Искусственные кольца Лизеганга и упорядоченные структуры в природных агатах

Скачать 71.98 Kb.

Название	Искусственные кольца Лизеганга и упорядоченные структуры в природных агатах
Дата публикации	04.07.2013
Размер	71.98 Kb.
Тип	Документы

100-bal.ru > География > Документы

Паспорт проекта

Искусственные кольца Лизеганга и упорядоченные структуры в природных агатах

ГБОУ лицей № 1575, САО, Москва

125319, Москва, ул. Усиевича, дом 6, тел. 8-499-151-89-24, liceum1575@mail.ru

Тригуб Екатерина Юрьевна

10 класс

8-9091629595 burya@ultranet.ru

Чопорова Жанна Владиславовна, Учитель физики, зав кафедрой естественных наук ГБОУ лицей № 1575, 8-915-362-21-87 Zh.choporova@gmail.com

Источник проекта: авторская идея –исследовать процессы, протекающие

в природных агатах, опыты по получению колец Лизеганга заимствованы из учебника по химии.

Описание проекта. Проект представляет собой исследовательскую работу.

Значительную роль в процессах формирования наноматериалов играют процессы самоорганизации. Они позволяют контролируемо получать иерархические структуры с заданными пространственным расположением элементов и практически - важными свойствами. Одним из примеров самоорганизации являются периодические структуры из концентрических окружностей, впервые полученные в 1896 г. немецким химиком Р. Лизегангом. Открытое им явление нашло практическое применение при изучении различных процессов в физике и химии, в прикладном искусстве. В работе предлагается получить имитации рисунков природных камней и минералов с использованием различных реагентов, а также ознакомиться с самим явлением формирования колец Лизеганга и его моделированием.

Литературный обзор

По источнику [2], [3] - кольца Лизеганга - концентрические кольца или ритмически перемежающиеся полосы, возникающие в результате периодического осаждения каких-либо соединений при диффузии в гелевых средах. Названы в честь первооткрывателя явления — немецкого химика и предпринимателя Р. Лизеганга. Структуры Лизеганга обычно получают при диффузии одного из исходных веществ через гель, содержащий другое вещество, способное с первым образовывать нерастворимый осадок.Hесмотря на множество работ по изучению слоев и колец, причина их образования еще не совсем ясна. Образование колец Лизеганга связывают с процессами самоорганизации в системе. Самоорганизация – явление упорядочения элементов одного уровня в открытой системе за счёт внутренних факторов, без внешнего специфического воздействия (изменение внешних условий может также быть стимулирующим воздействием). Результат — появление единицы следующего качественного уровня. [4]

Синергетика - междисциплинарная наука о самоорганизации. Она даёт единую основу для описания механизмов возникновения любых процессов.

Минерал Агат

Так называется разновидность халцедона (полупрозрачный минерал), представляющая слоисто-полосатые сростки или пятнистую смесь различно окрашенных, прозрачных и непрозрачных, разностей халцедона, иногда с примесью яшмы, карнеола, кварца, аметиста и других форм аморфной и кристаллической кремнекислоты. Агат состоит из чистой кремневой кислоты с небольшой примесью окиси железа. Он встречается в виде миндалин и шаровидных сростков, наполняющих поры и пустоты в более или менее разложенных вулканических породах.

Происхождение агатов до сих пор окончательно не выяснено.

Практическая часть

Мы поставили 3 различных опыта на основе желатины.

1 опыт. Необходимо: желатин, лимонная кислота, бихромат калия и нитрат серебра.

Приготовили желатин - из расчёта половина чайной ложки на четверть стакана воды.
Пока желатиновый раствор ещё горячий, налили в 2 пробирки по 10 см3 воды. В 1-ой растворить около полграмма бихромата калия, во второй – столько же лимонной кислоты.
Добавили в раствор желатина десятую часть (около 1 см3) содержимого первой склянки ( раствор бихромата калия) и вдвое меньше второго раствора (лимонной кислоты)
Пока смесь не остыла, вылили часть её на чистую стеклянную пластинку и оставили до тех пор , пока раствор не превратится в студень.
В самую серединку капнули одну, но большую каплю раствора нитрата серебра. 6. 6. Оставили на сутки, в тёмной коробке у окна в прохладном месте.

