Исследовательская работа обучающегося «Изучение зависимости скорости роста, формы и массы дендритных кристаллов меди от потенциала активности вытесняющего металла»

Научно-практическая конференция

«Химия и жизнь-XXI век»

Изучение зависимости скорости роста, формы и массы дендритных кристаллов меди от потенциала активности вытесняющего металла

Исследовательская работа

Направление «Первые шаги в химии»

2021

Введение

Наша работа является продолжением работы ученика 11 класса МБУ «Школа № 70» г.о. Тольятти Кузькина Никиты, который в 2017-2018 году представлял свою работу «Влияние различных факторов на рост дендритных кристаллов меди» на выставке на Всероссийском конкурсе «Шаг в будущее». Кузькин Никита изучал влияние температуры, соотношение массы хлорида натрия и массы медного купороса, диаметра сосуда на рост дендритных кристаллов меди.

Актуальность:недостаточное количество экспериментальных исследований по данной теме на школьном уровне.

Цель: экспериментально в условиях школьной лаборатории исследовать влияние потенциала активности металла на рост дендритных кристаллов меди, ознакомиться с условиями образования дендритов.

Задачи:

1. Изучить теоретический материал по данной теме.

2. Изучить результаты работы ученика нашей школы Кузькина Н.

3. Провести эксперименты по влиянию металлов разной активности на рост дендритных кристаллов меди, выделенных из раствора медного купороса.

4. Рассмотреть следующие критерии: скорость роста, число образующихся дендритов, массу дендритных кристаллов.

Кристаллы— твёрдые тела, в которых образующие их частицы расположены закономерно, образуя трёхмерно-периодическую пространственную укладку — кристаллическую решётку.

Среди кристаллов наиболее интересными являются дендритные кристаллы. Дендриты (от греч. δένδρον — дерево) — сложные кристаллические образования древовидной ветвящейся структуры. Термин этот давнего происхождения, Вернер упоминал «дендритные формы» минералов ещё в 1774 году.

Дендритпредставляет собой ветвящееся и расходящееся в стороны образование, возникающее при ускоренной или стеснённой кристаллизации в неравновесных условиях, когда кристалл расщепляется по определённым законам. В результате он утрачивает свою первоначальную целостность, появляются кристаллографические разупорядоченные блоки. Они ветвятся и разрастаются в разные стороны подобно дереву, тянущемуся к солнечному свету, кристаллографическая закономерность изначального кристалла в процессе его дендритного развития утрачивается по мере его роста. Дендриты могут быть трёхмерными объёмными (в открытых пустотах) или плоскими двумерными (если растут в тонких трещинах горных пород). Процесс образования дендрита это -дендритный рост.

Необходимые условия для развития дендритов у кристаллов, растущих послойно, — большое переохлаждение и плохое перемешивание. Размеры дендритных ветвей зависят от скорости охлаждения в интервале температур кристаллизации.

Кристаллизация - процесс образования кристаллов из вещества, находящегося в другом кристаллическом или аморфном состоянии. Кристаллизация начинается при достижении некоторого предельного условия, например, переохлаждения жидкости или перенасыщения пара, когда практически мгновенно возникает множество мелких кристалликов — центров кристаллизации. 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). В процессе кристаллизации неизбежно возникают различные дефекты.

Кристаллизация из растворов -  рост кристаллов осуществляется при температурах ниже температуры плавления, поэтому в выращенных такими методами кристаллах отсутствуют дефекты, характерные для кристаллов, выращенных из расплава.

Для осуществления процесса кристаллизации в растворе необходимо создать перенасыщение.

По способам его создания различают два основных метода кристаллизации:

1) охлаждение горячих насыщенных растворов

2) удаление части растворителя путем выпаривания.

Растворимость большинства веществ уменьшается с понижением температуры. Поэтому при охлаждении горячих растворов возникает перенасыщение, обусловливающее выделение кристаллов.

В тех случаях, когда растворимость соли почти не меняется при изменении температуры, кристаллизация охлаждением становится неэффективной и применяется изотермическая кристаллизация.

При добавлении к раствору вещества, понижающего растворимость выделяемой соли, можно вызвать перенасыщение раствора и кристаллизацию. Подобный метод кристаллизации получил названиевысаливания.

Изучив методику получения кристаллов, мы поняли, что самым доступным методом в условиях школьной лаборатории является кристаллизация из насыщенных растворов солей путем их охлаждения. Для опытов мы решили взять обыкновенную поваренную соль, медный купорос и более активные металлы, чем медь.

