Физика, химия и красота раствора

МОУ «Средняя общеобразовательная школа № 127» г. Омска

Научно-практическая конференция обучающихся

Секция «Естествознание»

Физика,  химия и красота раствора

Гайль Алексей Анатольевич

Комоликов Максим Андреевич

ученики 7 класса МОУ «СОШ № 127»

Ленинского административного округа г. Омска

Руководитель:

Шаманина Наталья Сергеевна

учитель химии МОУ «СОШ № 127»

Ленинского административного округа г. Омска

Омск-2011

Содержание

Введение

Мы живем среди химических веществ, а вернее среди смесей веществ, потому что в чистом виде можем наблюдать, во всяком случае мы, только в химической лаборатории нашего руководителя кружка.

Одним из видов смесей являются растворы. Мы в буквальном смысле погружены в их мир. Думаете, из крана течет вода? Нет, из крана в наш стакан вытекает раствор, растворитель в котором  - вода.

В нас самих одни сплошные растворы (кровь, лимфа). Утром мы пьём чай,  кофе, в обед варим суп – все это растворы. Сама жизнь возникла благодаря растворам древнего океана.

В своей работе мы решили рассмотреть растворы, этот необычный по природе и … красоте объект.

Итак, объект рассмотрения – растворы.

Предмет – природа процесса растворения.

Цель работы – изучить особенности процесса растворения.

В соответствии с целью работы были выделены следующие задачи:

Работа проводилась на базе МОУ «Средняя общеобразовательная школа № 127».

Глава 1. Растворение как физико-химическое явление

Нас окружают смеси

Мы живем среди химических веществ, вернее их смесей.
Как только маленький человек появляется на свет, он попадает в мир химических веществ. Он вдыхает воздух, а это смесь газов (азота, кислорода и других), выдыхает углекислый газ. Его умывают водой – самым распространенным веществом на планете. Добрые мамины руки заворачивают малыша в пеленки, надевают распашонку, а чтобы не было холодно, накрывают одеяльцем... Все эти вещи сделаны из волокон - хлопчатобумажных, основа которых природное вещество целлюлоза (клетчатка), и шерстяных, состоящих и природных белков.

Малыш закапризничал: пора кушать. Мама дает ему бутылку с молоком. Молоко - смесь воды с мельчайшими капельками молочного жира, и не только: здесь еще есть молочный белок казеин, минеральные соли, витамины и даже сахар, но не тот, с которым пьют чай, а особый, молочный - лактоза.

Все это вещества природного, естественного происхождения. Бутылочка сделана из стекла, а соска - из резины; это тоже вещества, точнее, материалы (смеси веществ). И стекло, и резина - искусственного происхождения, в природе их не было.

Малыш растет, у него уже появились зубки, и он с аппетитом грызет яблоко. А яблоко состоит из целого набора химических веществ - здесь и сахар, и яблочная кислота, и витамины... Когда прожеванные кусочки яблока попадают в желудок, на них начинают действовать пищеварительные соки человека, которые помогают усваивать все вкусные и полезные вещества не только яблока, но и любой другой пищи, это тоже смеси

Смеси окружают нас повсюду: на кухне в ванной, на улице.

Смеси разделяются на

Среди неоднородных смесей выделяют: взвеси, суспензии, эмульсии, аэрозоли, и размеры частиц веществ в них больше 100 нм.

Самая распространенная суспензия - это уличная дорожная грязь: она содержит частицы минералов алюмосиликатов (глины) в водной среде. Суспензиями являются многие краски и эмали, пасты для чистки посуды и ванн и косметические средства.

Приводя пример эмульсии, обычно вспоминают, что молоко - мельчайшие капельки жира, распределенные в воде. Но эмульсии - это и кремы для лица, и лечебные мази, и даже майонез.

Аэрозоли - это дым, туман, смог, изморозь (капельки воды, частицы твердой сажи, мельчайшие кристаллики льда), "взвешенные" и висящие в газообразной среде.

Различают также коллоидные системы размеры  - это системы занимают промежуточное положение среди однородных и неоднородных смесях, размеры частиц будут в интервале от 1 до 100 нм. Примерами здесь могут служить системы, которые получаются в воде из яичного белка и крахмала. Кисель, который подавали "на сладкое" в детском саду - это тоже коллоид.

Коллоидные системы можно распознать, если осветить его фонарем сбоку: он кажется мутным. Частицы, входящие в состав коллоидного раствора, достаточно велики, чтобы рассеивать свет ("эффект Тиндаля").

По этой же причине видны пылинки в солнечном луче или в луче света от кинопроектора в темном зале кинотеатра. Правда, размеры и форму каждой частички разглядеть не удастся, но все в целом они дадут возможность проследить путь света.

