Проект по физике на тему «Выращивание кристаллов»
Онлайн-конференция
«Современная профориентация педагогов
и родителей, перспективы рынка труда
и особенности личности подростка»
Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику
Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение
средняя общеобразовательная школа № 23
по ФИЗИКЕ на тему:
Авторы работы:
Марковская Наталья, 9 б класс
учитель физики МБОУ СОШ №23
Аннотация проектной работы:
Объем работы: 14 с.
Количество приложений: 1.
Количество иллюстраций: 8 ед.
Количество таблиц: 1 ед.
Количество источников литературы: 6 ед.
Ключевые слова: кристаллы, кристаллизация, перенасыщенный раствор соли.
Данная проектная работа была создана с намерением изучить и закрепить знания курса физики по теме «Строение вещества» посредством рассмотрения практических основ физического эксперимента.
Введение
Кристаллы встречаются нам повсюду: мы ходим по кристаллам, строим из них, выращиваем в лабораториях и заводских установках, создаём приборы и изделия из кристаллов, широко применяем их в технике и в науке, едим кристаллы, лечимся ими, находим кристаллы в живых организмах.
Кристаллы – все твёрдые тела, в которых слагающие их частицы (атомы, ионы, молекулы) расположены строго закономерно.
Выращивание кристаллов – процесс занимательный, но требующий бережного и осторожного отношения к своей работе. Теоретически размер кристалла, который можно вырастить в домашних условиях неограничен. Известны случаи, когда энтузиасты получали кристаллы такой величины, что поднять их могли только с помощью товарищей. Но, к сожалению, есть некоторые особенности их хранения (конечно, каждая соль и вещество имеют свои особенности). Например, если кристаллик квасцов оставить открытым в сухом воздухе, он, постепенно теряя содержащуюся в нём воду, превратится в невзрачный серый порошок. Чтобы предохранить его от разрушения, можно покрыть бесцветным лаком. Медный купорос и поваренная соль — более стойки и смело можно с ними работать.
Вырастить кристалл можно из разных веществ: например из сахара, соли, медного купороса и даже каменные! Искусственное выращивание камней осуществляется с соблюдением строгих правил по поддержанию температуры, давления, влажности и других факторов (искусственные рубины, аметисты, кварц, цитрины, морионы).
Цель данной работы: научиться выращивать кристаллы соли и медного купороса в домашних условиях.
Задачи исследовательской работы:
-изучить теоретические основы выращивания кристаллических тел из перенасыщенных растворов солей;
-изучить строение кристаллических тел;
-подобрать в домашних условиях оборудование и сырье для производства кристаллов;
-получить кристаллы в домашних условиях;
-изучить условия образования кристаллических тел, их форму и цвет;
-проанализировать полученные результаты.
Объект исследования: кристаллы.
Предмет исследования: процесс кристаллизации.
Гипотеза исследования : предполагается, что в домашних условиях можно вырастить кристаллы.
Методы исследования : работа с источниками информации; наблюдение; эксперимент; фиксирование и обобщение результатов.
-повышение мотивации к изучению физики;
-углубление знаний по теме «Строение вещества».
Продолжительность работы над проектом : 2 месяца.
1. Теоретическая часть
1.1. Кристаллы
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 друг с другом прямые углы. Кристаллическую структуру имеют металлы. Если взять сравнительно большой кусок металла, то на первый взгляд его кристаллическое строение никак не проявляется ни во внешнем виде куска, ни в его физических свойствах. Металлы в обычном состоянии не обнаруживают анизотропии. Дело здесь в том, что обычно металл состоит из огромного количества сросшихся друг с другом маленьких кристалликов. Свойства каждого кристаллика зависят от направления, но кристаллики ориентированы по отношению друг к другу беспорядочно. В результате в объеме, значительно превышающем объем отдельных кристалликов, все направления внутри металлов равноправны и свойства металлов одинаковы по всем направлениям. Твёрдое тело, состоящее из большого числа одиночных кристалликов, называют поликристаллическим . Одиночные кристаллы называют монокристаллами . К поликристаллам относятся не только металлы. Большинство кристаллических тел — поликристаллы, так как они состоят из множества сросшихся кристаллов. Одиночные кристаллы — монокристаллы имеют правильную геометрическую форму, и их свойства различны по разным направлениям.
