О некоторых особенностях роста кристаллов NaCl

Алексей Лохов, Андрей Пальянов

Руководитель: П.В. Денисенко

8 класс школы-колледжа 130, г. Новосибирск

1996

АННОТАЦИЯ

В докладе рассказывается об образовании и росте нового типа плавающих кристаллов NaCI и сопутствующих этому явлению эффектах, как-то: образование соляных колец при высыхании капель раствора NaCI, рост дендритов по горизонтальной и вертикальной плоскостям.

ВВЕДЕНИЕ

Проблемой образования колец при высыхании капель растворов солей занимались ещё в 19 веке. В 1882 Лизеганг обнаружил, что при высыхании капли 20% раствора AgNО3 на поверхности, покрытой слоем смеси желатина и К2Сr2О7 образуется система концентрических колец, которые состоят из продукта реакции AgNO3 и K2Cr2O7 - бихромата серебра [5]. Проблемой образования плавающих кристаллов занимался Д.И.Менделеев, который их обнаружил и описал их форму: полые четырехгранные пирамидки, плавающие вершиной вниз. Ещё одно известное наблюдение - на месте высохшей капли AgCI образуются несколько концентрических колец. Рисунок 1 объяснит их образование [3].

По краям выпадают кристаллы, но по мере высыхания капли её объем уменьшается, и она висит на кристаллах. В какой-то момент капля с них срывается и собирается в каплю, но меньшего диаметра. Этот процесс повторяется несколько раз до того момента, когда вся вода испарится.

Рассмотрев несколько высохших капель раствора NaCl, мы увидели одну и ту же картину (рис. 2): несколько кристаллов находится в центре капли, соляное кольцо по периметру и дендритные структуры за пределами капли. Кристаллы в центре и некоторые кристаллы из соляного кольца имеют характерный крестик.

Рассмотрев процесс высыхания капли, мы заметили следующее: кристаллы образуются на поверхности раствора, а потом часть из них, находящаяся близко к краю, сползает к границе капли, и в процессе роста образуется соляное кольцо, а остальные опускаются вслед за понижающимся уровнем раствора и ложатся на дно. Рассмотрев такой кристалл под микроскопом, мы увидели, что он представляет из себя плавающую пирамидку Менделеева.

После этого мы решили подробнее рассмотреть процесс образования пирамидок. Известно ( [1], [2] ), что растворимость NaCI мало зависит от температуры, т.е. плотность раствора, насыщенного при 15 градусах равна плотности раствора, насыщенного при 20 градусах. Это означает, что поверхностный слой раствора может концентрацию большую, нежели сам раствор. По словам Д.И.Менделеева, эти кристаллы не тонут, т.к. постоянно доращиваются при опускании (рис. 4):

ЭКСПЕРИМЕНТ

Мы повторили опыт Менделеева: взяли сосуд с раствором, имеющем концентрацию, близкую к максимальной, и поместили над ним на расстоянии 20 см настольную лампу (лампочка 100 Вт). При температуре 22 градуса и влажности 50% мы получили менделеевские кристаллы. Но они образуются не всегда. Если поставить колбу с раствором в закрытый объём при почти 100% влажности, то образуются другие кристаллы, имеющие форму кубиков со срезанной верхней вершиной и ориентированные другой вершинкой вниз ( рис. 5 ):

Обычно они собираются в группы по 7-40 штук, а потом, достигнув размеров грани каждого кристалла 3-4мм, падают на дно. Кристаллы со срезанной вершинкой образовывались иногда и на дне сосуда, т.к. первоначально были ориентированы вершинкой вверх, а не боком (см. рис 6).

Впоследствии мы обнаружили наличие плавающих кристаллов для растворов других солей, например раствор AIK(SO4)2*12Н2О образует на поверхности одиночные кристаллы. Наоборот, при увеличении скорости испарения поверхность раствора покрывалась сплошной соляной коркой, которая состоит из сросшихся пирамидок Менделеева ( рис. 7 ):

При проведении опытов с кристаллами на поверхности мы заметили, что на стенках сосудов образуются дендриты, которые иногда даже "вылезали" наружу и росли по внешней стенке. Между дендритами и раствором находится полоса свободного пространства, покрытая тонкой пленкой раствора ( рис. 8 ):

Если поместить у основания растущего дендрита каплю концентрированного раствора NaCI, подкрашенную тушью, то она начинает подниматься по дендриту, показывая путь "строительного материала" ( рис. 9 ):

Как выяснили Хлуднева Евгения и Лапина Люба, строительный материал доставляется к вершине в основном по капиллярам внутри дендритов. Если же подкрашенную каплю поместить в центр высыхающей капли, то мы видим такую картину: из капли туши вытянулись тонкие лучи. Это следы сползающих плавающих кристаллов и потоков раствора к растущим дендритам.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Результатом проделанной работы явилось:

1. Обнаружение нового типа плавающих кристаллов, описание которого мы в литературе не нашли.

2. Установление возможности роста дендритов по вертикальной плоскости, описание чего мы также в литературе не нашли.

БЛАГОДАРНОСТИ

Благодарим нашего консультанта Денисенко П.В., Хлудневу Евгению и Лапину Любовь за предоставленные результаты, В.И. Шелеста за помошь в редактировании отчета.

Список литературы

1. Кузнецов "Кристаллы и кристаллография"

2. Менделеев Д.И. "Общая химия"

3. Гегузин "Капля"

4. Реми "Неорганическая химия"

5. Шубников А.В. "Зарождение и рост кристаллов"