Процесс растворения

К однородным системам относят растворы – истинные растворы. Но не все растворы - "настоящие", истинные. В истинных растворах частицы растворенного вещества имеют размеры, обычные для молекул и ионов и не превышают 1 нм (1·10−9 м).

Растворами называются гомогенные системы, содержащие не менее двух веществ, состав которых можно менять в широких пределах.

Как правило, вещество, взятое в избытке и в том же агрегатном состоянии, что и сам раствор, принято считать растворителем, а компонент, взятый в недостатке - растворенным веществом.

В процессе растворения частицы (ионы или молекулы) растворяемого вещества под действием хаотически движущихся частиц растворителя переходят в раствор, образуя в результате беспорядочного движения частиц качественно новую однородную систему.

Растворы бывают не только жидкими, но и газообразными, и даже твердыми. Вот воздух - это газообразный раствор кислорода O2, диоксида углерода CO2, водяных паров и аргона Ar в азоте N2. А сплав, из которого сделаны металлические монеты - это твердый раствор никеля Ni в меди Cu.

Больше всего знакомы нам жидкие растворы. Например, газированная вода - это раствор углекислого газа - газообразного диоксида углерода CO2 в воде, или сладкий чай - водный раствор сахара (сахарозы) и других веществ, входящих в состав чайной заварки. Когда варят картошку, макароны или суп, в воду добавляют поваренную соль - и получается еще один жидкий раствор, раствор хлорида натрия в воде. На полочке в ванной стоит флакон с лосьоном - это раствор жидких веществ, глицерина и спирта, в воде. 

Способность воды растворять разные вещества - одно из самых важных ее свойств. Сама жизнь на Земле не могла бы возникнуть без растворов. В воде доисторических океанов были сотни растворенных веществ, и именно в этом "супе" впервые появились живые организмы, из него они получали необходимые для роста и развития вещества. Прошло много миллионов лет. Живые существа покинули океан, вышли на сушу и даже поднялись в воздух. Но они сохранили в своих организмах водные растворы, где есть весь необходимый им запас молекул и ионов. Так что скажем "спасибо" воде за ее способность образовывать растворы!

Как правило, вещество, взятое в избытке и в том же агрегатном состоянии, что и сам раствор, принято считать растворителем, а компонент, взятый в недостатке - растворенным веществом.

В процессе растворения частицы (ионы или молекулы) растворяемого вещества под действием хаотически движущихся частиц растворителя переходят в раствор, образуя в результате беспорядочного движения частиц качественно новую однородную систему.

Исторически существовали две точки зрения на природу процесса растворения: физическая и химическая. Исходя из первой точки зрения, растворение это лишь механическое смешивание компонентов смеси. Доказательством является то, что растворенное вещество можно с помощью, например, выпаривания отделить от растворителя, то есть при растворении не образуется новых веществ и исходные не расходуются.

Согласно второй точке зрения, процесс растворении очень часто можно описать признаками, которые присущи химическим реакциям. Это подтверждает такие факты, как:

- в процессе растворения некоторые вещества изменяют цвет. Например, безводный сульфат меди в растворе гидратируется и из бесцветного становится синим;

- в процессе растворения может поглощаться и выделяется энергия. Например, при растворении щелочей и концентрированных кислот тепло выделяется, при растворении нитрата аммония – поглощается;

- уменьшение объема раствора по сравнению с суммой объема исходных компонентов. Например, при растворении спирта  в воде между ними возникают водородные связи. Приводящие к уменьшению объема.

В 1887 г. Д.И. Менделеев доказал, что растворение – это физико-химический процесс. Растворы определяются как гомогенные системы, состоящие из растворителя, растворенных веществ и продуктов их взаимодействия.

Виды растворов

Растворы содержат не менее двух веществ. Как правило, вещество, взятое в избытке и в том же агрегатном состоянии, что и сам раствор, принято считать растворителем, а компонент, взятый в недостатке - растворенным веществом.

В зависимости от агрегатного состояния растворителя различают газообразные, жидкие и твердые растворы.

Газообразными растворами являются воздух и другие смеси газов, например кислород в азоте.

Твердыми растворами являются многие сплавы металлов, амальгамы, растворы газов в металле, например водород в платине.

К жидким растворам относят гомогенные смеси газов, жидкостей и твердых тел с жидкостями, например соляная кислота и нашатырный спирт, водка, растворы солей, щелочей, сахара. Наибольшее значение имеют жидкие смеси, в которых растворителем является жидкость. Наиболее распространенным растворителем из неорганических веществ, конечно же, является вода. Из органических веществ в качестве растворителей используют метанол, этанол, диэтиловый эфир, ацетон, бензол, четыреххлористый углерод и др.

