Кристаллизация

Кристаллизация - это образование новой твердой фазы, выделяющейся из раствора, расплава или пара. Кристаллизация из раствора служит средством выделения из них целевых продуктов или загрязняющих примесей, то есть является методом разделения и очистки веществ. В технологии неорганических веществ преимущественно используется кристаллизация из растворов. Образование твердой фазы может происходить только в растворах, в которых концентрация кристаллизующегося вещества превышает концентрацию насыщения, то есть из пересыщенных растворов. Насыщенный раствор, находящийся в контакте с выделившейся кристаллической массой или оставшийся после ее удаления, называется маточным раствором. Пересыщение раствора характеризуется его абсолютным значением, то есть разностью х / - х 0 между концентрацией пересыщенного х / и насыщенного х 0 растворов, или относительным пересыщением (х / - х 0) / х 0 .

Способы кристаллизации

Способы кристаллизации различаются прежде всего приемами, с помощью которых достигается пересыщение раствора.

1) Политермическая или изогидрическая кристаллизация идет при неизменном содержании воды в системе. Она характерна для веществ, растворимость которых при повышенных температурах заметно превышает их растворимость при более низких температурах, и происходит путем охлаждения пересыщенных растворов. Пересыщение зависит от переохлаждения раствора, то есть от разности температур насыщенного и пересыщенного растворов. Если растворимость уменьшается при повышении температуры, кристаллизация будет идти при нагревании системы.

2) Изотермическая кристаллизация происходит путем удаления растворителя из системы (испарении воды) при постоянной температуре, она характерна для веществ, мало изменяющих свою растворимость при изменении температуры. Испарение воды может производиться интенсивным способом при кипении раствора или при медленном поверхностном испарении.

3) Высаливание - кристаллизация соли может быть достигнута введением в раствор веществ, уменьшающих ее растворимость. Таковыми являются вещества, содержащие одинаковый с данной солью ион, ил связывающие воду. Например, кристаллизация хлорида натрия из концентрированного раствора при добавлении к нему хлорида магния; кристаллизация сульфата натрия при добавлении к его раствору спирта или аммиака. Механизм высаливания может быть различным. При добавлении к раствору электролита другого электролита с одноименным ионом произведение концентраций ионов растворенного вещества может превысить его произведение растворимости, то есть произведение концентраций этих ионов в насыщенном растворе, при этом избыток вещества выделяется в твердую фазу. В других случаях высаливание происходит вследствие изменения структуры раствора - образование гидратных оболочек вокруг частиц высаливающего вещества за счет разрушения таких оболочек у растворенного вещества. Соли, образующие кристаллогидраты, особенно с большим числом молекул воды, высаливаются сильнее, чем соли, кристаллизующиеся в безводной форме. Некоторые добавки могут приводить к всаливанию вещества, то есть увеличению его растворимости.

4) Осаждение веществ из растворов с помощью реагентов - наиболее распространенный метод кристаллизации в химической промышленности. Если при этом образуется практически нерастворимый продукт реакции, он сразу осаждается из быстро пересыщающегося раствора. Если продукт реакции растворим, его кристаллизация начинается после достижения необходимого пересыщения и продолжается по мере подачи реагента (осадителя). Примером может служить осаждение нерастворимого карбоната кальция при конверсии нитрата кальция в нитрат аммония:

Са(NO 3) 2 +(NH 4) 2 CO 3 =CaCO 3 +2NH 4 NO 3 .

Для получения катализаторов широко применяют осаждение металлов в виде нерастворимых соединений (гидроксидов, карбонатов, оксалатов и других солей) с последующим их разложением до оксидов.

5) Вымораживание применяется преимущественно для выделения отдельных компонентов из естественных рассолов, например соленых озер, при этом кристаллизацию проводят охлаждением растворов до температуры ниже 0С. Способ вымораживания используется для концентрирования растворов путем частичного удаления из них растворителя в виде льда. В этом случае кристаллизуется не соль, а растворитель - вода. Концентрируя морскую воду вымораживанием льда, получают 8% раствор соли, который используется для получения хлорида натрия.

Переход вещества из твердого кристаллического состояния в жидкое называется плавлением . Чтобы расплавить твердое кристаллическое тело, его нужно нагреть до определенной температуры, т. е. подвести тепло. Температура, при которой вещество плавится, называется температурой плавления вещества.

Обратный процесс — переход из жидкого состояния в твердое — происходит при понижении температуры, т. е. тепло отводится. Переход вещества из жидкого состояния в твердое называется отвердеванием, или кристал лизацией. Температура, при которой вещество кристаллизуется, называется температурой кристалли зации.

Опыт показывает, что любое вещество кристаллизуется и плавится при одной и той же температуре.

На рисунке представлен график зависимости температуры кристаллического тела (льда) от времени нагревания (от точки А до точки D) и времени охлаждения (от точки D до точки K ). На нем по горизонтальной оси отложено время, а по вертикальной — температура.

Из графика видно, что наблюдение за процессом началось с момента, когда температура льда была -40 °С, или, как принято говорить, температура в начальный момент времени t нач = -40 °С (точка А на графике). При дальнейшем нагревании температура льда растет (на графике это участок АВ ). Увеличение температуры происходит до 0 °С — температуры плавления льда. При 0°С лед начинает плавиться, а его температура перестает расти. В течение всего времени плавления (т.е. пока весь лед не расплавится) температура льда не меняется, хотя горелка продолжает го-реть и тепло, следовательно, подводится. Процессу плавления соответствует горизонтальный учас-ток графика ВС. Только после того как весь лед расплавится и превратится в воду , температура снова начинает подниматься (участок CD ). После того, как температура воды достигнет +40 °С, горелку гасят и воду начинают охлаждать, т. е. тепло отводят (для этого можно сосуд с водой по-местить в другой, больший сосуд со льдом). Температура воды начинает снижаться (участок DE ). При достижении температуры 0 °С температура воды перестает снижаться, несмотря на то, что тепло по-прежнему отводится. Это идет процесс кристаллизации воды — образования льда (гори-зонтальный участок EF ). Пока вся вода не превратится в лед, температура не изменится. Лишь после этого начинает уменьшаться температура льда (участок FK ).

