X Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Выращивание кристаллов в домашних условиях
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Аннотация
Целью данной работы является
-изучение способов выращивание кристаллов в домашних условиях и наблюдение за процессом их роста.
Что такое кристаллы? Какими свойствами они обладают? Как растут кристаллы? Можно ли вырастить такую красоту, как кристалл, в домашних условиях? Чтобы наиболее полно и всесторонне ответить на все вопросы, выбрана данная тема исследования.
Практическая часть работы проверяет возможность выращивания кристаллов из поваренной соли, медного купороса и готового реактива (в их основе везде соль).
Актуальность работы не только в том, чтобы исследовать теоретические вопросы по данной теме, но, чтобы учиться создавать интересное и необычное из привычного и обычного, не требуя особых усилий и затрат.
Введение
Мир многообразен. Он предстает перед человеком не скоплением одинаковых предметов, а как множество предметов, явлений, процессов, наделенных различными свойствами. Каждый предмет обладает не каким-то одним, а целым рядом свойств и потому имеет не одну, а множество разнообразных характеристик.
Мы живём в мире, в котором большая часть веществ находится в твёрдом состоянии. Мы пользуемся различными механизмами, инструментами, приборами. Живём в домах и квартирах. Имеем мебель, бытовые приборы, современнейшие средства связи: телевидение, радио, компьютеры и т. д. А ведь все это твёрдые тела. С физической точки зрения, человек – твёрдое тело. Так что же такое твёрдые тела?
В отличие от жидкостей, твёрдые тела сохраняют не только объём, но и форму, т. к. положение в пространстве частиц, составляющих тело, стабильно. Из-за значительных сил межмолекулярного взаимодействия, частицы не могут удаляться друг от друга на значительные расстояния.
В природе часто встречаются твёрдые тела, имеющие форму правильных многогранников. Такие тела назвали кристаллами. Кристаллом (от греч. krystailos -«прозрачный лед») вначале называли прозрачный кварц (горный хрусталь), встречавшийся в Альпах. Горный хрусталь принимали за лед, затвердевший от холода до такой степени, что он уже не плавится. Первоначально главную особенность кристалла видели в его прозрачности, и это слово употребляли в применении ко всем прозрачным природным твердым телам. Позднее стали изготавливать стекло, не уступавшее в блеске и прозрачности природным веществам. Предметы из такого стекла тоже называли «кристальными». В конце 17 века было подмечено, что некоторые непрозрачные минералы также имеют естественную правильную огранку и что форма огранки характерна для того или иного минерала. Возникла догадка, что форма может быть связана с внутренним строением. В конце концов, кристаллами стали называть все твердые вещества, имеющие природную плоскую огранку. Что такое кристаллы? Какими свойствами они обладают? Как растут кристаллы?
Меня заинтересовали все эти вопросы, но больше хотелось узнать: можно ли вырастить такую красоту, как кристалл, в домашних условиях?
Чтобы наиболее полно и всесторонне ответить на все вопросы, я выбрала тему исследования: «Выращивание кристаллов в домашних условиях».
Проблемные вопросы:
– Можно ли вырастить кристаллы в домашних условиях? Каковы условия их роста и свойства?
Гипотеза исследования.
Так как возможно выращивание искусственных кристаллов в лабораторных условиях, не исключена возможность выращивания их в домашних условиях.
Объект. Процесс выращивание кристаллов и изучение их свойств
Предмет исследования. Возможность выращивания кристаллов в домашних условиях
Цель работы:
-выращивание кристаллов в домашних условиях и наблюдение за процессом их роста.
Задачи:
-познакомиться с разнообразным миром кристаллов;
-изучить физические свойства кристаллов;
-выбрать способ, приемлемый для выращивания кристаллов в домашних условиях;
-познакомиться с применением различных видов кристаллов
Актуальность моей работы я вижу не только в том, чтобы исследовать теоретические вопросы по данной теме, но, чтобы учиться создавать интересное и необычное из привычного и обычного, не требуя особых усилий и затрат. Выращивание кристаллов увлекательное занятие и, пожалуй, самое простое, доступное и недорогое, максимально безопасное с точки зрения техники безопасности, что немаловажно для тех, кто проводит эксперименты дома. Тщательная подготовка и выполнение опытов оттачивают навыки в умении аккуратно обращаться с веществами и правильно организовывать план своей работы.
