Проект "Удивительные соли"

Министерство образования и науки РБ

МУ «Курумканское РУО»

МБОУ «Дыренская средняя общеобразовательная школа»

Проект

« Удивительные соли»

Автор: Распопов Кирилл,

ученик 8 класса МБОУ «Дыренская СОШ»

Руководитель: Бадмаева Э.Ж.,

учитель химии

с.Алла, 2019 г

1.Введение

      На уроках химии мы изучили тему «Основные классы неорганических соединений» и особый интерес вызвала тема «Соли». Оказалось, что мы ранее произвели очистку загрязненной поваренной соли от речного песка и воды методом выпаривания. Выпаривание производили в фарфоровой чашке на пламени спиртовой горелки, при этом на стенках посуды остался белый налет соли. Далее мы прошли тему «Растворимость веществ» и впервые познакомились с таблицей растворимости веществ, в которой оказались опять соли. По кривым растворимости солей мы приготовили различные растворы: насыщенные, ненасыщенные и пересыщенные. Оставив пересыщенный раствор в лаборатории через неделю, мы увидели интересное явление. Произошла кристаллизация раствора.

Из курса физики мы знаем, что вещества в твердом агрегатном состоянии имеют кристаллическую решетку и она у разных веществ бывает разной. Из справочника химика я узнал, что кристаллические решетки бывают четырех типов: ионная, атомная, молекулярная и металлическая. Кристаллические решетки солей –ионные. Силы взаимодействия между частицами кристалла электростатические. Силы притяжения между ионами велики, поэтому связь между ними прочная, а значит температура плавления этих веществ высокая.

Гипотеза  исследования: как же происходит кристаллизация соли и от каких факторов она зависит?

   Данную гипотезу я решил проверить опытным путем. Поэтому, цель моего проекта: изучение методики получения кристаллов и их исследование в лабораторных условиях.

Задачи:

• изучить материал  о процессе кристаллизации, о способах и методах получения кристаллов, их форме, видах, свойствах и областях применения;
• апробировать опытно-экспериментальным путем способы получения кристаллов из растворов;

Объект исследования: кристаллы веществ

Предмет исследования: процесс кристаллизации

Методы исследования: 

- Теоретические  (анализ, сравнение, изучение специальной литературы);

- Эмпирические (наблюдение, сравнение);

- Исследовательские (проведение эксперимента).

   Данный проект может быть полезен для других моих сверстников и может вызвать интерес к изучению химии.

2.Основная часть

2.1. Кристаллическое состояние твердого вещества

   Твердые тела могут существовать в двух существенно различных состояниях, отличающихся своим внутренним строением и свойствами. Это кристаллическое и аморфное состояние твердых тел.

   Кристаллы – твердые тела, атомы, ионы или молекулы которых образуют упорядоченную периодическую структуру (кристаллическую решетку). Причем этот пространственный порядок сохраняется на огромных «по атомным масштабам» расстояниях. Атомы, находящиеся на противоположных гранях монокристалла, могут быть удалены на десятки сантиметров, и в то же время они, будто чувствуя друг друга, располагаются параллельно. При этом между ними находятся миллиарды других атомов, так же четко взаимно расположенных. [3]

     Если весь кусок вещества представляет собой один кристалл, то такое тело называется монокристаллом или просто кристаллом. В других случаях тело представляет собой множество мелких кристалликов, причудливо сросшихся между собой, например, кусок рафинада. Такие тела называют поликристаллическими.

     Кристаллическое состояние характеризуется наличием четко выделяемых естественных граней, образующих между собой определенные углы. Кристаллы могут иметь от четырех до нескольких сотен граней. Но при этом они обладают замечательным свойством –какими бы ни были размеры, форма и число граней одного и того же кристалла, все плоские грани пересекаются друг с другом под определенными углами. Углы между соответственными гранями всегда одинаковыми. Закон постоянства углов, открытый в 1669 г. датчанином Николаем Стено, является важнейшим законом науки о кристаллах — кристаллографии [5].

   2.2. Форма кристаллов

    Приглядевшись к кристаллам внимательнее, можно увидеть еще одну характерную для них особенность: кристаллы разных веществ отличаются друг от друга своими формами. Кубики кристаллов каменной соли не спутаешь с игольчатыми кристаллами нитрата калия. Однако формы кристаллов различных веществ могут быть очень похожими. Но не всегда кристалл вырастает многогранником - это удается ему лишь при благоприятных условиях, когда ничто не мешает ему при росте. Каков же самый характерный, самый основной признак кристалла? Самой характерной особенностью кристалла – является  его атомная структура, правильное симметричное, закономерное расположение атомов.

