Исследовательская работа «Выращивание кристаллов»
Тема выращивания кристаллов становится все более актуальной для всего человечества. В настоящее время кристаллы буквально вошли в каждый дом.
В сердце каждого телевизора, сотового телефона, компьютера находится кристалл. Выращивание кристаллов сохраняет природные богатства и ускоряет научно-технический прогресс. Сейчас мы знаем, что даже некоторые части нашего организма кристалличны, например, роговица глаза. Мир кристаллов и мир людей стали неразрывны.
Вырастить кристаллы и определить, что влияет на рост кристалла.
1. Собрать информацию о кристаллах.
2. Вырастить кристаллы поваренной соли и медного купороса.
3. Выявить наиболее благоприятные условия для роста кристаллов в домашних условиях.
4. Провести работу по анализу выполненных экспериментов, сделать выводы и представить результаты.
Что такое кристалл?
Что такое кристалл? Кристаллы – это твердые тела, атомы или молекулы которых занимают определенные, упорядоченные положения в пространстве.
Все кристаллы состоят из отдельных частиц: молекул и атомов, располагающихся в строгом порядке. Они образуют кристаллическую решетку. Каждому атому отведено место в определенном узле решетки, при этом образуются правильные многогранники. Кристалл может иметь от трех до нескольких сотен граней. Но при этом они обладают замечательным свойством. Все плоские грани пересекаются друг с другом под определенными углами. Углы между соответствующими гранями всегда одинаковы. Например, у кристаллов поваренной соли ( NaCl ) всегда их грани пересекаются под прямым углом. Кристаллы красивы и разнообразны. Секрет их красоты — в симметрии.
Кристаллические тела могут быть монокристаллами и поликристаллами.
Монокристаллом называют одиночный кристалл. («моно» — один) Поликристаллом называют совокупность сросшихся друг с другом хаотически ориентированных маленьких кристаллов. («поли» — много)
Если в кристаллическом теле кристаллизация началась одновременно во многих точках вещества и скорость ее была достаточно высока, то мы получим поликристалл. Растущие кристаллики являются препятствием друг другу и мешают правильному огранению друг друга.
Нам удалось вырастить один такой поликристалл. .
Но в данной работе речь пойдет в основном о монокристаллах.
Существуют различные способы выращивания кристаллов. Часто этот процесс требует высоких температур и огромных давлений, но некоторые кристаллы можно выращивать в домашних условиях.
Выращивание кристаллов можно осуществить, постепенно удаляя воду из насыщенного раствора, то есть путем испарения.
Для этого нам потребуется кристаллический порошок, специальная посуда.
Этап 1: Приготовление пересыщенного раствора. Растворить соль, из которой будет расти кристалл, в подогретой воде (подогреть нужно для того, чтобы соль растворилось немного больше, чем может раствориться при комнатной температуре). Растворять соль до тех пор, пока не будете уверены, что соль уже больше не растворяется , то есть раствор насыщен!
Этап 2: Фильтрация раствора. Готовый раствор процеживают через фильтр, сделанный из обычной бумажной салфетки. Насыщенный раствор перелить в другую ёмкость, где можно производить выращивание кристаллов (с учётом того, что он будет увеличиваться).
Этап 3: Помещение затравок. Когда раствор остынет до комнатной температуры, в него добавляют маленькие затравочные кристаллы. Нитку с затравкой привяжите, например, к спичке и положите спичку на края стакана (ёмкости), где налит насыщенный раствор. Кристаллик опустите в насыщенный раствор.
Этап 4: Перенесите ёмкость с насыщенным раствором и кристалликом в место, где нет сквозняков, вибрации и сильного света (выращивание кристаллов требует соблюдения этих условий).
Этап 5: Наблюдение за ростом и формой кристаллов. Теперь нужно подождать. С каждым днём кристаллы будут увеличиваться.
Накройте чем-нибудь сверху ёмкость с кристалликом от попадания пыли и мусора.
Анализ выполненных работ.
Мы провели ряд экспериментов по выращиванию кристалла в домашних условиях.
Наблюдать за ростом кристаллов очень интересно и познавательно.
1. Мы приготовили насыщенный раствор медного купороса , охладили до комнатной температуры и поместили в сосуд с перенасыщенным раствором «затравку». Сосуд плотно закрыли крышкой. На следующий день увидели, что «затравка» растворилась. Снова внесли «затравку» в раствор и вновь «затравка» растворились. Третий раз крышку не закрывали.