Вид рассмотренного графика объясняется следующим образом. На участке АВ благодаря подводимому теплу средняя кинетическая энергия молекул льда увеличивается, и температура его повышается. На участке ВС вся энергия, получаемая содержимым колбы, тратится на разрушение кристаллической решетки льда: упорядоченное пространственное расположение его молекул сменяется неупорядоченным, меняется расстояние между молекулами, т.е. происходит перестройка молекул таким образом, что вещество становится жидким. Средняя кинетическая энергия моле-кул при этом не меняется, поэтому неизменной остается и температура. Дальнейшее увеличение температуры расплавленного льда-воды (на участке CD ) означает увеличение кинетической энер-гии молекул воды вследствие подводимого горелкой тепла.

При охлаждении воды (участок DE ) часть энергии у нее отбирается, молекулы воды движутся с меньшими скоростями, их средняя кинетическая энергия падает — температура уменьшается, вода охлаждается. При 0°С (горизонтальный участок EF ) молекулы начинают выстраиваться в определенном порядке, образуя кристаллическую решетку. Пока этот процесс не завершится, температура вещества не изменится, несмотря на отводимое тепло, а это означает, что при отвер-девании жидкость (вода) выделяет энергию. Это как раз та энергия, которую поглотил лед, пре-вращаясь в жидкость (участок ВС ). Внутренняя энергия у жидкости больше, чем у твердого тела. При плавлении (и кристаллизации) внутренняя энергия тела меняется скачком.

Металлы, плавящиеся при температуре выше 1650 ºС, называют тугоплавкими (титан, хром , молибден и др.). Самая высокая температура плавления среди них у вольфрама — около 3400 °С . Тугоплавкие металлы и их соединения используют в качестве жаропрочных материалов в самолетостроении, ракетостроении и космической технике, атомной энергетике.

Подчеркнем еще раз, что при плавлении вещество поглощает энергию. При кристаллизации оно, наоборот, отдает ее в окружающую среду. Получая определенное количество теплоты, выделяющееся при кристаллизации, среда нагревается. Это хорошо известно многим птицам. Неда-ром их можно заметить зимой в морозную погоду сидящими на льду, который покрывает реки и озера. Из-за выделения энергии при образовании льда воздух над ним оказывается на несколько градусов теплее, чем в лесу на деревьях, и птицы этим пользуются.

Плавление аморфных веществ.

Наличие определенной точки плавления — это важный признак кристаллических веществ. Именно по этому признаку их можно легко отличить от аморфных тел, которые также относят к твердым телам. К ним, в частности, относятся стекла, очень вязкие смолы, пластмассы.

Аморфные вещества (в отличие от кристаллических) не имеют определенной температуры плавления — они не плавятся, а размягчаются. При нагревании кусок стекла, например, снача-ла становится из твердого мягким, его легко можно гнуть или растягивать; при более высокой температуре кусок начинает менять свою форму под действием собственной тяжести. По мере нагревания густая вязкая масса принимает форму того сосуда, в котором лежит. Эта масса сначала густая, как мед, затем — как сметана и, наконец, становится почти такой же маловязкой жидкостью, как вода. Однако указать определенную температуру перехода твердого тела в жидкое здесь невозможно, поскольку ее нет.

Причины этого лежат в коренном отличии строения аморфных тел от строения кристаллических. Атомы в аморфных телах расположены беспорядочно. Аморфные тела по своему строению напоминают жидкости. Уже в твердом стекле атомы расположены беспорядочно. Значит, повы-шение температуры стекла лишь увеличивает размах колебаний его молекул, дает им постепенно все большую и большую свободу перемещения. Поэтому стекло размягчается постепенно и не обнаруживает резкого перехода «твердое—жидкое», характерного для перехода от расположения молекул в строгом порядке к беспорядочному.

Теплота плавления.

Теплота плавления — это количество теплоты, которое необходимо сообщить веществу при постоянном давлении и постоянной температуре, равной температуре плавления, чтобы полностью перевести его из твердого кристаллического состояния в жидкое. Теплота плавления равна тому количеству теплоты , которое выделяется при кристалли-зации вещества из жидкого состояния. При плавлении вся подводимая к веществу теплота идет на увеличение потенциальной энер-гии его молекул. Кинетическая энергия не меняется, поскольку плавление идет при постоянной температуре.

Изучая на опыте плавление различных веществ одной и той же массы, можно заметить, что для превращения их в жидкость требуется разное количество теплоты. Например, для того чтобы расплавить один килограмм льда, нужно затратить 332 Дж энергии, а для того чтобы расплавить 1 кг свинца — 25 кДж .

Количество теплоты, выделяемое телом, считается отрицательным. Поэтому при расчете количества теплоты, выделяющегося при кристаллизации вещества массой m , следует пользоваться той же формулой, но со знаком «минус»:

Теплота сгорания.

Теплота сгорания (или теплотворная способность , калорийность ) — это количество теплоты, выделяющейся при полном сгорании топлива.

Для нагревания тел часто используют энергию, выделяющуюся при сгорании топлива. Обыч-ное топливо (уголь, нефть, бензин) содержит углерод . При горении атомы углерода соединяются с атомами кислорода , содержащегося в воздухе, в результате чего образуются молекулы углекислого газа . Кинетическая энергия этих молекул оказывается большей, чем у исходных частиц. Увеличение кинетической энергии молекул в процессе горения называют выделением энергии. Энергия, выделяющаяся при полном сгорании топлива, и есть теплота сгорания этого топлива.

Теплота сгорания топлива зависит от вида топлива и его массы. Чем больше масса топлива, тем больше количество теплоты, выделяющейся при его полном сгорании.

Физическая величина , показывающая, какое количество теплоты выделяется при полном сгорании топлива массой 1 кг, называется удельной теплотой сгорания топлива. Удельную теплоту сгорания обозначают буквой q и измеряют в джоулях на килограмм (Дж/кг).

