Исследование кристаллизации некоторых веществ в различных средах на стекле

Проблемный вопрос: какие необходимы вещества, растворы и условия для создания графического кристаллического изображения на стекле.

Гипотеза:

1. Используя обычный водный раствор любой соли, способной образовывать кристаллы, можно получить узор на стекле, и он будет долго сохранятся.

1. Для создания кристаллического изображения необходимы специальные растворы и приспособления. Полученное изображение необходимо защищать от разрушения

Объект исследования:

Кристаллизация из различных растворов следующих солей: сульфат меди(II), сульфат никеля, йодид калия, хлорид меди(II), сульфат кобальта, бихромат калия, хромат калия, сульфат марганца, нитрат натрия, нитрат алюминия, сульфат натрия, хлорид натрия, красная кровяная соль, желтая кровяная соль, хлорид аммония.

Цель: Исследование возможности использования кристаллизации некоторых веществ, для создания графического кристаллического изображения на стекле.

Задачи:

1. Изучить правила техники безопасности при работе с химическими веществами и стеклом;

2. Изучить информационные источники об использовании кристаллизации для создания узоров на стекле;

3. Провести опробование некоторых солей на кристаллизацию;

4. Исследовать специальные растворы для кристаллизации веществ;

5. Выяснить, с помощью чего можно наносить раствор на стекло;

6. Проверить, как долго может сохраняться изображение, и как предотвратить кристаллы от разрушения.

Библиография

Кристаллография, кристаллохимия и выращивание кристаллов достаточно полно описано в электронной энциклопедии «Кругосвет». Наиболее распространённый способ получения кристаллов - выращивание из растворов.

Способность веществ образовывать кристаллы применяется в аналитической химии. Метод качественного анализа, основанный на взаимосвязи между химическим составом вещества и формой его кристаллов называется микрокристаллическими реакциями. Каплю исследуемого раствора предметное стекло и дают остыть. По форме образовавшихся кристаллов судят о присутствии тех или иных ионов».

В книге «Опыты без взрывов» (3) О. М. Ольгин описывает, как сделать морозные узоры на оконном стекле под Новый год. Автор книги говорит, о том, что можно это сделать из хлорида аммония, но предостерегает: «держите узор подальше от воды».

В сети Интернет достаточно информации о том, как выращивать кристаллы, какие вещества можно использовать для этого, но как нарисовать картину на стекле с помощью кристаллизации, нет. На сайте «Делай сам» один умелец предлагает способ тонировки стекла с помощью смеси сульфатов цинка и магния.

На сайте кафедры химии Тульского государственного университета «Занимательная химия» есть описание опыта «Морозные узоры». В материалах сайта химического факультета Московского государственного университета им. Ломоносова кратко описан рецепт приготовления раствора для создания рисунка на стекле на желатине.

Введя слово «Кристаллогравюра» в поисковую систему интернета, я обнаружила ссылку на сайт Научно-культурного центра Уральского отделения РАН, где есть небольшая статья о том, что авторское право на метод «Кристаллографика» принадлежит Шульгину Борису Владимировичу, профессору Уральского государственного технического университета. Именно он стал изобретателем совершенно уникальной технологии в области изобразительного искусства — кристаллогравюры. В статье указано, что свои картины он создавал путем заливки раствором силитры, приготовленном на крахмале. Однако подробного описания этой технологии не найдено.

Теоретическое исследование.

А). Анализ информационных источников и поиск рецептов приготовления специальных растворов, необходимых для кристаллизации.

Б). Анализ графиков растворимости веществ с целью приготовления насыщенных растворов

В). Поиск информации о физиологическом воздействии на организм выбранных для исследования веществ.

Г). Прогноз возможности протекания реакции ионного обмена и гидролиза.

Опытно-экпериментальное.

А). Приготовление насыщенных растворов солей.

Б). Исследование возможность протекания реакций ионного обмена между растворами солей.

В). Приготовление рабочих растворов (на желатине, на клее, пиве, крахмале).

Г). Опробование полученных рабочих растворов.

Д). Фиксация результатов опробования(описание образовавшихся кристаллов и изображения, фотофиксация).

Е). Создание сюжетных графических изображений.

Кристаллы – это то, что всегда завораживало человека. Они бывают разных цветов, обычно прозрачные и, что самое замечательное, обладают красивой правильной формой, и игрой света в гранях. Это удивительное свойство кристаллов радует глаз и заставляет любоваться ими.

