Оловянное дерево

Металлическое дерево растет прямо на глазах!

Сложность:
Опасность:
Время:
15 минут
Видео эксперимента

Реагенты

Безопасность

  • Перед началом опыта наденьте перчатки и защитные очки.
  • Проводите эксперимент на пластиковом подносе.
  • Соблюдайте технику безопасности при работе с батарейками.
Общие правила безопасности
  • Не допускайте попадания химических реагентов в глаза или рот.
  • Не допускайте к месту проведения экспериментов людей без защитных очков, а также маленьких детей и животных.
  • Храните экспериментальный набор в месте, недоступном для детей младше 12 лет.
  • Помойте или очистите всё оборудование и оснастку после использования.
  • Убедитесь, что все контейнеры с реагентами плотно закрыты и хранятся по правилам после использования.
  • Убедитесь, что все одноразовые контейнеры правильно утилизированы.
  • Используйте только оборудование и реактивы, поставляемые в наборе или рекомендуемые текущими инструкциями.
  • Если вы использовали контейнер для еды или посуду для проведения экспериментов, немедленно выбросьте их. Они больше не пригодны для хранения пищи.
Информация о первой помощи
  • В случае попадания реагентов в глаза тщательно промойте глаза водой, при необходимости держа глаз открытым. Немедленно обратитесь к врачу.
  • В случае проглатывания промойте рот водой, выпейте немного чистой воды. Не вызывайте рвоту. Немедленно обратитесь к врачу.
  • В случае вдыхания реагентов выведите пострадавшего на свежий воздух.
  • В случае контакта с кожей или ожогов промывайте поврежденную зону большим количеством воды в течение 10 минут или дольше.
  • В случае сомнений немедленно обратитесь к врачу. Возьмите с собой химический реагент и контейнер от него.
  • В случае травм всегда обращайтесь к врачу.
Рекомендации для родителей
  • Неправильное использование химических реагентов может вызвать травму и нанести вред здоровью. Проводите только указанные в инструкции эксперименты.
  • Данный набор опытов предназначен только для детей 12 лет и старше.
  • Способности детей существенно различаются даже внутри возрастной группы. Поэтому родители, проводящие эксперименты вместе с детьми, должны по своему усмотрению решить, какие опыты подходят для их детей и будут безопасны для них.
  • Родители должны обсудить правила безопасности с ребенком или детьми перед началом проведения экспериментов. Особое внимание следует уделить безопасному обращению с кислотами, щелочами и горючими жидкостями.
  • Перед началом экспериментов очистите место проведения опытов от предметов, которые могут вам помешать. Следует избегать хранения пищевых продуктов рядом с местом проведения опытов. Место проведения опытов должно хорошо вентилироваться и находиться близко к водопроводному крану или другому источнику воды. Для проведения экспериментов потребуется устойчивый стол.
  • Вещества в одноразовой упаковке должны быть использованы полностью или утилизированы после проведения одного эксперимента, т.е. после открытия упаковки.

Часто задаваемые вопросы

Что делать, если дерево не растёт?

Первым делом проверьте, правильно ли подключены батарейки к коннектору (соблюдена ли полярность, плотно ли батарейки сидят в своих гнёздах).

Вторая возможная причина – плохой контакт зажимов с проводками, идущими от коннектора. Кроме того, убедитесь, что зажимы хорошо прикреплены к проводу, соединяющему их между собой.

Попробуйте заменить батарейки – быть может, вам попалась нерабочая или старая батарейка.

Наконец, возможно, один из зажимов не касается раствора. Тогда смотрите ответ на следующий вопрос.

Что делать, если зажимы не достают до раствора?

Во-первых, попробуйте, если это возможно, опустить зажимы ниже по стенке чашки Петри.

Во-вторых, если раствор распределён по дну чашки Петри неравномерно, около зажима могла оказаться «пустая» область. 10 мл раствора хлорида олова достаточно, чтобы заполнить дно чашки Петри. Однако силы поверхностного натяжения могут оказаться против этого. Проявите ещё немного терпения и постарайтесь равномерно распределить раствор по дну чашки, как это указано в пошаговой инструкции. Всё равно не получилось? Возьмите одноразовый пластиковый стаканчик, отмерьте в него 1-2 чайных ложки воды из-под крана и добавьте в раствор хлорида олова.

