XII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

1 – моно;

2 – ди;

3 – три;

4 – тетра;

5 – пента;

6 – гекса;

7 – гепта;

8 – окта;

9 – нона;

10 – дека.

Например, кристаллогидрат FeSO₄, содержащий одну молекулу воды, называется моногидрат сульфата железа (II). Если в кристаллогидрате семь молекул воды, он называется гептагидрат сульфата железа (II).

Вода из кристаллогидрата в большинстве случаев удаляется ступенчато. Например, при нагревании медного купороса, он переходит в тригидрат, затем в моногидрат. При нагревании до 250°С медный купорос полностью обезвоживается до сульфата меди (II) [6].

Формула кристаллогидрата состоит из двух частей. Сначала записывается формула вещества. Через точку (знак умножения) указывается количество молекул воды. Например, ZnSO₄ ∙ 7H₂O, CuSO₄ ∙ H₂O, Na₂CO₃·10H₂O, H₂SO₄ · H₂O.

Р ис.2. Строение молекулы

кристаллогидрата

медного купороса

Нахождение кристаллогидратов в природе

Кристаллогидраты – хранилища метана в недрах вечной мерзлоты и мирового океана в виде соединений включений – клатратов.

Затвердевание минеральных вяжущих материалов в большинстве случаев обеспечивается гидратационными процессами, включающими в себя как чисто химические, так и комплексные физико-химические процессы. В общем виде процессы сводятся к гидратации, росту кристаллов и сцеплению их между собой.

Кристаллогидраты образуются в растительных и животных организмах, которые чаще всего выпадают в виде осадков.

Типичными кристаллогидратами являются природные минералы – гипс, карналлит, алебастр, бура [4].

1.3. Наиболее используемые человеком кристаллогидраты

Кристаллогидраты имеют широкое применение в народном хозяйстве. Медный купорос применяют как протраву при крашении тканей для консервирования древесины, протравливания семян. В медицине разбавленный раствор медного купороса применяют как антисептическое и вяжущее средство, малые дозы медного купороса назначают иногда при анемии для усиления кроветворения [7].

Алюмокалиевые квасцы обладают противовоспалительным дезинфицирующим и обволакивающим свойствами. Имеют широкое применение в медицине. Также используется такое свойство алюмокалиевых квасцов как их губительное воздействие на болезнетворные бактерии, а также способность оказывать подсушивающий и вяжущий эффект. Так, минеральный порошок, который можно купить в любой аптеке, поможет в случае наружного кровотечения.

Алюмокалиевые квасцы применяются в производстве антиперспирантов. Кристаллогидраты сульфата кальция используются в медицине и строительстве. Приготовление многих растворов в лаборатории связано с растворением кристаллогидратов. На принципе получение декагидрата сульфата натрия основано «осушение» органических веществ от воды. Сфер применения кристаллогидратов очень много.

Рассмотрим наиболее часто используемые кристаллогидраты:

MgSO₄ • 7H₂O — горькая (английская) соль. Купоросы– это сульфаты некоторых переходных двухвалентных металлов (меди, железа, марганца, цинка, кобальта, никеля), содержащие кристаллизационную воду. Есть мнение, что купорос – это искаженное старонемецкое Kupferwasser (дословно «медная вода»). По другой версии, купорос произошел от латинского cuprirosa – «медный цветок». В пользу этого свидетельствует средневековое английское название медного купороса – coperose, которое позже перешло в copperas. Так же называли «зеленый, синий и белый купоросы» – гидратированные сульфаты железа, меди и цинка.

