Химического вещества для выращивания кристаллов
Кристаллы играли и играют до сих пор немаловажную роль в жизни человека. Кристаллы широко применяются в науке, промышленности, оптике, электронике. Кристаллы получают в лаборатории, но бывают они и в природе. Например, снежинки, морозные узоры на стеклах окон и иней, украшающий зимой голые ветки деревьев. Кроме этого, выращивание кристаллов – увлекательное занятие и, пожалуй, самое простое, доступное и недорогое для большинства юных химиков, максимально безопасное. Меня очень заинтересовала эта тема, и я решил попробовать вырастить кристаллы солей.
Тема нашей работы: Выращивание кристаллов
Цель работы: провести исследование по выращиванию кристаллов из различных химических веществ.
1) узнать, что такое кристалл;
2) провести анкетирование среди учащихся 3 классов «Что я знаю о кристаллах»;
3) выяснить, какие условия нужно создать для роста кристаллов;
4) выполнить опытно-экспериментальную работу по выращиванию кристаллов;
5) поделиться полученной информацией на классном часе.
1) Накопление теоретического материала.
2) Проведение опытно-экспериментальной деятельности с целью получения кристаллов
3) Анализ полученных результатов исследования.
Объектом исследования являются кристаллы.
Предметом исследования – процесс кристаллизации.
Гипотеза исследования: Мы исходим из предположения, что все соли, могут образовывать кристаллы из их водных растворов.
Практическое значение исследования состоит в том, что оно может быть использовано на уроках окружающего мира, во внеклассных мероприятиях, занятиях кружка «Юный химик».
Основные сведения о кристаллах и их свойствах
История получения искусственных кристаллов
Прежде чем провести свои практические исследования, я должен был узнать, что из себя представляют кристаллы, какие у них свойства. Поэтому я обратился к теоретическим источникам в этой области. Для этого я использовал ресурсы Интернета и книги.
Первую попытку получения искусственных кристаллов можно отнести к Средневековью, к периоду расцвета алхимии. И хотя конечной целью опытов алхимиков было получение золота из простых веществ, можно предположить, что они пытались вырастить кристаллы драгоценных камней.
Что же такое кристаллы? Кристаллы, в переводе с греческого языка, (krystallos) «лёд». По данным энциклопедии, кристалл – это твердое тело. Кристаллики растут, присоединяя частицы вещества из жидкости или пара. Кристаллы бывают естественного происхождения и искусственного, выращенные в специально-созданных условиях. И каждый человек, при желании может легко вырастить кристаллы у себя дома. Но для того, чтобы результат получился действительно красивым необходимо аккуратно выполнять все действия.
Кристаллы обладают особыми свойствами. Кристаллические твердые вещества встречаются в виде отдельных одиночных кристаллов – монокристаллов – и в виде поликристаллов, представляющих собой скопление мелких кристалликов. Кристаллы бывают разной формы. Иногда образуются дендриты – это кристаллы, похожие на веточки дерева; очень хрупкие, но очень красивые. Кристаллы бывают различными по размерам. Многие из них можно увидеть только в микроскоп. Но встречаются гигантские кристаллы массой в несколько тонн.
Способы выращивания кристаллов
Кристаллизацию можно вести разными способами:
1 способ: Охлаждение насыщенного горячего раствора или расплава.
Именно из-за охлаждения миллионы лет назад на Земле появились многие минералы. «Раствором» для этого «опыта» служила магма – расплавленная масса горных пород в недрах Земли. Поднимаясь к поверхности из раскалённой глубины, магма охлаждалась. И в результате этого охлаждения образовались те самые минералы, по которым мы ходим. Процесс этот очень длительный.
2 способ: Постепенное удаление воды из насыщенного раствора.
При испарении («высыхании») вода превращается в пар и улетучивается. Но растворённые в воде химические вещества не могут испариться вместе с ней и оседают в виде кристаллов. Самый простой пример – соль, которая образовывается при испарении воды из соляного раствора. И в этом случае, чем медленнее испаряется вода, тем лучше получаются кристаллы. Именно по такому способу я выращивал свой кристалл.
