XI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Кристаллы. Получение кристаллов различных веществ.
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Окружающий нас мир веществ многообразен и интересен. Из чего состоят окружающие нас вещества? Как они образовались? Как они устроены? Эти вопросы меня заинтересовали.
И первые свои исследования о строении вещества я начал с изучения кристаллов. Кристаллы - это и драгоценные камни в ювелирных изделиях (алмаз, рубин, сапфир, изумруд), и корунд на наждачной бумаге, снежинки и морозные узоры на окне это тоже кристаллы. Неотъемлемой частью нашей жизни стали приборы на основе жидких кристаллов: мониторы компьютеров, телевизоры.
Актуальность исследования: учёные создают новые вещества с уникальными свойствами, без которых невозможен технический прогресс: сверхпрочные кристаллы, применяемые для буровых установок по добыче нефти и газа, синтезированы кристаллы для лазерной медицины и металлообработки. Кристаллы различных веществ можно вырастить и в школьной химической лаборатории.
Вопрос: «Какие вещества образуют кристаллы?» заинтересовал меня и я провел свое исследование. Выращивание кристаллов - увлекательное занятие, самое простое, доступное и недорогое для большинства юных открывателей.
Цель работы: получение кристаллов различных веществ
Задачи:
- изучить литературу по теме исследования;
- провести эксперименты по выращиванию кристаллов разными способами из различных веществ.
Объект исследования: кристаллы
Предмет исследования: кристаллизация различных веществ
Гипотеза: все вещества способны образовывать кристаллы.
Методы исследования:
работа с источниками информации;
наблюдение;
эксперимент.
Глава 1. Обзор литературы по теме исследования.
1.1. Что такое кристаллы?
Обратимся к различным источникам для определения понятия «Кристалл»
Википедия
Криста́ллы (от греч. κρύσταλλος, первоначально—лёд, в дальнейшем—горный хрусталь, кристалл)— твёрдые тела, в которых атомы расположены закономерно, образуя трёхмерно-периодическую пространственную укладку—кристаллическую решётку.
Кристаллы—это твёрдые вещества, имеющие естественную внешнюю форму правильных симметричных многогранников, основанную на их внутренней структуре, то есть на одном из нескольких определённых регулярных расположений составляющих вещество частиц (атомов, молекул, ионов).
Большая советская энциклопедия
Кристаллы (от греч. Krýstallos, первоначально – лёд, в дальнейшем горный хрусталь, кристалл) твёрдые тела, имеющие естественную форму правильных многогранников. Эта форма-следствие упорядоченного расположения в кристаллах атомов, образующих трёхмерно -периодическую пространственную укладку кристаллическую решетку.
Энциклопедический словарь От греч. krýstallos, первоначально лёд, твёрдые тела, атомы или молекулы которых образуют упорядоченную периодическую структуру (кристаллическую решётку). Кристаллы обладают симметрией атомной структуры, соответствующей ей симметрией внешней формы, а также анизотропией физических свойств.
Химическая энциклопедия. Кристаллы-(отгреч. krystallos- кристалл; первоначально - лед), твердые тела, обладающие трехмерной периодической атомной (или молекулярной) структурой и, при определенных условиях образования, имеющие естественную форму правильных симметричных многогранников.
Анализируя определения понятия «Кристалл» из различных источников можно сделать вывод, что кристаллы – это твердые тела, имеющие определенную структуру.
1.2. Разнообразие кристаллов
Разнообразие кристаллов по форме очень велико. Кристаллы могут иметь от четырех до нескольких сотен граней.
Н о при этом они обладают замечательным свойством - какими бы ни были размеры, форма и число граней одного и того же кристалла, все плоские грани пересекаются друг с другом под определенными углами. Углы между соответственными гранями всегда одинаковы (рис.1).
Рис.1.
Кристаллы, которые залегают глубоко в земле, являются бесконечно разнообразными. Размеры таких природных многогранников достигают иногда человеческого роста. Встречаются также очень тонкие кристаллы, толщина которых меньше чем у листка бумаги. Но бывают и огромные пласты, толщина которых достигает нескольких метров.
Бывают кристаллы маленькие, узкие и острые как иголки, но также могут быть громадной формы, похожие на величественные колонны.
Иногда образуются дендриты - это кристаллы, похожие на веточки дерева; очень хрупкие, но очень красивые.
Многие кристаллы идеально чисты и прозрачны, как вода. Нередко можно услышать выражение «кристально чистый». Кристаллы могут иметь и разные размеры.
Некоторые минералы образуют кристаллы, которые разглядеть можно только с помощью микроскопа. Другие же образуют кристаллы, вес которых составляет несколько сотен фунтов.
