Международная научно-практическая конференция школьников

«Первые шаги в науку»

ТЕМА ИССЛЕДОВАНИЯ

«ТАЙНЫ ЗЕМЛИ: ЗАГАДОЧНЫЕ КОЛЬЦА»»

Предметная область: дополнительное образование

Фамилия, имя автора работы: Богданова Елена

Возраст: 14 лет

Ф.И.О. руководителя:

Симунина Ольга Николаевна, педагог дополнительного образования МБОУ ДОД «Станция юных техников» Володарского района г. Брянска

Образовательное учреждение:

Муниципальное бюджетное образовательное учреждение дополнительного образования детей «Станция юных техников» Володарского района г. Брянска

Содержание

Введение………………………………………………………….стр2

1. Экспериментальное исследование образования колец

Лизеганга в студнях желатина……………………………….……стр.3

2. Кольца Лизеганга и структура агатов……………………..…...стр.6

3. Кольца Лизеганга и биологические структуры…………….….стр.8

Заключение…………………………………………………….…стр.9

Приложение (иллюстрации)…………………………………….стр.11

Введение

Наиболее продуктивные современные идеи, которые составляют основу науки о материалах, касаются наноматериалов. Наноматериалы прочно входят в повседневную жизнь человека, становятся привычными. Нанотехнологиями занимаются уже не только исследовательские институты, но и промышленные предприятия. Задача современных учёных, исследователей-материаловедов показать, как научные идеи воплощаются в жизнь и что от них можно ожидать в будущем.

Значительную роль в процессах формирования наноматериалов играют процессы самоорганизации. Они позволяют контролируемо получать молекулярные структуры с заданными практически-важными свойствами. Одним из примеров самоорганизации являются периодические структуры из концентрических окружностей.

Эти структуры впервые были получены в 1896 г. немецким химиком Р. Лизегангом. Если взаимодействие содержащихся в геле веществ приводит к образованию осадка, то при его выпадении нередко возникают своеобразные «ритмические структуры», которые были подробно изучены Лизегангом. Так, например, если на пластинку желатинового студня, содержащего небольшое количество (примерно 0,1%) хромата (K₂CrO₄) или бихромата калия (K₂Cr₂O₇), поместить каплю концентрированного раствора (25—50%) азотнокислого серебра (AgNO₃), то в геле через некоторое время появляются кольцевидные отложения хромовокислого серебра, чередующиеся со слоями, свободными от осадка. По мере удаления от центра диффузии расстояния между кольцевидными прослойками последовательно возрастают. Такие же слоистые, ритмические осаждения получаются при образовании в гелях фосфорнокислого или углекислого кальция, нерастворимых солей бария, свинца и т. п.

Аналогичное явление происходит не только в студнях, но и в уплотнённых инертных порошках (кварца, кизельгура и т. п.), пропитанных раствором соответствующего реагента.

Открытое явление нашло практическое применение при изучении различных процессов в физике, химии, биологии, геологии и в прикладном искусстве.

С образованием слоев Лизеганга связывают послойную окраску минералов (агата, яшмы), слоистую структуру минеральных отложений в органах животных и человека.

Возможный физический механизм, объясняющий образование структур Лизеганга, был впервые предложен Оствальдом в 1987 году. В. Оствальд дал этому явлению следующее объяснение. Растворимая серебряная соль образует со встречаемым ею при своей диффузии бихроматом пересыщенный раствор малорастворимого хромата серебра. В отсутствии очагов кристаллизации пересыщение может быть более или менее значительным; но лишь только оно превысит некоторый предел, наступает кристаллизация, причем осадок захватывает из прилегающего слоя геля весь избыток образовавшейся нерастворимой соли, благодаря чему осадок уплотняется. Вследствие этого в непосредственном соседстве с выпавшим осадком концентрация хромовой соли уменьшается. Ионы серебра должны теперь диффундировать на некоторое расстояние дальше, чтобы, соединяясь с диффундирующим навстречу бихроматом калия, вновь достигнуть пересыщения, необходимого для выпадения нового слоя осадка. В действительности эта простая схема сильно усложняется. Плотность геля и различные содержащиеся в нем примеси могут оказывать сильное влияние на выпадение кристаллического осадка и на его дальнейший рост. Поэтому в различных гелях образование колец осадка происходит далеко не одинаково.

Роль самого студня при образовании таких "ритмических осадков", очевидно, сводится к предупреждению образования в системе встречных потоков. Несмотря на множество работ по изучению слоев и колец Лизеганга, причина их образования еще не совсем ясна.

Экспериментальное исследование образования колец Лизеганга в студнях желатина.

Цель.

Показать в действии явление самоорганизации в химической системе (на примере роста колец Лизеганга) при изменяющихся условиях.

Материалы и оборудование

1. Пластиковые пробирки на 10 мл 7 шт.

2. Градуированные пипетки на 1мл, 3мл, 5 мл.

3. Рычажные аптечные весы с разновесами на 50, 100 и 200 мг

4. Водяная баня.

5. Дистиллированная вода (из аптеки)

6. 5% раствор желатина, содержащий 0,1% К₂Сr₂O₇ (или К₂СrO₄)

7. 3% раствор желатина, содержащий 0,1% К₂Сr₂O₇ (или К₂СrO₄)

8. 1% раствор желатина, содержащий 0,1% К₂Сr₂O₇ (или К₂СrO₄)

9. 1% раствор желатина, содержащий 1% К₂СrO₄

10. 1% раствор желатина, содержащий 2% К₂СrO₄

11. 1% раствор желатина, содержащий 3% К₂СrO₄

12. Концентрированный раствор нитрата серебра.