Общий ход работы выглядит следующим образом. Насыпают медный купорос в чистый стакан очень тонким слоем, чтобы он покрыл дно, утрамбовывают его. Сверху насыпают хлорид натрия. Поверх слоев укладывают круг из фильтровальной бумаги так, чтобы он вплотную прилегал к стенкам стакана. На фильтр помещают более активный Удерживая фильтр стеклянной палочкой, наливают медленно и тоненькой струйкой концентрированный раствор хлорида натрия так, чтобы он не перевернул фильтр и не перемешал слои. Закрывают стакан фильтровальной бумагой и оставляют стоять при комнатной температуре. Медный купорос в растворе соли растворяется медленнее, чем в обычной воде.

Когда начинается кристаллизация, то энергия системы увеличивается за счёт образования новой поверхности раздела и уменьшается за счёт выделения теплоты кристаллизации. При определённых условиях возникает дендритообразование с фрактальными структурами.

В нашем случае дендритные структуры образуются из-за неоднородностей среды, то есть, кристаллы растут, не соединяясь друг с другом. Внизу степень насыщенности раствора выше, а вверху, где начинается кристаллизация, выделяется теплота. Пока есть неоднородности и периодические изменения (изменение температуры) - процесс дендритообразования будет продолжаться. Необходимые условия для развития дендритов у кристаллов, растущих послойно, — большое переохлаждение и плохое перемешивание.

Количественная величина, характеризующая способность каждого металла переходить в раствор в виде ионов, а также восстанавливаться из ионов до металла на электроде- стандартный электродный потенциал металла. А соответствующий ряд, выстроенный в порядке изменения потенциалов, называется рядом стандартных электродных потенциалов.

1. Изучение зависимости скорости роста, формы и массы дендритных кристаллов меди при вытеснении меди из раствора медного купороса цинком

Эксперимент проводили следующим образом.

Взяли стеклянный сосуд и поместили в него 20 граммов медного купороса, 40 граммов хлорида натрия. Поверх слоев положили круг из фильтровальной бумаги так, чтобы он вплотную прилегал к стенкам стакана. На фильтр поместили гранулы цинка массой 5 грамм. Удерживая фильтр стеклянной палочкой, медленно и тоненькой струйкой налили концентрированный раствор хлорида натрия так, чтобы он не перевернул фильтр и не перемешал слои. Закрыли стакан фильтровальной бумагой.

Постоянные величины:

1. диаметр сосуда – 5 см;

2. объём перенасыщенного раствора хлорида натрия - 100 мл;

3. масса медного купороса - 20 грамм;

4. масса гранул цинка – 5 грамм;

Через 15 минут эксперимента слои солей окрасились в бледно-зелёный цвет, что связано с образованием хлорида меди CuCl₂. Затем начали образовываться в слое хлорида натрия центры дендритообразования и розовые нити-дендриты меди. Динамика дендритообразования представлена в таблице 1(Приложение А, таблица 1).

На шестой день наблюдали следующие изменения. В сосуде раствор поваренной соли стал голубовато – прозрачного цвета, слой кристаллической поваренной соли немного потемнел, слой сульфата меди практически исчез, остаток на дне – белого цвета. По всей границе поваренной соли и фильтровальной бумаги, поваренной соли и сульфата меди расположены центры дендритообразования. Очень мало. Выше границы раствора на стенках сосуда тонкий слой чистых кристаллов хлорида натрия. Форма кристаллов – дендритная (Приложение Д).

Электродные потенциалы цинк - катион цинка (II), медь - катион меди (II):

Zn⁰- 2e = Zn²⁺ -0,763 В Cu⁰- 2e = Cu²⁺ 0,34 В

У цинка меньше потенциал, чем у меди, поэтому он отдаёт электроны, окисляется, а ионы меди получают электроны и происходит восстановление меди. Восстановление меди происходит на границе цинковой гранулы - раствор. До тех пор, пока цинк не растворится - на всём дендрите остаётся фиксированный потенциал. Рост дендрита идёт в сторону повышения концентрации катионов меди.

2. Изучение зависимости скорости роста, формы и массы дендритных кристаллов меди при вытеснении меди из раствора медного купороса алюминием.

Эксперимент проводили следующим образом.

Взяли стеклянный сосуд и поместили в него 20 граммов медного купороса, 40 граммов хлорида натрия. Поверх слоев положили круг из фильтровальной бумаги так, чтобы он вплотную прилегал к стенкам стакана. На фильтр поместили алюминий в гранулах массой 5 грамм. Удерживая фильтр стеклянной палочкой, медленно и тоненькой струйкой налили концентрированный раствор хлорида натрия так, чтобы он не перевернул фильтр и не перемешал слои. Закрыли стакан фильтровальной бумагой и оставили стоять при комнатной температуре.