Образование кристаллов не обходится без воды. Но вода не только помогает быть красивыми другим, она и сама может продемонстрировать чудеса. У каждой из снежинок, которые упали на землю за миллионы лет, своя уникальная и неповторимая форма. Сказочным богатством кристаллов, хрустальным нарядом украшается лес. Чем вода не художник? А какие «узоры рисует мороз на оконном стекле»? Только вот любоваться ими приходится не долго.

Однажды в кабинете химии я увидела стаканчики с кристаллами хлорида меди и сульфата никеля. Они образовались в результате медленного испарения водных растворов этих солей.

У меня возникли вопросы: как долго может существовать это изображение? Какие условия необходимо создать, чтобы появился узор? Можно ли сделать графическое изображение с помощью этих веществ на стекле? Как сохранить узор?

Изучив информационные источники, я выяснила, что это волнует многих. Существует описание простых рецептов и в основном с использованием бесцветных солей. Мне хотелось попробовать и разноцветные кристаллические изображения. Обсудив данную проблему с учителем химии, нашли возможность провести необходимые исследования.

Теоретическое исследование

Практическому исследованию предшествовало теоретическая подготовка. Прежде всего, были изучены правила техники безопасности при работе в кабинете химии (приёмы работы с посудой и химическими реактивами. Выяснила, что особую осторожность необходимо соблюдать при работе с солями хрома и марганца, так как они обладают вредным воздействием на организм. А красную и жёлтую кровяную соль не следует нагревать и необходимо держать их подальше от кислот, так как их продукты реакции обладают токсичностью. Растворы этих солей следует готовить в теплой воде, а образовавшиеся кристаллы покрывать защитным лаком.

Изучив графики растворимости веществ и зависимость растворимости от температуры, определила способ приготовления насыщенного раствора солей. Растворы нитрата алюминия, хлорида меди(II), сульфатов меди, никеля, кобальта, марганца необходимо готовить в теплой воде и использовать свежий раствор, так как при нагревании и длительном хранении происходит реакция гидролиза(реакция обмена солей с водой), в результате образуются основные или кислые соли, что приводит к потере прозрачности узора и цвета.

Прежде чем приступить к работе, я проанализирована возможность протекания реакций ионного обмена по таблице растворимости веществ. Требует экспериментальной проверки хромат и бихромат ионы, а также красная и желтая кровяная соль, так как о них нет сведений в таблице растворимости учебника.

При этом было выяснилось, красная и желтая кровяная соль дает реакцию с большинством солей, поэтому при работе не следует допускать их смешивания с растворами других солей.

Опытно-экпериментальное исследование

Для работы необходимы насыщенные растворы. Для их приготовления я брала горячую дистиллированную воду и произвольное количество соли. Полученный раствор фильтровала, чтобы удалить избыток нерастворившейся соли. Далее готовила рабочий раствор, добавляя желатин, клей, крахмальный клейстер в соотношении примерно 10:1. Пиво подогревала, а затем растворяла в нем соль. Всего исследовано 6 специальных растворов.

На сухую, ровную поверхность стекла кисточкой или пипеткой наносила рабочий раствор. Стекло предварительно тщательно моется содой или «пемолюксом», чтобы обезжирить, а затем протирается спиртом. Процесс кристаллизации происходит за несколько часов. Всего опробовано на кристаллизацию 15 солей. Результаты проб фиксировала в таблице, в которой выделены наиболее удачные варианты. Каждая проба фотографировалась

Таблица некоторых результатов опробования веществ.

Исследуемая Водный раствор Водный раствор + желатин Водный раствор + Водный раствор + Раствор на пиве Раствор соль обойный клей столярный клей + крахмал

Сульфат меди(II) – Кристаллы крупные Кристаллы мелкие, Кристаллы мелкие Кристаллы мелкие,Кристаллы мелкие Тонкий слой

CuSO4 прозрачные не равномерно распределяются. равномерно по краю крупные прозрачные кристаллизуется

Раствор голубого удерживаются на Менее прозрачные распределяются менееполупрозрачные распределяются в узоры.

цвета стекле прозрачные равномерно Заливка непрозрачна

Сульфат никеля – Кристаллы застывают Кристаллы застывают однороднойВидимых кристаллов не обнаружено, Изображение бирюзового Заливка

Ni SO4 однородной полупрозрачной массой не раствор застывает равномерной не кристаллы застывает виде

Раствор зелёного полупрозрачной образуя отдельных кристаллов прозрачной массой распределяются от льда. Узоры цвета массой, не образуя изображение удерживается центра к краю видны если слой отдельных хорошо полупрозрачны положили кристаллов. Со кисточкой.

