспериментальная часть

Получение гидрофобного песка

Изучение свойств песка на примере выращивания рассады растений

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Химию  часто рассматривают как источник зла, причиняемого природе, как виновницу нарушения экологического равновесия. Серьезность экологических проблем не вызывает сомнений. Мы много слышали и слышим о вредном влиянии химии в процессе жизнедеятельности человека. Это верно. Но в своей работе я хочу поговорить о пользе, которую может принести химия для человечества.

Сельское хозяйство и химия. Эти два понятия давно объединены. И сегодня я хочу рассказать об одном удивительном материале, который, возможно, сможет решить проблему нехватки питьевой воды в засушливых регионах.

Гипотеза:

С помощью химических веществ можно изменить привычные свойства знакомых нам с детства предметов.

Цель:

1. Познакомиться с понятием «гидрофобность», изучить состав и свойства песка;

2. На практике (в школьной лаборатории) получить гидрофобный песок.

3. Изучить свойства гидрофобного песка на примере выращивания рассады растений

Задачи исследования:

1. Изучить необходимую литературу;

2. Получить гидрофобный песок;

Методики исследования:

1. Визуальное наблюдение.

2. Практикум по изготовлению гидрофобного песка.

Объект исследования: процесс получения гидрофобного песка.

Глава I. Теоретическая часть

1.1. Песок, виды и применение

Песо́к — осадочная горная порода, а также искусственный материал, состоящий из зёрен горных пород. Очень часто состоит из почти чистого минерала кварца (вещество — диоксид кремния). Слово «песок» часто употребляется во множественном числе («пески»), но форма множественного числа имеет и другие значения. Природный песок представляет собой рыхлую смесь зёрен размером 0,16—5 мм, образовавшаяся в результате разрушения твёрдых горных пород. В зависимости от условий накопления могут быть аллювиальными, делювиальными, морскими, озёрными, эоловыми.

Песок широко используется в составе строительных материалов, для намывки участков под строительство, для пескоструйной обработки, при возведении дорог, насыпей, в жилищном строительстве, при благоустройстве дворовых территорий, при производстве раствора для кладки, штукатурных и фундаментных работ, используется для бетонного производства. При производстве железобетонных изделий, бетона высоких марок прочности, а также при производстве тротуарной плитки, бордюров, колодезных колец используют крупнозернистый песок. Мелкий строительный песок используется для приготовления накрывочных растворов. Кроме того, песок является основным компонентом при изготовлении стекла.

Строительный речной песок довольно широко применим в различных декоративных (смешивают с различными красителями для получения специальных структурных покрытий) и отделочных работах готового помещения. Он также выступает компонентом асфальтобетонных смесей, которые используются в строительстве и укладке дорог (в том числе и для строительства аэродромов), а также в процессах фильтрования и очистки воды.

Кварцевый песок используется для изготовления сварочных материалов специального и общего назначения.

1.2. Гидрофобность – что это такое?

Гидрофобность (от др.-греч. ὕδωρ — вода и φόβος — боязнь, страх) — это физическое свойство молекулы, которая «стремится» избежать контакта с водой. Сама молекула в этом случае называется гидрофобной.

Гидрофобные молекулы обычно неполярны и «предпочитают» находиться среди других нейтральных молекул и неполярных растворителей. Поэтому вода на гидрофобной поверхности собирается в капли. А при добавлении в воду гидрофобных жидкостей, в зависимости от плотности, они собираются в изолированные сгустки, либо распределяются по поверхности воды, как происходит с нефтью.

Гидрофобными являются молекулы масел, жиров и других подобных материалов. Гидрофобные материалы используются для очистки воды от нефти, удаления разливов нефти и химических процессов разделения полярных и неполярных веществ.

1.3. Гидрофобный песок

Обычный песок с химической точки зрения - это двуокись (диоксид) кремния, SiO2. Но эта формула отражает только соотношение элементов в соединении, т.е. атомов кислорода вдвое больше, чем атомов кремния. Реально нет и не может быть молекул SiO2. Диоксид кремния существует в виде кристаллов, представляющих собой огромную супермолекулу, в которой каждый атом кремния связан с четырьмя атомами кислорода, а каждый атом кислорода связан с двумя атомами кремния.

Вполне можно представить себе какую-то модель, и даже не одну, как они расположены внутри (в объёме) кристалла. Но как эта супермолекула устроена на поверхности? Поскольку атом кремния четырёхвалентен, то связи SiO направлены к вершинам тетраэдра. А как быть на поверхности? А на поверхности оказывается, что "внешние" атомы кислорода не связывают два атом кремния (не позволяет геометрия), а связывают один атом кремния и один атом водорода, т.е поверхность диоксида кремния "покрыта" гидроксильными группами ОН, как поверхность кожи покрыта волосками. Эти поверхностные гидроксильные группы придают диоксиду кремния гидрофильные свойства, так как могут образовать водородные связи с молекулами воды. Значит обычный песок - гидрофилен. Чтобы придать ему гидрофобные свойства, песок обрабатывают специальным составом. При этом атом водорода в бывшей гидроксильной группе заменяется на другую группу, т.е "волоски" теперь представляют собой не ОН, а  гидрофобную группу и песок в целом становится гидрофобным.

Что такое гидрофобный песок?

Гидрофобный — значит отталкивающий воду. В природе очень мало веществ натурального происхождения, способных полностью нейтрально относиться к воде. Та же самая резина, слюда, пластик в конце концов, под действием воды рано или поздно меняют свои свойства в корне. Это очень легко проследить по поведению обычной капли воды на поверхности того или иного материала. Практически все материалы — гидрофильные, то есть, вступающие в контакт с водой в той или иной степени.