1.3. Из истории.
Первые сведения о горном хрустале мы находим у римского учёного Плиния Старшего (I век н. э.), величайшего авторитета для учёных древности и средневековья.
Древние обитатели Америки – инки – поклонялись как божеству большому кристаллу зелёного изумруда.
Человека, укушенного змеёй, заставляли съесть толчёный изумруд. Можно себе представить, как это помогало больному! Так рассуждать могли только в те времена, когда ещё не умели проверять свои утверждения опытом.
Англичанин Джером Горсей, (прожил в России с 1573 по 1591 год), посетивший Москву в XVI веке, рассказал в своих записках, как царь Иван Грозный показывал ему свои драгоценные камни: коралл, бирюзу, алмаз, морион (дымчатый горный хрусталь), изумруд, яхонт лазоревый (сапфир), яхонт красный (рубин).
В древности кристаллам приписывали всякие магические свойства. Считали, например, что изумруд спасает мореплавателей от бурь. Кристалл аметиста навевает счастливые сны. Алмаз бережёт от болезней. Сапфир помогает при укусах скорпионов. Топаз приносит счастье в ноябре. Гранат - в январе и т.д.
1 .4. Кристаллы в нашей жизни.
П
Алмаз
рименения кристаллов в науке и технике так многочисленны и разнообразны, что их тру дно перечислить. Самый твердый и самый редкий из природных минералов - алмаз. Сегодня алмаз в первую очередь камень - работник, а не камень – украшение.
Благодаря своей исключительной твердости алмаз играет громадную роль в технике. Алмазными пилами распиливают камни. Алмазная пила - это большой (до 2-х метров в диаметре) вращающийся стальной диск, на краях которого сделаны надрезы или зарубки. Мелкий порошок алмаза, смешанный с каким-нибудь клейким веществом, втирают в эти надрезы. Такой диск, вращаясь с большой скоростью, быстро распиливает любой камень. Колоссальное значение имеет алмаз при бурении горных пород, в горных работах. В граверных инструментах, делительных машинах, аппаратах для испытания твердости, сверлах для камня и металла вставлены алмазные острия.
А
Рубин
лмазным порошком шлифуют и полируют твердые камни, закаленную сталь, твердые и сверхтвердые сплавы. Сам алмаз можно резать, шлифовать и гравировать тоже только алмазом.
Наиболее ответственные детали двигателей в автомобильном и авиационном производстве обрабатывают алмазными резцами и сверлами.
Р
Сапфир
убин и сапфир относятся к самым красивым и самым дорогим из драгоценных камней. У всех этих камней есть и другие качества, более скромные, но полезные. Кроваво-красный рубин и лазарево-синий сапфир - это родные братья, это вообще один и тот же минерал - корунд, окись алюминия А12О3. Разница в цвете возникла из-за очень малых примесей в окиси алюминия: ничтожная добавка хрома превращает бесцветный корунд в кроваво-красный рубин, окись титана - в сапфир. Есть корунды и других цветов.
Есть у них ещё совсем скромный, невзрачный брат: бурый, непрозрачный, мелкий корунд - наждак, которым чистят металл, из которого делают наждачную шкурку. Корунд со всеми его разновидностями - это один из самых твердых камней на Земле, самый твердый после алмаза. Корундом можно сверлить, шлифовать, полировать, точить камень и металл. Из корунда и наждака делают точильные круги и бруски, шлифовальные порошки.
Вся часовая промышленность работает на искусственных рубинах. На полупроводниковых заводах тончайшие схемы рисуют рубиновыми иглами. В текстильной и химической промышленности рубиновые нитеводители вытягивают нити из искусственных волокон, из капрона, из нейлона.
Новая жизнь рубина - это лазер или, как его называют в науке, оптический квантовый генератор (ОКГ), чудесный прибор наших дней. В 1960г. был создан первый лазер на рубине. Оказалось, что кристалл рубина усиливает свет. Лазер светит ярче тысячи солнц.
Сапфир прозрачен, поэтому из него делают пластины для оптических приборов. Основная масса кристаллов сапфира идет в полупроводниковую промышленность.
|
яшма |
опал |
аметист |
кремень |
халцедон |
Кремень, аметист, яшма, опал, халцедон — все это разновидности кварца. Мелкие зернышки кварца образуют песок. А самая красивая, самая чудесная разновидность кварца - это и есть горный хрусталь, т.е. прозрачные кристаллы кварца. Поэтому из прозрачного кварца делают линзы, призмы и др. детали оптических приборов.
