Изучение роста химических водорослей

МАОУ «Лингвистический лицей № 25»

Конференция учащихся

«Образование-вклад в будущее»

Исследовательская работа

Химические водоросли.

Работу выполнила:

Широких Ева

Руководитель:

 Широких МВ

Ижевск 2017

Содержание.

1. Введение                                                                    3
2. Теоретическая часть                                                  

1. Кристаллы                                                                    

1. Кристаллы в нашей жизни                                               4
2. Особенности кристаллической структуры                     5
3. Образование кристаллов                                                   5
4. Применение кристаллов                                                    6

2. Силикаты

1. Природные силикаты                                                         7
2. Свойства и применение силикатов                                   7

3. Полупроницаемые пленки

1. Общие понятия                                                                    8
2. Явление осмоса.                                                                 10

3. Практическая часть

1. Методика  выполнения эксперимента                      12
2. Результаты и их обсуждение                                     12

4. Выводы                                                                        14
5. Используемая литература                                          15
6. Приложение                                                                 16

Введение.

Кристаллы … Многие думают, что это красивые, редко встречающиеся камни. Они бывают разных цветов, в большинстве своем прозрачны и, что самое замечательное, обладают красивой, правильной формой.

Кристаллы окружают нас повсюду. Почти все твердые тела относятся к кристаллам. Но мы обычно этого не замечаем.

Кристаллы… Сколько магического и волшебного они таят в себе. Как было не заинтересоваться такими красивыми, загадочными и самыми распространенными созданиями.

Мне захотелось получить кристаллы, вырастить их самой. Имея под рукой различные соли и немного канцелярского клея, я почувствовала себя волшебницей. На моих глазах вырастали причудливые „химические водоросли,“ которые по своей природе являются кристаллами.

II.Литературный обзор.

2.1 Кристаллы.

2.1.1. Кристаллы в нашей жизни. 

   Кристаллом (от греч. krystallos – «прозрачный лед») вначале называли прозрачный кварц (горный хрусталь) встречавшийся в Альпах. Горный хрусталь принимали за лед, затвердевший от холода до такой степени, что он уже не плавится. Первоначально главную особенность кристалла видели в его прозрачности, и это слово употребляли в применении ко всем прозрачным природным твердым телам[1] . Позднее стали изготавливать стекло, не уступавшее в блеске и прозрачности природным веществам. Предметы из такого стекла тоже называли «кристальными». Еще и сегодня стекло особой прозрачности называется хрустальным, «магический» шар гадалок – хрустальным шаром. Удивительной особенностью горного хрусталя и многих других прозрачных минералов являются их гладкие плоские грани. В конце 17 в. было подмечено, что имеется определенная симметрия в их расположении. Было установлено также, что некоторые непрозрачные минералы также имеют естественную правильную огранку и что форма огранки характерна для того или иного минерала. Возникла догадка, что форма может быть связана с внутренним строением. В конце концов, кристаллами стали называть все твердые вещества, имеющие природную плоскую огранку.

Заметной вехой в истории кристаллографии явилась книга, написанная в 1784 французским аббатом Р.Гаюи. Он выдвинул предположение, что кристаллы возникают в результате правильной укладки крохотных одинаковых частиц, которые он назвал «молекулярными блоками». Гаюи показал, каким образом можно получить гладкие плоские грани кальцита, укладывая такие «кирпичики». Различия в форме разных веществ он объяснил разницей, как в форме «кирпичиков», так и в способе их укладки.

Со времен Гаюи было принято как гипотеза, что в правильной форме кристалла находит отражение, упорядоченное внутреннее расположение частиц, но это было подтверждено лишь в 1912 после открытия рентгеновских лучей[2].

   Сегодня кристаллы окружают нас повсюду. Мы ходим по кристаллам, строим из кристаллов, обрабатываем кристаллы на заводах, выращиваем их в лабораториях, широко применяем в технике и науке, едим кристаллы, лечимся ими.

