XXII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Строение и химический состав высолов на изделии из пластилина PLAYDOH

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы

Козловский В.В. 1

---

1ГБОУ Школа №199

Прудникова Т.В. 1

---

1ГБОУ Школа №199

Работа в формате PDF

2.1 MB

Введение

Актуальность работы состоит в исследовании состава высолов и определения содержания в них или отсутствия вредных веществ.

Цель: изучить структуру и состав высолов на пластилине разными способами. Составить мнение о безопасности высолов.

Задачи:

1. Изучить высолы под стереомикроскопом,

2. Изучить высолы с применением приборов точного анализа.

3. Сравнить полученные результаты с нормами ПДК, СанПин, либо другими нормативными документами.

Используемое оборудование: бинокулярный стереомикроскоп МБС-10 производство Россия, камера LevenhukM1400 Plus, рамановский спектрометр NR-500 производство Беларусь, портативный рентгенофлуоресцентный анализатор X-MET5000 .

Методы исследования: метод оптической микроскопии (оптико-минералогический анализ), метод рамановской спектрометрии, метод рфа - рентгенофлуоресцентного анализа.

Термины и названия, которые я использовал в своем проекте:

ПДК - предельно допустимая концентрация. Под ПДК понимается такая максимальная концентрация химических элементов и их соединений в окружающей среде, которая при повседневном влиянии в течение длительного времени на организм человека не вызывает патологических изменений или заболеваний, устанавливаемых современными методами исследований, в любые сроки жизни настоящего и последующего поколений [1]. Обычно ПДК указываются в ГОСТах и прочих нормативных документах.

СанПин - Санитарные правила и нормы, стандарты, которые обеспечивают санитарно-эпидемиологическое благополучие людей. Они направлены на сохранение и укрепление здоровья человека, улучшение качества жизни.

ФГБУ «ИМГРЭ» - Федеральное государственное бюджетное учреждение «Институт минералогии, геохимии и кристаллохимии редких элементов»

Бинокулярный стереомикроскоп - вид микроскопа для наблюдения объёмного увеличенного изображения малых объектов. Стереоскопическое зрение позволяет человеку детально исследовать строение сложных объёмных структур [2].

Агрегат (в данном контексте) – скопление срастание отдельных частиц, составляющих высол на пластилине

Микрон– мера размера равная 0,001 миллиметра. Это значит, что в 1 миллиметре 1000 микрон.

Мкм – микрон сокращенно.

Столик микроскопа (он же предметный столик) - предметный столик микроскопа представляет собой платформу, на которую помещается образец для исследования [3].

Рамановская спектроскопия (спектроскопия комбинационного рассеяния) — это метод молекулярной спектроскопии, основанный на взаимодействии света с веществом. Он позволяет получить представление о молекулярной структуре материала или его характеристиках [4].

Место анализа-точка в образце, в которой производится измерение.

Сравнительный спектр (в данном контексте) –спектр конкретного вещества из библиотеки спектров, с которым мы сравниваем тот спектр, который мы получили в ходе анализа.

Пики (линии) (в данном контексте) -отдельные участки спектра, на которых наблюдается максимальная интенсивность сигнала рамановского (или любого другого) излучения. Пики соответствуют определённой длине волны или частоте излучения. Набор пиков, отвечающих определённым длинам волн является характеристикой конкретного вещества или минерала.

Длина волны - (длина волны лазера, рамановского излучения и любого другого излучения) - это расстояние между двумя ближайшими точками среды, колеблющимися в одной фазе. 

Нанометр– очень мелкая единица измерения длины, равная 0,000000001 м (или в одном метре тысяча миллионов нанометров). Применяется в основном для измерения длины волны светового излучения. У красных лучей большая длина волны (примерно 700-800 нанометров) у зелёных – средняя (500-600 нанометров), у синих – короткая (400-500 нанометров).

Частота – величина, обратная длине волны. В спектроскопии частоту принято выражать в обратных сантиметрах (1/см или см^-1). На спектральных графиках обычно отображают не просто частоту, а разницу между частотой лазера и частотой возбуждаемого им рамановского излучения.

Методика выполнения работы

Высолы представляют собой кристаллы солей, которые вместе с влагой выходят на поверхность стен строений и прочих объектов. Я знаю, что чаще всего можно наблюдать высолы на стенах домов, солевая коррозия может стать причиной отслаивания облицовки здания, появления трещин.

Объектом моего исследования стали похожие образования только не на стенах, а на фигурках, которые я слепил из пластилина PlayDoh. Впервые я заметил эти выделения, когда забыл фигурку из пластилина на окне на даче. Солнце было очень ярким, на окне было жарко. Сформировались красивые кристаллики на синем пластилине, сам пластилин стал твердым.

Я решил повторить этот процесс и получить снова такие кристаллы, а затем исследовать их.