Раствор хлорида олова пенится около одного из зажимов. Это безопасно?

Да, конечно. На этом зажиме (он выступает в роли анода в данной электрохимической цепи) идёт реакция разложения воды под действием электрического тока. При этом выделяется газ − кислород O2. Вспенивание раствора, которое вы наблюдаете, – это пузырьки кислорода.

Почему не стоит использовать батарейки разных производителей одновременно?

Батарейки разных марок (производителей) могут иметь различные характеристики (электрическое напряжение, величина тока и др.). Поэтому, если их соединить в одну электрохимическую цепь, может произойти «конфликт» и какая-то из батареек начнёт перегреваться. Это может привести к различным последствиям, в том числе к протеканию батарейки и порче вещи, в которой вы её используете. Советуем использовать в одном приборе одновременно батарейки только одной марки.

Один из зажимов растворяется в процессе электролиза. Что делать? Как повторить опыт?

Если оставить собранную систему надолго без присмотра, один из зажимов будет постепенно растворяться. Это обычная электрохимическая реакция, которая не мешает опыту и не представляет опасности. Однако конец зажима, погружённый в раствор, может раствориться.

Как повторить опыт (или поэкспериментировать с развитием эксперимента), если это произошло? Прежде всего, обязательно отсоедините коннектор с батарейками от зажимов.

Первый способ: вытащите зажим из раствора, сполосните его водой и тщательно просушите бумажным полотенцем. Теперь подключите «растворившийся» зажим к проводку от коннектора. Целый и чистый зажим готов к использованию!

Второй способ – перевернуть зажим относительно стенки чашки Петри. Для этого отсоедините его и прикрепите снова так, чтобы половинка зажима, которая была опущена в раствор, оказалась с внешней стороны чашки Петри.

Пошаговая инструкция

Подготовим раствор хлорида олова SnCl2.

tinlead_dendrite_ru_iks-01

Раствор не очень хорошо смачивает поверхность чашки Петри. Чтобы жидкость распределилась равномерно, снизим поверхностное натяжение, добавив мыла.

tinlead_dendrite_ru_iks-02

Погрузим электроды в раствор.

tinlead_dendrite_ru_iks-03

Подключим электроды к источнику электрического тока — батарейкам.

tinlead_dendrite_ru_iks-04

Ионы олова Sn2+ из раствора на отрицательно заряженном электроде (черном крокодиле) становятся металлическим оловом Sn0. Олово образует красивые длинные кристаллы, которые растут в виде дерева.

tinlead_dendrite_ru_iks-05

Ожидаемый результат

Из прозрачного раствора соли выросло красивое оловянное дерево.

Утилизация

Утилизируйте твёрдые отходы эксперимента вместе с бытовым мусором. Слейте растворы в раковину, промойте избытком воды.

Что произошло

Почему растёт оловянное дерево?

Мы подключаем проводки от блока батареек к раствору хлорида олова SnCl2 в чашке Петри, прикрепляя к краям зажимы-крокодилы. Через раствор начинает идти электрический ток. В растворе, рядом с одним из зажимов, опущенных в раствор, протекает реакция восстановления олова:

Sn2+(р-р) + 2e-→ Sn(тв)

Олово − это металл, поэтому оно выпадает в осадок в виде простого вещества Sn. Подобно электрическому току, протекающему через раствор от одного «крокодила» к другому, рост оловянного дерева также идёт в определённом направлении.

Дополнение

Зажимы-крокодилы выполняют функцию электродов – проводников электрического тока в раствор. Рассказывать об электродах можно очень долго. Нам важно понимать, какие они бывают в природе и какие из них используются в данном эксперименте. Электроды могут быть сделаны из металла, графита и даже из полимеров. Одни участвуют в химических реакциях (расходуются), другие – химически инертны и не реагируют с веществами из раствора (не расходуются). В нашем случае используются инертные металлические электроды.

Если олово выделяется на одном из электродов, то почему оно растёт дальше, а не образует вокруг этого электрода оловянный «островок»? Дело в том, что выросшее на электроде олово хорошо проводит электрический ток. Поэтому оно фактически служит продолжением электрода в растворе, и каждый отросток дерева растёт дальше.

Важно понимать, что разные металлы росли бы по-разному, так как каждый из них образует кристаллы с уникальными свойствами. Особенность олова в том, что оно может расти в форме длинных и тонких, но при этом достаточно прочных кристаллов.

