IX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА СКОРОСТЬ РОСТА "ХИМИЧЕСКИХ ВОДОРОСЛЕЙ" НА ОСНОВЕ СИЛИКАТОВ ЖЕЛЕЗА И МЕДИ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Меня очень давно интересовала тема выращивания кристаллов. Это увлекательное, простое, доступное и недорогое занятие для большинства школьников Я пробовал выращивать кристаллы дома из приготовленных самостоятельно растворов, или из готовых наборов для творчества, которые мне покупали родители. Однако в большинстве своем рост кристалла - это очень медленный процесс, на скорость которого влияет очень много факторов.
Мне стало интересно, существуют ли более быстрые способы получения кристаллов из растворов. И я нашел в литературе способ получения "химических водорослей" - структур на основе солей силикатов металлов. Их легко создать в банке, использовав для этого кристаллические соли и раствор метасиликата натрия (жидкого стекла). К кристаллам в привычном для нас понимании он не относятся, но сам процесс их выращивания достаточно увлекательный.
Ранее я уже проводил исследования влияния температуры окружающей среды на скорость роста химических водорослей на основе трех солей металлов - сульфата магния, сульфата меди и сульфата железа. Были получены интересные результаты. На данный момент, нам стало интересно посмотреть, влияет ли постоянное магнитное поле на скорость роста "химических водорослей" при различных температурах окружающей среды. Для эксперимента мы взяли две соли - сульфат меди и сульфат железа, а в качестве источника магнитного поля были выбраны кольцевые магниты от динамиков. Такой выбор солей обусловлен тем, что железо - магнитный материал, а медь - немагнитный материал. Как поведут себя в магнитном поле соединения этих металлов - было непонятно.
Гипотеза: Постоянное магнитное поле итемпература окружающей среды оказывают влияние на скорость роста "химических водорослей".
В связи с этим, целью моей работы было исследование влияния постоянного магнитного поля и температуры окружающей среды на скорость роста "химических водорослей" на основе силикатов железа и меди, и изучение их структуры методом оптической микроскопии.
Для выполнения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
1. Провести анализ литературы по способам выращивания кристаллов в домашних условиях;
2. Выяснить, что такое "химические водоросли", как происходит процесс их роста;
3. Экспериментально исследовать влияние магнитного поля и температуры окружающей среды на скорость роста "химических водорослей";
5. Исследовать структуру "водорослей" методом оптической микроскопии.
6. Провести анализ полученных экспериментальных данных.
Выполненная работа является актуальной, так как результаты проекта могут использоваться на уроках и во внеклассной работе с целью привлечения внимания и интереса школьников к таким предметам, как физика, химия, к исследовательской деятельности, к новым современным направлениям в науке и технике.
Новизна данной работы заключается в том, что была предпринята попытка исследования влияния постоянного магнитного поля разной направленности и температуры окружающей среды на скорость роста "химических водорослей" на основе силикатов меди и железа. Проведено изучение их структуры с использованием метода оптической микроскопии.
1. Литературный обзор
1.1. Выращивание кристаллов в домашних условиях
Известно, что кристалл - это твердое тело природного происхождения либо образованное в лабораторных условиях, имеющее форму правильного многогранника [1-3]. Правильность формы кристалла основана на его внутренней структуре – частицы вещества, из которых слагается кристалл (молекулы, атомы и ионы), располагаются в нем в определенной закономерности и образуют периодично-повторяющуюся трехмерную пространственную укладку, иначе называемую «кристаллической решеткой» [4, 5].
Кристаллы образуются из любых веществ, чьи атомы и молекулы группируются в упорядоченную структуру. Вырастить настоящий кристалл – довольно просто, интересно и познавательно. Для их выращивания не нужна лаборатория или специальные приспособления. Подойдут самые простые реактивы, которые всегда под рукой [6].
Выращивание кристалла — один из самых легких и безопасных физико-химических экспериментов, доступных в домашних условиях. Наградой за усилия становится предмет необычайной красоты, который мы создаем собственными руками.
Алгоритм выращивания кристаллов в домашних условиях довольно прост, его можно описать следующим образом [7].
1) Приготовление раствора
2) Фильтрация раствора
3) Процесс кристаллизации
Анализ литературы показал, что важнейшими критериями выбора материала для выращивания кристаллов являются следующие [8 ]:
Вещество не должно быть токсичным. Этому требованию соответствуют далеко не все вещества с кристаллической структурой.
Вещество должно быть стабильным. То есть выбранное вещество должно вступать с водой в обратимую реакцию. Кроме того, важна устойчивость к колебаниям температуры.
