Что у нас в солонке и сахарнице?

На нашем столе всегда есть два интересных продукта - соль и сахар. Интересны они для меня тем, что если их поместить в воду, то они исчезают, растворяются.

Я решил провести исследование и узнать, что это за вещества, откуда они берутся, для чего они нужны и можно ли самому получить соль и сахар в твердом виде из раствора.

Объект исследования: взаимосвязь объектов живой и неживой природы.

Предмет исследования: роль углеводов и минеральных солей в жизни живых организмов и человека.

Цель исследования: дать оценку роли углеводов в жизни человека и общества.

Задачи исследования:

1. Определить место углеводов и солей в биосфере.

2. Выяснить значимость углеводов для развития общества.

3. Рассмотреть технологию производства сахара и добычи поваренной соли.

4. Смоделировать процесс кристаллизации сахара и соли.

Метод исследования: опытно-аналитический

Гипотеза: предполагаю, что можно вырастить красивые кристаллы из того, что является строительным материалом любой живой материи.

Источниками исследования стали книги, в которых рассказывается о том, как производятся пищевые продукты - сахар и соль, а так же - информация, полученная от взрослых.

Значимость исследования: работа может быть использована в младших классах как пособие на уроках окружающего мира и факультативных занятиях по предмету.

Ценность исследования: сделана попытка дать оценку роли углеводов и соли в жизни живых организмов и человеческого общества.

Что такое углеводы?

Из различных источников информации мне удалось выяснить некоторые сведения по данному вопросу.

Сахар - это вещество, которое химики называют углеводом. Углеводы бывают разные: одни растворяются в воде - их называют моносахаридами и дисахаридами (сахар в сахарнице - это дисахарид, сахароза), другие не растворяются - их называют полисахаридами (это крахмал, целлюлоза).

Целлюлоза очень важный для растений углевод, из него образуется оболочка растительной клетки, из которых состоит растение. Даже если растительная клетка погибает, то клеточная стенка все равно остается. Вот эти остатки растительных клеток у дерева образуют древесину, которая держит живые веточки и листья высоко над землей. А в листьях под действием солнечного света из воды, минеральных солей и углекислого газа образуются разные углеводы, а из них все остальные вещества растения. Если бы не было целлюлозы, то все растения были бы как водоросли - лежали на земле, а целлюлоза делает их твердыми, крепкими. Если бы не было целлюлозы, то и люди жили бы по-другому. Не было бы одежды из хлопка, льна, не было бы деревянных домов, мебели, дров и угля.

Для человека целлюлоза нужна, но в меньшей степени, чем остальные углеводы. Употребляя растительную и животную пищу, человек получает белки, жиры и углеводы, как строительный материал, но углеводы нужны человеку еще и как источник энергии для работы и движения. Особенно ценными для человека являются моно- и дисахариды.

Сахароза является весьма распространённым в природе дисахаридом, она встречается во многих фруктах, плодах и ягодах.

Когда человек питается регулярно и пища его разнообразна, то содержащихся в растительных продуктах углеводов вполне достаточно для его жизни, когда еды мало и она однообразна, тогда углеводов не хватает и человек быстро устает и не может работать.

Производство сахара из сахарного тростника

В XVIII веке в Англии появились первые фабрики-мануфактуры, где рабочие работами по 16 часов в сутки без всякого обеденного перерыва. Они очень уставали и не могли производить большое количество продукции. Оказалось, что, если рабочему дать кусок хлеба и большую кружку крепкого чая с сахаром (сахарозой), то он может работать эти 16 часов в полную силу. Поэтому пришлось научиться изготовлять сахарозу в большом количестве.

Сахароза есть во всех растениях, но особенно велико ее содержание в сахарном тростнике.

Делать сахар из тростника начали еще в древней Индии, отсюда и название <<сахар>> - от санскритского <<саркара>> (<<гравий>>, <<песок>>, отсюда и название пустыни Сахара). Сахарный тростник - многолетний очень высокий травянистый вид злаков. Растение напоминает бамбук: его цилиндрические стебли, часто достигающие высоты 6 - 7,3 м при толщине 1,5 - 8 см, растут пучками.

