Лабораторное моделирование природных электрохимических процессов (формирование дендритов меди). отчет_дендрит. Лабораторная работа 1 по дисциплине Геоэлектрохимия на тему

• Название: Лабораторная работа 1 по дисциплине Геоэлектрохимия на тему
• Анкор: Лабораторное моделирование природных электрохимических процессов (формирование дендритов меди
• Дата: 08.05.2023
• Размер: 2.7 Mb.
• Имя файла: отчет_дендрит.docx
• Тип: Лабораторная работа; #1114814

ПЕРВОЕ ВЫСШЕЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ РОССИИ




МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра геофизики

Лабораторная работа №1

по дисциплине:

Геоэлектрохимия
на тему:

«Лабораторное моделирование природных электрохимических процессов (формирование дендритов меди)»

Выполнил: студент гр. РФ–19		Куницкая В.А.
(шифр группы)	(подпись)	(Ф.И.О.)

Проверил: доцент		Сенчина Н.П.
(должность)	(подпись)	(Ф.И.О.)

Санкт-Петербург

2022

Введение

Дендрит - древовидное кристаллическое образование, представляющее собой агрегат из сросшихся кристаллов или скелетный кристалл. Встречаются в форме веточек дерева, листьев папоротника, моховидные и др. Образуются в результате быстрой кристаллизации вещества в стеснённых условиях роста, например, в тонких трещинках горных пород, кристаллов или в вязкой среде. Дендриты характерны для некоторых самородных металлов (меди, золота, серебра), оксидов марганца (их иногда ошибочно принимают за отпечаток растений), льда и др.

В качестве примера дендритов в геологической среде можно привести окислы марганца, имеющие вид деревьев, в халцедонах («моховой агат») и в тонких трещинах розового родонита. Другие примеры — веточки самородной меди в зонах окисления рудных месторождений, дендриты самородных серебра и золота.

Моделирование — метод исследования сложных объектов, явлений и процессов путем их упрощенного имитирования. Модель упрощает реальный процесс, что дает возможность обратить внимание на главную сущность объекта. Моделирование бывает теоретическое (например, математическое) и эмпирическое (лабораторное).

Главной задачей данной лабораторной работы было моделирование природных процессов на примере формирования дендрита меди, изучение процесса окислительно-восстановительной реакции и динамики водородного показателя pH с помощью лабораторного эксперимента. В работе использовались медный купорос, поваренная соль, металлический гвоздь и фильтровальная бумага. Все результаты (промежуточные и итоговые) зафиксированы и отражены в настоящем отчете.

Дендриты

Дендриты (от греч. δένδρον — дерево) — сложные кристаллические образования древовидной ветвящейся структуры.

Дендрит образовывается при ускоренной или стеснённой кристаллизации в неравновесных условиях, когда кристалл расщепляется по определённым законам. В результате он утрачивает свою первоначальную целостность, появляются кристаллографически разупорядоченные блоки.

Дендриты могут быть трёхмерными объёмными (в открытых пустотах) или плоскими двумерными, если растут в тонких трещинах горных пород (Рис. 1 и Рис.2).



Рис.1 Трёхмерный объёмный дендрит Рис.2 Плоский двумерный дендрит (пиролюзита)

Процесс образования дендрита принято называть дендритным ростом (Рис.3):



Рис.3 Процесс образования дендрита

Необходимые условия для развития дендритов у кристаллов, растущих послойно, — большое переохлаждение и плохое перемешивание. Размеры дендритных ветвей зависят только от одного фактора — скорости охлаждения в интервале температур кристаллизации.

В качестве примера дендритов можно привести ледяные узоры на оконном стекле, снежинки и живописные окислы марганца, имеющие вид деревьев в пейзажных халцедонах и в тонких трещинах розового родонита.

Окислительно-восстановительная реакция (ОВР)

Окислительно-восстановительная реакция (ОВР) — это реакция, которая протекает с изменением степеней окисления. В такой реакции всегда участвуют вещество-окислитель и вещество-восстановитель. Другие вещества могут выступать в качестве среды, в которой протекает данная реакция.