Особенно удивительны электрические свойства кварца. Если сжимать или растягивать кристалл кварца, на его гранях возникают электрические заряды. Это - пьезоэлектрический эффект в кристаллах.
В наши дни в качестве пьезоэлектриков используют не только кварц, но и многие другие, в основном искусственно синтезированные вещества: синетову соль, титанат бария, дигидрофосфаты калия и аммония (КДР и АДР) и многие другие. Пьезоэлектрические кристаллы широко применяются для воспроизведения, записи и передачи звука.
Эдектрооптическая промышленность - это промышленность кристаллов, не имеющих центра симметрии. Эта промышленность очень велика и разнообразна, на её заводах выращивают и обрабатывают сотни наименований кристаллов для применения в оптике, акустике, радиоэлектронике, в лазерной технике.
В технике также нашел своё применение поликристаллический материал поляроид. Поляроид - это тонкая прозрачная пленка, сплошь заполненная крохотными прозрачными игольчатыми кристалликами вещества, двупреломляющего и поляризующего свет. Все кристаллики расположены параллельно друг другу, поэтому все они одинаково поляризуют свет, проходящий через пленку.
Поляроидные пленки применяются в поляроидных очках. Поляроиды гасят блики отраженного света, пропуская весь остальной свет. Они незаменимы для полярников, которым постоянно приходится смотреть на ослепительное отражение солнечных лучей от заледеневшего снежного поля.
Поляроидные стекла помогут предотвратить столкновения встречных автомобилей, которые очень часто случаются из-за того, что огни встречной машины ослепляют шофера, и он не видит этой машины. Если же ветровые стекла автомобилей и стекла автомобильных фонарей сделать из поляроида, причем повернуть оба поляроида так, чтобы их оптические оси были смещены, то ветровое стекло не пропустит света фонарей встречного автомобиля, "погасит его".
Кристаллы сыграли важную роль во многих технических новинках 20 в. Некоторые кристаллы генерируют электрический заряд при деформации. Полупроводниковые приборы, революционизировавшие электронику, изготавливаются из кристаллических веществ, главным образом кремния и германия. Перечень видов применения кристаллов уже достаточно длинен и непрерывно растет.
Существует довольно много методов применения кристаллов в терапии. Самый простой - контактное врачевание. Вы прикладываете к больному месту камень или носите украшение из него. Такие украшения для лечебных целей можно применять в течение суток в зависимости от вашего заболевания (Приложение 1).
Глава 2. Практическая часть.
2.1. Способы выращивания кристаллов в лаборатории.
2.1.1 Охлаждение горячего раствора для получения зародышей кристаллов.
Возьмите стакан горячей воды и всыпьте любое кристаллическое вещество, растворимое в воде. В стакан горячей воды всыпьте столько порошка, сколько может раствориться. Когда порошок совсем перестанет растворяться и начнет оседать на дно, слейте образовавшийся раствор в другой стакан так, чтобы на дно стакана с раствором не попало ни одной крупинки порошка. Для этого профильтруйте раствор через фильтрованную бумагу или через чистую тряпочку. В получившемся растворе количество вещества как раз соответствует его растворимости при данной температуре; Такой раствор называется насыщенным. Теперь оставьте стакан с раствором и дайте ему остыть. При остывании растворимость почти всех веществ уменьшается. Иначе говоря, при высокой температуре раствор был насыщенным, а остыв, он стал перенасыщенным. Такой перенасыщенный раствор не может долго существовать, поэтому лишнее вещество выделяется из раствора и оседает на дно стакана.
Чтобы вырастить один большой кристалл в неостывший раствор надо положить или подвести на нитке небольшой кристаллик – «затравку». Сначала он немного растворится, а затем примется расти.
2.1.2. Метод испарения воды.
Из холодного раствора, в котором выращивается из зародыша один большой кристалл. При этом создается небольшое пересыщение раствора, за счет которого и идет кристаллизация. Одним из недостатков этого способа является появление кристаллов- паразитов там, где стенки сосуда граничат с поверхностью испаряющегося раствора. Но этот способ очень прост и потому широко используется.
Подливая по мере испарения новые порции насыщенного раствора, можно вырастить и кристаллы малорастворимых соединений.
2.1.3. Осаждения из водного раствора силиката натрия солей металлов
Силикатный клей, или жидкое стекло, представляет собой концентрированный водный раствор силикатов натрия или калия. Его разводят водой и в стакан насыпают кристаллики солей кальция, никеля(II), магния, меди(II), кобальта(II), железа(II), железа(III), бария, цинка, хрома(III) и марганца(II). Наблюдают, как из кристаллов опущенных солей за пузырьками воздуха вытягиваются тоненькие полые трубочки, стенки которых состоят из образующихся осадков Рис.1. Трубочка представляет собой полупроницаемую мембрану, через которую вода проникает внутрь. Протекает осмос. В результате в некоторых местах трубочка рвётся. В местах разрыва снова образуется осадок.