Что такое электролиз?

Это процесс, в ходе которого химические реакции идут под действием электрического тока. Электролиз происходит при пропускании тока через раствор (или расплав) некоторых соединений (их называют электролитами). Последние представляют из себя вещества, способные в растворе легко разделяться на ионы. Например, хлорид аммония NH4Cl в воде образует два иона:

NH4Cl → NH4+ + Cl-

В результате электролиза образуются новые вещества, которые могут выделяться из соединений, находящихся в растворе, напрямую под действием электрического тока. Так, например, медь Cu выделяется из раствора сульфата меди CuSO4. Но эти продукты могут образовываться и в ходе вторичных реакций (например, окисление хлорида олова (II) SnCl2 до олова (IV) Sn4+ кислородом O2, который выделяется из воды при пропускании через неё тока).

Дополнение

Что такое электрический ток? Это упорядоченное движение заряженных частиц в определённом направлении. Этими заряженными частицами могут быть электроны (электронный ток) или ионы (тогда говорят об ионном токе).

Идущий по проводам электрический ток создаёт на одном электроде отрицательный заряд, а на другом − положительный. В результате ионы в растворе начинают движение к электродам. Один из таких электродов называется анодом, он имеет положительный заряд. К нему в растворе движутся отрицательно заряженные частицы – анионы. Второй электрод – катод − заряжен отрицательно, поэтому к нему в растворе двигаются положительно заряженные частицы – катионы. Так в растворе создаётся ионный ток.

В нашем случае на катоде происходит выделение олова, которое растёт красивым деревом:

Kатод-: 2Sn2+(р-р) + 4e-→ 2Sn(тв)

На аноде идёт больше реакций. Основной процесс – выделение кислорода O2:

Aнод+: 2H2O – 4e- → O2 + 4H+

Вместе с тем протекает вторичная реакция между выделяющимся кислородом и хлоридом олова SnCl2:

2SnCl2 + O2 + 2H2O → 2SnO2 + 4HCl

Стоит отметить, что кислород, который вступает в реакцию с оловом, ещё не успел образовать молекулу O2. В реакции участвует атомарный кислород – очень химически активная частица. Он окисляет олово (II) Sn2+ до олова Sn4+. Образуется белый осадок оксида олова (IV) SnO2.

Это не все реакции, которые протекают возле анода в нашем эксперименте. Однако не будем слишком усложнять и остановимся на них.

Почему мы используем именно SnCl2?

Для проведения этого эксперимента мы сразу выбрали хлорид олова по нескольким причинам, связанным с уникальными свойствами этого металла. Во-первых, кристаллы олова образуют длинные и тонкие структуры. Это связано с большой разницей скорости роста кристаллов олова в разных направлениях. Во-вторых, олово обладает характерным металлическим блеском и красивым серебристым цветом. Вот почему наше дерево выглядит так эффектно. В то же время олово — это гибкий и мягкий металл. Это уменьшает вероятность «обрыва» дерева: разрушения его ветвей под весом собственной тяжести, отрыва дерева от электрода и др. И действительно, оловянное дерево остаётся на поверхности раствора, не опускаясь на дно. Кроме того, олово достаточно устойчиво к воздействию влаги и воздуха, поэтому можно быть уверенным, что дерево не испортится в ходе эксперимента. Наконец, реакция восстановления олова происходит достаточно быстро, что позволяет наблюдать рост дерева.

Можно ли получить дерево из раствора другой соли?

Олово лучше всего подходит для этого эксперимента. Многие металлы будут выпадать в осадок из растворов своих солей при пропускании через них электрического тока. Но красивое металлическое дерево может вырасти только из олова. Некоторые металлы будут просто выделяться слоями на зажиме (например, свинец Pb). Другие будут образовывать непрочные пористые структуры, которые разрушаются под тяжестью собственного веса (например, медь Cu или серебро Ag). Каждый металл обладает своими уникальными особенностями и имеет собственную кристаллическую решётку, которая определяет свойства кристалла.

Развитие эксперимента

Мы подготовили для вас несколько идей для продолжения эксперимента. Советуем прочитать их все заранее и выбрать для себя наиболее интересные.

