Номер 24, страница 27, часть 1 - гдз по физике 8 класс учебник Генденштейн, Булатова

Часть 1. Глава I. Строение вещества. Параграф 2. Состояния вещества - номер 24, страница 27.

Условие.

24. На рисунке 2.7 представлены фотографии, сделанные учеником при наблюдении в школьный микроскоп за ростом кристаллов из растворов медного купороса (а) и поваренной соли (б). Попробуйте и вы поставить подобный опыт. Для этого сделайте, например, в небольшом стеклянном сосуде (банке или стакане) концентрированный раствор поваренной соли (добавляйте соль в воду до тех пор, пока соль продолжает растворяться). Укрепите на тонкой проволоке или нитке небольшой кристаллик соли, который будет служить «затравкой» для выращивания большого кристалла. Пронаблюдайте за ростом кристалла (это может занять несколько дней). Сфотографируйте выращенный вами кристалл.

а

б

Рис. 2.7

Решение.

В данном задании предлагается провести эксперимент по выращиванию кристалла поваренной соли (хлорида натрия, $NaCl$) из её концентрированного (насыщенного) водного раствора. На рисунке 2.7 показаны результаты подобных экспериментов: (а) — кристаллы медного купороса ($CuSO_4 \cdot 5H_2O$), имеющие характерную ромбовидную форму, и (б) — кристаллы поваренной соли ($NaCl$), имеющие форму кубов.

Ниже представлено подробное руководство по выполнению этого опыта.

Цель эксперимента

Вырастить монокристалл поваренной соли из её насыщенного водного раствора методом медленного испарения растворителя (воды).

Материалы и оборудование

1. Поваренная соль (хлорид натрия, $NaCl$). Лучше использовать соль крупного помола без добавок (например, йода или антислёживающих агентов).
2. Вода. Желательно использовать дистиллированную или кипячёную и отстоянную воду.
3. Стеклянная ёмкость (банка, стакан).
4. Кастрюля для приготовления раствора (необязательно, но удобно).
5. Палочка для размешивания (деревянная или стеклянная).
6. Нить (хлопчатобумажная или шёлковая) или тонкая проволока.
7. Карандаш или любая другая перекладина, которую можно положить на горлышко банки.
8. Фильтровальная бумага или бумажная салфетка.
9. Небольшой кристаллик соли для «затравки». Его можно выбрать из пачки с солью.

Решение

1. Приготовление насыщенного раствора.

Растворимость поваренной соли мало зависит от температуры, но для ускорения процесса лучше использовать тёплую воду (около 50-60 °C). Налейте воду в ёмкость и постепенно добавляйте соль, постоянно перемешивая, до тех пор, пока соль не перестанет растворяться, и на дне не образуется небольшой осадок. Это означает, что раствор стал насыщенным.

2. Очистка раствора.

Дайте раствору немного остыть и отстояться. Затем аккуратно перелейте его в чистую стеклянную банку, стараясь, чтобы нерастворившийся осадок остался в исходной ёмкости. Для лучшего результата можно профильтровать раствор через бумажную салфетку или фильтровальную бумагу. Это позволит удалить мелкие нерастворённые частицы и пыль, которые могут стать центрами нежелательной кристаллизации.

3. Подготовка «затравки».

Выберите наиболее крупный и правильной формы кристаллик соли. Аккуратно обвяжите его ниткой. Другой конец нитки привяжите к середине карандаша.

4. Рост кристалла.

Опустите кристаллик-затравку на нитке в банку с насыщенным раствором соли. Положите карандаш на горлышко банки так, чтобы кристаллик оказался полностью погружённым в раствор примерно посередине его высоты и не касался дна и стенок банки. Накройте банку листом бумаги или салфеткой, чтобы защитить раствор от пыли, но не закрывайте герметично, чтобы вода могла медленно испаряться.

5. Наблюдение.

Поставьте банку в место, где нет сквозняков, резких перепадов температуры и вибрации. Процесс роста кристалла основан на медленном испарении воды. По мере испарения воды концентрация соли в растворе будет увеличиваться, он станет пересыщенным. Избыток соли будет оседать на затравке, увеличивая её в размерах. Наблюдайте за ростом кристалла. Это может занять от нескольких дней до нескольких недель, в зависимости от скорости испарения.

Объяснение явления

Кристаллизация — это процесс образования кристаллов из газовой фазы, раствора или расплава. В данном случае кристаллизация происходит из водного раствора. Когда вода испаряется, концентрация растворённой соли ($NaCl$) возрастает. Раствор становится пересыщенным — в нём содержится больше соли, чем может быть растворено при данной температуре. Это состояние термодинамически неустойчиво. Система стремится вернуться в равновесие, избавляясь от избытка растворённого вещества. Ионы натрия ($Na^+$) и хлора ($Cl^−$), находящиеся в растворе, начинают присоединяться к поверхности затравочного кристалла, встраиваясь в его кристаллическую решётку. Кристаллическая решётка поваренной соли имеет кубическую форму, поэтому растущий кристалл также будет стремиться принять форму куба. Затравочный кристалл служит центром кристаллизации, значительно облегчая процесс, так как для образования нового кристалла «с нуля» требуется больше энергии.

Ожидаемый результат

Через некоторое время вы заметите, что затравочный кристаллик увеличился в размерах, сохранив или приобретя более чёткую кубическую форму. Если всё сделано правильно, можно вырастить довольно крупный и красивый монокристалл или друзу (сросток нескольких кристаллов). После завершения эксперимента кристалл можно вынуть из раствора, аккуратно просушить салфеткой и покрыть бесцветным лаком для ногтей, чтобы защитить его от разрушения на влажном воздухе. Затем можно сфотографировать полученный результат.

Ответ: Для выращивания кристалла поваренной соли необходимо приготовить её насыщенный раствор, погрузить в него на нитке небольшой кристаллик-затравку и оставить ёмкость в спокойном месте на несколько дней для медленного испарения воды. В результате испарения растворителя раствор станет пересыщенным, и избыток соли будет оседать на затравке, формируя кристалл кубической формы, что обусловлено строением кристаллической решётки хлорида натрия.