Жидкие кристаллы — вещества, которые ведут себя одновременно как жидкости и как твёрдые тела. Молекулы в жидких кристаллах, с одной стороны, довольно подвижны, с другой — расположены регулярно, образуя подобие кристаллической структуры (одномерной или двумерной). Часто уже при небольшом нагревании правильное расположение молекул нарушается, и жидкий кристалл становится обычной жидкостью. Напротив, при достаточно низких температурах жидкие кристаллы замерзают, превращаясь в твёрдые тела. Регулярное расположение молекул в жидких кристаллах обусловливает их особые оптические свойства. Свойствами жидких кристаллов можно управлять, подвергая их действию магнитного или электрического поля. Это используется в жидкокристаллических индикаторах часов, калькуляторов, компьютеров и последних моделей телевизоров. Соблюдая большие предосторожности, можно вырастить монокристалл больших размеров.
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 — поликристалл (рис. 1).
Рисунок 1. — Поликристалл медного купороса
Чтобы вырастить кристалл, полезно знать, какие процессы управляют его ростом; почему разные вещества дают кристаллы различной формы, а некоторые вовсе не образуют кристаллов; что надо сделать, чтобы кристаллы получились большими и красивыми.
Если кристаллизация идёт очень медленно, то получается один большой кристалл, если быстро — множество мелких кристаллов Выращивание кристаллов производят разными способами:
1.2. Способы выращивания кристаллов
Охлаждение насыщенного раствора.
С понижением температуры растворимость большинства веществ уменьшается, и они, как говорят, выпадают в осадок. Сначала в растворе и на стенках сосуда появляются крошечные кристаллы-зародыши. Когда охлаждение медленное, а в растворе нет твёрдых примесей (скажем, пыли), зародышей образуется немного, и постепенно они превращаются в красивые кристаллы правильной формы. При быстром охлаждении центров кристаллизации возникает много, сам процесс идёт активнее и правильных кристаллов при этом не получится (рис. 2).
Рисунок 2. — На стенках сосуда образовались множество различных мелких кристалликов
Постепенное удаление воды из насыщенного раствора.
В этом случае чем медленнее удаляется вода, тем лучше получаются кристаллы. Можно оставить открытый сосуд с раствором при комнатной температуре на длительный срок — вода при этом будет испаряться медленно (особенно если сверху положить лист бумаги или прикрыть марлей). Растущий кристалл можно либо подвесить в насыщенном растворе на тонкой прочной нитке, либо положить на дно сосуда. В последнем случае кристалл периодически надо поворачивать на другой бок. По мере испарения воды в сосуд следует подливать свежий раствор (рис. 3).
Рисунок 3. — Кристалл, полученный на дне сосуда из раствора медного купороса с добавлением соли и железных опилок
Быстрое удаление воды из насыщенного раствора.
В этом случае кристаллы получаются правильной формы, с острыми гранями, но мелкими (раствор находился в широком сосуде рядом с нагревателем) (рис. 4).
Рисунок 4. — Монокристаллы, полученные при быстром испарении раствора
Выращивание кристаллов — процесс интересный, занимательный, но требующий бережного и осторожного отношения к своей работе. Время от времени кристаллизатор необходимо чистить: сливать раствор и удалять мелкие кристаллики, наросшие на основном, а также на стенках и дне сосуда. Теоретически размер кристалла, который можно вырастить таким способом, неограничен. Если выращенный кристалл оставить открытым в сухом воздухе, он, постепенно теряя содержащуюся в нём воду, превратится в невзрачный серый порошок. Чтобы предохранить кристалл от разрушения, его можно покрыть бесцветным лаком.
1.3. Методы выращивания кристаллов в промышленности.
В исследовательских лабораториях и промышленности выращивают кристаллы из паров, расплавов и растворов, из твёрдой фазы, синтезируют путем химических реакций, осуществляют электролитическую кристаллизацию, кристаллизацию из гелей и другие. В настоящее время для получения совершенных кристаллов большого диаметра чаще всего применяют следующие методы выращивания:
— из газовой (паровой) фазы при градиенте давления,
-из расплавов при температурном градиенте,
-из растворов при градиенте концентрации на границе раздела кристалл- раствор.
