Влияние красителей на рост кристаллов в домашних условиях

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

Личный портфель

Влияние красителей на рост кристаллов в домашних условиях

Дурова В.С. 1
1МБОУ СОШ №9, г. Ижевск
Музыкантова Л.А. 1
1МБОУ СОШ №9, г. Ижевск
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.

В прошлом году мне удалось поучаствовать в конкурсе по выращиванию кристаллов, который проводил геолого-минералогический факультет Удмуртского государственного университета. Для эксперимента мы с мамой выбрали выращивание кристалла из лимонной кислоты в домашних условиях. Сделали все по инструкции и результат нас приятно удивил – за месяц вырос очень красивый кристалл, который мы превратили в ночник, добавив к нему подсветку.

Когда мы пришли на конкурс, я увидела, какие кристаллы могут быть разные: разной формы и размера, но цветов кристаллы были только двух – прозрачные – как у меня, из лимонной кислоты или соли, и синие – из медного купороса. Условиями конкурса было оговорено, что красители при изготовлении кристаллов использовать нельзя – в соревновании могли участвовать только кристаллы природного цвета, но это должен был быть не просто «минерал», необходимо было его интересно обыграть, представить его в виде необычного элемента композиции.

Условия конкурса мы выполнили и наш кристалл-ночник занял почетное третье место!

Конкурс закончился, но остался интересный вопрос: если кристаллы можно вырастить разной формы и размеров, то почему его нельзя было покрасить при выращивании в какие-то разные цвета? Было бы очень красиво, например, использовать разноцветные кристаллы для украшения комнаты или ночника, как у меня. Учитывая, что кристаллы создаются из концентрированного раствора, его так же легко можно утилизировать, не нанося вред окружающей среде, когда захочется сменить оформление интерьера.

Чтобы ответить на все эти интересные вопросы, мы решили исследовать, влияют ли красители, добавленные в раствор при выращивании кристалла, на темп роста кристалла в целом, на его форму, размер и получится ли у нас создать разноцветные, интересные и экологичные украшения для интерьера.

Чтобы понять, актуальна и интересна ли наша тема для исследования, мы решили провести анкетирование учеников 3 В класса школы №9 (см. Приложение 1).

В опросе участвовало 10 учеников. (см. Приложение 1).

  • Знаешь ли ты, что такое красители?

  • Как ты думаешь, какие они бывают?

  • Что можно использовать в качестве красителя?

  • Можно ли при выращивании кристаллов добавлять красители?

  • Как ты думаешь, влияет ли краситель и его вид на рост кристалла? И если да, то как?

Учитывая разность ответов и мнений, мы поняли, что наша тема интересна и актуальна.

Цель работы: изучить влияние различных по составу красителей на рост кристаллов, а так же возможности их безопасной утилизации.

Задачи:

  • Изучить литературу по данному вопросу, какие существуют виды красителей.

  • Узнать, как красители и их состав влияют на рост и развитие кристаллов.

  • Провести практическое исследование – попробовать вырастить кристаллы с красителями разных видов, сделать выводы об их влиянии на рост

  • Рассмотреть варианты безопасной утилизации кристаллов

Гипотеза: пищевые и химические красители могут по-разному влиять на рост и развитие кристаллов.

Глава 1. Немного о красителях

    1. Какие они бывают?

Красители – это вещества, которые придают цвет различным материалам. Они используются в различных отраслях промышленности, таких как текстильная, пищевая, косметическая и другие.

Красители могут быть органическими или неорганическими.

Органические красители производятся из органических соединений. Они обладают яркими и насыщенными цветами и широко используются в текстильной, пищевой и косметической промышленности.

Неорганические красители, напротив, производятся из неорганических соединений, таких как металлические соли или оксиды. Они обладают стойкими и интенсивными цветами и часто используются в керамике, стекле и красках.

Красители могут быть растворимыми или нерастворимыми в воде, а также иметь различные оттенки и насыщенность цвета. Они имеют различные свойства, такие как стойкость к свету, теплу и химическим веществам. (4)

По свойствам могут классифицироваться:

1. Кислотоустойчивые красители: это красители, устойчивые к воздействию кислот и широко используемые в красках и пластиках.

2. Щелочеустойчивые красители: это красители, устойчивые к воздействию щелочей и широко используемые в текстильной и кожевенной промышленности.

3. Светостойкие красители: это красители, устойчивые к воздействию света и не выцветающие со временем.

