XII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Радужный мир кристаллов.
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
1. Введение.
Кристаллы играли и играют до сих пор немаловажную роль в жизни человека. Во-первых, они необычны для нашего глаза и очень красивы. Недаром их применяют в изготовлении украшений. Во-вторых, из-за своей уникальной структуры, кристаллы широко применяются в науке, промышленности, оптике, электронике.
В нашем мире существуют различные виды кристаллов. Их можно легко увидеть без микроскопа. Они бывают разной величины и формы.
Кристаллы натуральных камней и минералов мы можем наблюдать в природе. Некоторые кристаллы получаются после шлифовки (придания формы камню) того или иного натурального камня. Также кристаллы можно вырастить в домашних условиях или в условиях школьной лаборатории.
Мне захотелось как можно больше узнать о кристаллах. Что это такое, как они появляются, какие бывают, чем они отличаются друг от друга, как долго они растут и так далее. 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 решила попробовать вырастить кристаллы самостоятельно при помощи взрослых. Мне было интересно узнать, как кристаллы растут в природе и пронаблюдать этот процесс с близкого расстояния.
Мне стало интересно – от чего зависит разнообразие кристаллов, в первую очередь их формы и цвета? И в своем исследовании я постаралась выяснить это, рассмотрев внимательно процесс образования кристаллов. Моя гипотеза: при соблюдении одинаковых условий выращивания из разных солей вырастают кристаллы разного цвета, формы и размера.
Цели проекта:
вырастить кристаллы из разных солей;
рассмотреть и описать их внешний вид.
Задачи проекта:
найти в литературе и изучить информацию о кристаллах: что это такое, почему происходит их образование и рост;
найти в литературе и изучить информацию о выращивании кристаллов из соли в лабораторных или домашних условиях;
изучить необходимые меры безопасности и соблюдать их при проведении эксперимента;
подобрать оборудование и соль для выращивания кристаллов в школьной лаборатории;
вырастить кристаллы из разных солей;
рассмотреть их, описать их форму, сфотографировать;
проанализировать полученные результаты, сделать выводы.
Объект исследования: кристаллы разных солей.
Предмет исследования: процесс кристаллизации разных солей при одинаковых условиях.
Практическое значение: полученные умения и навыки могут быть использованы на уроках биологии, географии, во внеклассных мероприятиях, полученная небольшая коллекция может служить наглядным пособием в школьной лаборатории.
2. Краткие сведения о кристаллах.
Природные кристаллы всегда возбуждали любопытство у людей. Их цвет, блеск и форма затрагивали человеческое чувство прекрасного, и люди украшали ими себя и жилище. С кристаллами издавна были связаны различные суеверия; как амулеты, они должны были не только ограждать своих владельцев от злых духов, но и наделять их сверхъестественными способностями.
Криста́ллы (от греч. κρύσταλλος первоначально — «лёд», в дальнейшем — «горный хрусталь; кристалл») — твёрдые тела, в которых частицы вещества (атомы или молекулы) расположены закономерно, образуя определенную периодическую пространственную укладку — кристаллическую решётку.
Кристаллы могут встречаться в природе в виде отдельных одиночных кристаллов – монокристаллов, и в виде поликристаллов, представляющих собой скопление мелких кристаллов (рисунок 1). Все природные драгоценные камни, кроме опала, являются кристаллами, и многие из них, такие, как алмаз, рубин, сапфир и изумруд, попадаются в природе в виде прекрасно ограненных кристаллов (рисунок 2).
Рисунок 1. Разнообразие кристаллов в природе.
Рисунок 2. Природные кристаллы аметиста. Хорошо видны грани.
Прежде всего, кристаллические тела (кристаллы) — это твердые тела, в которых атомы расположены в соответствии с определенным правилом. Это значит, что в кристаллах атомы образуют периодически повторяющуюся последовательность вдоль направлений пространственных осей. Эта структура называется кристаллическая решетка. Примеры расположения атомов в кристаллических решетках можно увидеть на рисунках 3 и 4.
