Международный конкурс научно-технических работ школьников «Старт в науку»
-------------------------------------------------------------------------------
Российская Федерация
г. Челябинск
Выращивание водорастворимых кристаллов методом снижения температуры
Автор:
,
Челябинская область, г. Челябинск,
МОУ лицей № 11, класс 8
Научный руководитель:
,
учитель физики первой категории,
г. Челябинск, МОУ лицей №11,
Челябинск - 2012 г.
История вопроса.
Кристаллы всегда вызывали большой интерес у человечества. Кристаллы алмаза, кварца, берилла, и других редких минералов украшают хранилища ценностей различных государств.
Но кроме эстетической ценности, кристаллы имеют и научную. Изучение строения и свойств кристаллов послужило толчком для развития науки и техники. Вспомним почти 500-летнию «Проблему Стенона» (загадку формирования некоторых «пассивных» граней кристалла кварца). Теперь же производство кристаллов – это отрасль индустрии. Искусственные алмазы для металлообработки и стоматологических бормашин, «вернейлевский рубин для часовых камней», гидротермальный синтез рубина для лазеров, и выращивание больших количеств искусственного кварца для радиотехнической промышленности (процессоры).
Цель.
Сделать простое в изготовлении и обслуживании оборудование для выращивания кристаллов различных солей, в частности хлорида натрия в условиях школьного эксперимента.
Выбор метода выращивания.
Существует несколько методов выращивания кристаллов:
1. Из газовой среды
2. Из раствора
3. Из расплава
Для школьных условий идеален метод выращивания водных растворов, потому что:
· Вода как растворитель имеется в неограниченных количествах, бесплатна и безопасна.
· Кристаллы из растворов хорошо огранены и вызывают огромный интерес у школьников всех классов
Для выращивания кристаллов из раствора необходимо тем или иным способом повышать степень пересыщения раствора. Это достигается:
1. Понижением температуры раствора
2. Выпариванием растворителя
3. «Высаливанием» одного из компонентов раствора вводимым туда другим, более растворимым и имеющим одинаковые с первым ионы.
4. Изменением pH среды
Как самый простой для реализации выбран первый метод – понижение температуры.
Особенности школьного эксперимента.
Главной особенностью школьного эксперимента является отсутствие термостабилизации помещения, то есть заметное колебание в нем температуры в течении суток(термостабилизация является важной составляющей процесса выращивания кристаллов).
Устройство аппарата №1.
Внешний вид аппарата показан на рисунке 1.Обратимся к схеме аппарата (рис 2):
1) Взята пластиковая бутыль(0,5 – 1,5 литра) с отрезанным дном (рис 3). В верхней части намотана электрическая спираль, включаемая через понижающий (для электробезопасности) трансформатор в сеть.
2) В верхней части емкости помещен специальный пластиковый стакан (рис.4). По бокам стакана имеется одно или два отверстия (вытянутых в высоту) затянутых мелкой капроновой сеткой.
Устройство аппарата №2.
Внешний вид аппарата показан на рисунке 5. Обратимся к схеме аппарата (рис.6):
1) Из двух стеклянных бутылок создан сообщающийся сосуд. В один из сосудов устанавливается стеклянный стакан для соли, нагревательный элемент и электромотор.
2) Электромотор и нагревательный элемент подключены к тиристорному регулятору мощности.
Принцип работы аппарата №1.
В стакан засыпается соль, взятая для выращивания, а сам стакан вставляется в емкость со слегка недонасыщеным раствором этого же вещества(Это стартовая позиция самовоспроизводится при периодическом выращивании кристаллов одного типа).
После этого на медной лакированной проволоке крепится исходный кристалл той же соли к стакану.
Принцип работы основан на снижении температуры насыщенного раствора. Рассмотрим это подробнее.
При включении подогрева верхней части прибора (степень нагрева зависит от температурного коэффициента растворимости соли: чем ярче выражена зависимость, тем меньше подогрев), раствор нагревается, но вначале скапливается в верхней части емкости (он легче холодного). За счет более высокой температуры, чем исходная, он дополнительно растворяет исходное поликристаллическое вещество и, становясь тяжелее от роста концентрации соли, опускается в нижнюю часть емкости, где находиться в подвешенном состоянии (на проволоке) растущий кристалл. По пути, охлаждаясь, раствор становиться пересыщенным, и вызывает рост кристалла. Вокруг кристалла наблюдаются восходящие токи легкого насыщенного раствора, который поднимается в верхнюю часть емкость, где цикл повторяется. Отмечу важную особенность: емкости должны сужаться снизу.
Это важно потому, что никак не избежать появления «паразитических» кристаллов, которые будут отбирать раствор у главного растущего кристалла.
Поэтому надо сделать так, что бы они находились в более трудных условиях для роста, чем основной кристалл. Поэтому очень важно что, падая вниз, они скапливаются в самой узкой части – горловине бутылки, и мешают друг другу. Те «паразиты» которые осели на стенках бутылки, сбрасываются вниз щелчком пальца по стенке емкости, при обслуживании установки.
Большим достоинством данной методики является отсутствие необходимости регулярного обслуживания установки (при выключении установки рост кристалла останавливается). Однако температурная нестабильность проявляется очень сильно, так как по принципу работы емкости должны иметь разную температуру. Выход был найден.
Скорость роста кристалла зависит от двух факторов:
1. От пересыщения раствора, зависящего от колебаний температуры
2. От скорости встраивания ионов соли в кристаллическую решетку, зависящею от примеси других ионов, находящихся в растворе.
