Zadacha-1-Tri-v-ryad

1.

Задача №1 «Три в ряд»
Курдюкова Анна, 9Б класс · Элистинский лицей
Команда «Новый элемент»
ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ПРОЕКТ ПО ХИМИИ · ВЫРАЩИВАНИЕ МОНОКРИСТАЛЛОВ

2.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ПРОЕКТА
Одиночный кристалл из
2 литров раствора
Цель: разработать методику выращивания
максимально крупного одиночного кристалла
алюмокалиевых квасцов из 2 литров
раствора.
1
Оптимальные условия
Подобрать температурный режим и степень
пересыщения для контролируемого роста.
2
Параметры процесса
Определить, как охлаждение, чистота и затравка
влияют на итоговый размер монокристалла.
ТЕХНИЧЕСКИЙ РЕГЛАМЕНТ · ОБЪЁМ РАСТВОРА 2.0 Л

3.

ВЫБОР ВЕЩЕСТВА
Квасцы лучше всего подходят для задачи
Нужно вещество, склонное образовывать один большой кристалл, а не много мелких паразитных зародышей.
Вещество
Плюсы
Минусы
Нитрат калия
KNO₃
Растворимость
сильно зависит от
температуры;
подходит для
охлаждения
Сильный окислитель:
требуется строгий
лабораторный
контроль
Ацетат натрия
CH₃COONa·3H₂O
Удобен для
пересыщенных
растворов; быстрое
образование
кристаллов
Для одиночного
кристалла нужен
предельно жёсткий
термоконтроль
Алюмокалиевые
квасцы
KAl(SO₄)₂·12H₂O
Доступны; растут из
воды; чёткая
октаэдрическая
огранка; рост виден
без сложной оптики
Длительный рост;
чувствительны к
сквознякам и скачкам
температуры
ТАБЛИЦА 1 · СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ КАНДИДАТОВ ДЛЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ

4.

КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ РЕЗУЛЬТАТА
Что считать размером
кристалла
Основной показатель: максимальный линейный
размер, наибольшее расстояние между двумя
точками поверхности.
Масса после удаления поверхностной влаги.
Объём: геометрически или по массе и плотности.
Качество: прозрачность, отсутствие трещин,
правильные грани.
ФИГ. 1 · ИЗМЕРЕНИЕ ГЛАВНОЙ ДИАГОНАЛИ
ОКТАЭДРА

5.

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ БАЗИС
Растворимость зависит от температуры
Растворимость KAl(SO₄)₂·12H₂O в 100 г воды при нагревании от 20 °C до 50 °C возрастает более чем втрое.
492 г
Теоретический избыток при
охлаждении 2 кг воды от 50 °C до
20 °C.
ГРАФИК 1 · КРИВАЯ РАСТВОРИМОСТИ АЛЮМОКАЛИЕВЫХ КВАСЦОВ В ВОДЕ
• При 50 °C в 2 кг воды растворено:
720 г
• При 20 °C удерживается лишь: 228
г
• При комнатной норме (12,5 г/100
г): остаток ~250 г

6.

СТЕХИОМЕТРИЯ И МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС
Расчёт: сколько кристаллов выделится
Исходные данные: масса загрузки квасцов 400 г на 2 литра дистиллированной воды (2000 г).
МОЛЯРНЫЕ ВЕЛИЧИНЫ
КОНЦЕНТРАЦИЯ РАСТВОРА
ВЫХОД МОНОКРИСТАЛЛА
0,844 моль
16,7%
150 г
M(KAl(SO₄)₂·12H₂O) = 474
г/моль. Количество вещества
в 400 г сухой соли.
Массовая доля соли в
растворе (20% к массе чистой
воды; 400 г на 2400 г системы).
В растворе при комнатной
температуре останется ~250 г.
Выделится: 400 − 250 = 150 г.
РАСЧЁТ ПО ЗАКОНУ СОХРАНЕНИЯ МАССЫ ДЛЯ ИЗОТЕРМИЧЕСКОГО ОСТАТКА ПРИ 20 °C

7.

Факторы, влияющие на рост
Параметр
Влияние на рост
Оптимальный подход
Температура
Определяет растворимость и
пересыщение
Плавное снижение
Концентрация
Количество вещества для роста
Контролируемое пересыщение
Скорость охлаждения
Быстрое охлаждение даёт много мелких
кристаллов
Медленное охлаждение
Чистота раствора
Частицы становятся центрами
кристаллизации
Фильтрование
Затравка
Задаёт место и направление роста
Одна качественная затравка
Перемешивание
Нарушает рост граней
Не перемешивать
Испарение воды
Постепенно повышает концентрацию
Медленное, контролируемое
Колебания
температуры
Растворение и повторный рост граней
Стабильная температура

8.

КИНЕТИКА КРИСТАЛЛИЗАЦИИ
Скорость роста и пересыщение
Скорость роста граней ϑ пропорциональна пересыщению S только в пределах метастабильной зоны.
МОДЕЛЬ НОЙЕСА-УИТНИ ДЛЯ КИНЕТИКИ ГРАНЕЙ МОНОКРИСТАЛЛА

9.

Оптимальные условия
Приготовление
раствора
Рост
50–60 °C
20–25 °C, стабильная
комнатная температура
Концентрация
Продолжительность
Близка к насыщению, точное
значение подбирается
пробным опытом
Несколько недель и более

10.

ПОШАГОВЫЙ ПРАКТИКУМ
Методика: подготовка и запуск
Четыре последовательных этапа подготовки системы к длительному росту:
01
02
03
04
1.
Приготовление
2. Фильтрование
3. Затравка
4. Установка
Горячий раствор
профильтровать в
чистый сосуд через
обеззоленный
фильтр (выполняется
под контролем
взрослых).
Отобрать идеальный
кристаллик
правильной
октаэдрической
формы без дефектов
и закрепить тонкой
капроновой леской.
Подвесить затравку
строго по центру 2литрового сосуда,
исключив касание
дна и стенок;
накрыть от пыли.
Нагреть 2 л
дистиллированной
воды до 50–60 °C,
порциями
растворить 400 г
квасцов при
постоянном
помешивании.
РЕГЛАМЕНТ ПОДГОТОВИТЕЛЬНОГО ЭТАПА · КОМАНДА «НОВЫЙ ЭЛЕМЕНТ»