Гидратирование [hydration] (гидратация) (от греческого hydor-вода) — присоединение воды к молекулам, атомам, ионам без разрушения молекул воды (что приводит к образованию гидратов) и с их разрушением. Гидратирование оксидов элементов приводит в зависимости от их природы к образованию щелочей, кислот

Отсюда и название концентрированной серной кислоты – купоросное масло т.к. ее раньше получали нагреванием купоросов, и она конденсировалась в реторте. Названия соединений:

FeSO₄ ·7H₂O – гептагидрат сульфата меди (II) (железный купорос),

СoSO₄ ·7H₂O – гептагидрат сульфата кобальта (кобальтовый купорос),

CuSO₄ · 5H₂O – пентагидрат сульфата меди (II) (медный купорос).

Сульфат кальция (CaSO₄)хорошо поглощает влагу из воздуха,на этом основано его применение в качестве осушителя.В природе часто встречаются залежи минерала CaSO₄-2H₂O,также содержится в природных водах и в морской воде.Содержание сульфата кальция (CaSO₄)наряду с MgCl₂-хдорид магния,и MgSO₄-сульфат магния, придает воде постоянную жесткость.

Сульфат меди (II) — один из важнейших солей меди. Часто служит исходным сырьём для получения других соединений меди.

Безводный сульфат меди — хороший влагопоглотитель и может быть использован для осушения газов (в том числе воздуха) и как индикатор влажности. В строительстве водный раствор сульфата меди применяется для нейтрализации последствий протечек, ликвидации пятен ржавчины, а также для удаления выделений солей с кирпичных, бетонных и оштукатуренных поверхностей, а также как средство для предотвращения гниения древесины.

В сельском хозяйстве медный купорос применяется как антисептик, фунгицид и медно-серное удобрение. Для обеззараживания ран деревьев используется 1%-ный раствор (100 г на 10 л), который втирается в предварительно зачищенные повреждённые участки. Против фитофтороза томатов и картофеля производятся опрыскивания посадок 0,2 % раствором (20 г на 10 л) при первых признаках заболевания, а также для профилактики при угрозе возникновения болезни (например, в сырую влажную погоду). Раствором сульфата меди поливается почва для обеззараживания и восполнения недостатка серы и меди (5 г на 10 л). Однако чаще медный купорос применяется в составе бордоской жидкости — основного сульфата меди

CuSO₄·3Cu (OH)₂ против грибковых заболеваний и для этих целей сульфат меди (II) имеется в розничной торговле.

Для борьбы с цветением воды в водохранилищах также используется химическая обработка медным купоросом.

Также он применяется для изготовления минеральных красок, в медицине, как один из компонентов электролитических ванн для омеднения и т. п. и в составе прядильных растворов в производстве ацетатного волокна.

Железный купорос с успехом применяют в промышленности, медицине, текстильном производстве (купорос помогает окрасить шерсть в чёрный цвет), при изготовлении чернил, в сельском хозяйстве и садоводстве. Именно у садоводов он получил наиболее широкое применение, его используют не только как фунгицид, средство от вредителей, но и как подкормку. Алебастр (2CaSO_{4 ∙} H₂O) — это довольно древний строительный материал, о чем можно судить по старинным изделиям, изготовленным на его основе. Их производство датировано 4 тыс. до нашей н.э. Вещество в готовом к применению виде представляет собой порошок белого цвета. Допускаются у него различные оттенки, от желтого до розового. Его получают в результате температурной обработки гипсового камня. Он разогревается и запекается, в результате чего высушивается и меняет свои свойства. Переработанный таким образом камень перемалывается в готовый строительный алебастр .

Рис.3. Внешний вид кристаллогидратов

Понятие о красках

Краски - это цветные красящие вещества натурального или искусственного происхождения, предназначенные для непосредственного использования в той или иной сфере быта, которые способны окрашивать тот или иной материал.

Краски по их происхождению можно разделить на две основные группы: искусственные и естественные (природные). Природные разделяются на органические (полученные из растений и животных) и минеральные (полученные из земли и камня). Искусственные – акриловая, акварельная, гуашь, темпера, витражная и другие [5].

