Изучение процесса кристаллизации и выявление условий, способствующих росту кристаллов

XIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке. Летняя площадка 2021

Изучение процесса кристаллизации и выявление условий, способствующих росту кристаллов

Ильичева Е.Э. 1
1МБОУ СШ №3
Солнышкина Е.И. 1
1учитель физики
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

 

Кристаллы —этотвёрдыевещества,имеющиеестественнуювнешнюю формуправильныхсимметричныхмногогранников, которая основананаихвнутреннейструктуре,тоестьнаодномизнесколькихопределённыхрегулярных расположений составляющих вещество частиц: атомов, молекул,ионов.

Если рассмотреть при помощи лупы или микроскопа крупинки соли, томожнозаметить,чтоониограниченыплоскимигранями.Наличиетакихграней естьпризнакнахождениявкристаллическомсостоянии.

Людинаучилисьсамивыращиватькристаллы назаводахивлабораториях. Человекуправляеткристаллом,применяя к нему разные воздействия, выявляет самые различные удивительныефизические свойства и явления, которых нет и неможет быть в аморфномвеществе.Многиеприродныевеществаимеюткристаллическоестроение,искусственные кристаллы широко применяются в технике и в других областях.Изучениестроения исвойствкристалловимеетбольшуюперспективу.

Цельисследования:изучениезависимости процессовкристаллообразования от структуры молекул, выращивание кристалла в домашних условиях.

Задачи исследования:

Изучитьпроцесскристаллизации.

Обосноватьнеобходимостьиспользования ихвпромышленности.

Проанализироватьотрицательныепоследствиякристаллообразования.

Выраститькристалл в домашних условиях.

Сделатьвыводо проделанной работе.

Объектисследования: процесскристаллизации.

Предметисследования: кристаллы.

Гипотеза: кристаллыправильнойформыобразуются,еслиисходноевеществонеимеетпримесейдругихвеществ.

Проблема:С давнихвремён кристаллы, находимые в земле, вызывают восторг иудивление. Они бывают громадными, в рост человека и больше. Многовековкристалламиназывалитолькотела,имеющиеестественнуюмногогранную форму, и полагали, что они рождены какими-то таинственнымисилами,сотворены готовыми инеменяютсядалее.

Актуальность исследования: Самым красивым из свойств кристалла является его способность приобретать правильную внешнюю форму. Силы связи между атомами заставляют частицы в кристалле собираться в кристаллические решетки и вырастать в виде красавцев-многогранников.

Методы исследования: изучение учебной, научно-популярной литературы, проведение опытов.

Основная часть

Глава 1. Теоретическая часть

Кристаллизация

Кристаллизация – массообменный процесс перехода вещества из растворав твердую фазу. Процесс кристаллизации широко применяют при получениисахарозы, глюкозы, поваренной соли, лимонной и молочной кислот, глютаматанатрияидр.

Кристаллизация из растворов основана на ограниченной растворимоститвердыхвеществ.Раствор,содержащиймаксимальноеколичестворастворенного вещества в данном количестве растворителя при определеннойтемпературе,называетсянасыщенным.

Растворение - процесс, образования однородного раствора из твердой ижидкой фаз, процесс обратный кристаллизации. Растворение происходит приконцентрациирастворяемогопродукта,меньшейконцентрациинасыщения.

Ненасыщенныерастворысамипосебеустойчивы,ноесликнимдобавить растворимое твердое вещество, то оно будет растворяться до тех пор,пока раствор не станет насыщенным. Если растворы перенасыщены, то онинеустойчивыиизнихвыделяетсяизбыточноеколичестворастворенноговещества,т.е.происходитпроцесскристаллизации.

Послевыделениякристалловрастворстановитсянасыщенным.Этотнасыщенныйраствор,полученныйврезультатевыделениякристаллов,называетсяматочнымрастворомилиматочником.Отделениематочногораствораоткристалловпроизводитсяфильтрацией,центрифугированиемидругими методами.

Особенностьюпроцессакристаллизацииявляетсявозможностьполучения распределяемого компонента в чистом виде, связанная с различнойрастворимостьювыделяемоговеществаипримесей,которыеостаютсяв растворе.Кристаллизациясопровождаетсяявлениямиполиморфизма,образованиякристаллогидратови изоморфизма.

Ростиморфологиякристаллов

Кристаллогенезис – возникновение, рост и разрушение кристаллов. Дляпониманияпроцессов,приводящихкзарождениюиростукристаллов,необходимызнанияизобластифизики,химии,кристаллографииидругихветвей науки.

Однако подход к изучению кристаллов у разных специалистов разный:физиковкристаллыинтересуюткакматериал,используемыйвтехникеиобладающий интересными физическими свойствами; минералоги же на основеизучения тех или иных особенностей кристаллов пытаются выяснить историюих зарождения, роста и последующих превращений – определить температуру,давлениеисоставсреды,вкоторойкристаллызарождалисьиросли,т.е.определитьпоследовательностьтехфизико-химическихпроцессов,которыепривели к образованиюкристалла.