Исчезающее дерево

Будьте особенно аккуратны и не трясите стол и чашку Петри во время эксперимента. Чтобы всё получилось, дерево должно касаться того зажима, из которого оно выросло. Убедитесь, что зажимы-крокодилы надёжно прикреплены к стенкам чашки. Советуем вырастить дерево для этого опыта небольшим – примерно на треть чашки Петри или меньше.

Теперь поменяйте местами зажимы на блоке батареек. Для этого сначала отсоедините их оба, а затем подключите по очереди. Внимательно следите за деревом! Оно начнёт исчезать. В это же время с другой стороны начнёт расти новое дерево.

Что произошло? Мы поменяли полярность батарейки. Электрический ток в системе теперь двигается в обратном направлении, поэтому старое оловянное дерево растворяется:

Snтв – 2e- → Sn2+р-р

Как контролировать рост дерева?

Сделать это достаточно легко. В начале опыта следуйте инструкции. Когда дерево начнёт расти от одного из «крокодилов», аккуратно отцепите второй зажим от края чашки Петри и передвиньте его по краю. Следите, чтобы он касался раствора хлорида олова! Дерево будет стремиться дотянуться «ветками» до второго «крокодила» по кратчайшему пути. Можете и вовсе снять зажим со стенки и плавно передвигать его внутри чашки по раствору.

Тайные знаки: опыт с фильтровальной бумагой.

Опыт необходимо проводить в перчатках. Возьмите обычную фильтровальную бумагу (отлично подойдёт плотный кофейный фильтр или бумага для рисования акварелью). Вырежьте небольшой прямоугольник 4х8 см. Если бумага многослойная и легко разделяется на слои, лучше будет взять один из слоёв. Тщательно смочите кусочек бумаги раствором хлорида олова (удобнее всего это сделать в чистой чашке Петри). Не используйте слишком много раствора, но убедитесь, что бумага целиком пропиталась. Достаньте бумагу из чашки и подсоедините к ней с двух противоположных сторон зажимы-крокодилы от блока с батарейками. Внимательно следите за бумагой – постепенно внутри неё будут появляться ростки оловянного дерева. Удобнее наблюдать появление «тайных знаков», если смотреть сквозь бумажку на источник света. Будьте внимательны и выполняйте опыт в защитных очках!

Что изменится, если разбавить раствор SnCl2?

Перед тем, как начать эксперимент, разбавьте раствор хлорида олова в два раза. Проведите опыт, следуя инструкции.

Концентрация ионов олова в растворе после разбавления уменьшилась. Это приведёт к тому, что дерево будет расти немного медленнее. Оно будет реже ветвиться, а ветки будут расположены практически под прямым углом друг к другу. Кроме того, сами ветки получатся существенно тоньше.

Это интересно

Для чего в наборе канцелярская скрепка?

Повторим наш опыт, используя канцелярскую скрепку. Перед тем, как подключить блок батареек к зажимам, поместите скрепку в раствор хлорида олова. Расположите её между зажимами так, чтобы одним концом она была направлена к одному из них, а другим – ко второму. Далее следуйте инструкции.

На одном из концов скрепки тоже растёт оловянное дерево, при этом очень быстро!

Почему так происходит? Скрепка, опущенная в раствор, фактически делит его на две части. Концы скрепки тоже становятся электродами (см. дополнение к вопросу «Что такое электролиз?»). Теперь в нашей системе их четыре штуки: два зажима (катод и анод) и два конца скрепки (тоже катод и анод). Оловянное дерево образуется на каждом из катодов. Катод на скрепке расположен ближе к зажиму-аноду. Скрепка состоит из металла, а идущий по ней электрический ток представляет собой поток электронов. Электронный ток двигается значительно быстрее, чем ток ионный, проходящий через раствор. Поэтому на конце скрепки дерево растёт гораздо быстрее, чем на зажиме.

Олово и человек: долгая история отношений

Отсчёт начала взаимоотношений между оловом и человеком идёт с давних времён. Температура плавления олова составляет чуть более, чем 230oC. Поэтому было достаточно кинуть в костёр немного угля и оловянный камень (касситерит, содержит олово в форме оксида SnO2), чтобы обнаружить капельки расплавленного металла в кострище.

Олово, наряду с медью, является одним из ключевых компонентов бронзы - самого прочного сплава, который был известен человеку до открытия железа. Сложно переоценить значение олова и бронзы для человечества - целую эпоху назвали Бронзовым веком (а он длился около 2000 лет)!