Количество теплоты Q , выделяющееся при сгорании m кг топлива, определяют по формуле:

Чтобы найти количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании топлива произвольной массы, нужно удельную теплоту сгорания этого топлива умножить на его массу.

Егорова Т.Ю. (Выборг, учитель химии, МБОУ СОШ № 8)

1. Большая серия знаний. Бионика-М.:ООО»ТД Издательство Мир книги», 2005-128с.

2. Габриелян О.С. Химия. 8 класс: учеб. для общеобразоват. учреждений – М.: Дрофа, 2013 – 267с.

3. Электронный ресурс: Толковый словарь Ефремовой

4. Журин А.А., Начала химического эксперимента: Практические занятия по химии. 8-й класс сред.общеобразоват. школы. – М.: Школьная Пресса, 2001 – 128 с.

5. Зазнобина Л.С. Начала химического эксперимента: Практические занятия по химии. 8-й класс сред.общеобразоват. школы. – М.: Школьная Пресса, 2001 – 128 с.

6. Крицман В.А. Книга для чтения по неорганической химии. Пособие для учащихся. – М.: Просвещение, 1975 – 303с.

7. Мосин O.В. Физико-химические основы опреснения морской воды // Сознание и физическая реальность, 2012, № 1, с. 19-30.

8. Электронный ресурс: статья Кристаллизация на www.xumuk.ru

9. Электронный ресурс: статья Кристаллизация на dic.academic.ru

10. Электронный ресурс: tolkslovar.ru/k11437.html.

Данная статья является реферативным изложением основной работы. Полный текст научной работы, приложения, иллюстрации и иные дополнительные материалы доступны на сайте III Международного конкурса научно-исследовательских и творческих работ учащихся «Старт в науке» по ссылке: https://www.school-science.ru/0317/13/29052

Глобальной проблемой человечества в новом тысячелетии становится проблема получения пригодной для питья пресной воды. Дефицит пресной воды остро ощущается на территории более 40 стран, расположенных в засушливых областях земного шара и составляющих около 60% всей поверхности суши. Растущий мировой дефицит пресной воды может быть скомпенсирован опреснением океанических, морских и подземных вод, запасы которых составляют 98% всей воды на земном шаре. Пресная вода составляет около 2% всех водных ресурсов планеты. Существует проблема мирового масштаба - истощение пресных водных ресурсов. Кристаллизация применяется при получении пресной воды из соленой воды морей. При этом кристаллизуются не растворенные в ней соли, а сама вода.

Проблема: дефицит пресной воды мирового масштаба.

Гипотеза: из морской воды можно получить пригодную для питья пресную воду.

Мы решили приготовить соленый раствор, используя поваренную соль, и получить из него пресную воду методом кристаллизации.

Актуальность работы: роль кристаллизации для восполнения запасов пресной воды.

Цель работы: получение пресной воды методом кристаллизации.

Задачи:

1. Изучить общие сведения о пресной воде и способах ее получения из морской воды, используя литературные источники.

2. Приготовить водный раствор с заданной массовой долей соли и получить из него пресную воду методом кристаллизации.

3. Провести наблюдение за процессом опреснения.

4. Проанализировать результаты исследований.

Методы исследования : теоретические исследования, экспериментальные методы, наблюдение и фотографирование, анализ полученных результатов.

1. Теоретическая часть. Основные сведения о пресной воде

1.1. Пресная вода как часть морской воды

Около 99% мировой воды приходятся на воды океанов и морей. Морская вода содержит в себе множество химических элементов, а также пресную воду. Пресная вода является ценной составной частью морской воды. Многие регионы и уголки Земли нуждаются в пресной воде, там просто катастрофическая нехватка живительной влаги. По утверждению ученых, все человечество вынуждено будет обратить взор на мировой океан, как источник воды.

Россия по ресурсам поверхностных пресных вод занимает первое место в мире. Однако до 80% этих ресурсов приходится на районы Сибири, Севера и Дальнего Востока. Всего около 20% пресноводных источников расположено в центральных и южных областях с самой высокой плотностью населения и высокоразвитыми промышленностью и сельским хозяйством. Некоторые районы Средней Азии (Туркмения, Казахстан), Кавказа, Донбасса, юго-восточной части РФ, обладая крупнейшими минерально-сырьевыми ресурсами, не имеют источников пресной воды. Вместе с тем ряд районов нашей страны располагает большими запасами подземных вод с общей минерализацией от 1 до 35 г/л, не используемых для нужд водоснабжения из-за высокого содержания растворенных в воде солей. Эти воды могут стать источниками водоснабжения только при условии их дальнейшего опреснения .

Важным параметром морской воды при опреснении является соленость, под которой подразумевается масса (в граммах) сухих солей (преимущественно NaCl) в 1 кг морской воды. Средняя соленость вод мирового океана постоянна и составляет 35 г/кг морской воды .

Чтобы избежать «водяного голода», ученые предлагают опреснять воды Мирового океана. И сейчас по всей Земле строят дистилляционные установки для получения пресной воды. Есть и другие способы опреснения воды.

1.2. Обзор способов опреснения

В состав морской воды, входит большая концентрация солей, поэтому она непригодна для питья, и мы попробуем рассмотреть: каким же именно образом можно получить из огромной массы вод мирового океана пресную воду, которая так нужна для человечества.

Самым популярным способом является отделение солей от воды дистилляцией. Принцип несложен - вода нагревается до температуры кипения, собираются пары, которые потом конденсируются, а соли остаются.

Еще существует другой метод - способ обратного осмоса. Суть в том, что морская вода пропускается через специальную мембрану, которая имеет свойство пропускать воду и не пропускать солевые соединения .

Следующий способ на практике применяется редко, так как требует сложного оборудования - это метод кристаллизации. Кристаллизация - от греческого - лед - процесс образования кристаллов из растворов .