Во времена эпохи Возрождения (XIII - XIV вв. ) португальские моряки завезли тростник на острова Карибского бассейна. Растению требуется много солнца, тепла и воды, а также плодородная почва. Именно поэтому сахарный тростник возделывают только в областях с жарким и влажным климатом. При благоприятных условиях он растет очень быстро, его плантации перед уборкой похожи на непроходимые джунгли.

Уборка сахарного тростника ведется вручную (с помощью длинных ножей-мачете), побеги срубают у самой земли, после чего удаляют листья и разрезают стебли на короткие куски, удобные для переработки. Сахар получают из сока, который выжимают из стебля.

Сначала сахар был доступен только богатым людям, однако необходимость накормить рабочих потребовала увеличение производства сахара, что сделало его дешевым продуктом (4).

Производство сахара из сахарной свеклы

Однако еще более дешевым сахар стал, когда в 1802 году придумали способ производства сахара из сахарной свеклы, которую можно выращивать и у нас.

Современный свеклосахарный завод - мощное механизированное предприятие. Свекла прибывает сюда по железной дороге, на грузовиках и сразу же попадает в царство машин. Мощные механические <<руки>> сгребают ее с железнодорожных платформ или высыпают из грузовиков в искусственную реку с бетонными берегами. Она несет свеклу к большому зданию.

Сначала свекла попадает в огромный чан с водой - свекломойку. В ней вращается вал с насаженными на него кулаками, которые переворачивают и моют клубни. Потом свеклу взвешивают автоматические весы, а свеклорезка превращает ее в стружку, которая по транспортеру направляется к рядам больших круглых баков. Здесь ее заливают горячей водой, и из стружки, как из ломтика лимона в чае, выходит сок. Стружка была белая, а сок из нее получился черный. Некоторые органические вещества, входящие в состав свеклы, окисляются и темнеют, как темнеет разрезанный сырой картофель. Если эти вещества не удалить, то сахар будет темный. Поэтому сок очищают. Сначала в массивных, наглухо закрытых металлических баках его обрабатывают известью, углекислым и сернистым газами. Вредные примеси благодаря этому выпадают в осадок, который отделяется в отстойниках и на различных фильтрах.

Особенно интересны созданные советскими инженерами в а к у у м-ф и л ь т р ы. Это обтянутые фильтрующей тканью сетчатые барабаны. Нижняя часть их погружена в сахарный сок. Внутри барабана создано разрежение - вакуум. Поэтому сок всасывается в него, оставляя на поверхности ткани слой осадка. По мере того как барабан поворачивается, осадок выносится наверх. Здесь всасывается уже не сок, а воздух. Высушенный воздухом осадок очищается установленным у корыта ножом, а тем временем в сок погружается следующая часть барабана.

Все эти операции повторяются иногда по нескольку раз, пока черный сок не превратится в бесцветный. После этого насосы гонят его по трубам к высоким бакам. Внутри баков укреплены трубы, по которым пропускается пар. Сок кипит, сгущается и превращается в сироп.

Рождение сахара

Сироп снова обрабатывают сернистым газом, фильтруют и направляют к шеренге вакуум-аппаратов. Здесь и рождается сахар - маленькие кристаллики, тысячи которых умещаются в чайной ложке.

Начинается этот процесс с того, что сироп в вакуум-аппаратах снова выпаривается и становится еще гуще. Потом в него вводят тончайшую сахарную пудру или специальный сахарный препарат, содержащий в 1 г 15 млн. кристалликов. Сахар из густого сиропа оседает и застывает на этих кристалликах.

Когда кристаллики увеличатся (их уже насчитывается на 1 г лишь 3 тыс. ), через нижнее отверстие вакуум-аппарата выпускают густую массу - у т ф е л ь. Это смесь кристалликов и остатков раствора - межкристальной патоки. Для их разделения служат центрифуги - вращающиеся барабаны с боковой поверхностью в виде частого сита. Барабаны вращаются с частотой 1000 об/мин. Под действием центробежной силы патока проходит сквозь сито, а кристаллы остаются. Струя воды очищает их от остатков патоки. Раствориться они не успевают и из желтых становятся белыми.