2. Кристаллы в природе
Кристаллы издавна привлекали внимание людей своей красотой, правильной формой, загадочностью. Считалось, что кристаллы представляют собой редкость. Действительно, нахождение в природе крупных однородных кристаллов - явление нечастое. Однако мелкокристаллические вещества встречаются весьма часто. Например, почти все горные породы: гранит, песчаники, известняк – кристаллические тела.
Многие кристаллы являются продуктами жизнедеятельности организмов. Некоторые виды моллюсков обладают способностью наращивать на инородных телах, попавших в раковину, перламутр. За 5 - 10 лет образуется драгоценный камень жемчуг, имеющий поликристаллическое строение. В морской воде растворено много различных солей. Миллиарды организмов, населяющих моря, строят свои раковины и скелеты из углекислого кальция и кремнезема. Выпадая в осадок, раковины и скелеты умерших организмов образуют мощные пласты так называемых осадочных пород. Рифы и целые острова в океанах сложены из кристалликов углекислого кальция, составляющих основу скелета беспозвоночных животных — коралловых полипов.
Кристаллы замершей воды, т.е. лед и снег, известны всем. В морозное весеннее или осеннее утро, когда солнце еще не успело уничтожить следы ночных заморозков, деревья и кусты покрыты инеем. Листья кажутся щетками: как щетинки стоят на них блестящие шестигранные столбики кристаллов льда.
Все природные воды – в океанах, морях, озерах, ручьях и подземных источниках, являются естественными растворами, все они растворяют встречающиеся им породы, и во всех этих растворах происходят сложные явления кристаллизации. Капля за каплей просачиваются воды и падают со сводов пещеры вниз. Так постепенно образуется на потолке пещеры маленький бугорок, вырастающий затем в сосульку. Эти сосульки сложены из кристалликов.
В облаках, в глубинах Земли, на вершинах гор, в песчаных пустынях, в озерах, морях и океанах, в доменных печах, в аппаратах химических заводов, в научных лабораториях, в клеточках растений, в живых и мертвых организмах – везде встречаем мы кристаллы. Нет такого места на Земле, где бы ни было кристаллов, где бы ни происходили все время возникновение, рост и разрушение кристаллов. Метеориты, посланцы из звездного мира, тоже состоят из кристаллов. Сейчас мы знаем, что даже некоторые части организма человека – маленькие кристаллики, например, роговица глаза.
Наука кристаллография достаточно широка и многогранна. Люди научились выращивать искусственные кристаллы — рубины. Используют их для изготовления ювелирных украшений и в часовых механизмах. Выращивают и самые твердые на свете кристаллы — алмазы. К сожалению, их нельзя вырастить без специальных приборов, но к счастью, есть и другие красивые кристаллы, которые можно вырастить в домашних условиях. Я решила проверить сама возможность выращивания кристаллов из поваренной соли, медного купороса и готового реактива (в их основе везде соль).
3. Методы исследования
При выполнении практической части работы, были использованы следующие методы исследования:
-работа с источниками информации;
-наблюдение;
-сравнение;
-эксперимент;
-фиксирование результатов.
Почти любое вещество может при известных условиях дать кристаллы. Кристаллы можно получить из раствора или из расплава данного вещества, а также из его паров. Известно, что растворимость веществ зависит от температуры. Обычно с повышением температуры растворимость увеличивается, а с понижением – уменьшается. При растворении веществ образуются насыщенные и ненасыщенные растворы. Раствор, насыщенный при одной температуре, становится ненасыщенным при более высокой температуре. Если же насыщенный раствор охладить, то избыток вещества выпадает в осадок. Охлаждение насыщенного раствора – один из способов выращивания кристаллов. Другой возможный способ образования кристаллов – это испарение раствора. Если приготовить насыщенный раствор соли и оставить его в открытом стакане, то через некоторое время появятся кристаллики. Почему они образовались? Одновременно с образованием кристаллов произошло еще одно изменение – уменьшилось количество воды. Вода испарилась, и в растворе оказалось "лишнее" вещество.