Рисунок 3. Кристаллическая структура поваренной соли, NaCl
Рисунок 4. Кристаллическая структура гипса (сульфата кальция), CaSO4
Большинство природных кристаллов имеют гладкие кристаллические грани, грани кристаллов оптически плоские и обычно дают чёткие отражения окружения (как в оконном стекле). Плоские грани у кристаллов свидетельствуют о правильности внутреннего расположения атомов, характеризующего кристаллическое состояние веществ. Наука, изучающая как происходит развитие естественных граней кристалла, размещение этих граней в пространстве называется кристаллография, одним из его разделов является – морфология кристаллов.
Кристаллы распространены в природе. Даже самые обыкновенные снежинки, морозные узоры на стеклах окон и иней, украшающий зимой голые ветки деревьев, являются кристаллами вещества воды.
Мы употребляем кристаллы в пищу, такие как сахар и соль.
В 2000 году самые крупные природные кристаллы были обнаружены в Пещере кристаллов в шахтовом комплексе Найка, в мексиканском штате Чиуауа. Некоторые из найденных там кристаллов гипса достигают 15 метров в длину, а в ширину — 1 метр (рисунок 5). Известен своими гигантскими, метровыми, кристаллами сподумен (рисунок 6). В 1914 году был найден кристалл сподумена длиной 42 фута (12,8 м) и весом 90 тонн.
Рисунок 5. Гигантские кристаллы, Мексика.
Рисунок 6. Необработанный кристалл сподумен.
Сегодня же кристаллы в качестве украшений не менее популярны, как и раньше, но они нашли очень большое применение в науке и технике. Из них делают полупроводники, призмы и линзы для оптических приборов, твердотельные лазеры, оптические и электрооптические кристаллы и многое другое.
Самый твердый и самый редкий из природных минералов – алмаз. Благодаря своей исключительной твердости алмаз играет громадную роль в технике. Алмазными пилами распиливают камни. Наиболее ответственные детали двигателей в автомобильном и авиационном производстве обрабатывают алмазными резцами и сверлами.
Рубин и сапфир относятся к самым красивым и самым дорогим из драгоценных камней. Сапфир прозрачен, поэтому из него делают пластины для оптических приборов. Основная масса кристаллов сапфира идет в полупроводниковую промышленность.
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.
3. Особенности выращивания кристаллов.
Первоначально главную особенность кристалла ученые видели в его прозрачности, и это слово употребляли в применении ко всем прозрачным природным твердым телам. Позднее люди научились изготавливать (выплавлять) стекло, не уступавшее в блеске и прозрачности природным кристаллическим веществам. Предметы из такого стекла тоже называли «кристальными». Но коренным отличием стекла от кристалла является его способность вырастать в природе естественным образом и более высокая температура плавления, которая не позволяет плавить природные кристаллы.
Заметной вехой в истории кристаллографии явилась книга, написанная в 1784 французским аббатом Р. Гаюи. Он выдвинул предположение, что кристаллы возникают в результате правильной укладки крохотных одинаковых частиц, которые он назвал «молекулярными блоками». Гаюи показал, каким образом можно получить гладкие плоские грани кальцита, укладывая такие «кирпичики». Различия в форме кристаллов разных веществ он объяснил разницей, как в форме «кирпичиков», так и в способе их укладки. В правильной форме кристалла находит отражение, упорядоченное внутреннее расположение частиц и нужны лишь благоприятные условия, чтобы внутренняя упорядоченность проявилась в виде правильной наружной огранки. Примерный механизм роста кристалла можно представить в виде схемы на рисунке 7.
Рисунок 7. Схемы роста кристаллов: а) укладывание «молекулярных блоков», б) спиральный рост кристаллов.
Кристаллы, которые встречаются в природе, имеют различные примеси, которые могут понижать симметрию кристаллической решетки, придавать шероховатость граням. Примеси могут придать кристаллу не правильную форму, дефекты оптических свойств (если кристалл прозрачный). Поэтому особо чистые кристаллы для технического применения получают в лаборатории.
Опыты по выращиванию кристаллов начинались еще в древности, со времен алхимиков. Но изначально они преследовали другие цели: получение философского камня, обогащения, получения идеального кристалла и так далее.
4. Общие правила безопасности.
Все этапы моего эксперимента сопровождали взрослые – руководитель моего проекта Макаренкова Г.Ю., а при выращивании кристаллов дома – моя мама Алена. Они помогали мне и контролировали на некоторых процессах.