Для проведения эксперимента я заказал пластилин на Wildberries. Сначала я слепил плоские круги из разного пластилина. Я положил эти кружки на бумагу с надписью: «Не трогать! Идет эксперимент!» (Рисунок 1).

Рисунок 1. Начало эксперимента. Купили пластилин, слепил кружки, разложил для просушивания.

Дату 10 сентября 2023 года можно считать датой начала эксперимента. Именно в этот день я слепил фигуры и положил их на окно. Это подтверждает дата снимка. Идея заключалась в том, что на солнце под воздействием тепла и света пластилин должен начать терять влагу. При испарении воды вместе с парами к поверхности пластилина могут подниматься растворённые в воде вещества. В результате чего будут появляться ожидаемые мной кристаллы.

П
ервый небольшой, едва заметный высол появился 16.09.23 на синем пластилине, то есть, по прошествии недели.

Рисунок 2. Появление первых высолов на синем пластилине.

Маленькое белое «пятнышко» и один высол на рисунке 2, похожий на звездочку, который как будто не вышел к поверхности.

Этот результат меня не устроил, и я решил еще подождать. Первый ощутимый и хорошо заметный результат проявился к 30.10.23. Высолы стали хорошо видны, их было много. Но появились они на более темном пластилине: на зеленом и меньше на синем. Я приступил к исследованию. Исследования я проводил в отделе научно-производственных аналитических работ ФГБУ «ИМГРЭ». Данный научный институт всегда рад сотрудничеству с юными исследователями.

Анализ методом оптической микроскопии на бинокулярном стереомикроскопе МБС-10. Первая поездка в институт

Рисунок 3. Наблюдение высолов под стереомикроскопом и установка фотокамеры на стереомикроскоп.

Я проверил все круги на предмет высолов. Сначала я просто смотрел в окуляры бинокулярного стереомикроскопа МБС-10 (Рисунок 3), а потом присоединил к одному из окуляров камеруLevenhukM1400 Plus. Эта камера удобна тем, что вставляется в окуляр любого микроскопа, нужно только подобрать диаметр переходного кольца.

Рисунок 4. Методика работы со стереомикроскопом при установленной фотокамере для наблюдений.

На экране видно, что на данном этапе 30.10.23 на красном пластилине высолов нет. Такая же картина на тот момент была и с желтым пластилином. Приходится смотреть левым глазом в правый окуляр, так как в левом окуляре установлена камера (Рисунок 4).

Рисунок 5. Наблюдение зелёного пластилина под стереомикроскопом.

При этом высолы были хорошо видны на зеленом и синем пластилине (рисунок 5). На мониторе это хорошо заметно.

Рисунок 6. Совместное изучение высолов на зелёном пластилине.

Вместе с моим классным руководителем Прудниковой Татьяной Владимировной мы изучали высолы на зелёном пластилине. Для этой цели мы также использовали стереоскопический бинокулярный микроскоп МБС-10 а также камеру LevenhukM1400 Plus для вывода изображения на монитор компьютера (Рисунок 6). Мы не встретили интересных кристаллов, которые я ожидал. Только бесформенные агрегаты и пару выделений в форме листочков (Рисунки 7 и 8).

Рисунок 7 . Фото высолов на синем пластилине. Размер «листочка» около 20 мкм.

Рисунок 8 . Фото высолов на зеленом пластилине.

Позже были также исследованы высолы на синем, красном и желтом пластилине (Рисунок 9). Стоит отметить, что первые высолы на красном и желтом пластилине появились существенно позже, чем на зеленом и синем, ближе к декабрю 2023.

Рисунок 9. Фото высолов на красном и желтом пластилине.

Я пытался анализировать вещество высолов по методике анализа минералов [5], оценил цвет высолов, он был белый иногда немного кремовый, форму – я понял, что это не единичные частицы, а скопления и агрегаты. Но больше ничего разобрать, используя данный метод, я не смог.

К сожалению, анализ данных, полученных в ходе работы на стереомикроскопе мало приблизил меня к решению поставленной задачи. Нужны были более серьезные методы исследования, и я опять поехал в ИМГРЭ (Рисунок 10).

Изучение высолов методом рамановской спектроскопии. Вторая поездка в институт

Рисунок 10. Я у входа в институт ФГБУ ИМГРЭ. За мной памятная доска Власову Кузьме Алексеевичу – первому директору этого института

Из беседы с классным руководителем я узнал, что в геологических и химических институтах проводятся работы по изучению очень небольших количеств вещества. Например, с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния (то же самое, что рамановская спектрометрия), можно определить название вещества, даже если его выделения не превышают 5-7 микрон. В ФГБУ «ИМГРЭ», где я ранее исследовал высолы методом оптической микроскопии, работает такой прибор, который называется NR-500 (Рисунки 11 и 12). На этом приборе образец для исследования помещается на столик микроскопа. С помощью видеокамеры можно выбрать интересующее место анализа. После этого на вещество направляется лазерный луч. Он рассеивается молекулами вещества. В результате этого, отраженный от образца свет теряет часть своей энергии. Этот рассеянный свет можно измерить и сравнить с исходным светом лазерного луча. В результате получается спектр рамановского излучения, где видны пики (или линии), которые отвечают рамановскому излучению исследуемого вещества. Каждое вещество имеет свой собственный набор рамановских пиков[6]. По этим пикам можно определить изучаемое вещество.