Доступность и приемлемая цена реактивов. Как известно, первый опыт (или несколько) может оказаться не очень удачным, потому для начала лучше остановить свой выбор на недорогих и доступных веществах.
Вещество должно быть достаточно химически чистым. Примеси очень сильно влияют на формирование кристаллической структуры.
Способность вещества растворяться в доступном растворителе. Должен быть известен характер растворения вещества.
Образующиеся кристаллы должны быть стабильны.
В домашних условиях можно вырастить как крупные одиночные кристаллы, так и друзы - сросшиеся кристаллы [9]. В большинстве своем рост кристалла - это очень медленный процесс, на скорость которого влияет очень много факторов.
Мне стало интересно, существуют ли более быстрые способы получения кристаллов из растворов.
1.2. "Химические водоросли" на основе силикатов металлов
Анализ литературных источников показал, что наиболее быстрыми по скорости роста являются структуры на основе силикатов металлов [10, 11]. Им дали интересное название - "химические водоросли".
На основе силиката натрия (жидкого стекла) и растворимых солей металлов в сети Интернет представлено большое количество способов выращивания этих "химических водорослей". Для их получения необходимо, чтобы продукт взаимодействия (силикат) не растворялся в воде, а исходная соль в воде растворялась. К таким растворимым солям относятся сульфаты, хлориды различных металлов и др. При этом растут "водоросли" на основе этих веществ очень быстро.
В процессе работы над проектом мы выяснили, что образование причудливых "водорослей" объясняется явлением осмоса - односторонним перемещением вещества через полупроницаемую мембрану [12, 13]. Из кристалла опущенной в раствор жидкого стекла соли вытягивается тоненькая полая трубочка, стенки которой состоят из образующегося осадка. Тоненькая трубочка представляет собой полупроницаемую мембрану, через которую вода проникает внутрь до кристаллика.
Далее растворение кристаллика продолжается в своеобразном мешочке из полупроницаемых стенок. Стенки этого мешочка под давлением жидкости разрываются (в разных местах) и образуется новая пленка-осадок. Кристаллик соли будто превращается в "кустик", а затем и в "водоросль" (рис.1).
Рисунок 1. Механизм образования "химических водорослей"
Процесс получения таких "химических водорослей" очень интересный не только с обывательской, но и научной точки зрения. В сети интернет много различных работ, посвященных этой тематике [11-13], однако в них не рассматривается влияние магнитного поля на скорость роста таких структур.
Мы решили продолжить наши собственные исследования и выяснить, влияет ли магнитное поле на скорость роста "химических водорослей" при различных температурах окружающей среды. Для эксперимента мы взяли две соли - сульфат меди и сульфат железа. Такой выбор обусловлен тем, что исходный материал железо - магнитный материал, а медь - немагнитный материал. Как поведут себя в магнитном поле соединения этих металлов - было непонятно. Результаты моей работы представлены в следующей главе.
2. Экспериментальная часть
2.1. Способ получения "химических водорослей"
Для создания "химических водорослей" использовали следующие материалы:
жидкое стекло (водный раствор силиката натрия);
дистиллированную воду;
сульфат железа (железный купорос);
сульфат меди (медный купорос);
Перед каждым опытом готовился свежий раствор силиката натрия, разбавленный с дистиллированной водой в соотношении 1:1. Для наблюдения за ростом "водорослей" в стеклянные баночки насыпались по 1 столовой ложке солей соответствующих металлов и заливали раствором "жидкого стекла". Эксперимент проводился при трех температурах окружающей среды - в холодильнике при температуре t = 4°C, в комнатных условиях при температуре t=20°C и возле батареи отопления при t = 35°С. Температура измерялась комнатным термометром. Магнитное поле создавалось двумя круглыми постоянными магнитами (от динамиков). Проводился эксперимент, когда разноимённые магнитные полюсы притягивались друг к другу (условно это обозначили на графиках "-+"), в другом одноименные — отталкивались (условно обозначили "++". Кроме того, параллельно проводились наблюдения на образце сравнения, в котором "химические водоросли" формировались в отсутствии магнитного поля.
Для каждой серии эксперимента к баночкам закреплялась линейка для измерения высоты "водорослей" на всем протяжении процесса наблюдения. Поскольку их процесс образования сам по себе очень быстрый, поэтому интервал наблюдения составлял 2 часа через каждые 15 минут. Каждый этап фотографировался и проводились соответствующие замеры. После этого экспериментальные данные заносились в таблицу и затем обрабатывались на компьютере с использованием программы Excel.