Сделали вывод: для роста кристалла необходимо, чтобы с поверхности кристалла шло хорошее испарение жидкости.
2. Следующей опыт был выполнен с целью может ли примесь какого — либо вещества изменить кристалл поваренной соли.
Приготовили насыщенный раствор поваренной соли , добавили акварельной краски красного цвета, затравку и выращивали кристалл.
Исследовали полученный кристалл с помощью лупы и увидели, что углы между гранями у них равные и равны 90 0 т. е. прямые.
Сделали вывод -примесь только окрашивает кристалл, но не изменяют его структуру. Кристаллы поваренной соли (NaCl) вырастают так, что их грани пересекаются под прямым углом. Что мы и наблюдали.
3. Мы приготовили насыщенный раствор медного купороса , а затем разлили на два сосуда, охладили до комнатной температуры и поместили в сосуды с перенасыщенным раствором «затравки». Один сосуд поместили в холодильник, где температура +3 0 C, а другой поставили около батареи комнатного отопления, где температура +17 0 C. Через один день измеряли массу на электронных весах, данные внесли в таблицу.
Сделали вывод : скорость роста кристаллов, т. е масса на которую увеличилась «затравка» за один день зависит от температуры. Чем выше температура, тем больше скорость роста кристалла.
Результаты измерений массы кристаллов поваренной соли
Средний рост кристалла поваренной соли в теплом месте составил
1, 193 г/сут, а в холодной в холодном – 0,02 г/сут
Результаты измерений массы кристаллов поваренной соли ( NaCl )
График роста массы кристалла от времени
— Для роста кристалла необходимо: приготовить насыщенный раствор соли и чтобы с поверхности кристалла шло испарение жидкости. Плотно закрывать крышкой раствор нельзя.
— Скорость роста кристаллов, зависит от температуры. В наших опытах наблюдали, чем выше температура, тем больше скорость роста кристалла.
— Кристаллы поваренной соли (NaCl) могут иметь форму куба, параллелепипеда, призмы или тела более сложной формы, но всегда их грани пересекаются под прямым углом. Примеси, добавленные в раствор, не меняют этого угла.
Кристаллы – одно из самых красивых и загадочных творений природы. В кристаллах есть что-то удивительное и завораживающее. Они поражают своей четкостью линий, в которой скрывается необыкновенная красота. Кристаллы играли и играют до сих пор немаловажную роль в жизни человека.
Мы живем среди кристаллов, ходим по ним и широко используемых в нашей повседневной жизни. Земная кора на 95% состоит из кристаллов. Мы добываем кристаллы из земных недр, используем в лабораториях, в технике, обрабатываем на фабриках, создаем изделия из кристаллических материалов. Природные кристаллы всегда возбуждали любопытство у людей. Их цвет, блеск и форма затрагивали чувство прекрасного, и люди украшали ими себя и жилище. Все природные драгоценные камни, такие, как алмаз, рубин, сапфир и изумруд, кроме опала, являются кристаллическими. Почти все горные породы: гранит, песчаники, известняк – кристаллы. Кристаллы кварца, кальцита и других прозрачных веществ, пропускающих ультрафиолетовое и инфракрасное излучение, до сих пор применяются для изготовления призм и линз оптических приборов . Полупроводниковые приборы, изготавливаются из кристаллических веществ, главным образом кремния и германия. Полупроводниковые диоды используются в компьютерах и системах связи, а солнечные батареи, помещаемые на наружной поверхности космических летательных аппаратов, преобразуют солнечную энергию в электрическую. Перечень видов применения кристаллов уже достаточно длинен и непрерывно растет. В настоящее время изучением кристаллов занимается наука кристаллография.
- Бокий Г.Б. Кристаллохимия: Учеб. пособие для вузов/ Г.Б. Бокий – М. : Наука, 1971.
- Гегузин Я.Г. Живой кристалл: статья / Я.Г. Гегузин – М. : Наука, 1981.
- Шаскольская М.П. Очерки о свойствах кристаллов: очерки / М.П. Шаскольская – М. : Наука, 1978.
- Кристаллы: очерки / М.П. Шаскольская – М. : Наука, 1978.