В процессе растворения частицы (ионы или молекулы) растворяемого вещества под действием хаотически движущихся частиц растворителя переходят в раствор, образуя в результате беспорядочного движения частиц качественно новую однородную систему. Способность к образованию растворов выражена у разных веществ в различной степени. Одни вещества способны смешиваться друг с другом в любых количествах (вода и спирт), другие - в ограниченных (хлорид натрия и вода).

Способность веществ разрушаться до структурных частиц под действием растворителя называют растворимостью.

Растворимость зависит от: природы растворяемого вещества, природы растворителя, температуры и давления (для газов).

По растворимости вещества делят на хорошо растворимые (более 1 г на 100 г растворителя), мало растворимые (0,01 -1 г на 100 г), практически нерастворимые (менее 0,01 г вещества на 100 г растворителя).

Коэффициент растворимости (КР) показывает. Сколько граммов вещества может растворяться в 100грастворителя при данной температуре.

В соответствии с растворимостью веществ растворы могут быть ненасыщенными , насыщенными и перенасыщенными.

По относительным количествам растворенного вещества и растворителя растворы подразделяют на разбавленные и концентрированные.

Раствор, в котором данное вещество при данной температуре больше не растворяется, то есть раствор, находящийся в равновесии с растворяемым веществом, называют насыщенным, а раствор, в котором еще можно растворить добавочное количество данного вещества, - ненасыщенным.

Насыщенный раствор содержит максимально возможное (для данных условий) количество растворенного вещества. Следовательно, насыщенным раствором является такой раствор, который находится в равновесии с избытком растворенного вещества. Концентрация насыщенного раствора (растворимость) для данного вещества при строго определенных условиях (температура, растворитель) - величина постоянная.

Раствор, содержащий растворенного вещества больше, чем его должно быть в данных условиях в насыщенном растворе, называется пересыщенным. Пересыщенные растворы представляют собой неустойчивые, неравновесные системы, в которых наблюдается самопроизвольный переход в равновесное состояние. При этом выделяется избыток растворенного вещества, и раствор становится насыщенным.

Насыщенный и ненасыщенный растворы нельзя путать с разбавленным и концентрированным. Разбавленные растворы - растворы с небольшим содержанием растворенного вещества; концентрированные растворы - растворы с большим содержанием растворенного вещества. Необходимо подчеркнуть, что понятие разбавленный и концентрированный растворы являются относительными, выражающими только соотношение количеств растворенного вещества и растворителя в растворе.

Сравнивая растворимость различных веществ, можно отметить, что насыщенные растворы малорастворимых веществ являются разбавленными, а хорошо растворимых веществ - хотя и ненасыщенные, но довольно концентрированными.

В зависимости от того, какие частицы растворенного вещества преобладают в растворе, растворы делят: на молекулярные (растворы неэлектролитов) и ионные (растворы электролитов), а также молекулярно-ионные. Одна из характерных особенностей растворов электролитов заключается в том, что они проводят электрический ток.

Глава 2. «Посадил» соль – вырос кристалл

2.1. Приготовление перенасыщенного раствора

Перенасыщенный раствор, как было сказано ранее, содержит растворенного вещества больше, чем его должно быть в данных условиях в насыщенном растворе. Как этого добиться, например, при приготовлении растворов солей?

Сначала необходимо приготовить как можно более концентрированный раствор выбранной соли, внося соль в химический стакан с водой, - до тех пор, пока очередная порция соли не перестанет растворяться при перемешивании. После этого нужно слегка подогреть смесь, чтобы добиться полного растворения соли.

Тиосульфат натрия, который фотолюбители используют как закрепитель (фиксаж), очень легко образует пересыщенные растворы.

Чтобы приготовить пересыщенный раствор этой соли, не надо даже добавлять воду: она есть уже в самом кристаллическом тиосульфате натрия в виде кристаллизационной воды. Его полное название - пентагидрат тиосульфата натрия, а формула Na2S2O3*5H2O.

Осторожно нагревая это вещество в чистой чашке, колбе или химическом стакане, получают расплав (точнее, очень концентрированный раствор в кристаллизационной воде: все-таки ее здесь целых пять молекул). Потом осторожно охлаждают его, не допуская встряхивания или попадания пылинок. Получается пересыщенный раствор, который при внесении малюсенького кристалла тиосульфата натрия мгновенно кристаллизуется во всем объеме, который он занимает.

2.2.Рост кристаллов

Если не ждать с моря погоды, то настоящий кристалл соли можно вырастить даже у себя дома.

Часто советуют начать с поваренной соли. Но это довольно сложно, на самом деле, и очень долго. Поскольку наиболее быстрый способ выращивания кристаллов - методом остужения, а у поваренной соли растворимость очень слабо зависит от температуры. В кипятке может раствориться почти столько же соли, как и в почти ледяной воде. А метод выпаривания очень долгий.