Это лишь некоторые из основных классификаций красителей. Каждый класс красителей имеет свои уникальные свойства и применение, и их выбор зависит от конкретных требований и целей использования.

Но, использование красителей может иметь негативное влияние на окружающую среду. Некоторые красители могут быть токсичными и загрязнять воду и почву. Поэтому важно правильно утилизировать отходы, содержащие красители, и использовать более экологически безопасные альтернативы. (4)

Безопасность использования красителей также является важным аспектом. Некоторые красители могут вызывать аллергические реакции или другие побочные эффекты. Поэтому перед использованием красителей необходимо провести тщательное исследование и оценку их безопасности. (3)

Вывод: красители очень разнообразны и могут применяться в различных сферах.

1.2 Как все начиналось?

Еще в глубокой древности человек использовал красители, чтобы окрасить свою одежду и предметы быта. Окрашивание текстиля восходит к эпохе неолита. Многие века люди использовали для окрашивания дорогое и дефицитное растительное или животное сырьё, насекомые или продукты их жизнедеятельности. Процесс получения таких красителей был очень трудоемким и долгим и, естественно, что красители в древности были ценными предметами роскоши. Растительными источниками красителей были древесина, корни, ягоды, листья. (1)

В ХІХ веке природные красители уже совсем перестали удовлетворять потребностям интенсивно развивающейся текстильной промышленности. Настоящим прорывом было получение анилиновых (синтетических) красителей.

Существенным вкладом в развитие анилинокрасочной промышленности, которая пришла на смену дефицитному и дорогому природному сырью, было открытие русского химика, профессора Казанского университета Николая Зинина. В 1842 году Зинин впервые восстановил нитробензол в анилин. Его открытие позволяло получать анилин в промышленном масштабе. (3)

В 1856 году синтетические красители на основе анилина получили независимо друг от друга английский химик-органик Уильям Перкин и польский химик Я. Натансон. Перкин, окисляя технический анилин хромовой смесью, получил вещество фиолетового цвета — мовеин, а Натансон, нагревая анилин с безводным хлоридом олова, синтезировал ярко-красный краситель фуксин. В 1869 году немецкими химиками К. Гребе и К. Т. Либерманом был синтезирован красный краситель — ализарин, который в древности получали из корней марены. В 1883 году Адольф фон Байер синтезировал из динитрофенилдиацетилена индиго. (4)

К началу XX века синтетические красители почти полностью вытеснили натуральные. Появлялись новые соединения, количество синтетических красителей к концу XX века превысило уже 6500, из которых порядка 1500 красителей производили в промышленном масштабе.

Синтетические красители до сих пор называют анилиновыми, хотя с точки зрения химии это название давно устарело. (5)

Вывод: разработка синтетических красителей в промышленных масштабах была необходима для развития промышленности.

    1. Где же их применяют?

Красители играют важную роль в промышленности, где они используются для окрашивания различных материалов и изделий. Вот некоторые области, где применяются красители:

  • Пластиковая, керамическая промышленность:

Красители широко используются в производстве пластиковых изделий, таких как пластиковые контейнеры, упаковка, игрушки и автомобильные детали. Так же используются для окрашивания керамических изделий, таких как посуда, плитка и сантехника. Они придают изделиям разнообразные цвета и узоры.

  • Лакокрасочная промышленность:

Красители используются в производстве красок и лаков для окрашивания поверхностей различных материалов, таких как металл, дерево и пластик. Они обеспечивают не только эстетическое удовольствие, но и защиту поверхности от коррозии и воздействия внешних факторов.

  • Косметическая промышленность:

Красители применяются для окрашивания косметических продуктов, таких как помады, тени для век и румяна. Они придают продуктам желаемые оттенки и цвета. (6)

  • Текстильная промышленность:

Красители используются для окрашивания текстильных материалов, обеспечивая им яркие и стойкие цвета. Они применяются в производстве одежды, обивки мебели, постельного белья и других текстильных изделий. (7)

  • Отдельным видом стоят такие синтетические средства, как йод, зеленка, марганец, являются так же антисептиками.

  • Пищевая промышленность:

Особый вид – пищевые красители. Они могут быть натуральными или синтетическими веществами. Не должны наносить вред здоровью человека. (6)

Натуральные красители

Натуральные красители получают из растений, фруктов, овощей и других природных источников. Они обладают более нежными и натуральными оттенками и могут быть более безопасными для здоровья, чем синтетические красители.