1.3. Опреснение воды методом кристаллизации

Данный метод заключается в следующем: в естественных природных условиях лед, образующийся из морской воды, является пресным, поскольку образование кристаллов льда при температуре ниже температуры замерзания происходит только из молекул воды. При искусственном медленном замораживании соленой морской воды вокруг центров кристаллизации образуется пресный лед. При последующей сепарации, промывке и таянии кристаллического льда образуется пресная вода с содержанием солей 500-1000 мг/л NaСl. Замораживание морской воды проводят в кристаллизаторах (контактные, вакуумные, с теплообменом через стенку) в условиях непосредственного контакта охлаждаемого раствора с хладагентом - газообразным или жидким. Для лучшего опреснения морского льда применяется фракционное плавление при температуре 20 °С с промывкой и сепарацией кристаллов льда от маточного раствора методами фильтрования, гидравлического прессования и центрифугирования .

Данный метод применяется для концентрирования непищевых продуктов, для опреснения морской воды, концентрирования и разделения химических растворов и др. Он достаточно прост и экономичен, но требует сложного оборудования и энергоемок. Поэтому на практике он используется чрезвычайно редко.

Наш эксперимент - получить пресную воду из раствора с заданной массовой долей растворенного вещества поваренной соли, используя метод кристаллизации.

2. Практическая часть. Опреснение воды

2.1. Экскурсия на Экотерминал

Цель: ознакомление с технологическим оборудованием, применяемым для получения чистой воды методом обратного осмоса, дистилляции и фильтрации.

Мы с руководителем побывали с экскурсией на Экотерминале. Терминал занимается приемкой, хранением, технологической обработкой и отгрузкой наливных грузов. В хранилище Экотерминала мы ознакомились с технологическим процессом и оборудованием, предназначенным для очистки воды. Обычная вода, поступающая из городского водопровода, и используемая в производстве пищевой продукции, подлежит специальной подготовке путем пропуска ее через установку обратного осмоса. Суть водоподготовки заключается в том, что обычная вода подается на установку и проходит через специальную мембрану. Мембрана пропускает чистую воду, а примеси в виде солей задерживаются. Очищенная таким способом вода используется далее в пищевом производстве.

В химической лаборатории Экотерминала мы ознакомились с другим способом водоподготовки - методом дистилляции. Дистиллятор - это специальная установка, в которой обычная вода нагревается до температуры кипения, образующиеся пары охлаждаются и собираются в виде конденсата в специальный приемник, а соли остаются. Вода, полученная методом дистилляции, называется дистиллированной и используется для приготовления химических реактивов, проведения специальных лабораторных анализов и ополаскивания лабораторной посуды. Этим способом получают воду, очищенную от растворенных в ней веществ.

2.2. Получение пресной воды из соленой воды методом кристаллизации

2.2.1. Подготовка оборудования и химической посуды для работы

Оборудование: весы, набор разновесов, лабораторный штатив, химические стаканы, химическая воронка, бумажные фильтры, стеклянная палочка с резиновым наконечником, предметное стекло, чашка Петри, шпатель, стеклянные банки объемом 0,5 литра. (см. полный текст работы. Приложение 1, фото 1).

2.2.2. Ознакомление с образцом поваренной соли

План работы: ознакомление с образцом поваренной соли.

Цель - изучить внешний вид вещества.

Результат ознакомления с солью изложен в виде таблицы

Таблица 1

Свойства соли

Поваренная соль - химическая формула NaCl (хлорид натрия)

Внимательно рассмотрев соль, я записала свои наблюдения в таблицу.

Таблица 2

Исследование физических свойств соли

Хлорид натрия содержится в морской воде, придавая ей соленый вкус, встречается в природе в виде минерала галита (каменной соли). В пищевой промышленности и кулинарии используют как вкусовую добавку и для консервирования пищевых продуктов. В медицине применяется как дезинтоксикационное средство, для коррекции состояния систем организма в случае обезвоживания, как растворитель других лекарственных препаратов. Применяется как антифриз против гололеда. В химической промышленности используется для получения хлора, соды, соляной кислоты, гидроксида натрия, натрия .

2.2.3. Приготовление соленого раствора

Цель опыта: приготовить водный раствор с заданной массовой долей растворенного вещества соли.

Для того чтобы приготовить раствор, необходимо навеску соли растворить в воде. В морской воде содержится около 3,5% растворенных веществ . Отношение массы растворенного вещества к общей массе раствора называют массовой долей растворенного вещества.

Для приготовления 100 г раствора с массовой долей растворенной соли 3,5% нам понадобится: вода дистиллированная - 96,5 мл, соль поваренная - 3,5 г.

Ход работы: Отмерим мерным цилиндром 96,5 мл воды и выльем ее в химический стакан. На лабораторных весах взвесим 3,5 г соли. Затем поместим соль в стакан с водой и перемешаем стеклянной палочкой до полного растворения. (Приложение 1, фото 2-3, приложение 2, фото 4).

Результат: получен бесцветный раствор поваренной соли. (Приложение 2, фото 5).

Что такое раствор? Раствор - это однородная система, состоящая из частиц растворенного вещества (поваренная соль), растворителя (это вода) и продуктов их взаимодействия.

Для чистоты эксперимента раствор нужно фильтровать. Приготовленный раствор осторожно наливаю на фильтр по стеклянной палочке тонкой струей, направляя ее на стенку воронки. Через фильтр проходит прозрачный чистый раствор (фильтрат), а на бумажном фильтре задерживается осадок из механических примесей и примесей нерастворимых веществ, присутствующих в рабочем образце (их оказалось очень мало). Фильтрование необходимо для того, чтобы избавиться от примесей, присутствующих в рабочем образце соли.

Результат фильтрования: получен чистый фильтрат. (Приложение 2, фото 6).