Я строго соблюдала следующие правила:
Очистите и вымойте всю лабораторную посуду и оборудование после использования.
Тщательно и плотно закрывайте все контейнеры с реагентами после использования.
Не используйте контейнеры для еды или посуду для проведения экспериментов. Контейнеры после проведения эксперимента не пригодны для хранения пищи.
Соблюдайте меры предосторожности при работе с кипятком и горячей водой.
Проводить работу только под наблюдением взрослых.
Тщательно вымыть под проточной водой руки по окончании эксперимента.
Нельзя пробовать кристалл или реактивы на вкус.
В случае попадания раствора в глаза их нужно промыть большим количеством воды.
5. Порядок проведения эксперимента.
Для выращивания кристаллов я взяла цветные окрашенные соли (названия приведу ниже). Выращивание всех кристаллов проходило в одинаковых условиях для того, чтобы убедится, что форма кристаллов не зависит от условий проведения эксперимента.
Я придерживалась следующего порядка действий:
Взять чистую посуду – химические стаканы из стекла и емкости из пластика объёмом 300-500 мл;
Насыпать в химический стакан соли одного вида из расчета примерно 20 г на 100 г воды;
Долить при помощи взрослых горячей воды, можно кипятка. Это необходимо для того, чтобы как можно больше соли растворилось;
Размешать соль стеклянной палочкой до полного растворения;
Досыпать соли понемногу, периодически помешивая и измельчая палочкой соль, до тех пор, пока соль перестанет растворяться в горячей воде и начнет оседать на дне в виде мелких кристалликов;
Уложить на дно чистой пластиковой емкости чистые камни, залить при помощи взрослых горячий раствор;
Оставить на длительное время для кристаллизации;
Вынуть готовые кристаллы из раствора при помощи пинцета, высушить салфетками;
Рассмотреть при помощи лупы, сфотографировать.
Фотография растворов, которые мы оставляли для кристаллизации на рисунке 8.
Рисунок 8. Готовые растворы оставили для кристаллизации.
Очень важные детали, на которые надо обращать внимание:
Посуда для эксперимента должна быть чистой. Если этого не сделать, то попавшие в раствор другие соли, сор или пыль могут испортить работу.
Обратите внимание! Чем выше температура воды, тем быстрее в ней растворяются соли. При охлаждении раствора, соль меньше растворяется и избыточная соль начинает образовывать кристалл.
Надо сразу определите место, где ёмкость с раствором сможет безопасно стоять долгое время. Также это место должно находиться подальше от батареи.
Надо запастись терпением. Кристаллизация – процесс длительный, занимающий от нескольких дней до двух-трёх недель.
Когда кристалл вырастит, обязательно просушите его и покройте лаком — он защитит изделие от белого налета при хранении и придаст ему дополнительный блеск.
6. Результаты эксперимента.
Фотографии выращенных кристаллов, которые мы делали в ходе эксперимента, представлены на рисунках далее по тексту.
Сульфат меди или медный купорос (CuSO4)
Рост кристалликов на каменной основе начался через два дня. Через неделю их можно было рассмотреть и даже достать из раствора с помощью пинцета. Мы их оставили еще на 10 дней, после чего вынули из раствора довольно большие монокристаллы.
Этот опыт мы повторяли несколько раз. Чем крупнее кристалл, тем быстрее он растет. Рассмотрев кристаллы, мы обратили внимание, что все они имеют форму шестигранника, также они твердые, темно-синего цвета, полупрозрачные. Фотографии кристаллов – рисунки 9-11.
Рисунок 9. Образование кристаллов медного купороса в растворе.
Рисунок 10. Полученные разнообразные кристаллы медного купороса.
Рисунок 11. Полученный монокристалл медного купороса.
Сульфат никеля или никелевый купорос (NiSO4)
В химии никелевым купоросом называют кристаллогидрат сульфата никеля NiSO4 представляющий кристаллы изумрудно-зелёного цвета. Соль хорошо растворяется в воде. При стоянии на влажном воздухе, а также при кристаллизации из водных растворов образуются игольчатые темно-зеленые, изумрудные кристаллы. Кристалл растет не так быстро, как медный купорос, имеет более темную окраску и форму усеченной пирамиды. Долгое время кристалл не получался, крошился, кристаллы были чрезвычайно мелкие. Фотографии кристаллов – рисунки 12-14.
