Дендриты металлов - химические фракталы

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

Дендриты металлов - химические фракталы

Симаненков А.А. 1
1МБОУ «Лицей № 8»
Чекмарева А.М. 1Веденская А.Г. 2
1Домашнее обучение
2Ленинградский областной институт развития образования
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Все знают, что рост, восстановление формы - признаки живых организмов. Обычный камень или кусок дерева расти не могут, камень превращается в песок, дерево загнивает. Но природа всегда преподносит сюрпризы. Рост характерен и для кристаллов, они растут подобно живому существу. Кристаллы - твёрдые тела, частицы их расположены в строго определенном порядке, образуя кристаллическую решётку. При определенных условиях для кристаллов характерна самоорганизация, самовоспроизведение и многообразие форм и структур: некоторые напоминают древесные ветви, кусты или длинные нити, иголки, имеются кристаллы решетчатой формы.

В природе есть кристаллы различных минералов, встречаются и кристаллы самородных металлов. Как правило, они имеют особую ветвистую форму – форму дендритов. Дендрит (от греческого - дерево) представляет собой ветвящееся и расходящееся в стороны образование.

К ним относятся образцы самородного золота, серебра, похожие на ветвящиеся кораллы, а самородный висмут образует решетчатые кристаллы.

Ф ото 1. Самородное золото

Ф ото 2. Самородное серебро

Ф ото 3. Самородная медь

Ф ото 4. Самородный висмут

Образование дендритов в природе происходит в стесненных условиях роста (расщелинах, тонких трещинках горных, пород,в вязкой среде, в рыхлых глинистых образованиях) вследствие неравномерного питания веществом отдельных частей растущих кристаллов. А также при нерав-номерном процессе кристаллизации - например, при резком падении температуры раствора. Рост кристалла начинается с зародыша — центра кристаллизации. Если параметры раствора (температура, давление, концентрация соединений) со временем не меняются или меняются слабо, то будет образовываться кристалл правильной формы. Однако, если один или несколько параметров меняются быстро, образование зародышей тоже будет происходить быстрее, и они будут слипаться между собой. Поступление вещества (диффузия) к растущим зародышам становится еще более неравномерным, и, как следствие, образуются характерные ветвящиеся формы. Направление роста «веточек» происходит в сторону поступления питающего раствора. Сам процесс образования дендрита принято называть дендритовым ростом.

     

Фото 5-6-7. Дендриты в камне

Дендриты можно получить искусственным путем.

Они образуются в металлических расплавах. Если расплавы долго остывают, в них появляются крупные дендриты. В случае быстрого остывания они полу-чаются мелкими. Самый крупный дендрит, получен-ный в результате плавки, достигает 39 сантиметров в высоту и весит почти 3,5 килограмма. Его назвали в честь выдающегося ученого, металлурга, Дмитрия Константиновича Чернова.

Фото 8. Кристалл Чернова

Дендриты металлов образуются:

  1. При плавлении металла и медленном его охлаждении.

  2. При пропускании тока через растворы или расплавы солей (электролиз солей).

  3. При вытеснении металлов из растворов их солей более активными металлами.

Мне более понятен и легче осуществим в химической лаборатории способ получения дендритов металлов вытеснением из растворов солей.

Цель работы: вырастить дендриты металлов из растворов солей путем замещения более активными металлами, изучить условия их образования.

Объект исследования: Дендриты меди, свинца, серебра.

Предмет исследования: Условия, необходимые для образования дендритов меди, серебра, свинца.

Гипотеза: В природе существуют кристаллические дендритные формы металлов, возможно, они могут образоваться и при химической реакции получения металлов из растворов их солей в лаборатории.

Актуальность работы.

Изучение условий самовоспроизведения, самоорганизации кристал-лической структуры вещества при химических реакциях познавательно, интересно и является дополнительным стимулом в освоении химии. Наглядно показывает единство и взаимосвязь изучаемых предметов - физики, химии, биологии.

Задачи:

  1. Изучить информацию о дендритах металлов.

  2. Подобрать реактивы и оборудование для выращивания и исследования условий получения дендритов металлов.

3. Вырастить дендриты меди, серебра, свинца.

  1. Обобщить результаты работы и сделать выводы.

Методы исследования:

1. Изучение литературы.

2. Химический эксперимент.

3. Наблюдение за результатами опытов.

4. Сравнение результатов проведенных опытов.