Кристаллизация из паровой (газовой) фазы широко используется для выращивания как массивных кристаллов, так и эпитаксиальных плёнок, тонких (поликристаллических или аморфных) покрытий, нитевидных и пластинчатых кристаллов. Конкретный метод выращивания выбирают в зависимости от материала. В методах выращивания, основанных на физической конденсации кристаллизуемого вещества, вещество поступает к растущему кристаллу в виде собственного пара, состоящего из молекул их ассоциаций – димеров, триммеров и так далее. В методе синтеза в паровой фазе кристаллизуемое соединение образуется в результате реакции между газообразными компонентами непосредственно в зоне кристаллизации.
Кристаллизация из расплава — это наиболее распространённый способ выращивания монокристаллов. В настоящее время более половины технически важных кристаллов выращивают из расплава. Веществами, наиболее подходящими для выращивания из расплава, являются те, которые плавятся без разложения, не имеют полиморфных переходов и характеризуются низкой химической активностью[1].Методами кристаллизации из расплава выращивают элементарные полупроводники и металлы, оксиды, галогениды, халькогениды, вольфраматы, ванадаты, ниобаты и другие вещества. В ряде случаев из расплава выращиваются монокристаллы, в состав которых входит пять и более компонентов. При кристаллизации из расплава важно учитывать процессы, влияющие на состав расплава (термическая диссоциация, испарение, взаимодействие расплава с окружающей средой), процессы на фронте кристаллизации, процессы теплопереноса в кристалле и расплаве, процессы массопереноса (перенос примесей, обусловленный конвекцией и диффузией в расплаве)[2].
Кристаллизацию из растворов применяют при выращивании веществ, разлагающихся при температурах ниже температуры плавления. Рост кристаллов осуществляется при температурах ниже температуры плавления, поэтому в выращенных такими методами кристаллах отсутствуют дефекты, характерные для кристаллов, выращенных из расплава. При выращивании кристаллов из растворов движущей силой процесса является пересыщение. Методом температурного перепада выращивают, например, кристаллы дигидрофосфата калия и дигидрофосфата аммония. Скорость роста кристаллов в таких условиях составляет около 1 мм/сут. Кристаллы весом 400 г. растут в течение 1,5-2 месяцев[2].
1.4. Применение кристаллов.
Живя на Земле, сложенной кристаллическими пародами, мы, безусловно, никак не можем отвлечься от проблемы кристалличности: мы ходим по кристаллам, строим из кристаллов, обрабатываем кристаллы на заводах, выращиваем их в лабораториях, широко применяем в технике и науке, едим кристаллы, лечимся ими. Изучением многообразия кристаллов занимается наука кристаллография . Она всесторонне рассматривает кристаллические вещества, исследует их свойства и строение. В давние времена считалось, что кристаллы представляют собой редкость. Действительно, нахождение в природе крупных однородных кристаллов – явление нечастое. Однако мелкокристаллические вещества встречаются весьма часто. Так, например, почти все горные породы: гранит, песчаники, известняк – кристалличны. По мере совершенствования методов исследования кристалличными оказались вещества, до этого считавшиеся аморфными. Сейчас мы знаем, что даже некоторые части организма кристалличны, например, роговица глаза, витамины, мелиновая оболочка нервов — это кристаллы. Долгий путь поисков и открытий, от измерения внешней формы кристаллов в глубь, в тонкости их атомного строения еще не завершён. Но теперь исследователи довольно хорошо изучили его структуру и учатся управлять свойствами кристаллов.
Кристаллы — это красиво, можно сказать чудо какое-то, они притягивают к себе, являются промежуточным звеном между живой и неживой материей. Кристаллы могут зарождаться, стареть, разрушаться. Кристалл, когда растет на затравке (на зародыше), наследует дефекты этого самого зародыша.