Поваренная соль, каменная соль, хлорид натрия (NaCl)
Красивые кристаллы поваренной соли получались не сразу. Первые кристаллы, которые мы достали из раствора были непрочные и через несколько дней разрушились. После неудачного первого опыта мы стали осторожнее.
Второй эксперимент был удачнее – кристаллы приняли красивый вид, мы вынули их из раствора. У нас образовались кристаллы белого цвета, квадратной формы, это значит, что они имеют квадратную кристаллическую решетку.
Рисунок 12. Образование кристаллов никелевого купороса в растворе.
Рисунок 13. Полученные разнообразные кристаллы никелевого купороса.
Рисунок 14. Полученные разнообразные кристаллы никелевого купороса.
В процессе кристаллизации, кристаллы стали образовываться на стенках емкости и даже на краях чашки, хотя эти поверхности не покрывал раствор соли. Фотографии кристаллов – рисунки 15-17.
Сода кальциевая, карбонат калия (К2СО3)
В процессе остывания воды на дне, камне и стенках посуды появляются мелкие кристаллы. На поверхности раствора они принимают вид белёсой полупрозрачной плёнки. Чем дольше будет проходить эксперимент, тем больших размеров получится кристалл. Кристаллы начнут появляться через несколько дней.
Особенность кристаллов соды в том, что они начинают разрушаться и осыпаться довольно быстро, в отличие от кристаллов медного купороса и поваренной соли. Это связано с воздействием влаги из воздуха. Но если вы будете хранить кристалл внутри плотно закрытого контейнера, то сможете любоваться его красотой долгое время.
Чистая сода не содержит примесей, поэтому из неё получаются снежно-белые кристаллы. Кристаллы соды более округлые, они похожи на воздушные облака. Фотографии кристаллов – рисунки 18-19.
Сульфат натрия (Na2SO4)
В зависимости от температуры образуются различные кристаллогидраты и, соответственно, кристаллы принимают разную форму. В нашем случае мы получили игольчатые прозрачные кристаллы. Кристаллы растут не только на поверхности посуды и камня, они заполняют всё пространство. Кристаллы довольно хрупкие. После взаимодействия с воздухом через сутки кристаллы разрушились. Фотографии кристаллов – рисунки 20-21.
Рисунок 15. Образование кристаллов поваренной соли в растворе.
Рисунок 16. Кристаллы поваренной соли на стенках емкости, по краю.
Рисунок 17. Полученные кристаллы поваренной соли имеют форму кубиков.
Рисунок 18. Образование кристаллов соды в растворе.
Рисунок 19. Полученные кристаллы соды напоминают округлые облака.
Рисунок 20. Образование кристаллов сульфата натрия в растворе, по всей толще емкости. Раствор как будто «промерз».
Рисунок 21. Полученные кристаллы сульфата натрия похожи на изморозь.
Калий железосинеродистый, красная кровяная соль (K3[Fe(CN)6]
Раствор красной кровяной соли имеет насыщенный красно-оранжевый цвет. Насыщенный раствор берет очень много соли. При остывании образуются необычные темно-красные мелкие кристаллы.
Кристаллы красной кровяной соли устойчивы на воздухе, выветривание происходит только при нагревании, в воде растворимы. Чем больше кристалл, тем более тёмный красный цвет. Фотографии кристаллов – рисунки 22-24.
Рисунок 22. Образование кристаллов красной кровяной соли, почти вся вода испарилась.
Рисунок 23. Полученные разнообразные кристаллы красной кровяной соли.
Рисунок 24. Полученные разнообразные кристаллы красной кровяной соли.
Кобальт уксуснокислый, ацетат кобальта (Со(CH3COO)2)
Из водных растворов кристаллизуется в виде красно-розовых мелких кристаллов, напоминающих иглы ежа. Очень мелкие кристаллы, растет чрезвычайно долго. Кристаллы появились уже после того, как мы совершенно отчаялись ждать и думали, что данная соль не дает роста кристаллов. Фотографии кристаллов – рисунки 25-26.