стеклом связь плохая

Йодид калия – KJ, Кристаллы прозрачныеКристаллы крупные квадратной Кристаллы желтоватые по краю болееКристаллы желтоватые в Непрозрачный раствор блестящие в центре, формы прозрачные крупные, в центре редкие и мелкие центре крупные по краю белый налёт.

светло-желтого цветапо краю матовые на распределяются почти мелкие Кристаллы стекле удерживаются равномерно связь со стеклом мелкие.

хорошо хорошая

Хлорид меди(II) – Кристаллы Кристаллы игольчатые мелкие Изображение не прозрачное, Кристаллы темно-зеленыеУзоры хорошие,

CuCl2, раствор разрушаются обладаютрасполагаются плотно и кристаллы мелкие невзрачные связь игольчатые по краю четкие, но не зелёного цвета плохой равномерно по всему со стеклом плохая более темные и блестят.

кристаллизацией изображению ,от центра к краю блестящие образуют однородную распределяются массу со стеклом равномерно связи нет

Дихромат калия – Кристаллы мелкие Кристаллы мелкие Кристаллы мелкие Кристаллы Кристаллы крупные, Непрозрачные

K2Cr2O7, раствор оранжевого цвета игольчатые, игольчатые, более коричневого цвета, игольчатые оранжевого цвета связь со стеклом распределяются четкие. Распределяются распределяются тёмно-оранжевого цвета,

-нет равномерно по краю равномерно по краю равномерно. Связь сораспределяются образуют четкий кант образуют выраженный стеклом плохая равномерно, образуя связь со стеклом кант связь со стеклом кристаллы крупные хорошая хорошая

В процессе опробования растворов веществ, проводилась проверка возможности протекания реакций ионного обмена соединений хромата калия и бихромата калия, красной и желтой кровяной соли с растворами других солей(8). Выяснилось, что не следует допускать их смешивания с растворами солей кобальта и марганца, а также между собой.

Реакции ионного обмена ионы K+ Na+ Cu2+ Ni2+ Co2+ Mn2+ Al3+

Cl- - - Зеленый раствор Зеленый раствор Розовый раствор- -

J- - - - - - - -

SO42- Синий раствор

CrO42- Желтый цвет раствор

Cr2O72- Оранжевый цвет Темно-бурый осадок Темно-красный раствор раствор

NO3- - - - -

[Fe(CN)6]3- Желтый цвет раствор Темно-красный Темно-красный осадок Темно-красный осадок Желто-бурый - -

осадок осадок

[Fe(CN)6]4- Раствор - Темно-бурый осадок, Темно-бурый осадок Красный осадок - -

темно-красного раствор синеет цвета

Проведена проверка на сохранность изображения. Кристаллические изображения солями, которые подвержены гидролизу, менее устойчивы. Значительно лучше сохраняются под слоем лака. В ходе исследования опробован лак для ногтей и для волос. Лак для ногтей требуется разбавить растворителем.

Результаты исследования показывают, что:

1. Водные растворы солей образуют прозрачные кристаллы, но они не удерживаются на стекле. Первая гипотеза не получила подтверждение.

2. Для создания морозных узоров на стекле лучше всего подходят бесцветные соли - хлорид аммония, сульфат магния, нитрат натрия, а также хроматы. Их следует наносить кисточкой. Эти узоры хороши на просвет.

3. Для создания кристаллического рисунка способом заливки подходят сульфат марганца, йодид калия, нитрат калия, хлорид натрия. Цветные узоры можно получить из хромата калия, дихромата калия, красной кровяной соли, сульфата никеля. Эти изображения следуют покрывать лаком так, как соли обладают отрицательным физиологическим воздействием на организм.

4. Хлорид меди, сульфат кобальта, нитрат алюминия, сульфат никеля образуют кристаллы, но изображение выветривается(теряет воду) и подвергаются гидролизу. Изображение следует покрывать защитным лаком. Сульфат натрия не прошел проверки. Кристаллов не образуется.

5. Желтая кровяная соль дает красивое, ажурное изображение, но кристаллы быстро выветриваются, становятся хрупкими, таким образом, не может применяться для создания изображения на стекле.

6. На пиве хорошо кристаллизуются нитрат натрия, сульфат кобальта, дихромат калия. Связь кристаллов со стеклом хорошая. Изображение долго сохраняется, но недостаточно прозрачное.