      Некоторые кристаллы имеют довольно простую форму, но их комбинации могут создавать очень сложные многогранники. [4 ]Атомы могут выстраиваться в достаточно причудливые структуры, напоминающие тетраэдры, параллелепипеды, икосаэдры и прочие геометрические фигуры. В науке о кристаллах — кристаллографии — в зависимости от симметрии расположения атомов выделяют 6 кристаллических групп,

которые распадаются на 32 класса.

    В результате получается несколько сотен различных форм макроорганизации кристаллических тел. Причем на форму монокристалла влияет не только форма элементарной атомной ячейки, но и те условия, в которых происходит рост кристалла.

2.3. Природные кристаллы

     Как же растут кристаллы в природе? Например, при застывании магмы. Это процесс роста кристаллов из расплавов. Магма представляет собой смесь многих веществ, у которых различны температуры кристаллизации. Чем медленнее застывает магма, тем больше успевают вырасти кристаллические зерна составляющих ее минералов. Впрочем, величина кристалликов зависит еще и от многих других причин.

     Самый известный кристалл в природе – это кристалл поваренной соли. Свыше пятисот лет назад древнерусские солевары научились извлекать соль из соляных источников. Вода в соленых источниках горько-соленая, в ней растворено много различных солей. Летом, когда под лучами палящего солнца вода озер быстро испаряется, из нее начинают выпадать кристаллы солей. Эти кристаллы плавают на поверхности озера и оседают на дне, на прибрежных камнях, на досках, на любом твердом предмете, попавшем в озеро. Даже рука, опущенная на несколько минут в озеро, покрывается тонким слоем соли. Сила кристаллизации соляных пластов столь велика, что, расширяясь, они выдавливаются из земли, становясь на ребро.

    Обыкновенная столовая соль, хлористый натрий, без которого человек не может обойтись, представляет собой очень мелкие кристаллики, в земле же соль встречается иногда в виде очень больших кристаллов - так называемой каменной соли.

    Особенно интересна кристаллизация подземных вод в пещерах. Капля за каплей просачиваются воды и падают со сводов пещеры вниз. Каждая капля при этом частично испаряется и оставляет на потолке пещеры вещество, которое было в ней растворено. Так постепенно образуется на потолке пещеры маленький бугорок, вырастающий затем в сосульку. Эти сосульки сложены из кристалликов. Навстречу им начинают расти вверх такие же длинные столбы сосулек со дна пещеры. Иногда сосульки, растущие сверху (сталактиты) и снизу (сталагмиты), встречаются, срастаются вместе и образуют колонны. Так возникают в подземных пещерах узорчатые, витые гирлянды, причудливые колоннады.

     Кроме того, камни образуются и в организме человека: желчные камни в печени, камни в почках и мочевом пузыре, мельчайшие отложения в сосудистой оболочке глаза.

       Некоторые живые организмы представляют собой настоящие “фабрики” кристаллов. Кораллы, например, образуют целые острова, сложенные из микроскопических мелких кристалликов углекислой извести.

    Драгоценный камень жемчуг тоже построен из мелких кристаллов, которые вырабатывает моллюск жемчужница. Если в раковину жемчужницы попадает песчинка или камешек, то моллюск начинает откладывать перламутр вокруг пришельца. Слой за слоем нарастает на песчинке перламутр, образующий шарики жемчуга.

2.4. Искусственные кристаллы

     Для многих отраслей науки и техники требуются кристаллы очень высокой химической чистоты с совершенной кристаллической структурой. Кристаллы, встречающиеся в природе, этим требованиям не удовлетворяют, так как они растут в условиях, весьма далеких от идеальных. Кроме того, потребность во многих кристаллах превышает запасы в природных месторождениях. Из более чем 3000 минералов, существующих в природе, искусственно удалось получить уже больше половины.