Иногда при приготовлении раствора в особых условиях (осторожное охлаждение горячего насыщенного раствора в замкнутом сосуде) вещество образует не насыщенный раствор и осадок, а только раствор, называемый пересыщенным. Такие растворы обычно неустойчивы – при введении центра кристаллизации избыточное количество растворяемого вещества выпадает в осадок и образуется насыщенный раствор.
Центрами кристаллизации могут служить загрязнения на стенках посуды с раствором, пылинки, мелкие кристаллики растворенного вещества. Всего быстрее и легче кристаллизация начинается тогда, когда в насыщенный раствор помещается маленький кристалл – затравка. При этом выделение из раствора твердого вещества будет заключаться не в образовании новых кристалликов, а в росте затравки.
4. Основные результаты и их обсуждение
В процессе выращивание кристаллов в домашних условиях я провела следующие опыты.
Опыт 1. Выращивание кристаллов из готового набора. Я использовала фосфат аммония NH4HPO4,который содержал порошковый краситель.
Результат: через две недели, после частичного испарения раствора, получились игольчатые кристаллы длиной 10-15 мм. Кристаллов было немного, так как концентрация данного раствора была недостаточной для их полноценного выращивания.
Опыт 2. Выращивание сростков кристаллов медного купороса.
1.Налить в сосуд на 500 мл горячей вскипячённой воды.
2. Растворить соль в подогретой воде, продолжить до тех пор, пока раствор не станет насыщенным.
3.Отфильтровать полученный раствор и дать ему немного охладиться.
4. Опустить в раствор нитку с камешком на конце так, чтобы она не касалась стенок и дна банки. Оставить сосуд открытым, чтобы вода могла испаряться.
Результат: на следующий день можно увидеть наросшие на камешек синие кристаллики медного купороса, в дальнейшем размеры поликристалла увеличивались. Кристаллы росли две недели
Опыт 3. Выращивание сростков кристаллов поваренной соли.
Этапы проведения опыта такие же, как в случае с медным купоросом. Вместо камешка на нити использовали проволочный каркас с намотанной на него нитью.
Результат: через два дня нить обросла белыми кристалликами поваренной соли. Для увеличения роста кристаллов, можно добавить соли в подогретый раствор (предварительно вытащив нить с кристаллами) и продолжить выращивание еще несколько дней.
Опыт 4. Выращивание кристаллов из морской соли.
Процесс выращивания происходит во столько же этапов, как и при выращивании кристаллов из поваренной соли, но гораздо медленнее (в течение месяца). Сосуд оставался открытым, поэтому одновременно с образованием кристаллов уменьшалось количество воды.
Результат: после того, как вся вода испарилась, стенки сосуда были покрыты слоем соли. Данный процесс является моделью того, что происходит в природе.
5. Заключение, выводы.
Выращивание кристаллов - процесс очень занимательный, но требующий бережного и осторожного отношения к своей работе. Кристаллы капризны, требуют бережного к ним отношения, соблюдения рецепта и температуры раствора при погружении кристалла для дальнейшего роста. В противном случае, кристалл, который долго и терпеливо выращивали, может за несколько минут исчезнуть у нас на глазах! Теоретически размер кристалла, который можно вырастить в домашних условиях таким способом, неограничен. Известны случаи, когда энтузиасты получали кристаллы такой величины, что поднять их могли только с помощью товарищей. Из кристаллов можно получать различные фигурки. Для этого надо приготовить каркас из проволоки, обмотать обычными нитками, окунуть его в насыщенный раствор, тут же вынуть и просушить при комнатной температуре. Нитки пропитаются раствором и при высыхании на них образуются мельчайшие кристаллики, которые в дальнейшем послужат "затравками".