Рис.1 Кристаллы, выращенные в силикате натрия
Через 15-30 мин появляются «заросли», напоминающие деревья или водоросли. Если заменить кристаллики солей их концентрированными растворами, то также получатся фантастические пейзажи.
Для своего эксперимента по выращиванию кристаллов из водных растворов использовал следующие вещества: медный купорос, бихромат аммония, малахит, поваренную соль и вещества из набора по выращиванию кристаллов, который приобрели родители (рис.2).
Рис. 2. Вещества для выращивания кристаллов.
Опыт 1. Получение кристаллов медного купороса охлаждением горячего раствора для получения зародышей кристаллов.
Через сутки получили кристаллы «затравки». Приготовили насыщенный раствор медного купороса. Выбрали кристалл правильной формы и заложили в насыщенный раствор.
Поместили кристаллы «затравки» в приготовленный насыщенный раствор и наблюдали за ростом кристаллов.
Через трое суток наблюдали. Кристалл растет неправильной формы. Появилось несколько центров кристаллизации.
Повторили опыт. Заложили новый кристалл «затравку». Наблюдали за ростом обоих кристаллов.
В образце №2. Растет кристалл правильной формы. Через две недели наблюдали, что в образце №1 появляются новые центры.
Получили кристалл медного купороса. Форма кристалла – скошенный параллелограмм. Для сохранности кристалла покрыли его лаком.
Кристалл не правильной формы образовался при быстром охлаждении насыщенного раствора. При этом образовалось множество центров кристаллизации.
Опыт 2. Получение кристаллов из малахита.
1.Растворили малахит в воде.
2. Через сутки наблюдали. Малахит осел на дно. Кристаллов нет.
3. Через неделю наблюдали, что вода испаряется, но кристаллов не образуется.
Проработав литературные источники, выяснили, что малахит редко образует кристаллы. В домашних условиях получить кристаллы малахита сложно. Вид кристалла малахита: призматический, пластинчатый, игольчатый. Чаще всего наблюдается в виде корочек, сферокристаллов, натечных почковидныхагрегатов.
Опыт 3. Получение кристаллов из бихромата аммония.
1.Приготовили насыщенный раствор бихромата аммония.
2. Через сутки наблюдали. Кристаллы «затравки» не образовались.
3. Через неделю наблюдали что кристаллы не образуются. Изготовили ёлочку и поместили в раствор.
Через три недели наблюдали образование кристаллов в растворе бихромата аммония. Получили кристалл правильной и неправильной формы.
Вывод: кристаллы бихромата аммония имеют форму призмы с кососрезанными гранями.
Опыт №4. Получение кристаллов поваренной соли.
1.Приготовили насыщенный раствор поваренной соли.
2.Полученные кристаллы соли поместили в насыщенный раствор
3.Через 2 недели наблюдали образование кристаллов кубической формы. Вывод: кристаллы поваренной соли имеют кубическую форму.
Опыт№5. Получение кристаллов из набора «Драгоценный кристалл».
Состав: кристаллический порошок, активатор роста кристаллов, каменная основа для выращивания кристаллов.
1.Изучили инструкцию по технике безопасности и методике получения кристаллов.
2.Заложили опыт.
3. Через две недели наблюдали. Вода испарилась. На поверхности появились кркристаллы.
Опыт 6. Осаждения из водного раствора силиката натрия солей металлов.
Для получения кристаллов в растворе силиката натрия использовал следующие вещества: соли калия, никеля (II), магния, меди (II), кобальта (II), железа (II), железа(III), бария, цинка, хрома(III) и марганца(II).
Н аблюдали, как из кристаллов опущенных солей за пузырьками воздуха вытягиваются тоненькие полые трубочки, стенки которых состоят из образующихся осадков.
Заключение.
Изучив литературу, посвященную кристаллам, и проведя эксперимент по получению кристаллов, я пришел к следующим выводам:
1) кристаллы окружают нас повсюду, «почти весь мир кристалличен»;
2) кристаллы различных веществ отличаются друг от друга по своей форме;
3) кристаллы окружающие нас, не образовались когда–то раз и навсегда готовыми, а выросли постепенно: в природе, в лаборатории, на заводе. И я убедился в этом, вырастив кристаллы поваренной соли, медного купороса, бихромата аммония;
4) кристаллы широко применяются в науке и технике;
5) искусственные кристаллы очень нужны. Дело в том, что, выращивая кристаллы в лабораториях, человек может узнать, как кристаллы рождаются и живут в природных условиях, изучить свойства кристаллов. Кроме того, процесс выращивания кристаллов очень красив и увлекателен.
