Практическая работа № 3, страница 41 - гдз по химии 7 класс тетрадь для лабораторных и практических работ Габриелян, Аксенова

Выращивание кристаллов (домашний эксперимент). Практические работы - страница 41.

Условие.

Практическая работа № 3. Выращивание кристаллов (домашний эксперимент)

Цель: выращивание кристаллов соли.

Оборудование и реактивы: чистая банка или стакан, нитка, карандаш, шерстяная нитка, ложка, воронка, кастрюля, поваренная соль (крупные кристаллы), медный или железный купорос.

Задание. Приготовить насыщенный раствор соли и вырастить кристаллы.

Инструкция

1. Внимательно прочитайте соответствующий текст учебника.

2. Приготовьте насыщенный раствор соли. Для этого налейте в банку горячей воды до половины её объёма, затем порциями добавляйте соответствующую соль, постоянно перемешивая. Добавляйте соль до тех пор, пока она не перестанет растворяться.

3. Отфильтруйте полученный раствор через воронку и фильтр в чистую банку и закройте её. Оставьте раствор остывать на 2–3 часа.

4. Завяжите на карандаше нить. На свободном конце нити закрепите кристалл соли. Внесите затравку — кристаллик соли, подвешенный на нити. Закройте банку. Оставьте в покое на 2–3 дня.

5. Сделайте 3–4 фотографии разных стадий эксперимента. Опишите свои наблюдения. Сдайте кристалл учителю для оформления коллекции.

Дополнительное задание

Объясните, почему происходит рост кристаллов в насыщенном растворе соли.

Решение.

Решение 2.

Задание. Приготовить насыщенный раствор соли и вырастить кристаллы.

Решение:

Для успешного выращивания красивого кристалла в домашних условиях следует внимательно и последовательно выполнить все шаги, описанные в инструкции. В основе этого эксперимента лежат физико-химические процессы, связанные с растворимостью веществ.

1. Подготовка оборудования и реактивов. Перед началом эксперимента необходимо подготовить все необходимое: чистую стеклянную банку или стакан, кастрюлю для нагрева воды, ложку, карандаш, нитку (лучше использовать шерстяную, так как ее ворсистая структура создает больше точек для начала кристаллизации), фильтр (подойдет фильтровальная бумага, сложенная в несколько слоев марля или ватный диск) и воронку. В качестве основного реактива можно использовать поваренную соль (хлорид натрия, $NaCl$), медный купорос (сульфат меди(II), $CuSO_4 \cdot 5H_2O$) для получения красивых синих кристаллов, или железный купорос (сульфат железа(II), $FeSO_4 \cdot 7H_2O$) для зеленоватых кристаллов. Также понадобится "затравка" — отдельный крупный и ровный кристаллик той же соли, которая будет использоваться для приготовления раствора. Внимание: медный и железный купорос токсичны. Работать с ними следует в перчатках, избегая попадания на кожу, в глаза и вдыхания пыли. Эксперименты с купоросом проводятся строго под присмотром взрослых!

2. Приготовление насыщенного раствора. Растворимость большинства солей в воде значительно увеличивается при нагревании. Это свойство используется для приготовления пересыщенного раствора. Нагрейте воду в кастрюле примерно до 60–80°C (вода должна быть горячей, но не кипящей). Перелейте горячую воду в банку, заполнив ее примерно наполовину. Начните добавлять в воду соль небольшими порциями, каждый раз тщательно размешивая до полного растворения. Продолжайте добавлять соль до тех пор, пока она не перестанет растворяться и на дне не начнет образовываться осадок. Это означает, что вы получили насыщенный раствор при высокой температуре.

3. Фильтрация и остывание. Чтобы получить чистый кристалл правильной формы, раствор необходимо очистить от примесей и нерастворившихся частиц соли. Для этого его фильтруют. Установите воронку с фильтром на горлышко другой чистой банки и аккуратно перелейте горячий раствор. Отфильтрованный раствор будет прозрачным и однородным. Плотно накройте банку (например, блюдцем или картонкой), чтобы замедлить испарение и предотвратить попадание пыли, и оставьте ее остывать в спокойном месте на 2–3 часа. По мере остывания растворимость соли будет падать, и раствор станет пересыщенным.

