Получение монокристалла воды

XX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель

Получение монокристалла воды

Чумаченко Д.А. 1
1Филиал ТИУ в г. Ноябьске
Захарова М.В. 1
1Филиал ТИУ в г. Ноябьске
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение.

Во многих вымышленных вселенных ледяные элементали часто изображаются в виде поликристаллических структур. Такое представление объясняется спонтанностью образования элементалей и их происхождением из чистой энергии льда и холода.

Эти элементали представляю собой ожившие глыбы льда, которые подчиняются хозяину, и я подумал о возможности повторить это с помощью химического опыта . Понятно, что создать ручной и движущийся ледник невозможно, можно попытаться создать ледяной кристалл. И прочитав некоторое количество тематической литературы, мы поняли, что нам нужно кристаллизировать обычную воду, чтобы она превратилась в монокристалл.

Молекула воды состоит из двух атомов водорода (H) и одного атома кислорода (O), соединенных ковалентными связями. Кислородный атом образует центральный атом, к которому прикреплены два атома водорода. У молекулы воды есть угловая форма, где угол между двумя водородными атомами составляет около 104,5 градуса. Это делает молекулу воды полярной, с положительно заряженной стороной у водородных атомов и отрицательно заряженной стороной у кислородного атома. Это обуславливает множество особенностей и свойств воды, таких как ее способность образовывать водородные связи, высокую теплоемкость и поверхностное натяжение.

Кристаллизация - процесс образования кристаллов из газов, растворов, расплавов или стёкол. Кристаллизацией называют также образование кристаллов с данной структурой из кристаллов иной структуры (полиморфные превращения) или процесс перехода из жидкого состояния в твёрдое кристаллическое( благодаря это процессу вода или водяной пар превращается в лёд)

Монокристалл - отдельный кристалл, имеющий непрерывную кристаллическую решётку (в противоположность поликристаллу — телу из сросшихся кристаллов).

Лед - это вода(или водяной пар), которая заморожена в твердое состояние, обычно образующееся при температурах 32 ° F, 0 ° C или 273,15 K или ниже.

Хладагент - это рабочая жидкость, используемая в холодильном цикле систем кондиционирования воздуха и тепловых насосов, где в большинстве случаев они подвергаются многократному фазовому переходу из жидкости в газ и обратно.

Основная часть.

Выращивание крупного монокристалла воды в реальной жизни может быть сложной задачей, так как вода, как молекулярное соединение, обычно не образует монокристаллическую структуру. Однако, можно предложить несколько методов, которые могут быть использованы для создания крупных кристаллов воды в экспериментальных условиях:

1. Метод растворения и перекристаллизации: Возможно вырастить монокристалл воды из насыщенного раствора, путем постепенного охлаждения или испарения растворителя. Этот метод является наиболее распространенным для получения кристаллов воды.

2. Метод контролируемого охлаждения/кристаллизации: Жидкость может быть охлаждена, чтобы образовать точки замерзания, затем они вырастают в монокристаллы воды.

3. Метод электролиза: Путем применения электрического тока к раствору воды можно получить монокристаллы воды на электроде.

4. Метод физического осаждения: Предварительно нагретые пары воды могут быть конденсированы на холодной поверхности, образуя монокристаллы воды.

5. Метод замораживания: Жидкая вода может быть заморожена сама по себе или с использованием веществ, таких как жидкий азот, для получения монокристалла льда. Для эксперимента нам понадобится ёмкость с дистиллированной водой и хладогентный спрей. Для опыта мы используем в качестве хладогента жидкий азот, т.к. азот- лучший из хладагентов и самый доступный. Медленно выливаем воду из ёмкости,и опрыскиваем струю воды хладогентным спреем. Температура жидкого азота -195оС, из-за этого тонкая струя воды быстро кристаллизируется и мы получим хрупкий, тонкий ледяной монокристалл.

Реакция воды и жидкого азота:

H2O (жидкость) + N2 (жидкий азот) -> H2O (лед) + N2 (газ)

При взаимодействии жидкой воды с жидким азотом, происходит отвод тепла от воды, вызывая охлаждение и замерзание. Жидкая вода преобразуется в лед, а жидкий азот испаряется, образуя газообразный N2. Полученный лед будет представлять собой монокристалл воды.