Кристалл чудодейственен своими свойствами, он выполняет саамы разные функции. Эти свойства заложены в его строении, которое имеет решетчатую трёхмерную структуру. Как пример использования кристаллов можно взять кристалл кварца, который используется в телефонных трубках. Если на пластинку из кварца воздействовать механически, то в ней в соответствующем направлении возникнет электрический заряд. В трубке микрофона кварц преобразует механические колебания воздуха, вызванные говорящим, в электрические. Электрические колебания в трубке абонента преобразуются в колебательные, и, соответственно, он слышит речь. Будучи решетчатым, кристалл ограняется и каждая грань, как личность, своеобразна. Если грань плотно упакована в решётке материальными частицами (атомами или молекулами), то это очень медленно растущая грань. Например, алмаз. У него грани имеют форму октаэдра, они очень плотно упакованы атомами углерода, и отличаются в силу этого и блеском, и прочностью.
2. Практическая часть.
2.1. Актуальность исследования.
Окружающий нас мир состоит из кристаллов, можно сказать, что мы живём в мире кристаллов. Жилые здания и промышленные сооружения, самолёты и ракеты, теплоходы и тепловозы, горные породы и минералы слагаются из кристаллов. Мы едим кристаллы, лечимся ими и частично состоим из кристаллов.
Кристаллы это вещества, в которых мельчайшие частицы “упакованы” в определённом порядке. В результате при росте кристаллов на их поверхности самопроизвольно возникают плоские грани, а сами кристаллы принимают разнообразную геометрическую форму. Интересно происхождение слова “кристалл”. Много веков назад в снегах Альп на территории современной Швейцарии нашли очень красивые бесцветные кристаллы, напоминающие чистый лед. Древние натуралисты так их и назвали – “кристаллос”, по-гречески лед. Полагали, что лед, находясь длительное время в горах, на сильном морозе, окаменевает и теряет способность таять. Аристотель писал, что “кристаллос рождается из воды, когда она полностью утрачивает теплоту”. Еще в средних веках этот термин “кристалл” применялся исключительно к кварцу. Вместе с тем большая часть природных минералов обладает кристаллическим строением. Первые минералоги интересовались прежде всего, именно формой кристаллов, разнообразие которой поражает. Знаменитый русский кристаллограф Е.С. Фёдоров, который теоретически вывел законы построения кристаллов, говорил: “Кристаллы блещут симметрией”. Кристаллы действительно так хороши собой, что ими можно любоваться часами. Многие учёные, внёсшие большой вклад в развитие химии и минералогии, начинали свои первые опыты с выращивания кристаллов, пытаясь понять, как они образуются.
2.2. Выращивание кристаллов из поваренной соли.
Для выращивания кристаллов в домашних условиях необходимо приготовить горячий насыщенный раствор какой-либо соли: хлорида натрия, сульфата меди или железа, квасцов, бихромата калия и т. д. — перечень очень велик, осторожно охладить его, чтобы излишек растворенного вещества не выпал в осадок (такой раствор называется пересыщенным), и, наконец, ввести затравку – кристаллик той же соли или твёрдое тело. После этого остаётся прикрыть сосуд листком бумаги, наблюдать и ждать, пока не вырастет крупный кристалл, на что могут уйти недели или даже месяцы; изредка необходимо подливать понемногу насыщенный раствор соли (по мере испарения воды).
Нальём в банку воду, насыпаем поваренную соль и размешиваем, до тех пор, пока она не перестанет растворяться. Раствор процедим через фильтр, чтобы не осталось соринок. Дадим отстояться. На дне и стенках сосуда выпадут маленькие кристаллики соли, выберем один из них для затравки. Возьмём нитку с маленьким кристалликом, повесим на карандаше так, чтобы она погрузилась в раствор, но не доставала до дна и не касалась стенок сосуда. Поставим стакан с раствором в место, где нет сквозняков. Уже на следующий день видно как ниточка обрастает кристалликами. Продолжаем наблюдать.
Важно помнить! Кристаллик нельзя при росте без особой причины вынимать из раствора, необходимо не допускать попадание мусора в насыщенный раствор, наиболее предпочтительно использовать дистиллированную воду, следить за уровнем насыщенного раствора, периодически (раз в неделю или две) обновлять при испарении раствор.