2.2.4. Получение пресной воды

Подготовленный фильтрат пробуем на вкус. Раствор имеет солоноватый вкус, похожий на вкус морской воды. Фильтрат разливаем в две стеклянные банки объемом по 0,5 литра, накрываем банки пластмассовыми крышками и ставим в морозильную камеру холодильника на прокладку из картона (для теплоизоляции дна). В морозильной камере фильтрат будет кристаллизоваться, превращаясь в лед. Через 30 минут раствор сильно охладился, но не закристаллизовался. Через 60 минут появилась наледь. Первые образовавшиеся на поверхности воды кристаллы льда в виде ледяной корки надо удалить, так как в нем могут содержаться быстро замерзающие примеси. Затем повторно замораживаем воду примерно до половины оставшегося объема. Экспериментальным путем найдено время, требуемое для замерзания половины объема. Через 5 часов верхняя часть раствора закристаллизовалась, образовался лед. В результате получили двухкомпонентную систему, состоящую изо льда (фактически замерзшая вода без примесей) и водного незамерзающего рассола подо льдом, содержащего соль. Незамерзшие остатки воды сливаем. Полученный образец льда промываем холодной водой, выкладываем на чашку Петри и оставляем таять при комнатной температуре.(Приложение 4,фото10). При таянии кристаллического льда образуется вода. Пробуем ее на вкус. Полученная вода обладает менее солоноватым вкусом, чем свежеприготовленный фильтрат. Эту воду можно использовать для питья, приготовления чая, кофе и других блюд пищевого рациона, как обычную пресную воду. Из полученной воды мы приготовили чай (Приложение 4, фото 11).

Результат: при искусственном замораживании соленой воды образовалась двухкомпонентная система, состоящая из пресного льда и водного рассола подо льдом.

Вывод: из соленой воды образуется пресный лед, который после таяния превращается в пресную воду.

Заключение

В ходе работы я узнала много новой, интересной и полезной информации.

Гипотеза подтвердилась - из морской воды можно получить пригодную для питья пресную воду. На практике осуществила процессы растворения, фильтрования и кристаллизации. Кристаллизация применяется при получении пресной воды из соленой воды морей. При этом кристаллизуются не растворенные в ней соли, а сама вода.

Теоретически и практически из морской воды сделать пресную можно, но пока технологии массового производства этого продукта предполагают высокие затраты. Человечество все усовершенствует инженерные решения в этом направлении и в ближайшее время, надеемся, дешевая опресненная морская вода станет реальностью.

Около 60% поверхности Земли составляют зоны, где отсутствует пресная вода или ощущается ее острый недостаток. Почти 500 млн. человек страдают от болезней, вызванных недостатком или качественной неполноценностью питьевой воды . Пресная вода составляет около 2% всех водных ресурсов планеты. В дальнейшем человечество окажется перед необходимостью рассматривать океаны как альтернативный источник воды. Ведь на поверхности соленого моря образуется морской лед, состоящий из почти пресной воды. Решить данную проблему поможет метод кристаллизации соленой воды океана. Идея заключается в том, что сначала замерзает и кристаллизуется в лед чистая вода, а примеси, содержащие соли, остаются в растворе. О своей работе рассказала одноклассникам. (Приложение 3, фото 7).

На основании проделанной работы можно сделать следующие выводы:

1 . Пресная вода является ценной составной частью морской воды. В естественных природных условиях лед, образующийся из морской воды, является пресным.

2. Практическая часть работы содержит отчет о посещении с экскурсией Экотерминал. Увидели процесс подготовки чистой воды для нужд пищевого производства, ознакомились с методами получения чистой воды: фильтрованием, методом обратного осмоса и методом дистилляции. Установка обратного осмоса пропускает через мембрану чистую воду, задерживая растворенные в воде примеси. В дистилляторе исходная вода нагревается до кипения, образовавшиеся пары охлаждаются и превращаются в конденсат. Полученный конденсат называется дистиллированной водой.

3. В ходе работы проведен опыт по приготовлению соленой воды (получение аналога морской воды), дальнейшей кристаллизации путем искусственного замораживания и получения пресной воды из образца льда при его таянии. В процессе работы велись наблюдения с фиксацией полученных сведений в рабочую тетрадь.

4. Проведенный практикум показал, что пресную воду можно получить из соленых вод морей и океанов, используя вышеописанные способы опреснения. Результат проведенной работы представлен в виде фотографий.

Библиографическая ссылка

Внимание! Администрация сайта сайт не несет ответственности за содержание методических разработок, а также за соответствие разработки ФГОС.

• Участник:Ковалёв Павел Алексеевич
• Руководитель:Шик Галина Яковлевна

Вступление

Вода является не только одним из самых необходимых, но и самых удивительных явлений на нашей планете. Исключительно важна роль воды в возникновении и поддержании жизни на Земле, в химическом строении живых организмов, в формировании климата и погоды. Вода является важнейшим веществом для всех живых существ на Земле.

Введение

Большая часть поверхности Земли покрыта водой (океаны, моря, озёра, реки, льды). На Земле примерно 96,5 % воды приходится на океаны, 1,7 % мировых запасов составляют грунтовые воды, ещё 1,7 % – ледники и ледяные шапки Антарктиды и Гренландии, небольшая часть находится в реках, озёрах и болотах, и 0,001 % в облаках, которые образуются из взвешенных в воздухе частиц льда и жидкой воды.

Вода при нормальных условиях находится в жидком состоянии, однако при температуре в 0 °C она переходит в твердое состояние – лед и кипит (превращается в водяной пар) при температуре 100 °C.

Значения 0 °C и 100 °C были выбраны как соответствующие температурам таяния льда и кипения воды при создании температурной шкалы «по Цельсию».

Лёд встречается в природе в виде собственно льда (материкового, плавающего, подземного), а также в виде снега, инея, изморози. Под действием собственного веса лёд приобретает пластические свойства и текучесть.

Природный лёд обычно значительно чище, чем вода, так как при кристаллизации воды в первую очередь в решётку встают молекулы воды.

Общие запасы льда на Земле около 30 млн. км³. Основные запасы льда сосредоточены в полярных шапках (главным образом, в Антарктиде, где толщина слоя льда достигает 4 км).

В мировом океане вода солёная и это препятствует образованию льда, поэтому лёд образуется только в полярных и субполярных широтах, где зима долгая и очень холодная. Замерзают некоторые неглубокие моря, расположенные в умеренном поясе.

Кроме того, имеются данные о наличии льда на планетах Солнечной системы (например, на Марсе), их спутниках, на карликовых планетах и в ядрах комет.

Исследование свойств воды необходимо для человечества.