Рисунок 11. Рамановский спектрометр в лаборатории ФГБУ «ИМГРЭ»

Р
исунок 12. Я знакомлюсь с устройством рамановского спектрометраNR-500 и принципами его работы в лаборатории минералогических исследований ИМГРЭ.

Рисунок 13. Фотография вещества высолов (белое выделение в центре) на красном пластилине. Увеличение 50х. Размер единичных выделения составляет около 15 микрон и более.

Рисунок 14. Спектр, полученный от высола на красном пластилине при облучении зелёным лазером с длиной волны 532 нанометра за 5 секунд.

Рисунок 14. Сравнительный спектр исследуемого вещества – синяя линия и вещества декстрин, полученного при поиске в библиотеке спектров – красная линия.

Луч лазера был наведен на выделение высолов на рисунке 12. После этого был измерен рамановский спектр вещества высолов, который нарисован на рисунке 13 синей линией. Затем по компьютерной библиотеке спектров был подобран спектр, который очень похож на тот, который получился при съёмке высолов. Сравнение спектров показано на рисунке 14. По результатам сравнения спектров я увидел, что декстрин – это то вещество, которое лучше всего подходит по спектральным пикам к высолам на пластилине. У декстрина и у высолов 13 общих пиков. Все главные пики декстрина и высолов совпадают. Незначительные различия наблюдаются только в отдельных слабо проявленных линиях. Поэтому я решил, что в высолах на пластилине в моих опытах образовался декстрин.

Декстрин - это пищевая добавка, сделанная путем термальной обработки крахмала из кукурузы. Его структурная формула показана на рисунке 15. Декстрин пищевой выглядит как рассыпчатое белое вещество в виде порошка. Декстрин - это универсальное и полезное вещество. В основном оно применяется для получения клея в промышленных сферах. Также добавка используется для приготовления различных хлебобулочных изделий. Он является хорошим стабилизатором, который улучшает вкус выпечки и придает корочке золотистый вид [7].

Кроме того, декстрин получается из крахмала, когда он попадает в рот человека и начинает взаимодействовать со слюной. В результате человек ощущает сладковатый вкус.

Рисунок 15. Структурная формула декстрина. Рисунок взят с ресурсаhttps://fb.ru/article/457930/dekstrin---eto-pischevaya-dobavka-prinosit-polzu-ili-vredв списке литературы источник [7]

Применяется при изготовлении клея и гидрофилизующих растворов. Из него готовят защитное покрытие для офсетных печатных форм.

По цвету декстрины разделяются на белый, палевый и жёлтый, которые имеют различную растворимость — от 62% до 95% соответственно, чем выше растворимость декстрина, тем выше клеящая способность клейстера.

Сферы применения декстрина — разнообразны и, прежде всего, это один из немногих клеев, допущенных в пищевую промышленность.
Декстрин применяют для приготовления клеящих средств: для склеивания пакетов, для наклейки этикеток на стеклянную тару, изготовления клеящей бумажной ленты, упаковки денег в банковских учреждениях, как клей для марок и конвертов, а также, при изготовлении тары для пищевых изделий и в спичечной промышленности.

Декстрин также применяют:

1. в лёгкой промышленности — для повышения густоты текстильных красок;

2. в литейном производстве — для скрепления формовочного песка;

3. для агломерации руд, брикетирования угля, гранулирования инсектицидов;

4. в производстве стеклянных волокон — для шлифования нитей, сразу после их образования;

5. в пищевой промышленности декстрин с высокой растворимостью в холодной воде применяют, в качестве носителей активных ингредиентов пищевых порошков и красящих веществ[8].

Анализ методом рентгенофлуоресцентного анализа

Для определения химического состава высолов я обратился к ещё одному методу исследования вещества – рентгенофлуоресцентному анализу. Анализ был проведен на портативном рентгенофлуоресцентном анализатореX-MET5000 в лаборатории микрозондовых исследований ФГБУ «ИМГРЭ». Был получен спектр, который мы видим на рисунке 16.

Рисунок 16. Рентгенофлуоресцентный спектр вещества высолов на пластилине.