7. Обойный клей(«Момент, классик»), крахмал могут применяться для создания рисунков на стекле, лучше методом заливки с последующей коррекцией изображения гравировочным ножом. Изображения полупрозрачные и рельефные.

8. Столярный клей подходит для бесцветных солей, изображение полупрозрачное и не годится для просмотра на просвет.

9. Для приготовления рабочих растворов лучше подходит желатин. Он хорошо удерживает влагу, создает условия для образования кристаллов, застывает, предохраняя узор от выветривания. Работа с крахмалом(приготовление рабочего раствора, пропорции смешивания, создание кристаллогравюр по методу Шульгина) требует дополнительного исследования

Исследованные соли были использованы для создания кристаллических изображений на стекле. Создавая их, я старалась не смешивать растворы. В этом заключалась основная сложность.

Наши правила техники безопасности

1. Не дави на стекло, может сломаться.

2. Попроси старшего подготовить стекло для работы: оплавить края стекла или обработать наждачной бумагой.

3. Работая с химическими реактивами, надевай перчатки.

4. Нельзя пробовать на вкус реактивы.

5. Нельзя смешивать реактивы, просто так.

6. Сыпучие реактивы следует брать с помощью специальной ложечки.

7. Нельзя хранить посторонние предметы вблизи реактивов.

8. Если реактив разлили или рассыпали, следует сообщить учителю.

9. При приготовлении растворов на горячей воде, следует быть особо осторожным, чтобы не получить ожог.

10. Разбил стаканчик? Не скрывай следы. Скажи старшему.

11. Когда готовишь раствор, не стучи стеклянной палочкой. Можно выбить дно.

12. Когда фильтруешь раствор, фильтр нельзя держать незащищенными руками.

13. Раствор на стекло наноси пипеткой или кисточкой.

14. Хочешь потрогать готовый рисунок рукой? – нельзя!

15. Когда работаешь с лаком, не должно быть вблизи открытого огня.

16. Закончил работу – приведи в порядок рабочее место.

17. Нельзя выбрасывать остатки реактивов в канализацию. Все, что осталось, слей в специальную посуду.

18. Не забудь вымыть руки с мылом после работы.

Рецепты рабочих растворов

Рецепт 1. Чтобы запечатлеть причудливые узоры из мелких цветных кристалликов солей, существует следующий способ. Готовят теплый раствор 2—3 г желатина в 100 мл воды и 10—15%-ные водные растворы окрашенных солей (сульфата меди CuSO4, дихромата калия К2Сr2О7, хлорида никеля NiCl2, хлорида кобальта СоСl2 и т. П. ). Эти растворы будут содержать 10—15 г каждой соли в 100 г воды. Затем раствор желатина смешивают с десятикратным объемом раствора соли и выливают смесь на обезжиренную стеклянную пластинку, чтобы получился слой толщиной 2—3 мм. Пластинку оставляют в горизонтальном положении для испарения воды. Через один − два дня тонкий слой раствора желатина с примесями солей высыхает и на стекле появляются причудливые узоры из цветных кристаллов синего, оранжевого, зеленого, розового цветов.

Рецепт 2. Приготовьте в химическом стакане при нагревании насыщенный раствор сульфата магния. К этому горячему раствору добавьте несколько капель заранее приготовленного столярного клея. Перемешайте содержимое стакана стеклянной палочкой. Полученную смесь надо нанести на кусок чистого оконного стекла ровным слоем при помощи кисти. Через некоторое время на стекле появляются кристаллы, образующие «ледяные узоры»: при понижении температуры из пересыщенного раствора соли выпадают кристаллы ветвистой формы.

Рецепт 3. Получить узор можно так. Сначала приготовьте насыщенный раствор вещества, с которым вы будете работать, например хлорид аммония. Протрите этим раствором стекло и поставьте его под вентилятор.

Рецепт 4. В пиве без газа растворите бесцветную соль. Профильтруйте и нанесите на стекло, пипеткой или кисточкой. Через несколько часов появляется морозный узор.

Рецепт 5. Приготовьте раствор обойного клея. Смешайте его с водным раствором соли в соотношении 1:3 и нанесите на стекло.

Рецепт 6. Автор метода кристаллогнафики, создавал кристаллогравюры на крахмальном растворе. Приготовление и состав рабочей смеси не известен. Возможно готовится крахмальный клейстер (заварить крахмал), а затем добавить насыщенный раствор соли.