- Шафрановский И.И. Симметрия в природе: / И.И. Шафрановский –Ленинград. : Недра, 1985
- Интернет
Источник
Проектная работа на тему: «Выращивание кристаллов»
Просмотр содержимого документа
«Проектная работа на тему: «Выращивание кристаллов»»
муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение
«Верхнедеревенская средняя общеобразовательная школа»
Льговского района Курской области
Выполнили: ученик 8 класса
Руководитель: Белых О.В.
с. Вышние Деревеньки, 2016 г
1 Теория кристаллов_________________________________________________________5-6
1.1 Что такое кристалл?________________________________________________________5
1.2 Происхождение слова «кристалл»___________________________________________5-6
2 Образование кристаллов___________________________________________________7-11
2.1 Образование кристаллов в природе__________________________________________7-8
2.2 Выращивание кристаллов в промышленности_________________________________8-9
3. Основные свойства кристаллов____________________________________________10-11
II. Практическая часть______________________________________________________12-13
Кристаллы окружают нас повсюду. Кто не рассматривал песчинки на речном берегу или не любовался снежинками? И морозные узоры на стеклах окон и иней, украшающий зимой голые ветки деревьев. В земле иногда находят камни такой формы, как будто их кто-то тщательно выпиливал, шлифовал, полировал. Правильность и совершенство формы этих камней, безукоризненная поверхность — поражают. Трудно поверить, что такие многогранники образовались сами без помощи человека. Вот эти-то камни с природной, то есть не сделанной руками человека, правильной, многогранной формой и называются кристаллами.
Твердые тела, из которых строят дома, делают станки, вещества, которые мы употребляем в быту,- почти все они относятся к кристаллам.
Представление древних о кристаллах было похоже на легенды. Верили, что хрусталь образуется изо льда, а алмаз – из хрусталя. Кристаллы наделялись множеством таинственных свойств: исцелять от болезней, предохранять от яда, влиять на судьбу человека…
Многие кристаллы идеально чисты и прозрачны, как вода. Недаром существуют выражения: «прозрачный, как кристалл», «кристально чистый». Слово «кристалл» происходит от греческого «крюсталлос», то есть «лед». Полагали, что лед, находясь длительное время в горах, на сильном морозе, окаменевает и теряет способность таять.
Актуальность работы: работа интересная и познавательная. Кристаллы играли и играют до сих пор немаловажную роль в жизни человека. Они обладают оптическими и механическими свойствами, именно поэтому первые линзы, в том числе и для очков, изготавливались из них. Кристаллы до сих пор применяются для изготовления призм и линз оптических приборов. Кристаллы сыграли важную роль во многих технических новинках XX века.
Кроме того, кристаллы можно выращивать из раствора. Это удивительное свойство кристаллических тел!
Цель работы: провести исследование по выращиванию кристаллов поваренной соли и медного купороса в домашних условиях.
Гипотеза исследования: я предположил, что кристаллы могут появляться при создании определенных условий; значит, если изменить условия кристаллизации и растворить различные вещества, то можно получить кристаллы разной формы и цвета в домашних условиях.
Объектом исследования являются кристаллы.
Предметом исследования–процесс кристаллизации.
Проанализировать текстовый и иллюстративный материал по данной теме.
Изучить условия образования кристаллов, их формы, цвета.
Выполнить опытно-экспериментальную работу по изученным методикам.
Проанализировать полученные результаты.
Накопление теоретического материала.
Проведение опытно-экспериментальной деятельности с целью получения кристаллов из поваренной соли и медного купороса.
Анализ полученных результатов исследования.
1 Теория кристаллов
1.1 Что такое кристалл?
Кристалл – это твердое состояние вещества. Он имеет определенную форму и определенное количество граней вследствие расположения своих атомов. Все кристаллы одного вещества имеют одинаковую форму, хоть и могут отличаться размерами.
В природе существуют сотни веществ, образующих кристаллы. Вода – одно из самых распространенных из них. Замерзающая вода превращается в кристаллы льда или снежинки.
Вы, конечно, обращали внимание на бесконечное разнообразие снежинок. Еще в 17 веке знаменитый астроном Иоганн Кеплер написал трактат «О шестиугольных снежинках», а спустя три столетия были изданы альбомы, в которых представлены коллекции увеличенных фотографий тысяч снежинок, причем ни одна из них не повторяет другую (рис 1).