2 опыт. Необходимо: желатин, бихромат калия и нитрат серебра.

Соединили в прежней пропорции раствор желатина и раствор бихромата калия.
Тёплым раствором заполнили пузырёк примерно на три четверти и оставили на на сутки.
В образовавшийся студень капнули несколько капель разбавленного раствора нитрата серебра. Закрыли пробкой.

Оставили на несколько дней.

3 опыт. Необходимо: желатин, поваренная соль, нитрат серебра

Соединили горячий раствор желатины с раствором поваренной соли.
Застудили.
В образовавшийся студень капнули несколько капель разбавленного раствора нитрата серебра.
Оставили на несколько дней

Обсуждение результатов

В первом и втором опыте в застывшем слое желатины протекала обменная реакция между бихроматом калия К2Сr2О7 и нитратом серебра AgNO3 с образованием бихромата серебра Ag2Cr2O7 красно-бурого цвета:

K2Cr2O7 + 2AgNO3 = Ag2Cr2O7↓ + 2KNO3

Осадок откладывался в виде концентрических колец.

При диффузии (постепенном проникновении) нитрата серебра в студень на каком-то расстоянии от центра капли образуется пересыщенный раствор Ag2Cr2O7 и начинается кристаллизация этой малорастворимой соли.

В процессе выпадения осадка к месту роста кристаллов подтягиваются находящиеся вблизи бихромат-ионы, благодаря чему вокруг кольца с осадком дихромата серебра образуется зона, свободная от бихромата калия.

Диффузия AgNO3 сквозь кольцо осадка и зону, свободную от K2Сr2О7, продолжается до тех пор, пока ионы серебра Ag+ не подойдут к участкам желатины, содержащим бихромат-ионы. В этом месте начнется образование второго красно-бурого кольца Ag2Cr2O7. Затем все процессы повторяются вновь.

В третьем опыте протекала реакция

NaCl+ 2AgNO3 = AgCl↓ + NaNO3

Объяснение образования колец

Ионы серебра диффундируют и соединяются с диффундирующими навстречу ионами дихромата калия. Образуется пересыщенный раствор мало растворимого хромата серебра. При каком-то пределе насыщения наступает кристаллизация, осадок уплотняется.

Это происходит, когда произведение концентраций больше произведения растворимостей. Концентрация дихромата серебра около осадка уменьшается и ионы серебра диффундируют дальше на некоторое расстояние, чтобы, соединяясь с дихроматом калия, опять достигнуть пересыщения. Так появляется второе кольцо.

В различных гелях кольцевание происходит неодинаково.

Благодаря диффузии ритмичные структуры возникают в геле при полном постоянстве внешних условий.

В других структурах, например, в агатах, лишь только внешнее сходство!

Фотоальбом получившихся структур и сравнение с натуральными агатами

$g:\готовое\small jpg\_dsc0742.jpg$

Фото 1 . Натуральный агат (Вена) Фото 2. Структура из осадка хлорида серебра на желатине

Фото 3-4 . Кольца в пробирках

Фото 5. Процесс формирования следующего кольца

$g:\готовое\новая папка (4)\_dsc0737.jpg$ $c:\users\1\pictures\desktop\сссс\67.jpg$

Фото 6. Кольца на чашке Петри Фото 7. Натуральный агат (Словакия)

Модель образования колец

Растворимая соль нитрата серебра
Пересыщенный раствор мало растворимого хромата серебра
Осадок
Соль дихромата калия с гелем

Моделирование процессов, происходящих в агатах

За основу возьмём уравнение диффузии и его одномерное решение.

$c(x,\;t)=\int\limits_{-\infty}^{+\infty}c(x\',\;0)c_f(x-x\',\;t)\,dx\'=\int\limits_{-\infty}^{+\infty}c(x\',\;0)\frac{1}{\sqrt{4\pi dt}}\exp\left(-\frac{(x-x\')^2}{4dt}\right)\,dx\'.$

Это одномерное решение. В нашем случае вполне достаточно решать плоскую центрально симметричную задачу. Соответствующее решение

dxdy

Интеграл берется: в полярных координатах

Поскольку R

[0;r], то установив шаг 0,001 м, с учетом, что коэффициент диффузии для раствора в растворе в большинстве случаев составляет примерно (1-3) х10-⁹ м²/с получим следующую программу для языка Бейсик.