Перед тем, как растить основной кристалл, понадобится сделать затравку. В качестве неё берут  небольшой кристалл той же соли, которую использовали для приготовления раствора. Конечно, можно взять мелкие кристаллы, которые в самой банке с купоросом. Но они слишком мелкие.  Потому можете просто налить в небольшую чистую ёмкость, вроде блюдца или чего-то подобного тёплого концентрированного раствора купороса. Около получаса спустя на дне появится множество мелких кристалльчиков. Выбирайте самый крупный и правильный.

Образование кристалла - это постепенное "налипание" молекул вещества на мелкий кристалл или на что-то другое - затравку. Так во время такого налипания кристалл растёт. Задача выращивающих кристалл - заставить налипать это вещество.

Существуют поликристаллы и монокристаллы. Поликристаллы - это группа из множества мелких кристалльчиков. Так кристаллическое "ожерелье" - это поликристалл.  Монокристалл - это один большой кристалл. Если рассматривать поваренную соль - то это по сути множество мелких монокристаллов. А если срастутся множество кристаллов, образуя этакий "ёжик" или нечто подобное - это будет поликристалл

Вообще, веществу свойственно оседать и выкристаллизовываться на каких-то неровностях или же на подобном веществе. Если взять гладкий стакан и  поставить расти без затравки, то вырастет множество мелких кристалльчиков.

Но если выращивать цельный кристалл, следует позаботиться о том, чтобы в стакане было поменьше предметов. Например, если выращивать его на нитке, то лучше использовать гладкую нить или проволоку, а не пушистую нить, так как иначе она, скорее всего, обрастёт  множеством кристаллов. Хотя для выращивания кристаллического "ожерелья" хорошо использовать пушистую нить.

Мы в соей работ попытались вырастить кристаллы из разных солей: хлорида натрия, медного купороса и алюмокалиевых квасцов.

Из медного купороса, который можно купить как удобрение, получаются очень красивые синие кристаллы. И у купороса значимо меняется растворимость в зависимости от температуры, потому он очень удобен для выращивания кристаллов из него.

Методика выращивания кристалла:

1. Приготовьте затравку (маленький кристалл, либо большой, который хотелось бы ещё увеличить).  Подвесить его в емкость, где будет расти кристалл. Важно именно подвесить, чтобы он мог расти всесторонне.

2. Взять тёплую воду (но не кипяток, будет слишком быстро остывать). Сделать концентрированный раствор. Для этого засыпать купорос в банку с водой и размешивать. Подсыпать купорос пока он не перестанет растворяться. Затем профильтровать полученный раствор, а в фильтрат поместить затравку.

3. Для выращивания одного крупного кристалла необходимо периодически счищать мелкие кристаллики.

Мы в ходе работы вырастили кристаллы перечисленных ранее солей, особенно красивым оказался кристалл выращенный из перенасыщенного раствора медного купороса:

Вот такая красота растворов. При хранении кристалл может покрыться голубой мохообразной коркой, спокойно лёжа на полке. Причин тому множество - коррозия, влажность и так далее. Кристалл следует защитить. Можно использовать Используйте защитный лак, покройте его тщательно и весь. Да и к тому же, лакировка защитит от ядовитого купороса.

Заключение

На основании изученной литературы и проведенных опытов мы можем сделать следующие выводы:

Повсюду нас окружают смеси веществ: на кухне, ванной, на улице, да и в нас самих. Смеси делятся на однородные (гомогенные) и неоднородные (гетерогенные). К гомогенным смесям относятся растворы.

Растворение – это физико-химический процесс. Растворы определяются как гомогенные системы, состоящие из растворителя, растворенных веществ и продуктов их взаимодействия.

Растворы разделяются по агрегатному состоянию растворителя Различают газообразные, жидкие и твердые растворы.

В соответствии с растворимостью веществ растворы могут быть ненасыщенными, насыщенными и перенасыщенными.

По относительным количествам растворенного вещества и растворителя растворы подразделяют на разбавленные и концентрированные.

В зависимости от того, какие частицы растворенного вещества преобладают в растворе, растворы делят: на молекулярные (растворы неэлектролитов) и ионные (растворы электролитов), а также молекулярно-ионные.

Перенасыщенный раствор - это раствор, в котором находится больше вещества в растворителе, чем может раствориться в нем при данных условиях, например, температуре. Приготовление такого раствора представляет собой растворение вещества при медленном нагревании и последующим охлаждении.

5. Нами были выращены кристаллы хлорида натрия, медного купороса и алюмокалиевых квасцов.

Таким образом, казалось такой простой объект – раствор, а сколько интересного может поведать. Тут вам и физика, и химия и …красота!

Библиографический список

Химия .11класс:поурочные планы по учебнику О.С. Габриеляна, Г.Г. Лысовой (профильный уровень). – Волгоград: Учитель, 2010 – 229 с.

http://www.alhimik.ru/teleclass/glava6/gl-6-1.shtml