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.

---

Смотрите также файлы

• 7. Характеристика нпа по временному пространству и кругу лиц.docx

• Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Астраханский государственный технический университет.docx

• Учебное пособие для студентов старших курсов и слушателей магистратуры Четвертое издание Москва 2014 2.pdf

• Анализсредстввыразительности.docx

• Основные понятия Виды проявлений. Причины гнвп.docx