При этом процесс кристаллизации воды можно изучать в домашних условиях, а также на уроках в средней школе.

Актуальность работы использование на уроках физики, для знакомства учащихся со свойствами воды при кристаллизации.

Объектом исследования является кристаллизация воды.

Предмет исследования – изучения свойств воды при кристаллизации.

Цель работы провести опыты по кристаллизации воды и подготовить предложения по их проведению.

Главной задачей является изучение свойств воды при кристаллизации.

Для решения главной задачи необходимо:

Теоретическая значимость работы заключается в систематизации основных свойств воды и значения кристаллизации воды для флоры и фауны Земли.

Практическая значимость работы – изучение процесса кристаллизации воды во время проведение опытов, а также подготовка предложений по проведению опытов на уроках в средней школе.

1. Подготовка к исследованию

1.1 Анализ основных свойств воды

Вода является одним из самых удивительных веществ на планете Земля. Встретить воду можно практически везде в естественных условиях как на поверхности планеты, так и в ее недрах в трех возможных физических состояниях для веществ: жидкое, твердое, газообразное (то есть вода, лед, водяной пар).

Конечно, существуют вещества, которые можно получить в виде жидкости, твердого тела или газа. Однако, не существует подобного химического вещества, которое именно в естественных условиях встречается в указанных выше трех физических состояниях.

Свойства воды:

1. Вода является веществом, которое не имеет ни цвета, ни запаха, ни вкуса.
2. Вода является единственным на планете Земля известным науке веществом, встречающимся в природных условиях в трех физических состояниях: твердое тело, жидкость, газ.
3. Вода является универсальным растворителем, имея возможность растворять большее количество солей, а также других веществ, чем какие-либо другие вещества.
4. Вода с большим трудом поддается окислению. Вода - достаточно химически устойчива, то есть разложить ее на составные части или сжечь достаточно проблематично.
5. Окислению водой поддаются практически все естественные металлы, так же под ее воздействием разрушаются особо твердые горные породы.
6. Вода, как физическое вещество, характеризуется большим сродством сама с собой. Такое сродство у воды является самым большим среди всех жидкостей. Вследствие этого вода на поверхности размещается в виде капель сферической формы, поскольку сфера обладает наименьшей при заданном объеме поверхностью.
7. Замерзание воды происходит не при температурных условиях ее наибольшей плотности (при 4 градусах Цельсия), а при нуле градусов Цельсия. Это свойства пресной воды. Однако, замерзание морской воды происходит при более низких температурах: минус 1,9 градусов Цельсия, при солености 35%.
8. Вода обладает очень высокой теплоемкостью, относительно мало нагреваясь при этом. Также вода обладает достаточно высокой скрытой теплотой плавления (порядка 80 кал/г), а также испарения (порядка 540 кал/г). Вода способна поглощать значительные объемы дополнительного тепла. Температура же в процессе замерзания или при кипении остается неизменной.
9. Дистиллированная вода практически не проводит электрический ток, однако наличие в воде даже небольшого количества солей значительно увеличивает ее токопроводящие свойства.

Свойства снега:

1. При смешивании соли со снегом наблюдается два процесса: разрушение кристаллической структуры соли, которое происходит с поглощением тепла, и гидрация ионов. Последний процесс происходит с выделением тепла в окружающую среду. Для поваренной соли и хлористого кальция первый процесс превалирует над вторым. Поэтому при смешивании снега с этими солями происходит активный отбор тепла из окружающей среды. Ещё одна особенность соляных растворов состоит в том, что их точка замерзания ниже 0 градусов. Чтобы снег на тротуарах таял при температуре ниже 0 градусов, его посыпают этими солями.
2. Снег обладает удивительным свойством – памятью. Он сохраняет следы. По следам можно, например, изучать физику. Чем крупнее животное, тем глубже от него след, следовательно, тем большее давление оно оказывает на снег. Следы собаки более глубокие, чем следы её щенков. Мыши, ласки оставляет неглубокие чёрточки. Природа снабдила копытных животных способностью раздвигать копыта и увеличивать площадь опоры. Это помогает им зимой при передвижение по заснеженному лесу и полям не так глубоко погружаться в снег.

1.2 Значение кристаллизации воды для флоры и фауны

Мы любим снег не только за то, что он дарит нам великолепные зимние пейзажи. У нашей любви к снегу немало рациональных причин. «Снег на полях - хлеб в закромах», «Зима без снега – лето без хлеба», – справедливо утверждают старинные русские пословицы. Снежный покров - это огромный запас влаги, столь необходимый полям, в то же время это своеобразное гигантское одеяло, защищающее поверхность земли от холодных ветров. Академик Б. И. Вернадский подчеркивал, что снежный покров - «не просто теплая покрышка озимых, это живительная покрышка», весной он дает талые воды, насыщенные кислородом. Известно, что количество азотистых соединений летом в почве пропорционально высоте сошедшего снежного покрова. Недаром снежная мелиорация рассматривается сегодня как одно из важнейших условий получения высоких и устойчивых урожаев.

Запасы снега существенно влияют на уровень воды в реках, определяют изменения климата на больших территориях.

Кроме того, снег является хорошим строительным материалом для различных построек на севере - от иглу (жилищ эскимосов) до больших складских помещений. Существует самая большая в мире гостиница, полностью сделанная изо льда и снега, находится она в шведской Лапландии в 200 километрах от Северного полярного круга.

Он служит основой зимних дорог и даже аэродромов.

Благодаря снегу мы каждый год любуемся сказочными зимними пейзажами, играем в снежки, строим снежные городки, крепости, катаемся на лыжах, санках, в снежном уборе приходит к нам прекрасный новогодний праздник.

Значение льда трудно недооценить. Лёд оказывает большое влияние на условия обитания и жизнедеятельности растений и животных, на разные виды хозяйственной деятельности человека. Покрывая воду сверху, лед играет в природе роль своего рода плавучего экрана, защищающего реки и водоемы от дальнейшего замерзания и сохраняющего жизнь подводному миру. Если бы плотность воды увеличивалась при замерзании, лед оказался бы тяжелее воды и начал тонуть, что привело бы к гибели всех живых существ в реках, озерах и океанах, которые замерзли бы целиком, превратившись в глыбы льда, а Земля стала ледяной пустыней, что неизбежно привело бы к гибели всего живого.