   Почти все твердые тела относятся к кристаллам. Обычно мы этого не замечаем. Мы редко находим тела в природе в виде отдельных одиночных кристаллов (или, как говорят монокристаллов). Чаще всего вещество встречается в виде прочно сцепившихся мельчайших кристаллических зернышек. Каждое из этих зернышек менее тысячной доли миллиметра. Такую структуру можно увидеть только в микроскоп.

   Тела, состоящие из кристаллических зернышек, называются поликристаллическими (поли - много). Их, конечно тоже надо отнести к числу кристаллов. Тогда оказывается, что почти все окружающие нас тела – кристаллы. Песок, гранит, медь, железо и сухие краски – все это кристаллы. Есть, однако, и исключения: стекло, и пластмассы не состоят из кристаллов. Такие твердые тала называют аморфными[3].

2.1.2. Особенности кристаллической структуры.

   Кристаллы имеют некую внутреннюю симметрию, которая не обнаруживается в бесформенной крупинке. Симметрия кристаллов получает наружное выражение только тогда, когда они имеют возможность свободно расти, без каких-либо помех. Но даже хорошо организованные кристаллы редко имеют совершенную форму, и нет двух кристаллов, которые были бы совершенно одинаковы.

 Центры атомов, молекул, или ионов образуют кристаллическую решетку, которая состоит из повторяющихся частей. Простейшие кристаллические решетки все  атомы, которых можно получить трансляциями (параллельный перенос в пространстве на определенное расстояние) только одного атома, называют решетками Браве. Они образуют кристаллические системы:

1. кубическая.
2. тетрагональная.
3. гексагональная.
4. ромбическая.
5. ромбоэдрическая.
6. триклинная.
7. моноклинная.

Кристаллическая решетка ни когда не бывает идеальной. Она всегда содержит пустые узлы (вакансии), примесные атомы, дислокации[4].

При росте кристалла атомы находятся в непрерывном тепловом движении и, перебирая разные возможности, находят свое место, отвечающее минимуму потенциальной энергии.

2.1.3. Образование кристаллов.

   Кристаллы образуются тремя путями: из расплава, из раствора и из паров. Примером кристаллизации из расплава может служить образование льда из воды, так как вода, в сущности, не что иное, как расплавленный лед. К кристаллизации из расплава относится и процесс образования вулканических пород[1]. Магма, проникающая в трещины земной коры или вытесняемая в виде лавы на ее поверхность, содержит многие элементы в разупорядоченном состоянии. При охлаждении магмы или лавы атомы и ионы разных элементов притягиваются друг к другу, образуя кристаллы различных минералов. В таких условиях возникает много зародышей кристаллов. Увеличиваясь в размере, они мешают, друг другу расти, а поэтому гладкие наружные грани у них образуются редко.

   Кристаллы в природе образуются также из растворов, примером чему могут служить сотни миллионов тонн соли, выпавшей из морской воды. Такой процесс можно продемонстрировать в лаборатории с водным раствором хлорида натрия. Если дать воде возможность медленно испаряться, то, в конце концов, раствор станет насыщенным и дальнейшее испарение приведет к выделению соли. Положительно заряженные ионы натрия притягивают отрицательно заряженные ионы хлора, в результате чего образуется зародыш кристалла хлорида натрия, который выделяется из раствора. При дальнейшем испарении другие ионы пристраиваются к образовавшемуся ранее зародышу, и постепенно растет кристалл с характерной внутренней упорядоченностью и гладкими наружными гранями[5].

   Кристаллы образуются также непосредственно из пара или газа. При охлаждении газа электрические силы притяжения объединяют атомы или молекулы в кристаллическое твердое вещество. Так образуются снежинки; воздух, содержащий влагу, охлаждается, и прямо из него вырастают снежинки той или иной формы.

2.1.4. Применение кристаллов.