   Сегодня выращивают не только то, что необходимо для промышленного применения, но и просто красивые камни для украшений, типа фианитов и изумрудов. Значение сверхчистых кристаллических материалов в нашей жизни огромно. Электроника использует особо чистый кристаллический кремний, сапфир, рубин и кварц, машиностроение — искусственные алмазы, корунд, рубин, нитевидный углерод. [3]

Особый класс материалов составляют так называемые жидкие кристаллы. Эти уникальные вещества, сочетающие в себе подвижность жидкости и анизотропию твердого тела, по сути, кристаллами не являются и выглядят, как обычная мутная жидкость, если их налить в стакан. Но в виде тонкого слоя, заключенного между двумя стеклянными пластинами с токопроводящим покрытием, они превращаются в тот самый ЖК-дисплей, без которого не обходятся сегодня ни сотовые телефоны, ни персональные компьютеры.

2.5. Кристаллизация

Кристаллизация - процесс образования кристаллов из паров, растворов, расплавов, из вещества в другом кристаллическом или аморфном состоянии. Кристаллизация начинается при достижении некоторого предельного условия, например, переохлаждения жидкости или пересыщения пара, когда практически мгновенно возникает множество мелких кристалликов — центров кристаллизации. [6]Кристаллики растут, присоединяя атомы или молекулы из жидкости или пара. Рост граней кристалла происходит послойно, края незавершенных атомных слоев (ступени) при росте движутся вдоль грани. Зависимость скорости роста от условий кристаллизации приводит к разнообразию форм роста и структуры кристаллов (многогранные, пластинчатые, игольчатые, скелетные, дендритные и другие формы, карандашные структуры и т. д.). В процессе кристаллизации неизбежно возникают различные дефекты.

2.6. Методы выращивания кристаллов 

Основными методами получения совершенных кристаллов большого диаметра являются методы выращивания из расплава, из растворов и из паровой (газовой) фазы.

Выращивание монокристаллов из расплава

Наиболее распространенные способы выращивания монокристаллов. В настоящее время более половины технически важных кристаллов выращивают из расплава. Этими методами выращивают элементарные полупроводники и металлы, оксиды, галогениды и другие вещества. В ряде случаев из расплава выращиваются монокристаллы, в состав которых входит пять и более компонентов. Веществами, наиболее подходящими для выращивания из расплава, являются те, которые плавятся без разложения, не имеют полиморфных переходов и характеризуются низкой химической активностью.

Кристаллизация из паровой (газовой) фазы

Широко используется для выращивания как массивных кристаллов, так и эпитакси-альных пленок, тонких (поликристаллических или аморфных) покрытий, нитевидных и пластинчатых кристаллов. В методах выращивания, основанных на физической конденса-ции кристаллизуемого вещества, вещество поступает к растущему кристаллу в виде соб-ственного пара, состоящего из молекул их ассоциаций — димеров, тримеров и т.д.

Кристаллизация из растворов

      Под кристаллизацией из растворов подразумевается рост кристалла соединения, химический состав которого заметно отличается от химического состава исходной жидкой фазы.

       При выращивании кристаллов из низкотемпературных водных растворов проводят кристаллизацию путем изменения температуры раствора, пресыщение создается за счет

снижения температуры в зоне растущего кристалла.

Кристаллизация при химической реакции основана на выделении твердых продуктов в процессе взаимодействия растворенных компонентов. Такой способ кристаллизации воз-можен лишь в том случае, если растворимость получаемого кристалла будет ниже раство-римости исходных компонентов. Обычно химические реакции в растворе протекают сдостаточно большой скоростью, создаются высокие пересыщения и происходит массовоевыделение мелких кристаллов. Ограничение скорости достигается либо использованием слабо растворенных исходных продуктов, либо регулированием скорости поступления веществ в зону реакции.

2.7 Способы кристаллизации

   Для осуществления процесса кристаллизации в растворе необходимо создать пересыщение. По способам его создания различают два основных метода кристаллизации: 1) охлаждение горячих насыщенных растворов и 2) удаление части растворителя путем выпаривания.

    Растворимость большинства веществ уменьшается с понижением температуры. Поэтому при охлаждении горячих растворов возникает пересыщение, обусловливающее выделение кристаллов. Этот способ также получил название политермической или изогидрической кристаллизации, поскольку при его осуществлении количество растворителя (например, воды) остается постоянным.

   Перевод исходного раствора, в пересыщенное состояние можно осуществить и за счет частичного удаления растворителя при выпаривании раствора. Такой способ получил название изотермической кристаллизации, так как выпаривание насыщенного раствора происходит при постоянной температуре его кипения.[7]

      Именно изотермической кристаллизацией получают большинство солей с резко выраженной прямой растворимостью (NaNO3, К2Сr2О7, NH4C1, CuS04-5H20 и др.).