5. Анализ полученных результатов.

План исследования

1. Изучение литературы:

- исторические данные о дендритах металлов;

- изучение способов образования дендритов металлов в лаборатории.

2. Подбор реактивов и оборудования для проведения опытов.

3. Приготовление растворов солей и группы металлов для вытеснения.

4. Закладка опытов и наблюдение за их результатами.

5. Фиксирование результатов опытов (фото).

6. Оформление результатов исследования.

7. Подведение итогов и оформление работы.

1.Теоретическая часть

Химические свойства металлов определяются их активностью. Простые вещества – металлы в химических реакциях всегда являются восстанови-телями (отдают электроны). По химической активности в водных раст-ворах металлы объединяют в ряд активности металлов (ряд напряжений). Он был составлен русским химиком Н. Н. Бекетовым. В этот ряд включён и неметалл водород.

Положение металла в ряду активности характеризует насколько активно металл способен вступать в химические реакции (насколько сильно у него проявляются восстановительные свойства).

К аждый металл вытесняет из растворов солей другие металлы, находя-щиеся правее него в ряду напряжений, и сам может быть вытеснен метал-лами, расположенными левее.

Медь вытесняется из солей железом:

Cu (NO3)2 + Fe = Fe(NO3)2 + Cu

Медь вытесняет серебро из его солей:

2AgNO3 + Cu = Cu(NO3)2 + 2Ag

Фото 9. Вытеснение меди Фото 10. Вытеснение серебра

Щелочные и щёлочноземельные металлы не способны вытеснить менее активные металлы из растворов их солей, так как будут реагировать с водой из раствора, выделение их не происходит.

2Na + CuSO4 + 2H2O = H2↑ + Cu(OH)2 ↓+ Na2SO4

Поэтому при проведении химических реакций необходимо подбирать как растворы солей, так и металл.

Реактивы и оборудование

Растворы солей:

- нитрат серебра - AgNO3, нитрат свинца- Pb(NO3)2,

ацетат свинца - Pb(СН3СОO)2;

- соли меди: хлорид меди (II) - CuCl2, сульфат меди (II)- CuSO4,

нитрат меди (II) - Cu(NO3)2; 

- NaCl- хлорид натрия.

Металлические пластинки меди, цинка, железные гвозди, медная про-волока, гранулированный алюминий и цинк, порошки меди, цинка, магния.

Химические стаканы, чашки Петри, пробирки, предметные стекла, фильтровальная бумага. Микроскоп, фотоаппарат.

2. Экспериментальная часть

2.1. Получение меди, серебра, свинца в пробирках

В несколько пробирок налил растворы солей, поместил в них кусочки металла и наблюдал образование кристаллов металла.

Фото 11. Опыты в пробирках

Пробирка №1

Pb(NO3)2 + Zn = Zn(NO3)2 + Pb

Пробирка №2

CuCl2 + Fe = FeCl2 + Cu

Пробирка №3

CuSO4 + Fe = FeSO4 + Cu

Пробирка №4

Cu(NO3)2 + Fe = Fe(NO3)2 + Cu

Пробирка №5

2AgNO3 + Cu = Cu(NO3)2 + 2Ag

Результаты опыта

Ф ото 12.

Фото 12-13. Кристаллы свинца

В пробирке №1 в серой губчатой массе постепенно образуются кристаллы свинца, но их трудно заметить из-за серого цвета.

Ф ото 13.

Ф ото 14. Вытеснение меди

Признаки химических реакций наблюдаются во всех пробирках, но скорость химической реакции быстрее в растворе с хлоридом меди - CuCl2 (пробирка 2).

Образуется губчатая масса, дендриты не видны.

Ф ото 15. Образование дендритов серебра

В пробирке с раство-твором нитрата серебра наблюдалось сначала образование губчатой массы, затем образу-ются дендриты.

Вывод: для образования кристаллической дендритной структуры металла необходимо некоторое время и создание определенных условий.

    1. Опыты по выявлению условий образования дендритов металлов

Опыт. 2.2.1. Для выяснения условий образования дендритов использовал раствор нитрата серебра и медную пластинку:

   

2AgNO3 + Cu = Cu(NO3)2 +2Ag

Пробирка №1- контрольная.

Пробирка №2 - более концентриро-ванный раствор соли.

Пробирка №3- нагретый раствор нитрата серебра.

Пробирка №4- железный гвоздь на медной проволоке.