Синтетические красители

Синтетические красители создаются химическим путем и обладают более яркими и насыщенными цветами. Они широко используются в пищевой промышленности, так как позволяют достичь широкого спектра цветов и имеют более стабильные свойства.

Красители используются в различных пищевых продуктах, включая напитки, кондитерские изделия, мороженое, сыры, соусы и многое другое. Они могут придавать продуктам яркий и привлекательный цвет, делая их более привлекательными для потребителей.

Однако, при использовании красителей в пищевой промышленности необходимо соблюдать определенные нормы и ограничения по дозировке, чтобы обеспечить безопасность продуктов для потребителей. Красители должны быть одобрены соответствующими органами контроля качества и соответствовать установленным стандартам и регламентам безопасности. (5)

Вывод:красители широко используются при изготовлении различных товаров.

Глава 2. Экспериментальная работа по теме исследования

2.1 Как можно применить красители дома?

Использовать красители можно не только в химических и промышленных лабораториях, но и в домашних условиях.

Возвращаясь к вопросам, которые у нас возникли на конкурсе кристаллов, мы решили провести эксперимент с окрашиванием выращиваемых кристаллов. Самые популярные вещества, из которых выращивают кристаллы дома:

  • поваренная соль,

  • сахар,

  • лимонная кислота,

  • медный купорос.

Общий процесс приготовления:

Все вещества, насколько хорошо они бы не были растворимы в воде, имеют ограниченную растворимость. Обычно, при повышении температуры растворимость увеличивается, а с остыванием - уменьшается, а объем раствора нет, поэтому веществу некуда деваться, и образуются мелкие кристаллики, которые выпадают в осадок. Также потом при стоянии вода из раствора испаряется, и веществу тоже некуда деваться, поэтому она продолжает кристаллизоваться.

Из этого осадка выбираем самый красивый и целостный кристалл, и на нитке помещаем его в этот же концентрированный, отфильтрованный от осадка раствор, то есть создаём искусственно этот центр кристаллизации, и теперь только наблюдаем и иногда меняем, доливаем, фильтруем этот раствор ради чистоты конечного продукта.

Однако, способ охлаждения насыщенного раствора подходит не всем веществам. Например, раствор лимонной кислоты ни в коем случае нельзя перегревать, потому что он потеряет свои свойства. При растворении порошка его можно только подогревать на водяной бане, поставив емкость с раствором в чашку с горячей водой.

Учитывая, эту особенность данного вещества, именно его мы и выбрали для своего эксперимента. Важно, чтобы лимонная кислота была чистая, без примесей и добавок, иначе это может нарушить эксперимент или даже растворить уже сформировавшийся кристалл. (2)

Красители же решили взять химические такие, которые есть в каждом доме: зеленку и чернила из шариковой ручки красного цвета. Пищевые красители – гелиевые, которые часто используют в кондитерской промышленности – красного и зеленого цветов.

Техника безопасности при проведении эксперимента:

  • При выращивании кристаллов не стоит применять пищевую посуду, лучше использовать для приготовления растворов специально выделенные емкости

  • Приготовление растворов следует производить в перчатках

  • Чтобы не испортить поверхности, следует застелить стол клеенкой, так как концентрированный раствор кислоты, хоть и пищевой, может оставить белые пятна

  • Не следует оставлять рядом пищу, потому что сор и крошки могут, при попадании в раствор, погубить эксперимент.

При манипуляциях с химическими веществами следует соблюдать абсолютно все правила. По завершении работы нужно вымыть руки. (6)

2.2 Экспериментальные работы

Эксперимент №1

Для начала мы решили приготовить основной раствор, с которым потом и будет проходить эксперимент. Для его приготовления нам понадобится:

  • чистая вода 100 мл

  • пищевая лимонная кислота 250 гр

  • стеклянная емкость для раствора

  • чаша для горячей воды, чтобы подогревать раствор.

Растворяем лимонную кислоту в воде комнатной температуры, так как в процессе растворения раствор охлаждается, подогреваем его горячей водой, пока он не превратится в блестящий, чуть тягучий состав.

После этого процеживаем раствор через нетканый материал и добавляем еще половину чайной ложки лимонной кислоты. Последнюю порцию порошка не размешиваем.

Оставляем состав на 2 дня, накрываем емкость тканью, чтобы не попадала пыль.

Через 2 дня на дне емкости образовались кристаллики. Выбираем самые крупные монокристаллы, нам необходимо для эксперимента 5 штук.