   Природные кристаллы всегда возбуждали любопытство у людей. Их цвет, блеск и форма затрагивали человеческое чувство прекрасного, и люди украшали ими себя и жилище. С давних пор с кристаллами были связаны суеверия; как амулеты, они должны были не только ограждать своих владельцев от злых духов, но и наделять их сверхъестественными способностями. Позднее, когда те же самые минералы стали разрезать и полировать, как драгоценные камни, многие суеверия сохранились в талисманах «на счастье» и «своих камнях», соответствующих месяцу рождения. Все природные драгоценные камни, кроме опала, являются кристаллическими, и многие из них, такие, как алмаз, рубин, сапфир и изумруд, попадаются в виде прекрасно ограненных кристаллов. Украшения из кристаллов сейчас столь же популярны, как и во время неолита.

   Опираясь на законы оптики, ученые искали прозрачный бесцветный и бездефектный минерал, из которого можно было бы шлифованием и полированием изготавливать линзы. Нужными оптическими и механическими свойствами обладают кристаллы неокрашенного кварца, и первые линзы, в том числе и для очков, изготавливались из них. Даже после появления искусственного оптического стекла потребность в кристаллах полностью не отпала; кристаллы кварца, кальцита и других прозрачных веществ, пропускающих ультрафиолетовое и инфракрасное излучение, до сих пор применяются для изготовления призм и линз оптических приборов.

   Кристаллы сыграли важную роль во многих технических новинках 20 в. Некоторые кристаллы генерируют электрический заряд при деформации. Первым их значительным применением было изготовление генераторов радиочастоты со стабилизацией кварцевыми кристаллами. Заставив кварцевую пластинку вибрировать в электрическом поле радиочастотного колебательного контура, можно тем самым стабилизировать частоту приема или передачи.

   Полупроводниковые приборы, революционизировавшие электронику, изготавливаются из кристаллических веществ, главным образом кремния и германия. При этом важную роль играют легирующие примеси, которые вводятся в кристаллическую решетку. Полупроводниковые диоды используются в компьютерах и системах связи, транзисторы заменили электронные лампы в радиотехнике, а солнечные батареи, помещаемые на наружной поверхности космических летательных аппаратов, преобразуют солнечную энергию в электрическую. Полупроводники широко применяются также в преобразователях переменного тока в постоянный.

   Кристаллы используются также в некоторых мазерах для усиления волн СВЧ-диапазона и в лазерах для усиления световых волн. Кристаллы, обладающие пьезоэлектрическими свойствами, применяются в радиоприемниках и радиопередатчиках, в головках звукоснимателей и в гидролокаторах. Некоторые кристаллы модулируют световые пучки, а другие генерируют свет под действием приложенного напряжения.

   Перечень видов применения кристаллов уже достаточно длинен и непрерывно растет [2,6].

2. Силикаты.

2.2.1. Природные силикаты

   Силикатами являются все соли кремневой кислоты. Большинство силикатов не растворимые в воде, лишь силикаты щелочных металлов образуют с водой вязкие растворы под названием жидкое стекло[8].

   Природные  силикаты  образуются  в  основном  из расплавленной магмы.  Предполагается,  что  при  затвердевании  магмы  из  нее сначала выкристаллизовывались силикаты, более бедные кремнеземом -ортосиликаты, затем  после  израсходования  катионов  выделялись силикаты с высоким содержанием кремнезема - полевые шпаты, слюды и, наконец, чистый кремнезем [7].

   Силикаты - сложные кремнекислородные соединения в виде минералов и горных  пород, занимают  определяющее место  в составе  земной коры (80% по В.И.Вернадскому).  А если добавить природный  оксид кремния - кварц, то кремнекислородные соединения образуют  более 90%  массы  земной  коры  и  практически полностью слагают объем Земли.  Силикатные  минералы  являются  породообразующими: такие горные породы, как  гранит, базальт, кварцит,  песчаник, полевой шрат,  глина,  слюда  и  другие,  сложены  силикатными  и алюмосиликатными   минералами.   Абсолютное   большинство  силикатных минералов является  твердыми кристаллическими  телами, и  только незначительное  количество   минералов  находится   в   аморфном состоянии (халцедон, опал, агат и др.) или в коллоидно-дисперсном состоянии: глины, цеолиты, палыгорскит и др.

2.2.2. Свойства и применение силикатов

   Каждое вещество, как известно, обладает совокупностью физических и химических   свойств,   которые    всецело   определяются    его кристаллической структурой и химическим составом.  