По спектральным линиям можно сказать, что главный элемент высолов – это хлор, также заметно наличие кальция. Остальные элементы –никель, медь содержатся в очень незначительных количествах и могут представлять следы краски для пластилина. Я думаю, что в составе высолов присутствует не только декстрин, но и соль и сода – NaCl и CaCl₂. Натрий своих пиков на рентгенофлуоресцентном спектре не давал, так как он не определяется данным методом.

Таблица 1. Содержания элементов в высолах на пластилине по результатам рентгенофлуоресцентного анализа

В специализированной литературе я нашел нормы содержания разных элементов в игрушках, в частности, в пластилинах.

По СанПин 2.4.7.007-93 Производство и реализация игр и игрушек. Санитарные правила и нормы[9](табл.2)

Таблица 2. Нормы содержания солей тяжелых металлов в игрушках по СанПин 2.4.7.007-93

Я узнал, что этот документ утратил силу на территории РФ и нашел другой документ, который на данный момент является действующим, это СанПиН 2.4.7/1.1.2651-10 (Приложение. Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы СанПиН 2.4.7/1.1.2651-10. Гигиенические требования к одежде для детей, подростков и взрослых. Дополнения и изменения N 1 к СанПиН 2.4.7/1.1.1286-03 с дополнениями и изменениями N 1 к СанПиН 2.4.7/1.1.1286-03)

В пункте 2.3.14. Требования санитарно-химической безопасности читаем:

в) выделение вредных веществ, содержащихся в 1 кг формующихся масс и красок, наносимых пальцами, не должно превышать следующие допустимые уровни:

сурьма - 60 мг;

мышьяк - 25 мг;

барий - 250 мг;

кадмий - 50 мг;

хром - 25 мг;

свинец - 90 мг;

ртуть - 25 мг;

селен - 500 мг.

По Техническому регламенту Таможенного союза, ТР ТС 008/2011О безопасности игрушек (с изменениями на 17 марта 2017 года)

В пункте 4.3. читаем [10]

Выделение вредных химических веществ в модельную среду (соляную кислоту), содержащихся в 1 кг формующихся масс и красок, наносимых пальцами, не должно превышать следующих норм:

Все данные я свел в таблицу (табл. 3):

Таблица 3. Все данные по допустимым содержаниям элементов в игрушках и полученные мной результаты норма в мг/кг либо в ppm

По таблице видно, что содержания солей тяжелых металлов в высолах на пластилине не превышают допустимые.

Выводы, сделанные в результате исследования

1. Изучены высолы на пластилине под стереомикроскопом. Определена форма выделения вещества высолов, цвет и примерные размеры.

2. Высолы изучены на приборах точного анализа. Получено, что высолы представляют собой смесь декстрина и соли.

3. Вредных элементов в высолах не обнаружено. По тем элементам, которые присутствуют в составе высолов можно сказать, что их содержание ниже допустимых норм и опасности для детей они не представляют.

4. Так как пластилин PlayDoh изготавливается обычно из солёного теста, то наличие в высолах крахмала – декстрина и соли не вызывает подозрений. А отсутствие вредных примесей говорит о безопасности пластилина для детей и о соблюдении производителем санитарных и технологических норм.

Список используемой литературы

1. Что такое ПДУ, ПДК, ПДВ, ПДС? Дайте классификацию условий труда// электронный ресурс https://medlec.org/lek4-86320.html

2. Бинокулярный микроскоп// электронный ресурс https://traditio.wiki/Бинокулярный_микроскоп

3. Что делает предметный столик в микроскопе – назначение и особенности// электронный ресурс https://optic-alliance.ru/news/chto-delaet-predmetniy-stolik-v-mikroskope/

4. Рамановская спектроскопияУглубленное изучение химических реакций// электронный ресурс https://www.mt.com/ru/ru/home/applications/L1_AutoChem_Applications/Raman-Spectroscopy.html#:~:text=Рамановская%20спектроскопия%20(спектроскопия%20комбинационного%20рассеяния),ИК-спектроскопия%20основана%20на%20поглощении%20света

5. Голиусова И.В. Оптико-минералогический анализ шлиховых и дробленых проб. / Голиусова И.В. М.: Методические рекомендации НСОММИ № 162, ВИМС, 2014г. С.

6. Информационные материалы : Применение Рамановской спектроскопии для контроля лекарственных средств// электронный ресурс http://ecmoptec.ru/material/materials_id/4

7. Декстрин - это пищевая добавка: приносит пользу или вред ?// электронный ресурс  https://fb.ru/article/457930/dekstrin---eto-pischevaya-dobavka-prinosit-polzu-ili-vred

8. Химия и жизнь-колбаса// электронный ресурс http://1-sovetnik.com/Chemistry/Food/food-03.html

9. СанПин 2.4.7.007-93 Производство и реализация игр и игрушек. Санитарные правила и нормы

10. Технический регламент Таможенного союза, ТР ТС 008/2011, О безопасности игрушек(с изменениями на 17 марта 2017 года)