Рисунок 1 – Разнообразие снежинок.
Кристаллы – вещества, в которых мельчайшие частицы (атомы, ионы или молекулы) «упакованы» в определенном порядке. В результате при росте кристаллов на их поверхности самопроизвольно возникают плоские грани, а сами кристаллы принимают разнообразную геометрическую форму. [6],[3]
1.2 Происхождение слова «кристалл»
Слово «кристалл» звучит почти одинаково во всех европейских языках. Много веков назад среди вечных снегов в Альпах, на территории современной Швейцарии, нашли очень красивые, совершенно бесцветные кристаллы, очень напоминающие чистый лед (рис.4). Древние натуралисты так их и назвали – «кристаллос», по-гречески – лед; это слово происходит от греческого «криос» – холод, мороз. Полагали, что лед, находясь длительное время в горах, на сильном морозе, окаменевает и теряет способность таять. Один из самых авторитетных античных философов Аристотель писал, что «кристаллос рождается из воды, когда она полностью утрачивает теплоту». Римский поэт Клавдиан в 390 году то же самое описал стихами:
Ярой альпийской зимой лед превращается в камень.
Солнце не в силах затем камень такой растопить.
Аналогичный вывод сделали в древности в Китае и Японии – лед и горный хрусталь обозначали там одним и тем же словом. И даже в 19 в. поэты нередко соединяли воедино эти образы:
Едва прозрачный лед, над озером тускнея,
Кристаллом покрывал недвижные струи.
А.С.Пушкин. К Овидию [9],[2]
1.3 Структура кристалла
Кристаллы – это твердые тела, атомы или молекулы которых занимают определенные, упорядоченные положения в пространстве. Поэтому кристаллы имеют плоские грани. Например, крупинка обычной поваренной соли имеет плоские грани, составляющие между собой прямые углы. Это можно заметить, рассматривая соль с помощью лупы. А как геометрически правильна форма снежинки! В ней также отражена геометрическая правильность внутреннего строения кристаллического тела – льда.
Не все кристаллы одинаковы. Существуют монокристаллы и поликристаллы. Твердое тело, состоящее из большого числа маленьких кристаллов, называют поликристаллическим. Одиночные кристаллы называются монокристаллами.
Соблюдая большие предосторожности, можно вырастить металлический кристалл больших размеров – монокристалл. В обычных условиях поликристаллическое тело образуется в результате того, что начавшийся рост многих кристаллов продолжается до тех пор, пока они не приходят в соприкосновение друг с другом, образуя единое тело.
К поликристаллам относятся не только металлы. Кусок сахара, например, тоже имеет поликристаллическую структуру. Большинство кристаллических тел – поликристаллы, так как состоят из множества сросшихся кристаллов. Одиночные кристаллы — монокристаллы, так как имеют правильную геометрическую форму, и их свойства различны по разным направлениям.[10],[6]
Кристаллы образуются при охлаждении расплавов или насыщенных растворов (с понижением температуры растворимость обычно уменьшается и при испарении растворителя). Иногда кристаллы образуются непосредственно при охлаждении паров (снег) или на холодных поверхностях (сублимация). Кристаллы растут с ограниченной скоростью, так как частицы вещества отлагаются, образуя грани.[4]
2 Образование кристаллов
2.1 Образование кристаллов в природе
Минеральные кристаллы образуются в ходе определенных породообразующих процессов. Огромные количества горячих и расплавленных горных пород глубоко под землей в действительности представляют из себя растворы минералов. Когда массы этих жидких или расплавленных горных пород выталкиваются к поверхности земли, они начинают остывать.
Они охлаждаются очень медленно. Минералы превращаются в кристаллы, когда переходят из состояния горячей жидкости в холодную твердую форму. Например, горный гранит содержит кристаллы таких минералов, как кварц, полевой шпат и слюда. Миллионы лет тому назад гранит был расплавленной массой минералов в жидком состоянии. В настоящее время в земной коре имеются массы расплавленных горных пород, которые медленно охлаждаются и образуют кристаллы различных видов.