3 способ: При конденсации паров.
Кристаллы могут также расти при конденсации паров – так получаются снежинки и узоры на холодном стекле.
При использовании всех способов наилучшие результаты получаются, если используется затравка – небольшой кристалл правильной формы или камни. Таким способом получают, например, кристаллы рубина. Выращивание кристаллов драгоценных камней проводят очень медленно, иногда годами. Если же ускорить кристаллизацию, то вместо одного кристалла получится масса мелких.
В Интернете можно найти много инструкций по поводу того, как выращивать кристаллы из различных химических веществ. Мы решили проверить все самостоятельно, и в качестве основы взяли обычную поваренную соль, медный купорос, алюмокалиевые квасцы, соли кремниевой кислоты.
Проанализировав текстовый материал и определив методы исследования, провели экспериментальную работу по выращиванию кристаллов.
Я понял, что выращивание кристаллов – это искусство, поэтому немного настойчивости, упорства, аккуратности, и можно стать обладателем красивых кристаллов, но нужно обязательно соблюдать правила техники безопасности. Именно поэтому я обратился к учителю химии.
Опыт № 1. Выращивание кристаллов из поваренной соли
Берём соль, разводим раствор в ёмкости и ставим её в кастрюлю с тёплой водой, пока не раствориться. Добавляем ещё соль и снова перемешиваем. Повторяем этот этап до тех пор, пока соль не будет растворяться, и станет оседать на дно стакана. Мы получили насыщенный раствор соли. Переливаем его в чистую ёмкость. Выбираем любой понравившийся более крупный кристаллик поваренной соли, привязываем за нитку и подвешиваем, чтобы он не касался стенок стакана. Уже через пару дней можно заметить значительный для кристаллика рост. С каждым днём он будет увеличиваться (рис. 1).
Результат: мы получили кристалл поваренной соли.
1. Поваренная соль состоит из кристаллов.
2. При соприкосновении кристаллов соли с водой, они растворяются.
3. Быстрее всего кристаллы соли могут образовываться в насыщенном растворе поваренной соли.
4. По мере того как вода испаряется, соль снова образует кристаллы.
5. Можно вырастить кристаллы при необходимых условиях: наличие насыщенного солевого раствора и ниточки с затравкой.
Опыт № 2. Выращивание кристаллов из медного купороса
Берем банку с водой, добавляем медный купорос, тщательно перемешиваем до тех пор, пока он будет растворяться. Ёмкость с водой лучше всего постепенно подогревать для более быстрого растворения химиката. В процессе вода начнет менять цвет – от голубого до тёмно синего. После этого в стеклянную банку опускаем «затравку». Это обычная ниточка, привязанная на карандаш. И уже через пару дней мы видим, что на ниточку наросло множество маленьких кристалликов синего цвета. Продолжаем выращивание до тех пор, пока вода не станет светлого цвета, а кристаллы не перестанут расти (рис. 3).
Результат: мы получили кристалл медного купороса. Выращенные кристаллы небольшой формы можно использовать в качестве украшения, например, рамки для фотографий или других предметов.
Опыт № 3. Выращивание кристаллов из алюмокалиевых квасцов
Насыпать 4 чайные ложки порошка алюминиевых квасцов в половину чашки горячей воды. Помешивать для лучшего растворения. Через некоторое время порошок весь растворится, и раствор станет прозрачным.
Накрыть банку специальной крышкой, чтобы защитить от пыли. Через 1 день появляются красивые кристаллы.
Результат: мы получили кристаллы из алюмокалиевых квасцов.
Опыт № 4. Выращивание кристаллов из солей кремниевой кислоты
Налили в химический стакан силикатный клей (водный раствор силиката натрия) и дистиллированную воду в соотношении 1:1. В стакан насыпали кристаллики солей разных цветов: кальция, никеля, меди, кобальта, железа, бария, цинка, хрома и марганца. Через 15–20 минут в стакане появились «заросли», напоминающие деревья или водоросли.
Результат: в химическом стакане появились «заросли водорослей», образованных кристаллами солей кремниевой кислоты.