Как видим, разновидностей красок действительно много. Но при всем многообразии, большинство красок объединяет одна особенность. Любые краски (кроме порошковых) состоят из пигмента и связующего. Пигмент — это красящее вещество в виде порошка, являющийся основой любой краски. Связующее — это клеящее вещество, скрепляющее микроскопические частички пигмента между собой и с основой, на которую наносят краску.

Мы предполагаем, что кристаллогидраты будем использовать в качестве пигмента.

2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

2.1. Опыт с нагреванием кристаллогидрата

Опыт № 1.

Цель: доказать, что кристаллогидраты содержат воду и могут менять цвет при её потере.

Оборудование: шпатель, ступка с пестиком, выпарительная чашка, спиртовка, весы лабораторный штатив

Вещества: медный купорос

Вспомогательные вещества: сухое горючее, спички

Гипотеза: Вода испаряется при 100 градусах, значит если нагреть кристаллогидрат до этой температуры, то вода испарится.

Д ля проведения этогоопыта взвесим кристаллогидрат до и после нагревания

Масса выпарительной чашки с медным купоросом 56грамм до выпаривания.

После прокаливания вес изменился до 52 грамм, т.е испарилось 4 грамма воды. Цвет вещества при испарении также изменился с синего на белый.

Рис.4.Процесс прокаливания

Рис. 5. Медный к упорос до и после прокаливания

Вывод: Эти опытом я доказал, что кристаллогидраты содержат воду и при нагревании меняют цвет. Значит это свойство можно использовать в красках.

2.2. Возможность использования кристаллогидратов для изготовления красок Парацельса

Опыт№2.

Цель: доказать возможность применения изменение цвета краски под действием температуры и влаги.

Оборудование: мастихин, бумага, ступка с пестиком, плита, пипетка, пульверизатор с водой

Вещества: медный купорос, белый пигмент, вода

Гипотеза: наносимые изображения будут менять свой цвет при потере влаги в следствии нагревания и опрыскивания водой.

1.Разотрем медный купорос с пигментом белой гуаши

2. Нарисуем на бумажном диске рисунок

3. Покрыли рисунок изготовленной краской

4. Положили рисунок на нагретую электрическую печь.

5. После проявления по контуру рисунка черного цвета нагревание прекратили.

6. Обрызгали рисунок водой из пульверизатора.

Вывод: Краска при нагревании изменяет цвет на белый, а при контакте с водой становится снова бирюзовой.

ВЫВОДЫ

К сожалению, рецепт красок Парацельса нe дошел до наших дней, но догадаться о его составе можно. Проще всего связать его с участием в качестве красочной основы кристаллогидратов.

Кристаллогидраты – кристаллические вещества, содержащие в своей структуре связанную воду.

Изменение цвета красок под воздействием температуры вызвано потерей кристаллогидратом части или всей кристаллизационной воды. Голубые кристаллы медного купороса при нагревании обесцвечиваются, хлорид кобальта розового цвета при нагревании до 58C^оменяет цвет на фиолетовый, а при нагревании до 140C^о на синий, бромид кобальта при нагревании меняет цвет с красного до синего.

Растёртый в порошок кристаллогидрат можно использовать для изготовления красок в качестве пигмента.

Таким образом, мы достигли цели работы.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Алексинский В.Н. Занимательные опыты по химии. Пособие для учителей. – М.: Просвещение, 1980 г.

В.П. Сидельников, « Эта всесильная химия», Донецк, 1979г.

И.Л.Кнунянц; ИЗДАТЕЬСТВО «СОВЕТСКАЯ ЭНЦИКОПЕДИЯ» МОСКВА 1988; Химическая Энциклопедия

О. Ольгин «Занимательные опыты по химии», М., «Детская литература», 2002 г.

Э. Дубровина «Краски рождаются…», М., 1973 г.

https://ru.googl-info.com/340615/1/kristallogidraty.html

https://smekni.com/a/174578/metodika-izucheniya-kristallogidratov-v-shkolnom-kurse-khimii/