Для доказательства, что получен крупный монокристалл воды, можно применить термический анализ.

Термический анализ льда, позволит изучить его фазовые переходы, температуру плавления и кристаллические структуры. Монокристалл воды будет проявлять характерные теплотные эффекты, соответствующие фазовым переходам.

При проведении термического анализа льда, используются различные методы, такие как дифференциальная сканирующая калиориметрия (DSC) итермическая сканирующая калиориметрия (TGA).

Данные методы основаны на измерении изменения теплоты или массы образца при изменении температуры.

Основные результаты, получаемые из термического анализа льда, включают:

1. Определение температуры плавления льда: Монокристалл воды будет проявлять характеристическую точку плавления при 0°C. Также будет наблюдаться задержка плавления из-за отсутствия соседних зерен.

2. Изучение фазовых переходов: Вода проходит через фазовые переходы при повышении и понижении температуры, включая фазовые переходы между льдом, водой и паром. Монокристалл воды будет проявлять характерные эффекты при этих переходах, такие как разница в удельной теплоемкости и изменение тепловых характеристик.

3. Измерение кристаллической структуры: Термический анализ также может помочь в определении кристаллической структуры льда. Выявление характерных пиков поглощения или отражения на графике теплового потока или массы поможет определить структурные особенности монокристалла воды.

Рассмотрим пример термического анализа льда с использованием метода дифференциальной сканирующей калориметрии (DSC).

Шаг 1: Подготовка образца льда

- Мы берем небольшой образец льда, который был получен путем замораживания воды.

- Образец должен быть хорошо обсушен, чтобы исключить наличие влаги.

Шаг 2: Проведение DSC анализа

- Вставляем образец льда в калориметр DSC.

- Программируем способность нагрева калориметра таким образом, чтобы начальная температура была ниже точки плавления льда и затем медленно повышалась до температуры, выше точки плавления.

- Во время нагревания и охлаждения, DSC измеряет количество теплоты (калории) поглощаемое или выделяемое образцом льда. Это позволяет нам определить фазовые переходы и изменение теплоемкости.

Шаг 3: Анализ полученных данных

- Анализируем полученные данные DSC графика, который отображает изменение теплоты (сравнительно к базовому уровню) в зависимости от температуры.

- Будет видно характерное пиковое значение, соответствующее фазовому переходу плавления льда.

- Мы также можем обнаружить информацию о плавлении и затвердевании льда, включая энтальпию плавления и температуру твердения.Таким образом, проведение термического анализа льда с использованием DSC поможет определить фазовые переходы, температуру плавления и изменение теплоемкости, что подтвердит, что полученный лед является монокристаллом воды.

Заключение.

Образование монокристалла воды не является химической реакцией, так как вода, как химическое соединение, не образует монокристаллическую структуру. Монокристаллы формируются из минералов или других химических соединений, в которых атомы или молекулы располагаются в регулярной и упорядоченной 3D-структуре.

Вода в своей природной форме представляет собой жидкость или аморфный лед, что означает, что молекулы воды не имеют строго упорядоченной структуры в поликристаллах или монокристаллах.

Монокристаллические структуры обычно формируются веществами с определенной кристаллической решеткой, где атомы или молекулы занимают определенные позиции и обладают регулярным упорядочением.

Вода имеет простую химическую формулу H2O, и ее молекулы состоят из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Молекулы воды свободно передвигаются друг относительно друга и не строят жестких связей, которые можно было бы организовать в монокристаллическую структуру.

Существует несколько методов, которые могут быть использованы для создания крупных кристаллов воды в экспериментальных условиях:

Проведение термического анализа льда с использованием DSC поможет определить фазовые переходы, температуру плавления и изменение теплоемкости, что подтвердит, что полученный лед является монокристаллом воды.

Используемая литература и интернет-источники.

  1. https:/ru.wikipedia.org

  2. https://studopedia.ru

  3. https://school-science.ru

  4. В.Е. Ситникова, А.А. Пономарева, M.В. Успенская Методы термического анализа. Практикум, Санкт-Петербург, 2021 г.

Просмотров работы: 1326