Природа продолжает преподносить нам сюрпризы, создавая все новые чудеса. Совсем недавно, в 2000 году, в мексиканской пустыне Чихуахуа была открыта необычная пещера, где находятся самые большие природные кристаллы, которые когда-либо создавала природа (рис.1). Мегакристаллы селенита были сформированы гидротермальными жидкостями, исходящими от пещер, расположенных ниже.
Рисунок 1 – Пещера кристаллов
Селенит – разновидность гипса, отличающаяся характерным параллельно-волокнистым строением. Свое название селенит получил за красивые желтовато-серебристые лунные переливы на его поверхности (в Древней Греции Селеной называли богиню Луны).[8]
В горе Найса на глубине 300 метров, в рабочей шахте, где велась добыча цинка, серебра и свинца, шахтеры совершенно случайно обнаружили пустоты, в которых их взору открылись огромные кристаллы селенита. Эти невероятно красивые образования, созданные природой, образуют три полости, которые получили поэтические названия «Глаз Королевы», «Пещера Парусов» и «Стеклянная пещера».
Это самые большие из известных на сегодня природных кристаллов – полупрозрачные лучи неимоверной длины до 15 метров, диаметром 1,2 метра, весом не менее 55 тон каждый – волшебно-причудливым образом переплетены между собой и создают в пещере неимоверной красоты пейзаж. Но полюбоваться этой красотой непросто. Попасть в пещеру без специального обмундирования и оборудования невозможно без риска для жизни. Температура воздуха там составляет около 50 градусов Цельсия, а влажность – практически 100%! Даже в специальном костюме находиться в этих пещерах можно не очень долго – около часа.
Но не только это мешает спелеологам в путешествии по пещере гигантских кристаллов. Нагромождения кристаллов так причудливо сплетены, что порой между ними нельзя пройти человеку, но разрушать эту красоту у ученых и исследователей рука не поднимается.
Увидеть это природное чудо света все же возможно – здесь нам на помощь приходит фотография (Приложение А), но она, к сожалению, не может полностью передать «холодную» кристаллическую красоту подземных пустот, заполненных огромными кристаллами.
Исследователи уверены, что подобных пещер в мексиканской пустыне еще несколько, и они ждут своих первооткрывателей![7]
2.2 Выращивание кристаллов в промышленности
Начиная с XIX века появились технологии выращивания искусственных кристаллов. Некоторые из этих ювелирных камней настолько совершенны, что их крайне сложно отличить от натуральных. Синтетические кристаллы востребованы в промышленности и на рынке ювелирных изделий.
Первые успешные попытки синтеза драгоценных камней приходятся на конец XIX века. В 1877 году Эдмон Фреми и Шарль Фейль получили кристаллы рубина.
В 1902 году Огюст Вернейль смог синтезировать рубины методом плавления в пламени, положив начало промышленному синтезу ювелирных камней. Данный метод, с некоторыми изменениями, до сих пор остается одним из самых распространенных способов выращивания кристаллов ювелирного качества.
Схема аппарата Вернейля
и монокристалл корунда, полученный этим методом.
Порошковая шихта, состоящая из оксида алюминия с добавлением 2% оксида хрома, помещается в печь. Под ударами молотка шихта попадает вниз, контактирует с кислородом и водородом, достигая в пламени температуры 2000 о С. Капли расплавленного материала падают на стержень, на котором образуется шарик кристалла, медленно приобретающий грушевидную форму.[5]
Особое место среди кристаллов занимают драгоценные камни, которые с древнейших времен привлекают внимание человека. Люди научились получать искусственно очень многие драгоценные камни. Например, подшипники для часов и других точных приборов уже давно делают из искусственных рубинов. Получают искусственно и прекрасные кристаллы, которые в природе вообще не существуют. Например, фианиты – их название происходит от сокращения ФИАН – Физический институт Академии наук, где они впервые были получены. Фианиты – искусственные кристаллы, которые внешне очень похожи на бриллианты (рис.2).
Рисунок 2 – Фианит.
Исследователи из США сумели вырастить огромные кристаллы пирофосфата калия. Самый крупный из кристаллов весит 318 килограмм. Он рос в большом баке, где при температуре 65 градусов Цельсия испарялся раствор пирофосфата калия. Молекулы отлагались на затравке размером меньше наперстка, и через 52 дня вырос прозрачный гигант почти без дефектов.
Кристаллы будут использоваться для сооружения сверхмощных лазеров.[9],[2]
Источник