Лёд может вызывать ряд стихийных бедствий с вредными и разрушительными последствиями – обледенение летательных аппаратов, судов, сооружений, дорожного полотна и почвы, град, метели и снежные заносы, речные заторы с наводнениями, ледяные обвалы и др. Природный лёд используется для хранения и охлаждения пищевых продуктов, биологических и медицинских препаратов, для чего он специально производится и заготавливается.

1.3 Выбор и обоснование опытов для проведения исследования

Для проведения опытов с водой необходимо выбрать те, которые наиболее полно характеризуют и подтверждают свойства воды.

Проведенный анализ показал, что лучше всего это будет реализовано при выполнении следующих опытов:

1. Замерзание соленой воды.
2. Расширение воды при замерзании.
3. Замерзание жидкости при внешнем воздействии снега.
4. Замерзание мыльных пузырей.
5. Срастание сосульки.
6. Скрип сухого снега.
7. Примерзание к поверхности.

2. Проведение исследования

2.1 Подготовка материальной части

Для проведения опытов были взяты:

• предметы – кастрюля, стеклянная бутылка, пластиковая бутылка, одноразовые стаканы, тонкая медная проволока, трубочка;
• вещества – снег, сосулька, соль, вода, мыльный раствор, сок.

2.2 Проведение опытов с описанием основных результатов

1. Замерзание соленой воды.

Налейте в две формочки воду – чистую и очень солёную. Вынесите формочки на мороз или поставьте в морозильную камеру. Вы заметите, что чистая пресная вода превратилась в лёд, а солёная замёрзнет при очень сильном морозе.

Замерзание воды происходит не при температурных условиях ее наибольшей плотности (при 4 градусах Цельсия), а при нуле градусов Цельсия. Это свойства пресной воды.

При этом, морской лед отличается от пресноводного в ряде отношений. У соленой воды температура замерзания понижается по мере увеличения солености. В диапазоне солености от 30 до 35 промилле точка замерзания меняется от -1.6 до -1.9 град. Образование морского льда можно рассматривать как замерзание пресной воды с вытеснением солей в ячейки морской воды внутри толщи льда. Когда температура достигает точки замерзания, образуются ледяные кристаллы, которые «окружают» не замерзшую воду.

2. Расширение воды при замерзании.

Наполните водой пластиковый стакан, пластиковую бутылку и стеклянную бутылку. Выставьте их на мороз. Замерзая, вода увеличивается в объёме, «вылезает» из стакана, стеклянную бутылку разрывает даже в том случае, когда она заполнена наполовину. Пластиковая бутылка остаётся без видимых изменений.

При замерзании вода обладает уникальными свойствами расширения. Благодаря таким свойствам лед на воде, которая находится в виде жидкости, плавает.

Зимой из-за этого свойства воды происходят аварии на водопроводах. В сильные морозы основная причина таких аварий – замерзание текучей воды. Происходит ее расширение, так что образующийся лед легко разрывает трубы, так как плотность льда – 917 кг/м3, а плотность воды – 1000 кг/м3, то есть объем увеличивается в 1,1 раза, что довольно существенно.

3. Замерзание жидкости при внешнем воздействии снега.

Налейте в пластиковый стакан (пробирку) сок и поставьте его в кастрюлю с солёным снегом. Сок замёрзнет, и очень скоро вы будете лакомиться фруктовым льдом.

При смешивании соли со снегом наблюдается разрушение кристаллической структуры соли, которое происходит с поглощением тепла. Поэтому при смешивании снега с солью происходит активный отбор тепла из сока и сок превращается в лед.

4. Замерзание мыльных пузырей.

Приготовьте мыльный раствор. Раствор на морозе держите в рукавице, чтобы он не замёрз. Выдувайте пузыри трубочкой для сока. Из-за разности температур изнутри пузыря и снаружи возникает большая подъёмная сила, мгновенно уносящая пузыри вверх. Тонкая мыльная плёнка на морозе быстро замерзает, превращая пузыри в ледяные шарики.

Таким образом, тончайшая пленка мыльного пузыря замерзает за считанные секунды.

5. Срастание сосульки.

Возьмите сосульку. Перекиньте через неё тонкую проволоку, концы которой утяжелите грузиками. Наблюдайте, как проволока растапливает лёд, проникает всё глубже в сосульку. Вода над сосулькой вновь замерзает.

Это подтверждает свойство поглощения тепла большей массой льда.

Лед нарастает снизу, сразу над проволокой, так как стекающая вниз талая вода замерзает при соприкосновении с холодными стенками сосульки.

6. Скрип сухого снега.

Насыпьте в тарелку сахарный песок горкой и начните давить его ложкой. Вы услышите характерный скрип. Намочите песок и вновь разотрите. Скрип исчез. В морозные дни звук распространяется на большие расстояния.

Снег скрипит только в мороз (ниже -5°C), и звук скрипа меняется в зависимости от температуры воздуха – чем крепче мороз, тем выше тон скрипа. При достаточном опыте можно оценивать температуру воздуха по звуку, который издает скрипящий снег. Скрип образуется из-за того, что при давлении разрушаются мельчайшие кристаллики снега. Причем каждый из них по отдельности очень мал, чтобы издавать звук, доступный уху человека, но вместе они ломаются довольно громко. Усиление морозов делает ледяные кристаллики более твердыми и хрупкими. При каждом шаге ледяные иглы ломаются. При температуре воздуха ниже -50°C скрип снега становится таким сильным, что его можно слышать через тройные стекла (этому способствует также большая плотность морозного воздуха).

7. Примерзание к поверхности.

Добавьте в кастрюлю со снегом поваренную соль в соотношении примерно 1 к 6. Тщательно размешайте смесь. Если теперь вы захотите переставить кастрюлю, то её придётся поднять вместе с табуретом.

Это также подтверждает поглощение тепла из окружающей среды.