    Кристаллические структуры силикатов многообразны, но  основу их составляют комбинации атомов самых распространенных элементов - Si (кремния) и O (кислорода).

   Состав и строение главных породообразующих минералов  определяют их  свойства.  Многочисленные силикатные  минералы и породы широко используются как сырьевые  материалы  в   различных технологических производствах,  например, в  высокотемпературных процессах (обжиг, спекание, плавление).

При производстве: цемента, стекол огнеупоров, керамических изделий фарфора каменных материалов

Некоторые силикаты используется без обжига в качестве:

1) адсорбентов для очистки газов и вод (бентонитовые глины, цеолиты);

2) компонента буровых растворов (бентонитовые высокодисперсные глины);

3) наполнителя при производстве бумаги, резины (каолины, тальк);

4) драгоценных камней (изумруд, топаз, цветные турмалины, хризотил голубые аквамарины и др.).

   Силикаты в сочетании с другими добавками находят широкое применение при производстве керамических полупроницаемых перегородок.

   Силикатные руды и минералы используют для добычи металлов, их оксидов и солей.

   Большое значение имеют искусственно изготовленные силикаты, применяющиеся с глубокой древности и играющие в современной технике важную роль. Из них, прежде всего, нужно указать стекло.

2.3. Полупроницаемые пленки.

2.3.1. Общие понятия.

    Полупроницаемой мембраной называется плёнка, пропускающая молекулы растворителя и не пропускающая молекулы растворённого вещества.

    Такую мембрану можно вырастить самому. Для этого в раствор медного купороса нужно бросить кристаллик жёлтой кровяной соли. Кристаллик должен быть чистым - лучше всего его отколоть от большого кристалла перед самым опытом. В результате поверхность кристаллика покрывается полупроницаемой мембраной. Вода проникает через неё и вызывает рост "клетки". Оболочка "клетки" расширяется, а в тех местах, где плёнка лопается под действием внутреннего давления, сразу же снова образуется полупроницаемая оболочка. Так происходит снова и снова. Таким образом "клетка" постепенно принимает ветвистую форму. Этот классический опыт требует терпения и аккуратности, красивые "растения" с первой попытки могут и не получиться.

  Процессы разделения жидких систем играют важную роль во многих отраслях народного хозяйства. Для осуществления этих процессов уже давно применяют разнообразные способы: перегонку и ректификацию, абсорбцию и адсорбцию, экстракцию и др. Однако природа за миллионы лет эволюции живых организмов выработала наиболее универсальный и совершенный метод разделения с использованием полупроницаемых мембран. Действительно, биологические мембраны обеспечивают направленный перенос необходимых организму веществ из внешней среды в клетку, и наоборот. Без мембран невозможны были бы дыхание, кроветворение, синтез белка, усвоение пищи, удаление отходов и другие процессы [13].
      Учёные давно стремились познать и обратить на пользу человека замечательное свойство полупроницаемых мембран - пропускать одни вещества и задерживать другие. Однако идея применения мембран для технологических целей стала реальной лишь в последнее время в связи с развитием наших знаний о природе и структуре веществ, с новыми достижениями в различных областях науки, а также в производстве синтетических полимерных материалов.

      К основным мембранным методам разделения жидких систем относятся: обратный осмос, ультрафильтрация, диализ, электродиализ. В любом из этих процессов разделяемый раствор вводится в соприкосновение с полупроницаемой мембраной с одной её стороны. Вследствие особых свойств полупроницаемых мембран прошедшая через них смесь обогащается одним из компонентов. В ряде случаев процесс проходит настолько полно, что продукт практически не содержит примесей, задерживаемых мембраной. И наоборот, применяя тот или иной мембранный метод разделения, можно получить в растворе перед мембраной компонент или компоненты практически без примесей вещества, проходящего через мембрану.
  Существует большое число разнообразных мембран.

Полупроницаемые мембраны изготовляют из различных полимерных материалов, пористого стекла, графитов, металлической фольги и др. от материала мембраны зависят ее свойства (химическая стойкость, прочность), а также в значительной степени ее структура.