В чистых растворах определяющим фактором скорости роста (и качества кристалла) является первый фактор. И тогда надо следить за температурой. А вот если ввести в раствор подходящую примесь, мешающую кристаллизации, то создав высокий уровень пересыщения (перепада температур в верхней и нижней части аппарата), можно получить устойчивый медленный рост качественных кристаллов. В ходе эксперимента на алюмокалиевых квасцах удалось подобрать такую примесь. Это оказался тетраборат натрия(Na2B4O7). В концентрации ≈ 5 г/л эта соль позволила получить качественные кристаллы алюмокалиевых квасцов, несмотря на значительные колебания температуры при росте кристаллов (без этой примеси кристаллы росли быстро, но с огромным количеством внутренних дефектов). Попутно менялась форма кристалла: появлялись грани которые раньше из-за большой скорости роста исчезали (выклинивались).
Соли выращиваемые в данном аппарате.
1. Алюмокалиевые квасцы(KAl(SO4)2 · 12H2O)
2. Хромокалиевые квасцы(KCr(SO4)2 · 12H2O)
3. Медный купорос(CuSO4 · 5H2O)
И другие.
Принцип работы аппарата №2.
Проблема хлорида натрия.
- А не замахнутся ли нам
на самого Вильяма Шекспира?
- И замахнемся.
(х/ф «Берегись автомобиля»)
Среди солей, выращенных энтузиастами нет хлорида натрия – самой доступной и дешевой соли. Нет и таких кто вырастил монокристалл поваренной соли. Также на графике видно что зависимости растворимости от температуры практически нет. А в нашей методике выращивания это является ключевым аспектом. Подробные данные о растворимости мы нашли в химической энциклопедии.
| 0 | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 | 70 | 80 | 90 | 100 |
Растворимость г/100г раствора | 35,7 | 35,8 | 36,0 | 36,3 | 36,6 | 37,0 | 37,3 | 37,8 | 38,4 | 39,0 | 39,8 |
А в другом справочнике был найден коэффициент понижения плотности раствора от температуры 20,6% раствора NaCl за счет объемного расширения раствора. эта величина равна 0,0015151/
.
И хотя 20,6% раствор это не насыщенный (насыщенный ≈ 36%), картина стала ясна. Видно, что с одной стороны при нагревании раствора его плотность растет за счет дополнительного растворения соли. Но этот эффект перекрывается другим – раствор, даже более концентрированный становится легче и поднимается вверх. Поэтому решено было создать аппарат из стеклянных бутылок для компенсации слабой зависимости более высоким перепадом температур(≈70).
В одном из сосудов были установлены нагревательный элемент и электромотор.
На термоэлемент подается 8 вольт через тиристорный регулятор. В верхней части емкости этой же емкости установлены стакан с прорезью и элетромотор. Он включается на 0,5 секунды каждые 8 секунд. Идея проста: насыщенный раствор выталкивается новыми порциями горячего раствора и переходит во вторую емкость, где охлаждается, опускается вниз, и порция соли оседает на кристалле. Потом раствор снова переходит в первую емкость, где цикл повторяется.
Выводы.
1. Разработана простая в обслуживании аппаратура для выращивания кристаллов в условиях школьного эксперимента.
2. Данный аппарат способствует развитию у школьников интереса к физике и химии, способствует популяризации науки.
Список литературы.
1. Методическая газета для учителей «Физика» №14 2006, стр. 36-47
2. Журнал «Физика в школе» №6 2006
3. «Рост кристаллов» М., Издательство иностранная литература
4. «Методы выращивания кристаллов» Ленинград, Недра 1968 г.
5. Краткий технический справочник под редакцией . Главное издательство технико-теоритической литературы. Москва-Ленинград 1949 г.
Приложения.
Инструкция по выращиванию кристаллов для аппарата, использующего температурный градиент раствора.
Приготовить слегка недонасыщеный раствор выращиваемой соли при температуре ≈ 50 градусов Цельсия во вспомогательной емкости. Дать раствору выдержаться сутки.
1. Залить приготовленный раствор в пластмассовую емкость – аппарат по выращиванию.
2. Установить пластиковый стакан. Засыпать в него дополнительно 50-100 г. выращиваемой соли, не допуская ее просыпания через центральное отверстие на дно аппарата.
3. Включить подогрев верхней части. Оптимальное напряжение 2-6В.
4. Закрепить при помощи медной изолированной лаком тонкой проволокой маленький исходный «затравочный» кристаллик выращиваемой соли, приготовленный заранее и, отмерив нужную длину проволоки, опустить через центральное отверстие в верхней баночке внутрь аппарата на 3-3,5 см. от дна, и закрепить в этом положении. Очень важно непосредственно перед закреплением кристаллика, осторожно в течении 5-10 секунд прополоскать его и держащую проволоку в чистой воде комнатной температуры.
5. Периодически (1 раз в сутки) наблюдать за ростом кристалла. Если кристалл растет слишком быстро и на нем образуются дефекты, то надо снизить напряжение подогревателя. И наоборот добавить нагрев при слишком малой скорости роста.
6. Если нет хорошего «затравочного» кристалла, то проделываем все операции по пунктам 1 – 4, вместо «затравки» опускаем до дна шерстяную или хлопчатобумажную нить. Через некоторое время на дне аппарата и на ворсинках нити образуются подходящие для дальнейшего выращивания паразитические кристаллы.