4. Внесение затравки. Пересыщенный раствор — система нестабильная, и кристаллизация в нем начнется на любом подходящем центре. Чтобы вырастить один большой кристалл, а не множество мелких, используется затравка. Выберите самый качественный кристаллик соли, привяжите его к нитке. Другой конец нитки закрепите на середине карандаша. Отрегулируйте длину нити так, чтобы кристаллик-затравка, опущенный в раствор, висел примерно в его центре, не касаясь стенок и дна сосуда. Поместите карандаш на банку. Снова накройте банку и оставьте в покое на 2–3 дня или дольше, в месте без сквозняков и вибраций.

5. Наблюдение за ростом. В течение следующих дней вы сможете наблюдать, как кристаллик-затравка начнет увеличиваться в размерах. Молекулы соли из пересыщенного раствора будут осаждаться на его поверхности, строго повторяя его кристаллическую структуру. Ведите дневник наблюдений, делайте зарисовки или фотографии кристалла через равные промежутки времени. Когда кристалл достигнет желаемого размера, аккуратно извлеките его из раствора, промокните салфеткой и покройте бесцветным лаком для ногтей для сохранности (кристаллы солей гигроскопичны и могут разрушаться на влажном воздухе).

Ответ: Для выращивания кристалла необходимо приготовить насыщенный в горячей воде раствор соли, отфильтровать его для очистки, дать медленно остыть до состояния пересыщения, а затем опустить в него "затравку" — маленький кристаллик этой же соли на нитке. По мере медленного остывания и/или испарения воды избыток соли из пересыщенного раствора будет осаждаться на затравке, формируя большой и красивый монокристалл.

Дополнительное задание. Объясните, почему происходит рост кристаллов в насыщенном растворе соли.

Решение:

Рост кристаллов — это процесс фазового перехода вещества из жидкого (раствор) или газообразного состояния в твердое кристаллическое. В основе этого процесса в нашем эксперименте лежат следующие ключевые понятия:

1. Насыщенные и пересыщенные растворы. Растворимость вещества — это его максимальное количество, которое может раствориться в определенном объеме растворителя при заданной температуре. Раствор, содержащий такое максимальное количество, называется насыщенным. В нем устанавливается динамическое равновесие: количество частиц вещества, переходящих в раствор с поверхности кристалла, равно количеству частиц, осаждающихся из раствора на кристалл.$Вещество_{(твёрдое)} \rightleftharpoons Вещество_{(растворённое)}$Если создать условия, при которых концентрация вещества в растворе превысит предел растворимости, такой раствор станет пересыщенным. Это достигается либо охлаждением горячего насыщенного раствора (т.к. растворимость большинства солей с понижением температуры падает), либо медленным испарением растворителя из насыщенного раствора при постоянной температуре.

2. Центры кристаллизации. Пересыщенный раствор является термодинамически неустойчивой системой. Он стремится вернуться в стабильное насыщенное состояние, "избавившись" от избытка растворенного вещества. Этот избыток выделяется в виде твердой фазы — кристаллов. Процесс образования и роста кристаллов называется кристаллизацией. Однако для начала этого процесса необходимы так называемые центры кристаллизации — микроскопические частицы (пылинки), неровности на стенках сосуда или, в идеальном случае, специально внесенный кристаллик-затравка того же вещества.

3. Механизм роста. Когда кристаллик-затравка попадает в пересыщенный раствор, он становится главным центром кристаллизации. Ионы или молекулы растворенной соли, хаотично движущиеся в растворе, при столкновении с поверхностью затравки "узнают" родственную структуру и присоединяются к ней, встраиваясь в кристаллическую решетку в строго определенных положениях. Этот процесс присоединения частиц к существующей решетке и есть рост кристалла. Рост происходит слой за слоем, благодаря чему кристалл сохраняет свою характерную для данного вещества геометрическую форму (например, кубическую для $NaCl$). Процесс будет продолжаться до тех пор, пока концентрация вещества в растворе не уменьшится до уровня насыщения.

Ответ: Рост кристаллов происходит из-за стремления нестабильной пересыщенной системы вернуться в стабильное состояние. Пересыщенный раствор содержит больше растворенного вещества, чем это возможно при данных условиях. "Избыточные" частицы вещества осаждаются на поверхности внесенной затравки (центра кристаллизации), упорядоченно встраиваясь в ее кристаллическую решетку и тем самым увеличивая ее размер.