В таких реакциях столкновение частиц сопровождается переходом электронов от одного из реагентов к другому. Окислительно-восстановительная реакция – это единый процесс, состоящий из двух полуреакций: полуреакции окисления и полуреакции восстановления, которые идут одновременно. Окисление – это процесс потери электронов атомом, молекулой или ионом. Восстановление – это процесс присоединения электронов атомом, молекулой или ионом. Частица, отдающая свои электроны, в ходе реакции окислятся. Ее принято называть восстановителем, а частица, которая эти электроны присоединяет, в ходе реакции восстанавливается, ее принято называть окислителем. Окислительно-восстановительные реакции очень широко распространены в природе. К ним относятся реакции фотосинтеза у растений, дыхание живых организмов, процессы горения и коррозии металлов и многие другие.

Конкретными веществами, применяемыми на практике в качестве окислителей, являются кислород и озон, хлор, бром, перманганаты, дихроматы, кислородные кислоты хлора и их соли. Конкретными веществами, применяемыми на практике в качестве восстановителей, являются, например, щелочные и щелочноземельные металлы, сульфиды, сульфиты, галогенводороды (кроме HF), органические вещества – спирты, альдегиды, формальдегид, глюкоза, щавелевая кислота, а также водород, углерод, моноксид углерода (CO +2) и алюминий при высоких температурах.

В нашей работе в общем виде процесс образования дендрита происходил следующим образом:

1. 
   Растворение CuSO4, диссоциация на ионы (голубой ореол)
   
2. 
   Ионный обмен 2 NaCl + CuSO4 → Na2SO4 + CuCl2 (зеленый)
   
3. 
   Движение ионов к железу (расширение ореола)
   
4. 
   Протекала следующая окислительно-восстановительная реакция (CuCl2 является окислителем, Fe является восстановителем, восстановление меди, окисление железа) после ионного обмена NaCl и CuSO4 в реакцию с железом вступает хлорид меди СuCl2:
   

В качестве твердого компонента выступает гвоздь Fe_тв, который в результате реакции обретает коричнево-черный цвет, а также появляется медный дендрит Cu_тв

Ряд напряжений металлов

Электрохимический ряд активности металлов (ряд напряжений, ряд (вытеснения) Бекетова, ряд стандартных электродных потенциалов) — последовательность, в которой металлы расположены в порядке увеличения их стандартных электрохимических потенциалов E0, отвечающих полуреакции восстановления катиона металла Meⁿ⁺: Meⁿ⁺ + nē → Me.

Ряд напряжений характеризует сравнительную активность металлов в окислительно-восстановительных реакциях в водных растворах.



Рис.4. Электрохимический ряд напряжений металлов

Водородный показатель pH

Водородный показатель (pH, от лат. pondus Hydrogenii — «вес водорода»; произносится «пэ-аш») — мера определения кислотности водных растворов. Ассоциирована с концентрацией ионов водорода, что эквивалентно активности ионов водорода в сильно разбавленных растворах.

Для водных растворов (при стандартных условиях), водородный показатель составляет:

pH < 7 соответствует кислотному раствору;

pH = 7 соответствует нейтральному раствору, иногда относят к кислотному;

pH > 7 соответствует основному раствору

Водородный показатель может быть определён с помощью кислотно-основных индикаторов, измерен потенциометрическим pH-метром или вычислен по формуле как величина, противоположная по знаку и равная по модулю десятичному логарифму активности водородных ионов, выраженной в молях на литр:



В ходе нашей лабораторной работы, по мере роста медного дендрита, мы измеряли pH: начальное значение было рН = 5-6, результатом измерений стал рН = 1, что говорит нам о высокой кислотности раствора.