По результатам моих наблюдений и опытам, я пришла к следующим общим выводам, о которых я прочитала до выполнения опытов: - при точном соблюдении инструкций и технике безопасности можно вырастить кристаллы из различных доступных растворов, но для этого нужно приложить терпение и труд;
-кристалл соли растет за счет нарастания на него из водного раствора соли других кристаллов;
-кристаллы различных веществ имеют разную форму;
-грани выросшего кристалла гладкие, если росту кристалла ничто не мешает; - процеживать раствор обязательно, потому что соринки могут помешать росту красивых кристаллов).
-лучше использовать дистиллированную воду, так как она не содержит примесей других солей
- при правильной обработке граней кристалла он может достаточно долго храниться.
-чем медленнее будет остывать раствор соли, тем крупнее получатся кристаллы.
-при быстром охлаждении возникает много мелких кристалликов, почти никакой из них не имеет правильную форму, ведь их растёт множество, и они мешают друг другу.
- если одиночный кристалл оброс мелкими кристалликами-паразитами, их нужно очень осторожно удалить
- необходимо следить за уровнем насыщенного раствора, периодически (раз в неделю или две) обновлять при испарении раствор.
-кристаллик нельзя при росте без особой причины вынимать из раствора.
В ходе экспериментов, я сделала выводы, о которых раньше не знала:
-если погрузить кристалл в слабый солевой раствор, или в раствор, который не успел остыть, кристалл, к сожалению, разрушается;
-из раствора с небольшим содержанием соли вырастить кристалл в короткие сроки нельзя;
-когда кристаллы будут готовы, им нужно дать высохнуть, лучше их промокнуть бумажной салфеткой, иначе они быстро потускнеют; после этого их можно покрыть бесцветным лаком.
Кристаллы могут образовываться также непосредственно из пара или газа. При охлаждении газа электрические силы притяжения объединяют атомы или молекулы в кристаллическое твердое вещество. Так образуются снежинки: воздух, содержащий влагу, охлаждается, и прямо из него вырастают снежинки той или иной формы.
Тема “Кристаллы” актуальна, и если в неё вникать и вникать глубже, то она будет интересна каждому, даст ответы на многие вопросы. Кристаллы, по своей сути, очень загадочны. В своей работе я попыталась отразить лишь малую часть того, что известно о кристаллах и их применении в настоящее время. В конце 60-х годов прошлого века начался серьёзный научный прорыв в области жидких кристаллов. Позже в науку вошло понятие биологический кристалл (ДНК, вирусы), а в 80-х годах ХХ века – фотонный кристалл. Может быть, что кристаллическое состояние вещества – это та ступенька, которая объединила неорганический мир с миром живой материи.
И, в заключение, хочется привести высказывание академика А.Е. Ферсмана «Почти весь мир кристалличен. В мире царит кристалл и его твёрдые прямолинейные законы». Эти слова подтверждают неугасающий научный интерес учёных всего мира и всех областей знаний к данному объекту исследования.
Список использованной литературы
1.Опыты в домашней лаборатории.- М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1980, 1 44 с. – (Библиотечка «Квант». Вып.4)
2.Пикин С.А., Блинов Л.М. Жидкие кристаллы/ Под ред. Л.Г. Асламазова. – М.6 Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1982. - 208 с. – (Библиотечка «Квант». Вып.20)
3. Л.Д. Ландау, А.И. Китайгородский. Физика для всех. Книга 2. Молекулы.- М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1978, с изменениями,208 с.
4.100 великих научных достижений России / В.М. Ломов, - М.: вече, 2011, - 432 с. – (100 великих)
5.Блудов М.И. Беседы по физике. Ч.1.Учебное пособие для учащихся / Под ред. Л.В. Тарасова.- 3-е изд., перераб. – М.: Просвещение, 1984.- 207 с., ил.
6. Журнал “Физика в школе”. 2006. №2
9