Опыт № 5. Выращивание сталактитов и сталагмитов
Из плотной бумаги делается каркас будущей «пещеры». Замешивается немного алебастра с небольшим количеством воды до получения вязкой однородной массы. Пока алебастр не застыл, обмазывают им все стороны «пещеры» снаружи и изнутри. Спустя несколько часов алебастр окончательно затвердевает.
Затем мы приступили к выращиванию в «пещере» «сталактитов» и «сталагмитов». В подходящем сосуде приготовили смесь силикатного клея (жидкого стекла) и воды в соотношении 1:1 по объему. Поместили «пещеру» в сосуд так, чтобы уровень жидкости не доходил до ее верхнего свода. К своду «пещеры» должен быть свободный доступ. С помощью шпателя внесли в «пещеру» сульфат магния и высыпали кристаллики в раствор. Таким же образом в раствор внесли кристаллический хлорид кальция. Через несколько минут наблюдали рост «сталагмитов» (время их роста зависит от объема сосуда).
Затем осторожно вынули «пещеру» из раствора, повернули ее на 180 градусов и снова опустили в раствор. Опять внесли в «пещеру» соли сульфата магния и хлорид кальция. Снова наблюдали появление в «пещере» причудливых наростов. Вынули «пещеру» из сосуда, осторожно промыли водой и оставили сушиться (рис. 4).
Результат: на сводах пещеры образовались причудливые наросты кристаллов.
В результате проведенных исследований гипотеза полностью подтверждается: нам удалось вырастить кристаллы поваренной соли, сахара и медного купороса.
Заинтересовавшись выращиванием кристаллов из различных химических веществ, я решил узнать у одноклассников: «Знают ли они, что такое кристаллы? Как их получают? И где они применяются?» С этой целью было проведено анкетирование среди учащихся параллели 3-х классов. Учащимся были предложены следующие вопросы:
1. Что такое кристаллы:
2. Выберите среди предложенных предметов кристаллы (ответов несколько):
3. Какими способами выращивают кристаллы (ответов несколько):
г) конденсация паров
Результат: анкета показала, что не все учащиеся знают, что такое кристаллы, как их получают и где они применяются. Все ответы сведены в диаграммы (рис. 5–7) поэтому на классном часе я познакомил ребят с результатами своей работы.
Я узнал, что многие видные ученые начинали свои первые опыты именно с выращивания кристаллов. Помимо чисто внешних эффектов, эти опыты заставляют задумываться над тем, как устроены кристаллы и как они образуются, почему разные вещества дают кристаллы разной формы, а некоторые вовсе не образуют кристаллов, что надо сделать, чтобы кристаллы получились большими и красивыми.
Гипотеза исследования полностью подтвердилась: кристаллы соли могут появляться при создании определенных условий и если изменять условия кристаллизации и растворять различные вещества, то можно получать кристаллы разной формы, цвета и в разные сроки.
Я учился работать с источниками информации.
Узнал что такое кристаллы, какие они могут быть, почему они растут и зачем они нужны.
Освоил некоторые способы выращивания кристаллов разных веществ.
Наблюдал рост кристалла в разных условиях.
Провел изучение растворимости медного купороса в воде при разных температурах.
Узнал, что у веществ разного химического состава кристаллы имеют разную форму и отличаются по таким свойствам, как симметрия.
Таким образом, после проведения исследования могу сделать следующие выводы:
1) при благоприятных условиях поваренная соль, медный купорос, алюмокалиевые квасцы, соли кремниевой кислоты принимают форму кристаллов;
2) кристаллы различных веществ имеют разную форму;
3) на форму кристаллов оказывает влияние температура;
4) кристаллы различных веществ имеют различные свойства (одни кристаллы окрашиваются, другие – бесцветны; одни кристаллы растут хорошо, другие – плохо).
5) быстрее и легче кристалл растёт тогда, когда в насыщенный раствор помещается кристалл – «затравка».