Полимерные мембраны. Полимерные мембраны могут быть пористыми и непористыми (понятие “непористые мембраны” условно, поскольку они могут иметь поры размером 0,5 – 1 мм).

Керамические мембраны. В последние годы успешно развивается направление с использованием керамических мембран. Полученные мембраны (одно-, семи- и девятнадцатиканальные) состоят из подложки на основе оксидов алюминия (с размерами пор 10 – 15 мкм и общей пористостью приблизительно 45%) и селективного слоя. Преимущества керамических мембран: высокая рабочая температура – 10000С и выше, высокая механическая прочность и долговечность, стойкость к химически агрессивным средам.

 Жидкие мембраны. Под жидкими мембранами понимают мембраны с жидкостью, иммобилизованной внутри пор микропористой подложки. Если мембрана смачивается жидкостью, то последняя может удерживаться в порах за счет капиллярных сил. Давление, необходимое для вытеснения жидкости из пор, называется капиллярным давлением и изменяется обратно пропорционально диаметру пор, поэтому при достаточно малых порах жидкость удерживается на подложке при разнице давлений под и над мембраной в несколько атмосфер. Используются жидкие мембраны двух типов. К первому типу относятся пассивные жидкие мембраны, в которых обычные жидкости, имеющие большую проницаемость по целевому компоненту, наносятся на мембранную подложку. Второй тип жидких мембран – мембраны с активным транспортом целевого компонента. В этом случае в качестве жидкости используются специфические переносчики целевого компонента, растворенные в соответствующем растворителе [12].

2.3.2. Явление осмоса.

Осмос - (от греч. "толчок", "давление"), односторонняя диффузия растворителя через полупроницаемую перегородку (мембрану), обусловленная стремлением системы к термодинамическому равновесию и выравниванию концентрации растворов по обе стороны мембраны. Характеризуется осмотическим давлением.

      В 1748 году французский физик-экспериментатор Ж. А. Нолле, занимаясь изучением кипения жидкостей, столкнулся с неизвестным до тех пор явлением. В одном из своих опытов он герметично закрыл стакан со спиртом плёнкой бычьего пузыря и погрузил его на дно большого сосуда с водой. Через несколько часов пузырь сильно раздулся - вода проникла в стакан и увеличила давление в нём. Нолле не прошёл мимо этого удивительного факта и объяснил его следующим образом: "Животный пузырь может быть более проницаем для воды, чем для спирта; в таком случае скорость прохождения воды окажется больше скорости прохождения спирта".

  Если разделить   раствор и чистый полупроницаемой перегородкой –то  она будет пропускать молекулы растворителя, но не будет пропускать молекулы растворённого вещества. Выравнивание концентраций будет происходить только за счёт односторонней диффузии растворителя. Молекулы растворителя будут перемещаться через мембрану из менее концентрированного раствора в более концентрированный, вызывая в последнем повышение уровня жидкости. Другими словами можно сказать, что растворитель проникает в раствор под действием сил так называемого осмотического давления. Как только гидростатическое давление столба уравновесит осмотическое давление, процесс прекратится[13].

II. Экспериментальная часть

3.1. Методика выполнения эксперимента.

Целью нашей работы явилось изучение процесса роста «химических водорослей»

Задачи работы:

1. Освоение методики проведения эксперимента.
2. Изучение влияния анионов исходных солей на скорость роста «химических водорослей»
3. Изучение механизма роста «химических водорослей»

Выращивание химических водорослей мы производили по следующей схеме.

1. Приготовление рабочего раствора.

Согласно изученным методикам для выращивания “химических водорослей„ необходим 50% раствор силиката натрия, но в случае его отсутствия предлагается использовать обычный канцелярский клей, разведенный водой 1:1 [10,11,].  Для выбора оптимального раствора для выращивания водорослей мы провели ряд экспериментов разбавляя клей водой в соотношении  клей вода : 1:1,  2:1 , 3:1 . лучше всего водоросли росли в соотношении клея и воды 2:1, поэтому мы выбрали это разбавление. Физико-химический состав используемого канцелярского клея представлен в приложении.