Вприродекристаллыобразуютсяприразличныхгеологическихпроцессах из растворов, расплавов, газовой или твердой фазы. Значительнаячастьминеральныхвидовпроизошлапутемкристаллизацииизводныхрастворов.Примерывыпадениякристалловизраствора–выпадениекристалловсолейвзамкнутыхводоемах;росткристалловнастенкахтрещини полостей при гидротермальных процессах, на больших глубинах в условияхвысоких давлений и температур; образование отдельных кристаллов вторичныхминераловвзонахокислениярудныхместорождений.

Припереходеизтвердогосостояниявтвердоевыделяют2случая:

Кристаллическое вещество образуется из аморфного, например, с течениемвременизакристаллизовываютсясодержащиестеклакристаллическиепороды.

Перекристаллизация – это процесс, при котором структура одних веществразрушается, и образуются новые кристаллы с другой структурой. Например,известнякподдействиемвысокихтемпературидавлениястановитсямрамором. Перекристаллизация связана с таким явлением как метасоматоз –преобразование горной породы или минерала вдругую горную породу илиминерал подвоздействиемвноса иливыноса вещества.

Причиныиусловияобразованиякристаллов

Материальныечастицы,слагающиегазообразныеилижидкиевещества,обладаявысокойкинетической энергией, находятся в непрерывном движении. Они сталкиваются, образуя зародыши – микроскопические фрагменты будущейструктуры.Чащевсегозародышираспадаются,чтосвязаноссобственнымиколебаниями. Однако для начала кристаллизации необходимо, чтобы зародышдостигкритическойвеличины,т.е.содержалтакоеколичествочастиц,прикоторомприсоединениеследующейчастицысделалобыразрастаниезародыша энергетическиболеевыгодным,чемегораспад.Такаявозможностьдлябольшинствавеществпроявляетсясизменением температуры,врезультате чего уменьшаются температурные колебания.

Такимобразом,росткристалловможнорассматриватькакпроцесс,посредствомкоторогомельчайшиекристаллическиечастицы–зародышидостигаютмакроскопическихразмеров.Присутствие постороннихобломковкристалловилипылинок,наповерхностикоторыхсобираютсячастицы,упрощаютначалокристаллизации.

Процесскристаллизацииявляетсяэнергетическивыгодным.Растущийкристаллнепринимаетравновеснуюформувследствиетого,чтонанеговлияютразличныеизменяющиесяусловиякристаллизации:температура,давление,сила тяжести,химическийсоставидинамика среды.

Формыростакристаллов

Приразличныхотклоненияхотидеальныхусловийкристаллизации, например,ввязких,загрязненныхилисильнопересыщенныхсредах,вырастаютэкзотическиеобразования.Опытпоказывает,чтопрималыхперенасыщениях и переохлаждениях на фронте роста возникают совершенные формыкристаллов.Сувеличениемотклоненияотравновесиякристаллыменяютсвойоблик,превращаясьвскелеты,дендриты,нитевидныеобразованияиликристаллысферическойформы. Указанные формы различаются тем, что скелетные кристаллы – этомонокристаллы,адендриты–чащевсегополикристаллическиеагрегаты.

Дефектыкристаллов

Нарушение правильности в расположении частиц, слагающих структурыреальных кристаллов, т.е. отклонения от их идеальной структуры, порождаютдефекты. Для исследователя дефект – это источник информации о событиях,произошедшихскристаллом.

Вреальныхкристаллахвсегдаприсутствуютструктурныедефекты,которые оказывают существенное влияние на многие свойства твердых тел. Кэтимсвойствам,именуемымструктурно-чувствительными,относятсяте,которыесвязанысдвижениематомовилиэлектронов.Этомеханическиесвойства(прочностьипластичность),ионнаяиполупроводниковаяэлектропроводность,люминесценция,фотопроводимость,теплопроводность,скоростьдиффузии и фазовыхпревращений,и ряддругих.

Выделяютследующиетипыдефектовкристаллическойрешетки:

Точечныеилинульмерныедефекты—нарушениявпериодичностивизолированных друг от друга точках решетки; во всех трех измерениях они непревышаютодногоилинесколькихмеждуатомныхрасстояний(параметроврешетки). Точечные дефекты — это вакансии, междоузельные атомы, атомыпримеси,внедренныеиливпозиции замещения.

Линейные дефекты — одномерные, т. е. протяженные в одном измерении:нарушения периодичности в одном измерении простираются на расстояния,сравнимые с размером кристалла, а в двух других не превышают несколькихпараметров решетки. Специфические линейные дефекты— это дислокации.Неустойчивыелинейныедефектымогутвозникатьизцепочекточечныхдефектов.

Поверхностные или двумерные дефекты.Простираются в двух измеренияхнарасстояния,сравнимыесразмеромкристалла,автретьемсоставляютнесколько параметров решетки.