Скорость роста рассчитывалась как отношение прироста высоты водоросли к интервалу наблюдения. Затем в этой же программе были построены все графики зависимостей исследуемой величины от температуры и наличия/отсутствия магнитного поля.
2.2. Исследование "химических водорослей" методом оптической микроскопии
Исследование образцов "водорослей" проводилось с использованием светового оптического монокулярного микроскопа Ruihoge XSP-06. Данный микроскоп предназначен для исследования препаратов в проходящем свете, светлом поле. В нашем случае использовался объектив с 10х-увеличением и окуляр с 5х-увеличением. Общее увеличение микроскопа составляло 50.
Образцы "химических водорослей" предварительно извлекались из раствора на ватный диск, просушивались в течение нескольких часов, а затем помещались на предметное стекло и исследовались. Экспериментальным путем подбиралась и методика исследования.
Фотографии образцов в поле зрения микроскопа получали с использованием камеры мобильного телефона.
3. Результаты экспериментальных исследований
3.1. Исследование влияние магнитного поля на рост "химических водорослей" на основе сульфата меди
Результаты исследования роста "химических водорослей" на основе сульфата меди при температуре t=0°С , 22°С и 35°С представлены в Приложении 1.
График изменения высоты "химических водорослей" в зависимости от температуры окружающей среды и наличия/отсутствия магнитного представлены на рис.2, 3 и 4.
Рисунок 2. Изменение высоты "водорослей" при t=0°C
Рисунок 3. Изменение высоты "водорослей" при t=22°C
Анализ графиков показывает, что при низкой температуре более быстрый рост структур силиката меди происходит в первые пол часа наблюдений. При этом медленнее растут "водоросли" в отсутствии магнитного поля.
При комнатной температуре, исходя из графика на рис.3, лучше всего растут "химические водоросли" силиката меди в отсутствии магнитного поля.
Рисунок 4. Изменение высоты "водорослей" при t=35°C
С увеличением температуры окружающей среды более высокие структуры силиката меди получаются при наличии неоднородного магнитного поля (полюса магнитов одноименные).
3.2. Исследование роста "химических водорослей" на основе сульфата железа.
Результаты исследования роста "химических водорослей" на основе сульфата железа при температуре t=0°С , 22°С и 35°С представлены в Приложении 2.
График изменения высоты "химических водорослей" в зависимости от температуры окружающей среды и наличия/отсутствия магнитного представлены на рис.5, 6 и 7.
Рисунок 5. Изменение высоты " водорослей" при t=0°C
Рисунок 6. Изменение высоты " водорослей" при t=22°C
Из полученных данных следует, что в отсутствии магнитного поля структуры силиката железа растут лучше всего. Наличие магнитного поля замедляет процесс их роста.
Кроме того, стоит отметить, что при температурах t=0°С и при t=22°С "химические водоросли" силиката железа растут в виде извивающихся лент (Приложение 2, рис.3 и рис.4). При более высокой температуре окружающей среды, эти структуры имеют нитеобразную форму (Приложение 2, рис.5 и 6).
Рисунок 7. Изменение высоты " водорослей" при t=35°C
Это скорее всего связано с усилением диффузионных процессов при образовании силикатов железа в процессе химической реакции
3.3 Исследование влияния магнитного поля на скорость роста "химических водорослей" на основе силикатов меди и железа при различных температурах окружающей среды
Результаты исследования влияния магнитного поля на скорость роста "химических водорослей" на основе силикатов меди при температуре t=0°С , 22°С и 35°С представлены на рис.8, 9 и 10.
Рисунок 8. Зависимость скорости роста "химических водорослей" на основе силиката меди от времени наблюдения при 0°С
Рисунок 9. Зависимость скорости роста "химических водорослей" на основе силиката меди от времени наблюдения при 22°С
Рисунок 10.Зависимость скорости роста "химических водорослей" на основе силиката меди от времени наблюдения при 35°С
Результаты исследования влияния магнитного поля на скорость роста "химических водорослей" на основе силикатов железа при температуре t=0°С , 22°С и 35°С представлены на рис.11, 12 и 13.
Рисунок 11.Зависимость скорости роста "химических водорослей" на основе силиката железа от времени наблюдения при 0°С
Рисунок 12.Зависимость скорости роста "химических водорослей" на основе силиката железа от времени наблюдения при 22°С
Рисунок 13.Зависимость скорости роста "химических водорослей" на основе силиката железа от времени наблюдения при 35°С
Анализ экспериментальных данных показал, что скорость роста "химических водорослей" на основе силиката меди при t=0°C максимальна в отсутствии магнитного поля. При t=22°C наблюдается более быстрое падение скорости роста при наличии однородного магнитного поля, когда магниты были направлены друг к другу разноименными полюсами. При повышении температуры окружающей среды до 35°С скорость роста "водорослей" силиката меди было наибольшей в неоднородном магнитном поле.