В результате проделанной работы выяснил, какие существуют способы получения кристаллов, овладел методикой приготовления насыщенного раствора кристаллического вещества и приготовления растворов необходимой концентрации. Получил кристаллы в растворе силикатного клея.
Выращивание кристаллов - это увлекательный и кропотливый процесс. В результате проделанной работы выяснил, какие существуют способы получения кристаллов, овладел методикой приготовления насыщенного раствора кристаллического вещества и приготовления растворов необходимой концентрации. Научился осаждать нерастворимые силикаты из водного раствора силиката натрия.
Литература
Алексинский, В. Н. Занимательные опыты по химии [Текст] / В. Н. Алексинский. - М.: «Знания», 1980. – 154 с.
Аликберова, Л. Ю. Занимательная химия [Текст] / Л. Ю. Аликберова. – М.: «АСТ – ПРЕСС», 1999. – 559 с.
Ангелова, В. Н. Получение кристаллических друз на занятиях химического кружка [Текст] / В. Н. Ангелова // - Химия в школе. -1974. - №3. – С. 23-27
Вильке, К. Т. Методы выращивания кристаллов[Текст] / К. Т. Вильке. - Л.: 1996. – 134 с.
Леенсон, И.А.Занимательная химия [Текст] / И.А Леенсон. – М.: «Росмэн», 2000. – 101с
Приложение 1.
Кристаллы и здоровье.
Зеленые камни.
Все камни зеленого цвета успокаивают, избавляют от бессонницы.
Изумруд способствует укреплению зрения и может вылечить кашель.
Нефрит - полезен при заболеваниях почек. Его надо носить в течение года на пояснице.
Малахит укрепляет иммунитет, помогает работе поджелудочной железы, почек и селезенки. Считается, что кулон из малахита в медной оправе излечивает ревматизм и радикулит. Очень хорошо работает малахит с серебром.
Синие и фиолетовые камни.
Эти тона снимают воспаления, борются с инфекциями, полезны тем, кто проводит много времени за компьютером, при заболеваниях легких. Камни синего цвета снижают аппетит.
Бирюза служит индикатором здоровья: если вы носите украшение из бирюзы и видите, что она потемнела, - это верный признак начинающейся болезни.
Лазурит снимает боль, напряжение, если положить его на больное место. Он улучшает протекание беременности и препятствует выкидышам.
Аметист помогает перебороть пристрастие к алкоголю. Для этого пьют воду, настоянную на аметисте, или кладут аметист на область солнечного сплетения.
Аквамарин лечит болезни горла и зубов, слизистые оболочки рта, помогает при бронхите, лечит страхи. Его хорошо прикладывать к старым ранам.
Желтые камни
Этот цвет улучшает зрение, обмен веществ, пищеварение, кожные заболевания.
Прозрачные разновидности янтаря используют для лечения ангин, головных болей, глазных и ушных недугов.
Например, от головной боли можно избавиться очень просто: взять отшлифованную пластинку или вставку из янтаря и поглаживать кожу вокруг болевого участка против часовой стрелки. Через 10-15 минут боль пройдет. Для выведения негативной энергии янтарь надо положить на больное место. Янтарные бусы успокаивают боль, когда у маленьких детей прорезываются зубки.
Цитрин хорошо помогает при запорах, стимулирует работу печени, способствует лечению диабета и склероза.
Красные и оранжевые камни.
Оттенки алого помогут вам стать более смелыми и решительными.
Рубин придает уверенность в себе, помогает справиться с душевной болью и возродить потерянный интерес к жизни, лечит анемию, поднимает иммунитет.
Яшма используется мужчинами при воспалении предстательной железы, а женщинами - при бесплодии и гинекологических нарушениях. Этому же способствует и сердолик. Также он ускоряет заживление ран, избавляет от отеков и опухолей, улучшает состав крови, сон и аппетит.
Гранат в золотой оправе лечит бронхиты, в серебряной - воспалительные заболевания. Желтый и коричневый цвета граната имеют целебный эффект при заболеваниях кожи, пищеварения, запорах и аллергиях. Красный гранат повышает сексуальность. Легковозбудимые люди должны избегать его.
Черные и белые камни.
Черные подходят всем и имеют широкий спектр лечебного действия. Белые отвечают, за иммунитет и нервную систему. Беременным женщинам рекомендовано носить горный хрусталь для легких родов.