Один из них обвязываем ниткой, привязываем на палочку. Раствор процеживаем от остальных кристалликов, погружаем в него кристаллик на нитке так, чтобы он не касался стенок и дна емкости, но был погружен полностью, накрываем и оставляем.

Этот кристалл мы будем растить без добавок, чтобы сравнить, растет ли кристалл без красителей быстрее, а так же снова участвовать в конкурсе кристаллов. Дата начала эксперимента 26.11.2023.

Эксперимент №2

Снова готовим основной раствор, добавляем в него половину чайной ложки зеленки, хорошо размешиваем, берем уже выбранный монокристалл, привязываем его на нитку, погружаем полностью в раствор, накрываем и оставляем.

Эксперимент №3

Снова готовим основной раствор, добавляем в него содержимое одной пасты для шариковой ручки красного цвета, хорошо размешиваем, берем уже выбранный монокристалл, привязываем его на нитку, погружаем полностью в раствор, накрываем и оставляем.

Эксперимент №4

Снова готовим основной раствор, добавляем в него половину чайной ложки пищевого гелиевого красителя зеленого цвета хорошо размешиваем, берем уже выбранный монокристалл, привязываем его на нитку, погружаем полностью в раствор, накрываем и оставляем.

Эксперимент №5

Снова готовим основной раствор, добавляем в него половину чайной ложки пищевого гелиевого красителя красного цвета, хорошо размешиваем, берем уже выбранный монокристалл, привязываем его на нитку, погружаем полностью в раствор, накрываем и оставляем.

Все емкости с нашими экспериментами мы поместили в темную, достаточно прохладную комнату, т.е. создали для их роста одинаковые условия.

Дата начала экспериментов 26.11.2023 г.

Чтобы отслеживать изменения, мы решили поцеживать и дополнять растворы один раз в неделю, чтобы уже через месяц оценить первые результаты.

Спустя месяц, мы увидели, что эксперимент №1 вырос значительно больше, чем кристаллы с добавками, увеличился в размерах, перестал помещаться в маленькую емкость. Помимо смены и дополнения раствора, мы переместили его в большую тару.

Эксперименты № 4 и 5 в размерах увеличились больше, чем с химическими красителями, цвета приобрели яркие и насыщенные. № 5 приобрел прямые четкие грани, №6 оброс дополнительно гранями меньшего размера.

Эксперимент №3 увеличился совсем незначительно. Грани появились, но слабо выраженные, при этом кристалл имеет розоватый цвет

Эксперимент № 2 в размерах практически не изменился. Четких граней нет, но приобретен зеленоватый цвет.

Учитывая такую разницу в развитии кристаллов, мы решили продолжить наш эксперимент и дать кристаллам возможность расти еще месяц.

Мы снова процедили и добавили растворы. Мы так же, каждую неделю процеживали растворы, чтобы удалять из них вновь образовавшиеся кристаллики.

Спустя месяц мы обнаружили следующие результаты:

Эксперимент №1 снова увеличился больше остальных. Его грани стали крупнее, четче, он стал похож на монокристалл, будто образующий единый монолит.

Эксперименты № 4 и 5 в размерах так же увеличились, цвета остаются яркие и насыщенные. №5 обрастает ровными четкими гранями, № 4 оброс дополнительно гранями большего размера.

Эксперимент №3 слегка увеличился, при этом кристалл имеет розоватый цвет

Эксперимент № 2 снова в размерах изменился незначительно. Рост практически не идет, четких граней нет, но цвет остался зеленоватый.

Дата окончания эксперимента 26.01.2024 г.

Но как же теперь сохранить, хоть и маленькие, но, все-таки образовавшиеся цветные кристаллы?

Так как кристаллы такого рода очень гигроскопичны, после изъятия из раствора их необходимо обсушить бумажной салфеткой и покрыть прозрачным лаком, тогда они смогут долго радовать глаз своим необычным видом.

Вывод: кристалл без добавок растет в несколько раз быстрее, чем кристаллы с различными красителями. Пищевые красители так же позволяют кристаллу расти, при этом придают ему яркий, насыщенный цвет. Химические красители блокируют рост кристалла, придают ему только оттенок цвета.

2.3 А что же с утилизацией?

В связи с тем, что нашей целью было не только вырастить экологичные украшения для интерьера, но и рассмотреть безопасный вариант их утилизации, мы выбрали самый простой способ: просто растворить их в горячей воде.