Результаты экспериментальных исследований для "водорослей" на основе силиката железа показали, что при 0°С наблюдается более резкое падение скорости роста при наличии однородного магнитного поля. Однако повышение температуры окружающей среды до 22°С ведет к увеличению скорости роста "химических водорослей" в отсутствии магнитного поля. Минимальные значения фиксируются при наличии неоднородного магнитного поля. При повышение температуры до 35°С отмечается увеличение скорости роста у образцов без магнитного поля (образцов сравнения). Минимальные значения скорости характерны для образцов, помещенных в неоднородное магнитное поле.
Для всех экспериментальных результатов максимальные значения скорости приходятся на первые 15 минут наблюдения, а затем наблюдается спад, связанный с уменьшением концентрации реагирующих веществ.
3.4. Результаты исследования "химических водорослей" методом оптической микроскопии
Результаты исследований методом оптической микроскопии "химических водорослей" на основе силиката меди и силиката железа представлены на рис.14 и 15 .
В процессе исследования возникли некоторые технические трудности с получением качественных изображений "химических водорослей". Это связано с тем, что данные структуры имели некоторый объем, что вызывало сложность при фокусировке микроскопа на поверхность образца.
а) б) в)
Рисунок 14. "Химические водоросли" силиката меди. Изображения получены в отраженном свете.
а)б)в)
Рисунок 15. "Химические водоросли" силиката железа. Изображения получены в отраженном свете.
Но даже эти полученные изображения подтверждают тот факт, что "химические водоросли" не являются кристаллами в привычном для нас понимании. Они представляют собой полые трубочки. Смело могу сказать, что в дальнейшем я хочу продолжить исследования в данном направлении.
ВЫВОДЫ
Экспериментально установлено, что скорость роста "химических водорослей" зависит не только от температуры окружающей среды, исходной соли, но и от наличия магнитного поля;
Скорость роста "водорослей" на основе силиката меди при t=0°C максимальна в отсутствии магнитного поля в первые 15 минут наблюдений. При t=22°C наблюдается более быстрое падение скорости роста при наличии однородного магнитного поля. При повышении температуры окружающей среды до 35°С скорость роста "водорослей" силиката меди была наибольшей в неоднородном магнитном поле в первые 15 минут наблюдений.
Для "химических водорослей" на основе силиката железа при t=0°С наблюдается более резкое падение скорости роста при наличии однородного магнитного поля. Однако повышение температуры окружающей среды до 22°С ведет к увеличению скорости роста "водорослей" в отсутствии магнитного поля. Минимальные значения фиксируются при наличии неоднородного магнитного поля. При повышение температуры до 35°С отмечается увеличение скорости роста у образцов без магнитного поля (образцов сравнения). Минимальные значения скорости характерны для образцов, помещенных в неоднородное магнитное поле.
Исследования структуры силикатных "водорослей" методом оптической микроскопии подтвердили литературные данные, что они не являются кристаллами в привычном для нас понимании. Они представляют собой полые трубочки. Исследования в данном направлении я хотел бы продолжить дальше.
Список литературы
Источник в сети Интернет https://elhow.ru/ucheba/opredelenija/k/chto-takoe-kristall
Источник в сети Интернет https://ru.wikipedia.org/wiki/Кристаллы
Источник в сети Интернет http://spacegid.com/amorfnyie-tela.html
Источник в сети Интернет https://sreda.temadnya.com/prirodnye-kristally-raznovidnosti-svojstva-dobycha-i-primenenie/
Источник в сети Интернет http://wikiredia.ru/wiki/Кристалл
Источник в сети Интернет https: //mydocx.ru/1-128108.html
Источник в сети Интернет http://ftfsite.ru/wp-content/files/medods_kristallov_5.2.pdf
Источник в сети Интернет https: //studme.org/219996/tehnika/tehnicheskie_priemy
Источник в сети Интернет https: //okaratah.com/drugoe/chto-takoe-druza-kamnya.html
Источник в сети Интернет http://khimie.ru/zanimatelnaya-himiya/himicheskie-vodorosli
Источник в сети Интернет: https://nik-show.ru/presssection/news/himicheskie -vodorosli-ilikolloidniy-sad-provedem-eksperiment-19/
Источник в сети Интернет: https://yandex.ru/video/search/выращивание-химических-водорослей_1319530514
Источник в сети Интернет: https://nsportal.ru/ap/library/drugoe /2017/04/24/izuchenie-rosta-himicheskih-vodorosley
Приложение 1. Результаты исследование влияние магнитного поля на рост "химических водорослей" на основе сульфата меди.