       Изотермическая кристаллизация применяется также для солей с обратной растворимостью, например для Na2S04, растворимость которого, начиная с 32,4° С, уменьшается с повышением температуры. Для кристаллизации солей с резко выраженной обратной растворимостью иногда используют просто нагревание раствора до высоких температур. Так, например, получают безводный кристаллический сульфит натрия Nа2S0з и сульфат марганца MnS04.

3.Практическая часть

 Для кристаллизации мной было отобрано 3 разных соли ионного строения: хлорид натрия (NaCl), кристаллогидрат сульфата меди (CuSO4.5H2O), дихромат калия (K2Cr2O7).

Пользуясь справочными данными я отобрал необходимую массу этих солей. (прил 1) Далее растворил соли в подогретой воде на водяной бане (прил 2) (подогреть нужно для того, чтобы соль растворилось немного больше, чем может раствориться при комнатной температуре). Растворяем соль до тех пор, пока будем уверены, что соль уже больше не растворяется (раствор насыщен!)
Насыщенные растворы были перелиты в другую емкость, где и производили выращивание кристаллов (с учётом того, что он будет увеличиваться). После этого растворы процедили через фильтровальную бумагу. Процеживать раствор обязательно, потому что соринки могут помешать росту красивых кристаллов. Далее поставили растворы охлаждаться. Чем медленнее они будут остывать, тем крупнее получатся кристаллы. На этом этапе следим, чтобы раствор не особо остывал.
Когда получились кристаллики привязали на нитку и опустили в насыщенный раствор.

Поставим стаканы на стол и следили, чтобы не было сквозняков, вибрации и сильного света (выращивание кристаллов требует соблюдение этих условий).
Оставили растворы на 4 дня.
Важно помнить!
1. Кристаллик нельзя (при росте) без особой причины вынимать из раствора
2. Не допускать попадания  мусора в насыщенный раствор
3. Периодически (раз в неделю) менять или обновлять насыщенный раствор

4. Не следует раскрашивать раствор, где растёт Ваш кристалл, например красками или чем-нибудь подобным, - это лишь испортить сам раствор, а кристалл всё же не покрасит! Лучший способ получить цветные кристаллы - это подобрать нужную по цвету соль!

В это же время был проведён ещё один опыт. Более крупные кристаллы выросли в растворе, который мы охлаждали медленно, а тонкие, очень хрупкие кристаллики  появились в банке, которую мы держали всю ночь возле неплотно закрытого окна.

В данном опыте было не всё гладко.

1. Только на второй раз получился очень маленький кристалл дихромата калия.

При очередном обновлении воды кристалл дихромата калия начал растворяться и в результате он полностью растворился. Причиной этому стала температура воды.

2. Первые кристаллы, которые мы достали из раствора, очень быстро подсохли, через час покрылись белым налетом соли, а через несколько дней разрушились.

Кристаллы поваренной соли также выращивать сложно, требуют длительного времени. При оставлении пересыщенного раствора хлорида натрия в течение 5 дней на подоконнике произошло медленное выпаривание воды и произошла кристаллизация. (прил) После проведения опыта стенки  стакана были покрыты слоем соли. Данный процесс в стакане является моделью того, что происходит в природе.

Кристаллы пентагидрата сульфата меди оказалось выращивать легче.  Когда кристаллы приняли красивый вид, вынули их из раствора, дали подсохнуть, покрыли бесцветным лаком и они не разрушались.

Делая опыты с различными солями, мы пришли к следующим выводам:

1. кристалл соли растет за счет нарастания на него из водного раствора соли других кристаллов;
2. грани выросшего кристалла гладкие и блестящие, а углы между ними прямые, если росту кристалла ничто не мешает;
3. если погрузить кристалл в слабый солевой раствор, или в раствор, который не успел остыть, кристалл, к сожалению, разрушается!

Получение кристаллов солей из насыщенных растворов методом выпаривания (изотермическая кристаллизация)

Этим методом выпаривания мною были получены и исследованы с помощью цифрового микроскопа кристаллы поваренной соли NaCl, медного купороса CuSO4·5H2O, дихромата калия К2Сr2O7.  