Источник
Выращивание кристаллов дома с детьми
Самостоятельное выращивание кристаллов дома – один из самых доступных и наглядных естественнонаучных опытов. Самый простой опыт можно организовать буквально «из ничего», вам потребуется только поваренная соль и нитка с узелком, которую нужно опустить в насыщенный раствор соли. Идеально, если вы засели с ребенком дома на карантине!
Но можно не останавливаться на этом, а вырастить красивые сложные цветные кристаллы, как, например, это сделал Елена МИРОНЕНКО (УФ Смотрительница маяка).
Возможно, ваш ребенок когда-нибудь спрашивал вас, как вырастить бриллиант? Синтезировать бриллианты, а точнее алмазы, самостоятельно не получится, поскольку воспроизвести необходимые условия (например, высокое давление и температуру) дома не представляется возможным. Но, если вас завораживает блеск и геометрическая точность граней драгоценных камней, вы можете попробовать самостоятельно вырастить кристаллы – удивительные по красоте и правильности формы. В отличие от синтеза бриллиантов, процесс этот воспроизводим и в домашних условиях, а технология доступна даже маленькому ребенку (присмотр взрослых обязателен!). Буквально за несколько дней вы можете получить вот такие «сокровища».
Внешне эти кристаллы напоминают драгоценные камни, над которыми поработал огранщик. Но не все они выделяются большими ровными гранями и завораживающей красотой. Невзрачные крупинки соли и сахара – тоже кристаллы! И все-таки общее у этих веществ есть.
Как и все вещества, кристаллы состоят из атомов, ионов и молекул. Частицы вещества в них всегда располагаются в строгом и при этом закономерно повторяющемся порядке. Представьте себе трехмерную конструкцию из частиц (кристаллическую решетку), повторяющуюся во всех направлениях и образующую грани. Этим обусловлена правильная геометрия сформировавшихся кристаллов – они имеют форму симметричных многоугольников.
В природе кристаллы образуются при переходе некоторых веществ из газообразного или жидкого состояния в твердое. Основной способ образования – кристаллизация из расплавов и растворов. Важный фактор – скорость понижения температуры и наличие центров кристаллизации: каких либо дефектов, на которых начинает осаждаться кристаллизуемое вещество.
По понятным причинам, для выращивания кристаллов в домашних условиях используются перенасыщенные растворы, а не расплавы. Чтобы получить быстрый и эффектный результат, хорошо подойдет сульфат алюминия-калия (алюмокалиевые квасцы), химическая формула KAl(SO4)2●12H2O. Это вещество часто входит в состав готовых наборов для выращивания кристаллов.
Для эксперимента потребуется:
стеклянная посуда (например, банка);
Приспособления для размешивания, которые не жалко выбросить.
Внимание! Внешне многие соли похожи. Не оставляйте квасцы (особенно неокрашенные) без присмотра – их можно принять за поваренную соль. Дети должны проводить эксперименты под присмотром взрослых!
Несмотря на то, что в покупных наборах имеется инструкция, вырастить что-то стоящее, соответствующее вашим ожиданиям и обещаниям производителей, получается не так часто. По крайней мере, у моих знакомых лучшим результатом была «колючая ерунда». Да и у нас с сыном сначала ничего не получалось – кристаллы не росли. Залог успеха – получить действительно перенасыщенный раствор соли. Мы, очевидно, раствор не насыщали, стремясь к полному растворению соли, как рекомендовалось в инструкции. Также нам не подошли рекомендации, где указывались пропорции или вес веществ. А вот простой способ – на глаз – сработал.
В идеале для создания раствора нужно использовать очищенную, а лучше – дистиллированную воду. Наличие примесей, в том числе красителей, может влиять на скорость роста и форму кристаллов. У нас все получилось и с обычной водопроводной водой, но кристаллы с красителями, действитель, росли немного медленнее. Воду использовали теплую. В нее постепенно, ложку за ложкой, добавляли соль. Чтобы процесс растворения пошел быстрее, банку с раствором нагрели на водяной бане. До кипения раствор доводить не нужно. Когда соль уже не растворяется (соли на дне не становится меньше), перелейте получившуюся жидкость в другую емкость. А банку с осадком оставьте и соль из нее не выбрасывайте – она вам еще пригодится. Осталось опустить в перенасыщенный раствор затравку – кристаллик соли, закрепив его на ниточке.