Дальше сахарный песок проходит через сушилку и отправляется на упаковку, а патока снова варится в вакуум-аппаратах, и из нее извлекают оставшийся сахар.

Получается, что сахару уже больше 2000 лет, но его производство началось только 200 лет назад, когда надо было накормить бедных рабочих, а сейчас этот сахар нам нужен лишь как сладость, чтобы чай был вкуснее, а конфеты были сладкими.

Минерал, который <<вышел>> из воды

Соль (поваренная соль, каменная соль) представляет собой хлорид натрия NaCl с небольшим количеством примесей. Хлорид натрия содержится в морской воде, в соленых озерах, в некоторых подземных водах. Когда высыхали доисторические моря, хлорид натрия превращался в твердое вещество - минерал галит (каменная соль). Поверх этого минерала оказывались толстые слои других пород, в результате каменная соль оказалась глубоко под землей, и добыть ее можно лишь построив шахту. Есть еще один способ добычи соли - это ее выпаривание. Такой способ применяется в жарких странах, там где есть большое количество соленой воды.

Соль человеку и животным нужна, как мне сказали, для протекания метаболических процессов. В растительной пище соли очень мало, поэтому человек нуждается в каменной соли, соль нужна и животным, которым ее дают в форме лизунца.

Получить кристаллический сахар из сахарного тростника или сахарной свеклы в домашних условиях очень трудно, но можно попытаться это сделать из раствора сахара. То же самое можно проделать с солью.

Чудо, рожденное природой

В Интернете можно найти много инструкций по выращиванию кристаллов из различных химических веществ. А наша задача - вырастить красивые кристаллы из того, что является строительным материалом любой живой материи. Мы будем создавать чудеса из поваренной соли и сахарозы насыщенного раствора.

Кристалл - это твердое вещество, молекулы или атомы которого организованы по четкой повторяющейся схеме. Они выстраиваются в строгий орнамент - кристаллическую решетку. В этом орнаменте можно выделить самый маленький фрагмент, который повторяется бесконечное количество раз во всех трех направлениях. Он так и называется - элементарная ячейка.

Благодаря такой повторяющейся структуре кристаллы сами могут принимать странные и интересные формы.

Чтобы вырастить кристалл, полезно знать, какие процессы управляют его ростом; почему разные вещества образуют кристаллы различной формы, а некоторые вещества их вовсе не образуют; что надо сделать, чтобы они получились большими и красивыми.

Если кристаллизация идёт очень медленно, получается один большой кристалл, если быстро - то множество мелких.

Выращивание кристаллов производят разными способами. Например, охлаждая насыщенный раствор. С понижением температуры растворимость большинства веществ уменьшается, и они, как говорят, выпадают в осадок. Сначала в растворе и на стенках сосуда появляются крошечные кристаллы-зародыши. Когда охлаждение медленное, а в растворе нет твёрдых примесей (скажем, пыли), зародышей образуется немного, и постепенно они превращаются в красивые кристаллики правильной формы. При быстром охлаждении центров кристаллизации возникает много, сам процесс идёт активнее. Правильных по форме кристаллов при этом не получится, ведь их растёт множество, и они мешают друг другу, как несколько паркетчиков, работающих в одной комнате.

Выращивание кристаллов можно осуществить и другим способом - постепенным удалением воды из насыщенного раствора. И в этом случае, чем медленнее удаляется вода, тем лучше получается результат. Можно оставить открытый сосуд с раствором при комнатной температуре на длительный срок - вода при этом будет испаряться медленно (особенно если сверху положить лист бумаги, который заодно защитит раствор от пыли). Растущий кристаллик можно либо подвесить в насыщенном растворе на тонкой прочной нитке, либо положить на дно сосуда. В последнем случае кристаллик периодически надо поворачивать на другой бок. По мере испарения воды в сосуд следует подливать свежий раствор. Даже если наш исходный кристаллик имел неправильную форму, он рано или поздно сам выправит все свои дефекты и примет форму, свойственную данному веществу.