Для приготовления препарата кристаллов я использовала следующую методику:

1) Готовим в химическом стаканчике при нагревании насыщенный раствор исследуемой соли.

2) Тщательно очищаем предметное стекло от пыли и отпечатков пальцев.

3) Наносим на предметное стекло пипеткой раствор соли и немного нагреваем  в пламени спиртовки до  появления первых кристаллов.

Рассматривая препараты, я наблюдала процесс роста кристаллов, изучали форму

кристаллов солей под разным увеличением с помощью микроскопа и осуществляла фотосъёмку. Вот результаты эксперимента:

Бесцветные кристаллы поваренной соли имеют форму куба. Многие кристаллы имеют внутри полости, заполненные раствором, из которого соль выкристаллизовалась. Чем крупнее кристаллы, тем больше в них жидкости. Поэтому даже совершенно сухая с виду поваренная соль, особенно крупная, трещит и «разбрызгивается», если её бросить нагорячую сковороду: вскипающая вода «взрывает» кристаллы. Одновременно с кубическими кристаллами мы обнаружили кристаллы,имеющие форму пирамид.

Медный купорос образует прекрасно оформленные кристаллы в форме косых па-раллелепипедов красивого ярко-синего цвета. Мы наблюдали также сростки кристаллов медного купороса – друзы.

Кристаллы дихромата калия  имеют форму ромба или вытянутых призм с ярко оранжевой окраской.

4.Заключение

      Кристаллическое состояние веществ является одним из самых распространенных в окружающем нас мире. Кристаллы – твердые тела, атомы, ионы или молекулы которых образуют упорядоченную периодическую структуру (кристаллическую решетку). Кристаллы имеют чёткую, повторяющуюся структуру, бывают твердыми и жидкими. Они встречаются в природе и могут быть выращены человеком.

Кристаллы очень полезны для человека. В некоторых случаях без них не обойтись. Например, если нужно разрезать камень нужен алмаз, а если нужно сделать часы, то не обойтись без рубина. Микропроцессоры в компьютерах сделаны из кремния. Найти нужный кристалл в природе очень сложно. Гораздо проще и дешевле его вырастить искусственно. Это делается в промышленном производстве. Но можно вырастить кристалл и в школьной лаборатории и в домашних условиях, соблюдая необходимые правила при работе с химическими веществами.

Кристаллы капризны, требуют бережного к ним отношения, соблюдения всех условий при погружении кристалла и для дальнейшего роста. В противном случае, кристалл, который долго и терпеливо выращивали, может за несколько минут исчезнуть у нас на глазах!

Мир кристаллов удивительно разнообразен и красив. Все проделанные нами опыты просты в исполнении, результативны и не требуют больших затрат времени. Использование цифрового микроскопа при изучении кристаллов позволило мне не только наблюдать объекты исследования, но и изучать их в динамике, а также сохранять фотоизображения в цифровом формате.

    Эта тема нам была очень интересна. В результате у меня возникли и другие вопросы, которые требуют дальнейшего более глубокого изучения. Поэтому я планирую и дальше заниматься изучением данной темы.

Список литературы и Интернет-ресурсов:

1. Леенсон И.А. Занимательная химия. 1 часть. М.: Дрофа, 1996

2. О. Ольгин, “Опыты без взрывов”, М.; “Химия”, 1995 г.;

3. Журнал «Вокруг света» статья «Феномен: Кристаллические премудрости», №3 2004 год

4. Журнал «Наука и жизнь» статья «Из чего все состоит» М. Каганова, №10, 2003 г.

5. Попов Г. М., Шафрановский И. И., Кристаллография, 5 изд., М., 1972.г.

6. Большая Советская энциклопедия, издательство «Советская энциклопедия» , 1990 г.

7. Матусевич Л.Н. Кристаллизация из растворов в химической промышленности. М. Химия.1968.

8. Шаскольская М. П.; «Кристаллы», М.: Наука, 1985 г.;

9. Шаскольская М. П.; «Очерки о свойствах кристаллов», М.: Наука, 1978 г.;

10. Журнал Химиков-Энтузиастов «Химия и Химики»  № 7 2010  

         http://chemistry-chemists.com/Video1/Crystals-b.html

11. http://ru.wikipedia.org/wiki/кристаллы : Википедия

12. http://course-crystal.narod.ru/p31aa1.html : Мир кристаллов (дистанционный курс по  физике).