Постоянные величины:

1. диаметр сосуда – 5 см;

2. объём перенасыщенного раствора хлорида натрия - 100 мл;

3. масса медного купороса- 20 грамм;

4. масса гранул алюминия – 5 грамм;

Через 2 часа эксперимента слои солей окрасились в ярко зеленый цвет, что связано с образованием хлорида меди CuCl₂. Затем начали образовываться в слое хлорида натрия центры дендритообразования и розовые нити-дендриты меди. Динамика дендритообразования представлена в таблице 2 (Приложение Б, таблица 2).

На шестой день наблюдали следующие изменения. В сосуде раствор поваренной соли стал мутно-зелёным, слой кристаллической поваренной соли немного потемнел, слой сульфата меди практически исчез, остаток на дне – зелёного цвета. В одном месте на границе поваренной соли и фильтровальной бумаги, поваренной соли и сульфата меди расположены центры дендритообразования. Выше границы раствора на стенках сосуда тонкий слой чистых кристаллов хлорида натрия. Форма кристаллов – дендритная (Приложение Е).

Электродные потенциалы алюминий - катион алюминия (II), медь - катион меди (II):

Al⁰- 3e = Al³⁺ -1,662 В Cu⁰- 2e = Cu²⁺ 0,34 В

У алюминия меньше потенциал, чем у меди, поэтому он отдаёт электроны, окисляется, а ионы меди получают электроны и происходит восстановление меди. Восстановление меди происходит на границе алюминиевой гранулы - раствор. До тех пор, пока алюминий не растворится - на всём дендрите остаётся фиксированный потенциал. Рост дендрита идёт в сторону повышения концентрации катионов меди.

3. Изучение зависимости скорости роста, формы и массы дендритных кристаллов меди при вытеснении меди из раствора медного купороса железом.

Эксперимент проводили следующим образом.

Взяли стеклянный сосуд и поместили в него 20 граммов медного купороса, 40 граммов хлорида натрия. Поверх слоев положили круг из фильтровальной бумаги так, чтобы он вплотную прилегал к стенкам стакана. На фильтр поместили металлическое железо в виде порошка массой 5 грамм. Удерживая фильтр стеклянной палочкой, медленно и тоненькой струйкой налили концентрированный раствор хлорида натрия так, чтобы он не перевернул фильтр и не перемешал слои. Закрыли стакан фильтровальной бумагой и оставили стоять при комнатной температуре.

Постоянные величины:

1. диаметр сосуда – 5 см;

2. объём перенасыщенного раствора хлорида натрия - 100 мл;

3. масса медного купороса- 20 грамм;

4. масса железных опилок – 5 грамм;

На первый день слои солей окрасились в грязно - серый цвет. Затем начали образовываться в слое хлорида натрия центры дендритообразования и розовые нити-дендриты меди. Динамика дендритообразования представлена в таблице 3 (Приложение В, таблица 3).

На шестой день наблюдали следующие изменения. В сосуде раствор поваренной соли стал мутно - ржавым, слой кристаллической поваренной соли немного потемнел, слой сульфата меди практически исчез, остаток на дне – грязно-серого цвета. По всей границе поваренной соли и фильтровальной бумаги, поваренной соли и сульфата меди расположены центры дендритообразования. Очень мало. Выше границы раствора на стенках сосуда тонкий слой чистых кристаллов хлорида натрия. Форма кристаллов –

дендритная (Приложение Ж).

Электродные потенциалы железо - катион железа (II), медь - катион меди (II):

Fe⁰- 2e = Fe²⁺ -0,44 В Cu⁰- 2e = Cu²⁺ 0,34 В

У железа меньше потенциал, чем у меди, поэтому железо отдаёт электроны, окисляется, а ионы меди получают электроны и происходит восстановление меди. Восстановление меди происходит на границе железные опилки - раствор. До тех пор, пока железо не растворилось - на всём дендрите остаётся фиксированный потенциал. Рост дендрита идёт в сторону повышения концентрации катионов меди.

4. Изучение зависимости скорости роста, формы и массы дендритных кристаллов меди при вытеснении меди из раствора медного купороса молибденом.

Эксперимент проводили следующим образом.