13. Раствор лимоннокислого калия (200мг на 1 мл воды).

Ход эксперимента.

     Опыт 1. Влияние плотности геля на скорость образования колец Лизеганга.

В пробирку №1 с 5%-ным раствором желатина, содержащим 0,1% К₂Сr₂O₇, предварительно налитым и застывшем при комнатной температуре (5 мл), добавляем 2 мл концентрированного раствора нитрата серебра. Пробирку плотно закрываем пробкой. Аналогично закладываем опыт с хроматом калия.

В пробирку №2 с 3%-ным раствором желатина, содержащим 0,1% К₂Сr₂O₇, предварительно налитым и застывшем при комнатной температуре (5 мл), добавляем 2 мл концентрированного раствора нитрата серебра. Пробирку плотно закрываем пробкой. Аналогично закладываем опыт с хроматом калия.

В пробирку №3 с 1%-ным раствором желатина, содержащим 0,1% К₂Сr₂O₇, предварительно налитым и застывшем при комнатной температуре (5 мл), добавляем 2 мл концентрированного раствора нитрата серебра. Пробирку плотно закрываем пробкой. Аналогично закладываем опыт с хроматом калия.

Подготовленные пробирки храним в тёмном прохладном месте (в холодильнике), при температуре не ниже нуля!

Результаты.

В ходе проведения опыта были получены следующие результаты.

Через 2 ч образуются диски хромата серебра, число которых со временем увеличивается. С хроматом калия полосы получаются более чёткие и яркие, чем с бихроматом (фото 1).

Толщина, скорость роста и количество колец прямо пропорционально зависят от степени обводнённости геля (фото 1). В 5% геле кольца более плотные, тёмные, образуются медленнее, ближе ко дну пробирки чётче прослеживается полосатая структура.

Образование колец активно продолжалось в течение первых двух суток.

Дальнейшие наблюдения проводились в течение 40 дней при комнатной температуре. Роста количества колец не наблюдалось. Ближе ко дну пробирок выпали более крупные кристаллы, тонкие кольца около дна пробирки наблюдались только при увеличении (фото 5). От воздействия света кольца осадка окрасились в чёрный цвет.

     Опыт 2. Влияние лимоннокислого калия на образования слоистых осадков

В пробирку с 3%-ным раствором желатины, содержащим 0,1% К₂Сr₂O₇, предварительно налитым и застывшем при комнатной температуре (5 мл), добавляем 0,5 мл раствора лимоннокислого калия. Пробирку плотно закрываем пробкой.

Результат

Через сутки в пробирке по всему объёму выпали мелкие, видимые глазом кристаллы хромата серебра. Кольца Лизеганга нечёткие, наблюдаются лишь в верхнем слое студня. Лимонная кислота ускоряет диффузию в геле, кристаллы образуются быстрее и крупнее (фото 2).

Опыт 3. Образование концентрических слоёв осадков в гелях.

В чашку Петри наливаем тонкий слой 1% раствора желатина, содержащий 0.1 % хромата калия, на застывший слой желатина капаем 5 капель концентрированного раствора нитрата серебра. Осторожно помещаем закрытую чашку Петри в тёмное место.

Результат

В течение первого часа образовался тёмный осадок хромата серебра, располагающийся концентрическими слоями вокруг капли нитрата серебра. Кольца напоминают слоистую структуру полосатых агатов (фото 3).

Опыт 4.Образование колец Лизеганга в студнях, содержащих большое количество соли

В чашки Петри наливаем тонким слоем растворы:

№1 1% раствор желатина, содержащий 1% К₂СrO₄

№2 1% раствор желатина, содержащий 2% К₂СrO₄

№3 1% раствор желатина, содержащий 3% К₂СrO₄

В центр застывшего студня вносим по 5 капель раствора нитрата серебра. Плотно закрываем и помещаем в тёмное место при комнатной температуре.

Результат

В месте контакта раствора и студня мгновенно образуется слой тёмного осадка. Слой осадка толще и темнее в более разбавленном растворе (фото 4). Наблюдения в течение 10 дней показали, что кольца Лизеганга не появились ни в одной чашке, хотя в слое выпавшего осадка при увеличении можно было увидеть концентрические образования (фото 3).

Выводы

В большинстве случаев мы получили кольца Лизеганга.

Более чёткие периодические осадки получились в менее плотных гелях, то есть, содержащих больше воды. Скорость образования слоёв и роста кристаллов также напрямую связаны с количеством воды в геле.

Количество солей, исходно содержащихся в геле, также влияет на образование слоёв осадков. В очень концентрированных растворах бихромата образование колец не происходило (при температурах не выше 20⁰-25 ⁰ С).

Скорость роста слоёв и кристаллов также мало зависит от температуры: в пределах, когда студень не плавился и не замерзал, время появления слоёв осадков было примерно одинаковым. При повышении температуры гель становился жидким и благодаря конвекции слои смешивались.

Лимонная кислота или лимоннокислый калий ускоряют диффузию в гелях, кольца Лизеганга получались нечёткими, как бы размытыми, более широкими. Следовательно, в присутствии лимонной кислоты (и её соли) проницаемость студня увеличивается, скорость оседания осадков вырастает.

Образование слоистых структур в геле проходит до дна пробирок, что видно при небольшом увеличении, однако, в нижних, то есть более старых слоях, кристаллы располагаются редко, имеют более крупный размер и правильную форму.

Кольца Лизеганга и структура агатов