 

Фото 16. Первые признаки реакции наблюдаются в пробирках с нагретым и более концентрированным растворами

 

Ф ото 17.

Фото 17. Формирование дендри-тов наблюдается по мере остыва-ния раствора.

Фото 18. В пробирке с концентри-рованным раствором образуется множество мелких кристаллов серебра.

Ф ото 18.

   

Фото 19-20. Образование дендри-тов начинается в месте соедине-ния медной проволоки, и желез-ного гвоздя: сначала на меди, позднее - на гвозде.

 

Вывод: - Образование дендритов идет медленно;

- При понижении температуры процесс ускоряется;

- В концентрированных растворах образуется множество единичных кристаллов, образование дендритов замедляется;

- При соприкосновении двух металлов процесс образования дендритов начинается с менее активного металла.

Первоначальные опыты в пробирках показали, что дендриты меди не получаются быстро, к тому же кристаллы настолько мелкие, что мы видим их сплошной массой. Чтобы замедлить процесс образования единичных кристаллов, применяются ингибиторы (примеси). Напри-мер, при добавлении хлорида натрия кристаллы металла будут образо-вываться между кристаллами хлорида натрия, что позволит нам наблюдать процесс образования дендритов в течение нескольких часов или дней.

Опыт 2.2.2. Получение дендритов меди с использованием ингибитора – кристаллов хлорида натрия

Fe0 - 2е → Fe2

Cu2+ +2е → Cu0

Фото 21. Получение дендритов меди с использованием NaCl

На дно стакана поместил кристаллы мед-ного купороса, засыпал их толстым слоем крупной поваренной соли, сверху по диа-метру стакана поместил кружок фильт-ровальной бумаги, на него - железные гвоз-ди, зачищенные наждачной бумагой. Залил насыщенным раствором поваренной соли. Ионы меди медленно продвигаются вверх к железу, восстанавливаются и оседают на нем, образуя в течение нескольких дней достаточно большие ветви кристаллов.

CuSO4 + Fe = FeSO4 + Cu

Фото 22. Дендриты меди

Вывод: Кристаллы поваренной соли замедляют образование крупных единич-ных кристаллов меди, формируется дендритная структура.

После промывки водой дендриты хорошо видны.

2.3. Получение дендритов металлов в чашке Петри

Опыт 2.3.1 Получение кристаллов серебра

Полоску медной фольги поместил в чашку Петри в раствор нитрата серебра. 2AgNO3 + Cu = Cu(NO3)2 + 2Ag Сначала кристаллы серебра образовались вокруг медной пластинки в виде удлиненных нитей (вискеры) (фото 23), затем наблюдалось образование в виде короны, состоящей из дендритов серебра (фото 24-27).

Ф ото 23.

Ф ото 24.

Ф ото 25–26.

Ф ото 27.

Для серебра характерны и крис-таллические образования, вытянутые в одном направлении: "нити", "воло-сы", серебряная "трава". Ученые называют их вискерами (англ. "вискер" - кошачий ус).

Ф ото 28.

2.3.2 Опыты с цинком, алюминием, магнием

Фото 29. Дендриты свинца

Гранулу зачищенного цинка поместил в раствор ацетата свинца.

Pb(CH3COO)2+Zn = Zn(CH3COO)2 + Pb

Через 40 мин. наблюдается появление крист-аллов, дендриты стали видны через 2 суток.

- нет признаков реакции с алюминием (гранулы).

 

Фото 30. Дендриты меди. Полоску алюминиевой фольги поместил в раствор хлорида меди.

3CuCl2 + 2Al = 2AlCl3 + 3Cu

Уже через 30 мин. наблюдается выделение меди вокруг полоски. А на следующий день сформировались дендриты.

Вывод: Образование дендритов происходит быстрее, если металлы для вытеснения используются в виде тонких пластинок или измельчены.

Металлы для вытеснения из растворов солей необходимо их подбирать экспериментальным путем.

Опыт 2.4. Получение дендритов на предметном стекле

Фото 32.

Фото 32-33. На предметные сте-кла поместил железные скреп-ки в растворы солей: хлорида, сульфата и нитрата меди. Первые признаки химической реакции наблюдались в раст-воре хлорида меди.

Фото 33.

Образование дендритов наблюдал под микроскопом.

Фото 34. Фото 35.

Фото 36. Фото 37.