При смешивании соли со снегом происходит образование раствора, сопровождающееся сильным охлаждением вследствие большого поглощения теплоты льдом при его плавлении и солью при ее растворении. Так, например, температура смеси из 29 грамм соли и 100 грамм льда понижается до – 21°С. А если взять 143 грамма соли и 100 грамм льда, то температура может быть понижена до – 55°С.

2.3 Предложения по проведению опытов

Опыты по изучению свойств воды целесообразно проводить на уроках в средней и начальной школе.

Для учеников средней школы возможно проведение опытов № 3, 6 и 7 на уроках под руководством учителя, а опыты № 4 и 5 – факультативно или самостоятельно в домашних условиях.

Заключение

Таким образом, исследование свойств воды необходимо для человечества.

Процесс кристаллизации воды можно изучать в домашних условиях, а также на уроках в средней и начальной школе.

В работе удалось решить следующие задачи:

1. Повести анализ основных свойств воды.
2. Изучить значение кристаллизации воды для флоры и фауны Земли.
3. Определить основные опыты для проведения исследования.
4. Провести опыты и описать основные результаты.
5. Подготовить предложения по проведению опытов на уроках в средней школе.

Значимость работы по систематизации основных свойств воды и значения кристаллизации воды для флоры и фауны Земли подтвердилась.

Кристаллизация металлов

При переходе из жидкого состояния в твердое образуется кристаллическая решетка, возникают кристаллы. Такой процесс называется кристаллизацией.

Кристаллизация обусловлена стремлением системы при определенных условиях перейти к энергетически более устойчивому состоянию с меньшей свободной энергией F (рис.1.7). (рис.1.3 из ТКМ Комарова.)

Рис. 1.7 Изменение свободной энергии F металла в жидком (Fж) и твердом (Fт) состоянии в зависимости от температуры Т:

T s – теоретическая температура плавления.

Из рис.1.7 видно, что при Т > T s меньшей свободной энергией обладает вещество в жидком состоянии, а при Т < T s - в твердом.

В реальных телах как процесс кристаллизации, так и процесс плавления не может начаться при Т = T s , т.к. оба состояния (жидкое и твердое) обладают одинаковым запасом свободной энергии. Поэтому реальных телах процесс кристаллизации начнется при Т=Т кр < T s .

Разность ∆Т= T s - Т кр - называется степенью переохлаждения системы ∆Т.

При нагреве переход из твердого в жидкое состояние также начинается при определенной степени перегрева системы ∆Т.

Выделяютдва вида кристаллизации:

1) первичная - переход металла из жидкого состояния в твердое с образованием кристаллической структуры;

2) вторичная - образование новых кристаллов в твердом кристаллическом веществе.

Рис.1.8. Модель процесса кристаллизации (1с – 1 секунда, 2с – 2 секунды и т.д.)

На рис.1.8 приведена модель процесса кристаллизации.

Предположим, что на площади, изображенной на рис.1.9. за секунду возникает пять зародышей, которые растут с определенной скоростью. К концу первой секунды образовалось пять зародышей, к концу второй секунды они выросли и одновременно с этим возникло еще пять новых зародышей будущих кристаллов. Так, в результате возникновения зародышей и их роста происходит процесс кристаллизации, который, как видно в данном примере, заканчивается на седьмой секунде.

Кристаллизацию исследуют с помощью термического анализа , суть которого заключается в регистрации температуры системы через равные промежутки времени. Для этого в тигель 1 (рис. 1.9,а), с расплавленным металлом, погружают термоэлектрический термометр (термопару) 2, подключенный к регистрирующему потенциометру 3.

Рис.1.9 Кристаллизация металлов:

а – схема установки для регистрации процесса; б – кривая охлаждения и схема процесса кристаллизации (L – жидкое состояние, α – твердое состояние). 1- тигель, 2- термопара, 3 – регистрирующие потенциометр.

На основании полученных данных в координатах температура – время строят кривую охлаждения (рис. 1.9, б), которая отражает последовательность протекания процесса кристаллизации.

Верхний участок кривой охлаждения показывает понижение температуры жидкого металла. При температуре Т s , соответствующей горизонтальному участку , происходит процесс затвердевания жидкого металла. Выделение скрытой теплоты кристаллизации способствует сохранению постоянной температуры в течении всего времени, необходимого для завершения затвердевания (поэтому участок кривой охлаждения горизонтальный ). Нижний участок кривой соответствует охлаждению уже твердого металла.

На рис. 1.10 приведены кривые охлаждения металла при кристаллизации с различной скоростью охлаждения. Тонкой горизонтальной линией показано значение теоретической температуры кристаллизации Т s .

Рис.1.10 Влияние скорости охлаждения на процессы кристаллизации:

а – кривые охлаждения чистого металла; б – влияние степени переохлаждения ∆Т на скорость зарождения (СЗ) и скорость роста (СР)

Из рас. 1.10 видно, что по мере увеличения скорости охлаждения (V 1

Более 100 лет назад основоположник науки о металлах Д.К. Чернов, установил, что кристаллизация состоит из двух процессов:

1) зарождение мельчайших частиц твердого вещества – зародышей или центров кристаллизации ;

2) роста кристаллов из этих центров.

Рост кристалла заключается в том, что к поверхности зародышей присоединяются все новые и новые атомы металла. Сначала образовавшиеся кристаллы растут свободно, сохраняя правильную геометрическую форму, затем при столкновении растущих кристаллов их форма нарушается, и в дальнейшем рост продолжается только там, где есть свободный доступ к расплаву. В результате кристаллы не имеют правильной геометрической формы и называются зернами. Размер зерна зависит от СЗ и СР.

Из рис. 1.9 видно, что с увеличением степени переохлаждения ∆Т (скорости охлаждения) количество зародышей, образующихся в единицу времени, возрастает (кривая СЗ на рис. 1.10, б), а кроме того, скорость роста кристаллов также увеличивается (кривая СР на рис. 1.10, б).

Главная » Для начинающих » Процесс кристаллизации воды. Как замерзает чистая вода? Строение воды и льда