Выращивание кристаллов - процесс интересный, занимательный, но требующий бережного и осторожного отношения к своей работе. Время от времени кристаллизатор необходимо чистить: сливать раствор и удалять мелкие кристаллики, наросшие на основном, а также на стенках и дне сосуда. Теоретически размер кристалла, который можно вырастить в домашних условиях таким способом, неограничен. Известны случаи, когда энтузиасты получали кристаллы такой величины, что поднять их могли только с помощью товарищей.

Рассмотрим теперь по порядку наши вещества.

Хлорид натрия образует кристаллы. Элементарная ячейка хлорида натрия имеет кубическую форму, в ней каждый ион натрия окружен шестью ионами хлора и наоборот, каждый ион хлора окружен шестью ионами натрия.

Форма элементарной ячейки определяет форму кристалла. Кристаллы соли обычно имеют форму куба. Но не стоит понимать это слишком буквально, ведь из маленьких кубиков можно построить не только большой куб, но и параллелепипед, октаэдр и даже длинные нити.

Форма кристалла зависит не только от симметрии кристаллической решетки (то есть формы элементарной ячейки), но и от условий, в которых вырос кристалл. Скорость роста разных граней кристалла может сильно отличаться. В свою очередь, на рост граней влияет и перепад температуры и концентрации соли в растворе. Такие перепады можно создавать искусственно. В результате форма кристалла может измениться до неузнаваемости. Например, если кристаллы хлорида натрия растут при испарении раствора с поверхности пористой керамики, то они часто приобретают форму волокон. В случае испарения раствора соли с поверхности бумаги удалось получить сростки кристаллов в форме веточек - дендритов.

Сахароза

Сахароза хорошо кристаллизуется, легко растворяется в воде.

Кристаллы получаются аналогично кристаллам поваренной соли, но гораздо дольше по времени.

Практическая часть

Методика получения кристаллов

Для выращивания кристаллов нам понадобились банки на 500 мл, фильтрованная вода, пищевая соль, сахар.

Соль растворяли следующим образом:

Баночку с водой поставили в кастрюлю с тёплой водой (не более 50° - 60°). Насыпали в нее соль, помешали и оставили минут на пять. За это время банка с водой нагрелась, а соль растворилась. Желательно, чтобы температура воды пока не снижалась. Затем добавили ещё соль и снова перемешали. Повторяли этот этап до тех пор, пока соль не начала оседать на дно банки. Мы получили насыщенный раствор соли. Перелили его в банку такого же объёма, избавившись при этом от излишков соли на дне.

Насыщенные растворы

Поместили в банку с раствором поваренной соли затравку в виде перемычки с привязанной к ней ниткой. Банку с раствором сахара оставили усыхать без затравки.

1. Кристаллы хлорида натрия.

На следующий день после растворения образовались мелкие бесцветные кристаллы на дне банки, а через день они стали появляться и на нитке. Через неделю вся вода испарилась, а нитка превратилась в ожерелье из мелких кристалликов хлорида натрия.

2. Кристаллы сахарозы.

В отличие от кристаллов поваренной соли, кристаллы сахарозы росли очень долго. За 3 месяца вода полностью испарилась, на дне банки появился толстый слой кристаллического осадка. Сверху этот слой был ровный, а при раскалывании внутри оказались красивые крупные кристаллы сахарозы.

Таким образом, мы узнали, что вещества, которые мы видим почти каждый день у себя на столе, пришли к нам из мира природы, из мира растений. Эти вещества, оказывается, имеют огромное значение для живых организмов и могут превращаться в удивительные по своим формам и структурам кристаллы.

Больше всего меня удивило то, что существует тесная связь между живой и неживой природой! А кристаллизация - это в высшей степени упорядоченная система атомов или молекул, из которых состоит весь наш видимый мир.

Выращенные мною кристаллы из соли и сахара получились очень красивыми, используются нами в качестве украшения интерьера, и направляют мою мысль на дальнейшее исследование этого вопроса, а именно:

- Почему во время опытов с психической энергией растения и кристаллы одинаково реагируют?

- Почему кристаллы, как и растения, накапливают энергию, преобразуют ее и отдают?

Предложение

Предлагаю данную работу использовать в качестве информационного пособия на уроках окружающего мира и факультативных занятий.