Взяли стеклянный сосуд и поместили в него 20 граммов медного купороса, 40 граммов хлорида натрия. Поверх слоев положили круг из фильтровальной бумаги так, чтобы он вплотную прилегал к стенкам стакана. На фильтр поместили молибден массой 5 грамм. Удерживая фильтр стеклянной палочкой, медленно и тоненькой струйкой налили концентрированный раствор хлорида натрия так, чтобы он не перевернул фильтр и не перемешал слои. Закрыли стакан фильтровальной бумагой и оставили стоять при комнатной температуре.

Постоянные величины:

1. диаметр сосуда – 5 см;

2. объём перенасыщенного раствора хлорида натрия - 100 мл;

3. масса медного купороса - 10 грамм;

4. масса пружин молибдена – 5 грамм;

За всё время эксперимента не образовалось кристаллов меди, раствор в первые дни начал темнеть, на шестой день полностью потемнел (Приложение Г, таблица 4). Не произошло вытеснение меди из раствора (Приложение З).

Электродные потенциалы молибден - катион молибдена (II), медь - катион меди (II):

Mo⁰- 2e = Mo²⁺ -0,2 В Cu⁰- 2e = Cu²⁺ 0,34 В

Выводы:

Работая над проектом, мы сделали следующие выводы:

1. Самым доступным методом получения кристаллов является кристаллизация из растворов.

2. При выращивании кристаллов из растворов движущей силой процесса является перенасыщение.

3. В условиях школьной лаборатории возможно вырастить дендритные кристаллы металлической меди и исследовать влияние потенциала активности вытесняющего металла на скорость роста дендритов, их количество и величину.

4. Самый крупный кристалл был получен в опыте вытеснения меди из раствора медного купороса алюминием, так как алюминий по сравнению с другими металлами алюминий обладает наименьшим электродным потенциалом.

Е = Cu2+/Cu0 - Zn0/Zn2+ = 0,34 –(-0,763) = 1,103 В

Е = Cu2+/Cu0 - Al0/Al3+ = 0,34 – (-1,662) = 2,002 В

Е = Cu2+/Cu0 - Fe0/Fe2+ = 0,34 – (-0,44) = 0,78 В

Е = Cu2+/Cu0 - Mo0/ Mo2+ = 0,34 – (- 0,2) = 0,54 В

В паре Cu2+/Cu0 //Al0/Al3+ наибольшее значение ЭДС, поэтому в данном случае мы наблюдали наибольшую скорость роста и увеличение массы дендритных кристаллов меди.

Все проделанные опыты просты в исполнении, результативны и не требуют больших затрат времени.

Проведенная работа позволила удовлетворить наш практический интерес к химии кристаллов, расширила научные познания в данной области и позволила совершенствовать практические умения и навыки.

Список использованных источников

1. Медь. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B5%D0%B4%D1%8C.

2. Вырасти кристаллы меди. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://himiklab.org.ua/cryst_cu.shtml

3. Самородная медь. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%B0%D0%BC%D0%BE%D1%80%D0%BE%D0%B4%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%BC%D0%B5%D0%B4%D1%8C

4. Еремин Н.Н. Занимательная кристаллография / Еремин Н.Н., Еремин Т.А. / [Электронное издание]. – Режим доступа: https://books.google.ru/books?id=KK7GBwAAQBAJ&pg=PP99&lpg=PP99&dq=дендритные+кристаллы+меди&source=bl&ots=Wsu1v4I5ME&sig=Du-

Приложение А

Приложение Б

Таблица 2. Изучение зависимости скорости роста, формы и массы дендритных кристаллов меди из раствора медного купороса алюминием.

Приложение В

Таблица 3. Изучение зависимости скорости роста, формы и массы дендритных кристаллов меди при вытеснении меди из раствора медного купороса железом

Приложение Г

Таблица 4. Изучение зависимости скорости роста, формы и массы дендритных кристаллов меди из раствора медного купороса молибденом

Приложение Д

Изучение зависимости скорости роста, формы и массы дендритных кристаллов меди при вытеснении меди из раствора медного купороса цинком

Через 15 минут 1 день

3 день 6 день

кристаллы фильтр

Приложение Е

Изучение зависимости скорости роста, формы и массы дендритных кристаллов меди из раствора медного купороса алюминием.

Через 2 часа 6 день

Кристалл Фильтр

Приложение Ж

Изучение зависимости скорости роста, формы и массы дендритных кристаллов меди при вытеснении меди из раствора медного купороса железом

Кристаллы Фильтр

Приложение З

Изучение зависимости скорости роста, формы и массы дендритных кристаллов меди из раствора медного купороса молибденом

Адрес публикации: https://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/460049-issledovatelskaja-rabota-obuchajuschegosjaiz