Рисунок 25. Образование кристаллов уксуснокислого свинца на стенках химического стакана после трехнедельного ожидания.
Рисунок 26. Полученные разнообразные кристаллы уксуснокислого свинца.
7. Выводы по результатам работы.
Делая опыты с солью, я пришла к следующим выводам:
Кристалл можно вырастить, используя насыщенный раствор соли;
Горячая вода способна растворять большее количество соли, поэтому при охлаждении соль, которая не может растворяться выпадает из раствора и начинает образовывать кристалл;
Для того, чтобы кристалл начал формироваться, необходима площадка или поверхность. Я использовала камни, но в некоторых случаях кристаллы росли даже на стенках емкостей;
Кристаллы не очень прочно прикреплены к камням, кристаллы разных солей различаются по прочности. Некоторые кристаллы, к сожалению, разрушились и остались только на фотографиях;
Кристаллы растут разное время – некоторые кристаллы образуются быстро в течение 2-3 дней (медный купорос, красная кровяная соль), некоторые растут очень медленно (никелевый купорос, уксуснокислый свинец);
Если погрузить кристалл в слабый солевой раствор или промыть водой, то кристалл, к сожалению, разрушается, так как соли, которые его образуют, растворимы в воде;
Кристаллы очень красивы, они завораживают, хочется их держать в руках, рассматривать бесконечно;
Разные соли образуют кристаллы, даже если выращивать их в одинаковых условиях;
Кристаллы отличаются удивительной правильностью и точностью строения, одинакового в любой его части. Кристаллы одной соли образуют кристаллы одинаковой формы, независимо от размера;
Исследовательская работа мне очень понравилась, так как это очень интересно, необычно и я могу создавать что-то красивое.
8. Заключение.
Природные кристаллы всегда вызывали любопытство у людей. Их цвет, блеск и форма затрагивали человеческое чувство прекрасного. С кристаллами были связаны разные суеверия. Даже сегодня некоторые ограненные природные кристаллы используются как амулеты и талисманы на счастье, на удачу и прочее. Украшения из кристаллов сейчас столь же популярны, как и во время неолита.
Большое значение в описании кристаллов имеют их оптические свойства. Когда свет падает на прозрачный кристалл, он частично отражается, а частично проходит внутрь кристалла. Свет, отражающийся от кристалла, придает ему блеск и цвет, а свет, проходящий внутрь кристалла, создает неповторимые эффекты, в первую очередь эстетические.
Удивительной особенностью горного хрусталя и многих других прозрачных минералов являются их гладкие плоские грани. В конце XVII в. было подмечено, что имеется определенная симметрия в их расположении. Было установлено также, 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.
Многие ученые, внесшие большой вклад в развитие химии и минералогии, начинали свои первые опыты с выращивания кристаллов, пытаясь понять, как они образуются.
В нашей работе я вырастила кристаллы разной формы и цвета из различных солей и открыла для себя этот удивительный мир кристаллов. Я рассмотрела вопрос о том, как растут кристаллы в природе и как можно вырастить их в школьной лаборатории или в домашних условиях. Изменяя виды соли для выращивания можно получить кристаллы разной формы, что было подтверждено экспериментально.
Наша тема оказалась очень интересной, и если её изучать глубже, то она будет интересна каждому. Кристаллы загадочные и очень красивые. В нашей работе я рассказала лишь малую часть того, что известно о кристаллах и их применении в настоящее время. Но некоторые люди занимаются этим и они много чего знают о кристаллах. Мне очень понравилось выращивать кристаллы.
9. Список использованных источников:
О.Г. Козлова «Рост и морфология кристаллов.» - М.: Издательство московского университета, 1980 г., 368 стр.,
https://legkovmeste.ru/
http://megapoisk.com/
https://sovets24.ru/
https://melscience.com/RU-ru/chemistry/
https://ru.wikipedia.org/wiki/Сульфат_никеля
https://www.studmed.ru/view/lidin-ra-molochko-va-andreeva-ll-himicheskie-svoystva-neorganicheskih-veschestv_e3f34d9fc75.html?page=44
https://chem. ru/acetat-kobalta-ii.html