Даже если кристалл покрыть лаком для сохранности, при необходимости, его можно разбить молотком, так как минерал хоть и крепкий, но хрупкий. Незащищенные кристаллики кладем в воду и просто нагреваем смесь на огне. Кристаллы растворяются без остатка, полученная вода с лимонной кислотой сливается в канализацию, не нанося вреда природе и экологии. (6)

Вывод: кристаллы из лимонной кислоты, с красителями или без, могут утилизироваться без вреда для окружающей среды.

Заключение

Красители – это вещества, которые используются для придания цвета различным материалам. Они могут быть органическими или неорганическими, пищевыми и химическими.

Красители широко применяются в промышленности, включая пищевую, текстильную и косметическую отрасли. Они играют важную роль в создании эстетического вида продуктов и материалов. Однако, необходимо учитывать их влияние на окружающую среду и обеспечивать их безопасное использование.

Подводя итоги нашего исследования, можно сделать вывод, что в растворах с добавлением пищевых красителей рост кристалла в домашних условиях идет быстрее и лучше, чем с красителями того же цвета, но на химической основе.

Наш эксперимент показал, что некоторые доступные в быту химические красители нарушают и тормозят процесс роста кристаллов. При этом стоит все же учитывать, что даже небольшой монокристалл, помещенный в окрашенный раствор, приобретает его оттенок, вне зависимости от природы происхождения красителя.

Утилизация разноцветных кристаллов так же возможна и безопасна для экологии.

На основании вышеизложенного, мы считаем, что наше исследование удалось, поставленные задачи выполнены и гипотеза нашла свое подтверждение.

В перспективе мы бы хотели заняться «выращиванием» ярких цветных кристаллов для создания интерьерных украшений.

Список используемой литературы

  1. Я познаю мир: Детская энциклопедия: Химия.\ Авт.-сост. Л. А. Савина. Москва: ООО « Издательство АСТ-ЛТД» 1997.- 448 стр.

  2. Я познаю мир: Детская энциклопедия: Драгоценные камни и минералы. – М.: ООО «Издательство Астрель»; ООО «Издательство АСТ»; 2000

  3. Большая иллюстрированная энциклопедия. В 32 томах. Т. 14. КОН-КУМ. – М.:АСТ: Астрель, 2010. С.344-350.

  4. Энциклопедия для детей: Химия. Часть 2. – М.: Аванта+, 2005

  5. Википедия. Открытая энциклопедия [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://ru.wikipedia.org

  6. Живая наука [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://livescience.ru

  7. http://bibliofond.ru/view.aspx?id=452043

Приложение 1

По результатам анкетирования учеников 3 класса мы получили следующие результаты:

  1. 100% ребят знают, что такое красители

  2. Самыми популярными ответами о видах красителей стали: разноцветные и пищевые. Были еще такие варианты, как органические, синтетические и обычные.

  3. Большая часть опрошенных затруднилась ответить, но были такие варианты, как: соки ягод и фруктов, акварель и краски.

  4. 100% ребят считают, что можно добавлять красители при выращивании кристаллов

  5. 80% опрошенных считают, что краситель не влияет на рост кристалла, 10% считают, что влияет, 10% затруднились ответить.

Приложение 2

Памятка по выращиванию кристаллов в домашних условиях с красителями и без.

Для приготовления основного раствора нам понадобится:

  • чистая вода 100 мл

  • пищевая лимонная кислота 250 гр

  • стеклянная емкость для раствора

  • чаша для горячей воды, чтобы подогревать раствор.

Растворяем лимонную кислоту в воде комнатной температуры, так как в процессе растворения раствор охлаждается, подогреваем его горячей водой, пока он не превратится в блестящий, чуть тягучий состав.

После этого процеживаем раствор через нетканый материал и добавляем еще половину чайной ложки лимонной кислоты. Последнюю порцию порошка не размешиваем.

Оставляем состав на 2 дня, накрываем емкость тканью, чтобы не попадала пыль.

Через 2 дня на дне емкости образовались кристаллики. Выбираем самые крупные монокристаллы.

Один из них обвязываем ниткой, привязываем на палочку. Раствор процеживаем от остальных кристалликов, погружаем в него кристаллик на нитке так, чтобы он не касался стенок и дна емкости, но был погружен полностью, накрываем и оставляем.

Для получения цветного кристалла необходимо перед погружением кристалла в раствор добавить половину чайной ложки пищевого гелиевого красителя нужного цвета и перемешать.

Удачных экспериментов!

Просмотров работы: 38