Ход работы:

Для создания лабораторного эксперимента понадобились: кристаллизатор (стеклянная емкость объемом 250 мл), медный купорос, поваренная соль, железный гвоздь, раствор поваренной соли и фильтровальная бумага. Начало эксперимента – 12.09.22

1. 
   Насыпаем в кристаллизатор слой медного купороса примерно 0,5 см.
   

Рис.5. Первый этап работы

2. 
   Засыпаем следующий слой поваренной соли на 2 см, кладем сверху фильтровальную бумагу и железный гвоздь.
   
3. 
   Заливаем получившуюся структуру насыщенным раствором поваренной соли.
   

Рис.6. Заключительный этап работы

4. 
   Растворение CuSO₄, диссоциация на ионы (голубой ореол). Также можно заметить небольшой голубой ореол на Рис. 6.
   
5. 
   Ионный обмен - получение CuCl₂ (зеленый цвет)
   

Рис. 1. Ионный обмен. 12 сентября через 30 мин после начала эксперимента

На Рис. 7 можно увидеть появление зеленого цвета между солью и медным купоросом – это и есть хлорид меди.

6. 
   Далее зеленый ореол начинает расширяться, так как происходит движение ионов ближе к железу.
   
7. 
   ОВР (восстановление меди, окисление железа)
   

Рис. 2. ОВР. 14 сентября

На рис. 8 видно расширение зеленого ореола, а также уже проходит ОВР – окисление меди и восстановление железа. Появляется дендрит меди. Далее на рисунке 9 а, б, в, г (рН=3) представлено продолжение окислительно-восстановительной реакции – рост дендрита меди.



Рис. 3. Продолжение ОВР

Потемнение раствора можно связать с реакцией получения хлорида железа (III) при ОВР железа и хлорида меди в твердом состоянии (так как хлорид железа (II) в уже рассмотренном ОВР образуется только с раствором хлорида меди):



Полученный раствор имеет очень кислую среду, что доказывает измерение рН, который равен единице.

На Рис. 10 представлен результат получившихся дендритов меди, не подвергшимся реакции соединения.



Рис. 10. Дендриты меди.

Масса дендритов вместе с остатками железного гвоздя и кристаллами соли равна 1,2 грамма (Рис. 11).



Рис. 11. Масса дендрита

Рассмотрим получившиеся дендриты под микроскопом.



Рис.12. Дендриты меди под микроскопом.

На Рис. 13 представлены снимок дендрита под микроскопом с указанными примерными размерами, наибольший размер кристалла на рисунке 0,5х0,5 мм. Также на рисунке 14 представлен снимок кристалла соли.



Рис.13. Дендриты меди под микроскопом с указанием размеров



Рис.14. Кристалл соли под микроскопом с указанием размеров

Далее на Рис. 15 показан размер ветви дендрита. Он равен примерно 1 см.



Рис.15. Размер ветви дендрита.

Вывод: в лабораторной работе было произведено моделирование природных электрохимических процессов (формирование дендрита меди), рассмотрены теоретические сведения о дендритах, об окислительно-восстановительных реакциях, об электрохимической активности металлов и кислотности среды. В результате эксперимента был получен дендрит меди, описаны происходящие химические реакции и изучены характеристики получившегося дендрита меди.

Список литературы

1. 
   Григорьев Д.П. О различии минералогических терминов: скелет, дендрит и пойкилит., Изв. Вузов, геол. и разв., 1965.,№ 8., с. 145-147.
   
2. 
   Симонян Г.С., канд. хим. наук, доцент Ереванского государственного университета, Армения, статья «Фрактальность химических соединений».
   
3. 
   Александр Марфин, статья «Кристаллы-деревья», 2020 год.
   
4. 
   Окислительно-восстановительные реакции: методические указания к лабораторным и практическим занятиям по курсу общей химии / НГТУ им. Р.Е. Алексеева сост.: А.Д. Самсонова. Н.Новгород, 2012. 36 с.
   
5. 
   Путиков О.Ф. Геоэлектрохимические методы поисков и разведки. Учебное пособие, Санкт-Петербург, 1983 г., 117 стр.