Пока он вот такой маленький, но уже через час можно заметить рост, а на нитке начнут образовываться новые кристаллики.
” Почему кристалл растет в перенасыщенном растворе? Потому что ему есть, из чего себя воспроизводить. В случае недонасыщения кристалл будет растворяться вместо того, чтобы расти.
Через несколько часов получается ожерелье. Чем не украшение?
Это поликристалл. Оказалось, что вырастить такой проще, чем отдельный (моно) кристалл.
” К сожалению, эта красота хрупкая. Но продлить ей жизнь можно, покрыв кристаллы бесцветным лаком для ногтей.
Через некоторое время вы заметите, что кристалл замедлил свой рост, а потом и вовсе перестал расти. Это произошло из-за того, что раствор перестал быть насыщенным – часть растворенных в нем солей ушла на строительство, другая часть выпала в виде осадка на дно. Если вы хотите увеличить размер кристалла, следует приготовить свежий раствор. Мы взяли банку с осадком из нерастворившейся соли и перелили туда жидкость с осадком. Дальше повторяем манипуляции с подогревом на водяной бане и, при необходимости, добавляем еще соли. Опускаем «ожерелье» в новый раствор, и через пару дней получаем внушительный «кулон».
Параллельно мы выращивали поликристаллы с другим красителем и без него.
” Обратите внимание, красителя в раствор нужно добавить столько, чтобы цвет раствора был насыщенным, даже темным. Из светлого раствора будет осаждаться лишь слегко окрашенный кристалл!
Во всех образцах в скоплениях кристаллов можно отметить схожесть геометрии – треугольные и прямоугольные грани, симметрию. Но составляющим поликристалл кристалликам далеко до идеала. А все потому, что из-за скученности при росте они мешают друг другу. Нередко так происходит и в природе – кристаллы стремятся к симметрии и правильности, но им могут помешать соседние образования и породы. Поэтому растут они в направлении свободного места, образуя не совсем симметричные формы. В эксперименте наиболее правильным и крупным получился тот самый кристалл, который использовался в качестве затравки. На следующем фото – размеры на третий день.
Попробуем теперь решить задачу по выращиванию монокристалла. Очевидно, что нитку для подвешивания кристалла использовать нельзя – она ворсистая, поэтому на ней оседают и начинают расти другие образования. Вариант с леской реализовать не удалось – из нее кристаллик выскальзывал.
Можно положить затравку прямо на дно, но тогда нужно позаботиться о том, чтобы она не оказалась среди «соседей», выпавших из раствора. Они будут мешать расти нашему «бриллианту», потому что большое количество центров кристаллизации снижает скорость роста основного кристалла. Чтобы минимизировать их количество, насыщенный раствор фильтруют. Для этого используют фильтровальную бумагу или несколько слоев салфеток. В отфильтрованный раствор помещаем зародыш (просто кладем на дно).
” Уделите внимание подбору формы зародыша. Я сняла крошечный кристаллик с нитки из предыдущего опыта, который по форме напоминал крошечную пирамидку. Можно что-то выбрать из осевших на дно кристаллов (тоже из предыдущего опыта) или из россыпи соли.
На следующий день наш ждал сюрприз – в растворе росла не только пирамидка, но и еще один кристалл симметричной формы, причем, по росту он опережал затравку, вероятно, выпал из раствора. Так они и росли вместе, пока позволяла насыщенность.
Кажется, что формы кристаллов сильно отличаются. Но на самом деле можно рассмотреть, что наш «сюрприз» – это половинка сильно усеченного октаэдра. 
А четырехугольная пирамида – половина октаэдра традиционного, хотя и у нее немного скошена одна грань – это влияние примесей. И все равно получилось красиво и похоже на драгоценные камни! Особенно эффектно смотрятся подсвеченные кристаллы. 
А у меня теперь есть колечко с самодельным бриллиантом!
Источник