Объемныеилитрехмерные.Этопустоты,поры,частицыдругойфазы,включения.

Упаковкикристаллическихрешеток

Правильнаягеометрическаяформакристалловявляетсярезультатомупорядоченного расположения частиц, составляющихкристалл. Частицыколеблютсяоколоопределенныхположенийравновесия. Если их мысленно соединить прямымилиниями, то получаетсясвоего рода "скелет" кристалла. Такое изображение кристалланазывается кристаллическойпространственнойрешеткой.Восновекристаллической решетки лежит элементарная ячейка — фигура наименьшегоразмера,последовательнымпереносомкоторойможнопостроитьвеськристалл.

Для описания строения любого кристалла достаточно изучить строениеэлементарнойячейкипространственнойрешеткиэтогокристалла. Взависимости от рода частиц, расположенных в узлах кристаллической решетки,и характера сил взаимодействия между ними кристаллы разделяют на 4 типа:ионные,атомные,металлическиеи молекулярные.

Глава 2.Экспериментальнаячасть

Выращиваниекристалла в домашних условиях

Цель работы: вырастить кристалл в домашних условиях с помощью химического реактива.

Оборудование: стеклянная емкость, стакан,палочка, химический краситель, химический реактив для выращивания кристалла.

Ход работы:

Готовим перенасыщенный раствор. Примерно 200 мл воды нагреваем до 70 ˚С,добавляем химический реактив, перемешиваемдо тех пор, пока он полностью не растворится.

После того, как раствор остынет до комнатной температуры, насыпаем в него чайную ложку химического реактива.

Закрываем емкость крышкой и оставляем при комнатной температуре.

Оставляем состав на 3 дня.

Выполнение работы:

Подготовим необходимое оборудование.

(фото автора 1)

200 мл воды нагреваем до 70 ˚С.

(фото автора 2)

Переливаем воду в стакан и добавляем химический реактив.

(фото автора 4)

Добавляем химический краситель.

(фото автора 5)

Перемешиваем до полного растворения реактива.

(фото автора 6)

Даем раствору остыть до комнатной температуры.

Добавляем чайную ложку химического реактива.

(фото автора 7)

Вывод: проделав данную работу, я вырастила кристалл в домашних условиях с помощью химического реактива.

(фото автора 8) (фото автора 9)

Заключение

Кристаллы встречаются нам повсюду: мы ходим по кристаллам, строимизних,выращиваемихвлабораториях,создаёмприборы и изделия из кристаллов, широко применяем их в технике и науке,едим кристаллы (поваренная соль), лечимся ими, находим кристаллы в живыхорганизмах, выходим на просторы космических дорог, используя приборы изкристаллов.

Под выращиванием кристаллов понимают получение однородных, болееили менее совершенных по своему внутреннему строению, достаточно крупныхкристаллов. Для технических целей и для исследования физических свойствобычнотребуются кристаллыразмерамипорядка сантиметра иболее.

Природныекристаллыневсегдадостаточнокрупны,частоонинеоднородны,внихимеютсянежелательныепримеси.Приискусственномвыращивании можно получить кристаллы крупнее, однороднее и чище, чемвстречаютсявприроде.

Свойствакристалловнашлиширокоеприменениевсамыхразличныхобластяхтехники:воптике,акустике,радиоэлектроникеиквантовойэлектронике, в металловедении и металлургии, в химии, в медицине. Пожалуй,неттакой области техники,где неприменялисьбы кристаллы.

Длявыращиваниякристалловнеобходимонесколькотребований:веществодолжнобытьстабильнымкповышениютемпературы и химически чистым, рекомендуемая и часто используемая марка, «осч» - особо чистый.Если раствор охлаждать быстро, то кристаллы будут тоже расти быстро, но их формаможет оказаться неправильной, если же раствор охлаждать медленно, то формакристаллов будет правильной. Посторонние твердые примеси в растворе такжемогут играть роль центров кристаллизации, поэтому, чем чище раствор, темцентров кристаллизации будет меньше. Для очищения органических веществхорошо подходитметодперекристаллизации.

 

Списокиспользуемойлитературы

БулахА.Г.Минералогиясосновамикристаллографии.М.:Альфа-М,2009.–156с.

Егоров-ТисменкоЮ.К.Кристаллографияикристаллохимия:учебник.–М.:КДУ,2005.–592с.

ПоповГ.М.,ШафрановскийИ.И.Кристаллография.М.:ГОСГЕО-ЛТЕХИЗДАТ,1955г.– 215с

Учебник«Физика-10»:Подред.А.А.Пинского.–М:Просвещение,2008.

БеловН.В. Процессыреальногокристаллообразования.М.:1998.

Симметриямолекуликристаллов.ЗоркийП.М.,АфонинаН.Н.М.1999.

http://www.xumuk.ru/

http://studopedia.ru/3_55440_plotneyshie-upakovki-chastits-v-kristallah.

http://www.kristallikov.net/page6.html

Просмотров работы: 137