Готовым раствором силиката натрия мы заполняли чистые пробирки. В каждую пробирку  помещали исследуемую соль и наблюдали за ростом кристаллов.

2. Выбор исследуемого объекта.

Химических солей существует огромное множество. Для получения “химических водорослей„ необходимо, чтобы продукт взаимодействия (силикат) не растворялся в воде, а исходная соль в воде растворялась.

На основании таблицы растворимости мы выбрали следующие объекты (таблица№1 приложение). Для исследования использовались те объекты, которые мы смогли найти в лаборатории (они обозначены +).

Выращивание “химических водорослей„ из каждой соли проводилось по 3 раза и в работе используется усредненный результат.

 Наилучшие из “химических водорослей„ представлены в приложении.

3.2. Результаты эксперимента и их обсуждение.

Брошенные в раствор канцелярского клея кристаллики соли реагируют с силикатом натрия. Образовавшиеся соединения покрывают кристаллы тонкой полупроницаемой пленкой. Толщина таких пленок обычно от1мкм до 1мм [12] В силу диффузии вода проникает сквозь нее, давление в кристалле повышается, что приводит к разрыву пленки. В тех местах, где произошел разрыв, соляной раствор выливается в окружающую жидкость. Снова образуется полупроницаемая пленка. Так происходит снова и снова. И на наших глазах вырастают «химические водоросли»

Из имеющихся в лаборатории солей были выращены «химические водоросли»  Характеристика, которых представлена в таблице№2.

Таблица 2

Характеристика «Химических водорослей»

Используемые соли были разделены на группы по катиону. Из анализа наблюдений за ростом “химических водорослей„ были получены следующие результаты.

Соли содержащие в качестве аниона Cl- росли быстрее, чем соли содержащие SO42- и NO3- (исключение соли никеля). Это объясняется тем, что растворимость хлоридов в воде выше, чем растворимость сульфатов и нитратов [9].( таб.№3.приложения)

Соли в порядке возрастания их скорости роста можно записать в ряд: Cl-, NO3- , SO42 .

Таким образом, можно сделать следующие выводы.

Выводы.

1. Рост “химических водорослей„ обусловлен взаимодействием исходной соли с силикатом натрия.
2. Движущей силой при росте “химических водорослей„ является явление осмоса.
3. Анионы исходных солей оказывают влияние на скорость роста “химических водорослей„
4. По скорости роста соли можно записать в ряд: Cl-, NO3- , SO42.

Используемая литература.

1.Аликберова Л.Ю. Занимательная химия. М.: АСТ-Пресс,1999-с147.

2. Энциклопедия Кругосвет. 2004.

3. Вещество и энергия /Детская энциклопедия. т.3. М.: Академия педагогических наук РСФСР,  с365

4. Словарь юного физика. М.: Педагогика Пресс,1997,-с.126.

5. Петров Т.Г. и др. Выращивание кристаллов из растворов. Л.: Недра,1983.

6. Дорфман В.Ф. Мысль, заключенная в кристалле. М.: Знание,1988.

7. Лучинский Г.П. Синилина В.И. Курс химии. М.: Высшая школа, 1972- с 198.

8. Сатбалдина С.Т. Химия 8-9 класс. М.: Просещение,2000.

9. Лурье Ю.Ю. Справочник по аналитической химии. М.:Химия, 1988

10. Шкурка Д. Забавная химия. Л.: Детская литература,1976.

11. Макарова Л.Л. Санникова Т.Г. Демонстрационный эксперимент по химии. Иж.: Уд ГУ,1996-С 33.

12.  Физический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия, 1983,-с.405.

13. Шамшин Д.Л. Физическая и коллоидная  химия. М.: Выс

Приложение.

Силикатный клей "жидкое натриевое стекло"
ГОСТ 13078-81

Краткие физико-химические показатели:

Таб.№1. Исходные соли.

Таблица №3. Растворимость солей в воде при 20оС