Фото 34-35. Под микроскопом сначала видна масса мелких слипшихся кристаллов, к которым замедлено проникновение питательного раствора соли.

Фото 36-37. Затем в сторону питательного раствора соли происходит образование дендритов.

Рост дендритов идет быстро, если в растворы солей на предметном стекле поместить железные опилки, порошок цинка, но не сплошной массой, а несколько крупинок.

При более сильном увеличении хорошо видна дендритная структура металлов.

Фото 38.

Фото 39.

Фото 40.

Фото 38-40. Дендриты меди

Фото 41.

Фото 42.

Фото 43.

Фото 41–43. Дендриты серебра

Фото 44.

Фото 45.

Фото 46.

Фото 44–46. Дендриты свинца

Выводы

1. Дендритные кристаллические формы металлов можно получить в лаборатории и даже в домашних условиях при помощи химической реакции вытеснения металлов из растворов их солей. Наглядно это демонстрируют опыты получения дендритов меди, серебра, свинца.

Гипотеза подтверждена экспериментальным путем.

  1. На формирование дендритной структуры металлов оказывает влияние:

- изменение концентрации растворов солей и примесей;

- понижение температуры;

  • - применение веществ, замедляющих рост одиночных кристаллов.

  1. Для вытеснения металлов из их солей необходимо брать более активные металлы, подбирая их экспериментальным путем.

Заключение

В результате проведенного исследования:

- Я познакомился с процессами, которые могут проходить при химической реакции взаимодействия металлов с растворами солей.

- Кристаллизация металлов - это физический процесс - он характери-зуется образованием отдельных кристаллов и кристаллов различных структур.

- Изучив литературу для проведения исследовательской работы, я узнал о таких понятиях как дендриты и вискеры металлов, фракталы (лат. «fractus» – дроблёный, поделенный на части).

Фракталы - это фигуры, состоящие из нескольких частей, каждая из которых подобна всей фигуре целиком. Это самовоспроизводящие, самоорганизующиеся при определенных условиях структуры.

Мы наблюдаем фракталы в природе - от ветки, как и от ствола дерева, отходят отростки поменьше, то есть ветка подобна всему дереву. Корни деревьев, прожилки листьев тоже подобны строению дерева.

Ф ото 47. Лист папоротника

Фото 48. Раковина улитки

Фото 49. Кровеносная и дыхательная системы

Фото 50. Жилки листа

Фото 51. Дельта реки

Фото 52. Снежинка

Я

Фото 36. Кровеносная и дыхательная системы

Фото 39. Снежинка

получил фракталы металлов химическим путем, поэтому назвал их химическими фракталами. Сохранить смог лишь фракталы меди, фракталы серебра очень хрупкие, а у свинца - неплотная структура.

Фото 53. Фракталы серебра

Фото 54. Фракталы меди

Фото 55. Фракталы свинца

В ходе работы возникло много вопросов для продолжения исследований:

- почему при соприкосновении железа и меди в растворе нитрата серебра дендриты сначала образуются на меди, затем на железе;

- возможно ли получение дендритов электролизом растворов солей в лабораторных условиях;

- получение дендритов других металлов;

- строение дендритов уникально и интересно, оно оказывает сильное влияние на механические, электрические, химические свойства металлов. У них повышается прочность и устойчивость к различным воздействиям, они обладает высокой электропроводностью и теплопроводностью, что позволяет их использовать в условиях высоких нагрузок и агрессивных сред. Следовательно, они могут применяться в авиационной и автомобильной промышленности, электронике, медицине. Множество вещей, которыми мы пользуемся каждый день, сделаны из металлов и сплавов: строительные материалы, посуда, различные приборы. Неужели они имеют такую же внутрен-нюю красоту, которую я видел под микроскопом? А изменяются ли химические свойства дендритных металлов?

Хочется больше узнать о практическом применении дендритных металлов.

Фото 56. Медь

Л

Фото 42. Фракталы свинца

итература

Журнал «Химия и жизнь» №3, 1972 г

Здорик Т. Б. Камень, рождающий металл: Книга для учащихся - М.: Просвещение, 1984.

Ферсман А.Е. Занимательная минералогия. Ленинград «Детская литература», 1975.

Шкурко М.И. Занимательные опыты по химии. Минск. 1968.

Использованы иллюстрации https://yandex.ru

Личные фотографии проводимых опытов и их результат.

Просмотров работы: 52