Приготовим еще раз насыщенный раствор соли и опустим в него этот кристалл, он стал расти гораздо быстрее — от размеров 0,3 до 0,9 см за следующие 3 дня (рис. 5).
Рисунок 5. – Бесцветные прозрачные кубики поваренной соли
2.3. Выращивание кристаллов из медного купороса.
Необходимо приготовить перенасыщенный раствор медного купороса, для этого нальем стакан воды в кастрюлю, нагреем до 80°С и будем постепенно всыпать порошок медного купороса постоянно размешивая. Перельем раствор в стакан и оставим на сутки. Сначала, способом быстрого испарения в открытом сосуде на дне стакана получили монокристаллы и поликристаллы медного купороса: (рис. 6). Процедим раствор и из выпавших на дне стакана кристаллов купороса, выберем подходящие по форме и размеру в качестве затравочных для дальнейшего их выращивания.
Рисунок 6. – Монокристалл, зародыш для поликристалла
Поместим кристаллы-зародыши в новый раствор для дальнейшего наращивания при комнатной температуре и закрытом сосуде. Через 2 недели получил поликристалл размером 2,8 см (рис. 7).
Рисунок 7. – Поликристалл размером 2,8 см
2.4. Мониторинг знаний учащихся школы по теме «Кристаллизация».
В процессе работы над проектом родилась идея провести мониторинг учащихся 5-11 классов по теме «Кристаллизация». Разработана анкета-опросник для учеников (таблица 1).
Таблица 1. Анкета-опросник учащихся по теме «Кристаллизация»
Подводя итоги анкетирования, получили мониторинг знаний учащихся по теме «Кристаллизация».
Рисунок 8 – Мониторинг знаний учащихся по теме «Кристаллизация»
На диаграмме видно, что 7 человек вообще не знают что такое кристаллы. 22 ученика нашей школы выращивали кристаллы самостоятельно. Знание видов кристаллов показала половина опрошенных и, чуть более половины опрошенных четко определили зачем человек выращивает кристаллы.
Заключение.
Процесс выращивания кристаллов в домашних условиях это очень интересное и увлекательное занятие, позволяющее сознательно отнестись к закономерностям природы. Работа по выращиванию кристаллов сделала меня более наблюдательной, расширила мой кругозор, приобщила к науке, позволила удивляться. Переживание “чуда” выращивания принесло мне много положительных эмоций и ярких впечатлений. Исследовательская работа приоткрыла мне дверь в загадочную страну кристаллов и минералов.
В ходе выполнения проекта проведен анализ литературных данных по кристаллическому состоянию веществ, на основании которого пришли к выводу, что мир кристаллов разнообразен.
Освоена методика выращивания кристаллов, и они были получены из поваренной соли и медного купороса.
Форма кристаллов правильная, ромбовидная.
Цвет выращенных кристаллов соответствует цвету веществ, которые были использованы для приготовления растворов.
Полученные кристаллы, можно использовать на уроках химии и физики как демонстрационный материал.
Также был проведен мониторинг знаний учащихся школы по теме «Кристаллизация». Показавший пробелы в знаниях некоторых учащихся.
В процессе работы над проектом наблюдался заметный интерес школьников к данной теме, что послужило для них мотивацией к самообразованию по теме проекта, также осуществилась профориентационная пропаганда среди школьников специальностей высшего профессионального образования «Кристаллограф» и «Геохимик». А в комплексе решения всех задач проекта наблюдается повышение интереса учащихся к изучению предметов «физика» и «химия».
Список используемой литературы
1. Энциклопедический словарь
2. МЕГАЭНЦИКЛОПЕДИЯ КИРИЛЛА И МЕФОДИЯ http://www.megabook.ru
3.Зоркий П. М. Симметрия молекул и кристаллических структур. М.: изд-во МГУ, 1986. — 232 с.
4.Лихачёв В. А., Малинин В. Г. Структурно-аналитическая теория прочности. — СПб: Наука. — 471 с.
5.Шаскольская М. П.. Кристаллы. М.: Наука, 1985. 208 с.
6. Материалы Интернета.
Приложения: кристаллы соли и медного купороса.
Источник