Определение рабочей поверхности в масштабе 1:2 Определение переменных.
Определение параметров.
Определение последовательности случайных чисел для задания координат центра.
Тело программы – расчет концентрации в точке. Точки определяются с заданным шагом.
Визуализация выпадения осадка при достижении концентрации > 0,1
Графическое оформление программы.
Выход по условию.

Результат: программа рисует кольца неодинаковой ширины. При моделировании явления интерференции колец, получалось следующее: одно большое кольцо, а вокруг него маленькие кольца. Программа ещё требует доработки.
Выводы
Происхождение агатов связано с вулканогенными комплексами пород: лавами, туфами, где образуются пустоты . В пустотах возникают слои различного цвета, вследствие диффузии растворов через коллоидное гелеобразное вещество, представленное кремнеземом; при этом происходят явления, напоминающие образование колец Лизеганга.

Текстура магматических пород (каковым является агат) зависит от особенностей кристаллизации, от способа заполнения пространства массой породы вследствие процессов, происходящих в расплаве до застывания или во время кристаллизации, и от формы отдельности, возникающей вследствие охлаждения застывшего расплава или под влиянием внешних воздействий во время кристаллизации и после её окончания.

Концентрические узоры в агате схожи по природе с кольцами Лизеганга. То есть в агатах происходит периодическое выпадение осадка нерастворимой соли при диффузии одного из реагентов в пространстве, заполненном другими реагентами.

Литература.

Ферсман А.Е., “Занимательная геохимия”,- Л, изд-во детской литературы, 1954,
Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. - М.:Химия, 1976.
Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. - М.:Химия, 1989.
Шмидт Ф.К. Методы синергетики в физической химии, учебное пособие, И, 2003

Добавить документ в свой блог или на сайт

Похожие:

	Искусственные кольца Лизеганга и упорядоченные структуры в природных агатах Систематизировать фактические знания о строении клетки растений и животных, о функциях основных органоидов клетки, ядра, мембран		Реферат Тема: Содержание понятия «строение вещества», «структура... Тема: Содержание понятия «строение вещества», «структура вещества», «строение молекул». Упорядоченные и неупорядоченные структуры...
	Голландский шаг (Г) (1-2 урок) Добиться ровной кривизны на всем протяжении кольца, сделать оба кольца совершенно одинаковыми по величине—вот к чему следует стремиться....		Государственный Педагогический Университет Беспорядок в твердых телах... Неупорядоченные системы – кристаллы с примесями, сплавы, аморфные тела и др. – являются, можно сказать, объектами общего типа, а...
	Казьменко Артем Анатольевич 10 класс мбоу сош №2 сельского поселения... Но в то же время, нисколько не тревожась, употребляют продукты, содержащие искусственные пищевые добавки и консервирующие вещества....		Домашнее задание по физике на период приостановления аудиторных занятий... По тонкому кольцу радиусом 10 см равномерно распределен заряд с линейной плотностью 1 нКл/м. В центре кольца находится заряд 0,4...
	Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Изучение структуры и функций природных ресурсов, анализ показателей ресурсообеспеченности стран		Знания о природных зонах, причинах, определяющих смену пк, по сути,... ...
	Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Дать знания о природных зонах России, углубить знания о взаимосвязях природных компонентов в разных природных зонах		Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Обучающая- конкретизировать понятия : «природная зона», «широтная зональность», «высотная поясность»;- сформировать понятие о природных...
	Конспект урока по биологии с мультимедийной поддержкой Тема урока... Тема урока: «Искусственные системы. Агроценозы, факторы повышения их продуктивности»		Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Федеральным законом «Об особо охраняемых природных территориях», отдельными постановлениями Правительства РФ. В настоящее время принято...
	Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Обеспечить усвоение учащимися особенностей экономико-географического положения, природных условий и природных ресурсов района, акцентировать...		Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Подвести к пониманию того, что камни бывают разного цвета, структуры, состава. Познакомить с происхождением некоторых природных камней...
	Пояснительная записка. Оценивать и прогнозировать Изменение природных и социально-экономических объектов под воздействием природных и антропогенных факторов		«Природные зоны Северной Америки» Продолжать формировать у учащихся представление о природных зонах на примере изучения природных зон материка

Школьные материалы