Капля воды на поверхности таких материалов рано или поздно растекается и впитывается в структуру. Гидрофобные материалы — полностью отталкивают воду, не давая ей проникнуть в свою структуру.

Существуют частично гидрофобные материалы, так же, как и полностью гидрофобные. Частично гидрофобные материалы представлены металлами, жирами, восками, некоторыми видами полимерных пластиков. Это можно понять на примере брезента.

Как работает материал

Обычный брезент — это окрашенная хлопковая нить, которой придали свойства гидрофобности. Но для того чтобы ее окрасить, нужно, чтобы материал пропустил в себя влагу, как носитель пигмента, а после обработать его веществом определенного состава, чтобы оно отталкивало воду от окрашенного волокна.

Однако и в этом случае, по прошествии определенного времени, брезент пропускает влагу, как ни в чем не бывало. Гидрофобный песок — практически то же самое. В обычном, природном состоянии он легко впитывает влагу. Для того чтобы сделать его гидрофобным, необходимо обработать каждую песчинку особым материалом, тогда-то он перестанет впитывать влагу

Специалисты компании DIME Hydrophobic Materials уже давно разработали такой состав, который способен придать песку гидрофобные свойства. Именно SP-HFS 1609 — эго кодовое название, а состав тщательно засекречен. Песок, обработанный этим материалом, сохраняет гидрофобные свойства как минимум лет тридцать и способствует очистке сточных вод.

Но возникает вопрос - кому нужен и, главное, где найти полезное применение этому волшебному песку. И причем тут глобальные проблемы человечества?

Очень просто. В пустынных землях впустую расходуется до 85 % воды, затраченной на полив. Причиной тому – песок, который располагается под слоем почвы. Он словно губка вытягивает воду, вынуждая фермеров снова и снова поливать свои плантации. Не потому что воды много, а потому что вода для полива быстро уходит от корня растения в глубину, поэтому приходится поливать еще и еще, иначе растение погибнет. Этот самый волшебный песок смог бы создать водоотталкивающий слой, сокращающий потребление воды плодородной почвой в 5-7 раз, следовательно, сократить расходы воды на полив культурных растений на 80%.

Разработку уже признало немецкое федеральное управление по охране окружающей среды, которое посчитало гидрофобный песок экологически безопасным.

Эффективность продукта и, соответственно, успех проекта был подтвержден Университетом Объединенных Арабских Эмиратов после двухлетних испытаний по выращиванию риса, помидоров, салата и люцерна.

И хотя эксперименты ещё не закончены, DIME Hydrophobic Materials уже готовится к промышленному выпуску продукта. Чтобы покрыть песчинку, необходимо около 30-45 секунд, и уже сейчас компания может выпускать до 3000 тонн специального песка в день. К настоящему моменту инновационным продуктом уже заинтересовались Австралия, Канада, Тунис, Алжир и Германия. Планируется, что песок будет более масштабно использоваться в Абу-Даби.

В России производством гидрофобного песка занимается компания ООО "Новая химия" в г.Томск.

Песок с гидрофобными свойствами прекрасно найдет себе применение и в строительстве при возведении фундаментов, в частности в регионах с высоких уровнем грунтовых вод.

Также он может широко использоваться как детская игрушка, развивающей познавательные способности ребенка. Еще одной интересной сферой применения продукта может быть использование такого песка для сбора анализов у животных.

Глава II. Экспериментальная часть

Получение гидрофобного песка и изучение его свойств

Для того чтобы изготовить гидрофобный песок, необходимо подготовить материалы. Вначале речной песок я просеяла, затем прокалила в духовке.

Готовый песок был обработан водоотталкивающим спреем для обуви. После высыхания, повторила обработку еще 2 раза. В результате получается гидрофобный материал, но не такой качественный и долго сохраняющий свои свойства.

Изучение свойств песка на примере выращивания рассады

Для изучения свойства гидрофобного песка был поставлен опыт: в 2 емкости посадили рассаду перца болгарского, сальвия красная, сельдерей корневой. На дно одной емкости поместили слой гидрофобного песка, сверху засыпали почву; вторая емкость была наполнена почвой. Почвенный слой был одинаковый и составлял 3 см.

В результате, я отметила, что в опытном и контрольном образцах растения росли и развивались одинаково. Возможно, это связано с тем, что у рассады корневая система еще не сформирована и расположена на поверхности почвенного слоя и полива воды было достаточно. А в природных условиях, вода уходит вглубь земли, и растения недополучают влагу.

Заключение:

Подводя итоги, хочется сказать, что даже ребенку известно, что песок — кварцевый, известняковый, гранитный, это совершенно сухая сыпучая субстанция до тех пор, пока он не вступит в контакт с водой. Это понятно, и никто до недавнего времени с этим не спорил. Сегодня я показала, что это не совсем так. Песок может быть гидрофобным. И его использование может спасти человечество от нехватки питьевой воды.

Список использованной литературы

Список литературы

• Габриелян О.С. Химия – 8. М.: Дрофа, 2014.

Интернет-ресурсы

• https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%B8%D0%B4%D1%80%D0%BE%D1%84%D0%BE%D0%B1%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C 
• https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%B5%D1%81%D0%BE%D0%BA 
• https://ok.ru/sokrovenny/topic/65624677930470 
• https://mysku.ru/blog/china-stores/50423.html 
• http://nashprorab.com/gidrofobnyy-pesok-chto-yeto-takoe/ 
• https://www.facebook.com/soroban.com.ua/posts/576754145845961 
• http://www.membrana.ru/particle/13527