Результаты исследования роста "химических водорослей" на основе сульфата меди при температуре t=0°С представлены на рис.1 и 2., при температуре t=22°С представлены на рис.3 и 4.
Результаты исследования роста силикатных структур на основе сульфата меди при температуре t=35°С представлены на рис.5 и 6.
|
а) начало процесса; |
б) через 15 минут после начала реакции; |
в) через 30 минут; |
|
г) через 45 минут; |
д) через 1 час; |
е) через 2 часа. |
Рисунок 1. Динамика роста "химических водорослей" силиката медипри температуре t=0°С,полюса магнитов разноименные
|
а) начало процесса; |
б) через 15 минут после начала реакции; |
в) через 30 минут; |
|
г) через 45 минут; |
д) через 1 час; |
е) через 2 часа. |
Рисунок 2. Динамика роста "химических водорослей"силиката медипри температуре t=0°С,полюса магнитов одноименные
|
а) начало процесса; |
б) через 15 минут после начала реакции; |
в) через 30 минут; |
|
г) через 45 минут; |
д) через 1 час; |
е) через 2 часа. |
Рисунок 3. Динамика роста "химических водорослей" силиката медипри температуреt=22°С,полюса магнитов разноименные
|
а) начало процесса; |
б) через 15 минут после начала реакции; |
в) через 30 минут; |
|
г) через 45 минут; |
д) через 1 час; |
е) через 2 часа. |
Рисунок 4. Динамика роста "химических водорослей" силиката медипри температуреt=22°С,полюса магнитов одноименные
|
а) начало процесса; |
б) через 15 минут после начала реакции; |
в) через 30 минут; |
|
г) через 45 минут; |
д) через 1 час; |
е) через 2 часа. |
Рисунок 5. Динамика роста "химических водорослей" силиката медипри температуре t=35°С,полюса магнитов разноименные
|
а) начало процесса; |
б) через 15 минут после начала реакции; |
в) через 30 минут; |
|
г) через 45 минут; |
д) через 1 час; |
е) через 2 часа. |
Рисунок 6. Динамика роста "химических водорослей" силиката меди при температуреt=35°С,полюса магнитов одноименные
Приложение 2. Результаты исследования роста "химических водорослей" на основе сульфата железа при температуре t=0°С , 22°С и 35°С
Результаты исследования роста "химических водорослей" на основе силиката железа при температуре t=0°С представлены на рис.1 и 2., при температуре t=22°С представлены на рис.3 и 4. Результаты исследования роста силикатных структур при температуре t=35°С представлены на рис.5 и 6.
|
а) начало процесса; |
б) через 15 минут после начала реакции; |
в) через 30 минут; |
|
г) через 45 минут; |
д) через 1 час; |
е) через 2 часа. |
Рисунок 1. Динамика роста "химических водорослей"силиката железапри температуре t=0°С,полюса магнитов разноименные
|
а) начало процесса; |
б) через 15 минут после начала реакции; |
в) через 30 минут; |
|
г) через 45 минут; |
д) через 1 час; |
е) через 2 часа. |
Рисунок 2. Динамика роста "химических водорослей"силиката железапри температуре t=0°С,полюса магнитов одноименные
|
а) начало процесса; |
б) через 15 минут после начала реакции; |
в) через 30 минут; |
|
г) через 45 минут; |
д) через 1 час; |
е) через 2 часа. |
Рисунок 3. Динамика роста "химических водорослей" силиката железапри температуреt=22°С,полюса магнитов разноименные
|
а) начало процесса; |
б) через 15 минут после начала реакции; |
в) через 30 минут; |
|
г) через 45 минут; |
д) через 1 час; |
е) через 2 часа. |
Рисунок 4. Динамика роста "химических водорослей" силиката железапри температуреt=22°С,полюса магнитов одноименные
|
а) начало процесса; |
б) через 15 минут после начала реакции; |
в) через 30 минут; |
|
г) через 45 минут; |
д) через 1 час; |
е) через 2 часа. |
Рисунок 5. Динамика роста "химических водорослей" силиката железапри температуреt=35°С,полюса магнитов разноименные
полюса магнитов одноименные (+ и +)
|
а) начало процесса; |
б) через 15 минут после начала реакции; |
в) через 30 минут; |
|
г) через 45 минут; |
д) через 1 час; |
е) через 2 часа. |
Рисунок 6. Динамика роста "химических водорослей" силиката железапри температуреt=35°С,полюса магнитов одноименные