XIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Кристаллы
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Актуальность темы.
Когда речь заходит о кристаллах первое, что представляется – это камни разных цветов, в большинстве своём прозрачные, обладающие красивой правильной формой, собранные в минералогическом музее, радующие глаз чудесной игрой света в гранях, удивительной правильностью строения…
Всё сказанное действительно справедливо, но… кристаллы – совсем не музейная редкость. Кристаллы окружают нас повсюду. Твёрдые тела, из которых мы строим дома и делаем станки, вещества, которые мы употребляем в быту, – почти все они относятся к кристаллам.
Если посмотреть на простой камень в микроскоп, то можно увидеть, что почти каждый камень состоит из маленьких кристалликов.
Песок и гранит, поваренная соль и сахар, алмаз и изумруд, медь и железо – всё это кристаллические тела. Каждая отдельная частица соли или сахара — тоже кристалл. В природе существуют сотни веществ, образующих кристаллы. Вода — одно из самых распространенных из них. Замерзающая вода превращается в кристаллы льда или снежинки.
В природе находят как мельчайшие кристаллики, так и огромные кристаллы, размером в человеческий рост. Иногда находят отдельные кристаллики, в других случаях кристаллики срастаются в сложные сплетения, в грозди.
В рамках исследовательской работы я бы хотел узнать о кристаллах, как они формируются, растут, какова их структура, функция и что их делает такими не похожими друг на друга, можно ли вырастить кристаллы в домашних условиях.
Цель исследовательской работы:
узнать как можно больше о кристаллах
Задачи исследовательской работы:
изучить понятие кристалл, виды и типы кристаллов;
узнать о происхождении природных кристаллов;
узнать о производстве искусственных кристаллов;
исследовать области применения кристаллов;
выполнить опытно-экспериментальную работу по выращиванию кристаллов в домашних условиях.
1. Что такое кристалл.
Интересно происхождения слова «кристалл» (оно звучит почти одинаково во всех европейских языках). Много веков назад среди вечных снегов в Альпах, на территории современной Швейцарии, нашли очень красивые, совершенно бесцветные кристаллы, очень напоминающие чистый лед. Древние натуралисты так их и назвали – «кристаллос», по-гречески – лед; это слово происходит от греческого «криос» – холод, мороз. Полагали, что лед, находясь длительное время в горах, на сильном морозе, окаменевает и теряет способность таять. Один из самых авторитетных античных философов Аристотель писал, что «кристаллос рождается из воды, когда она полностью утрачивает теплоту».
В прежние времена, когда ученые еще не могли объяснить причину и принцип образованиякристаллов, им приписывали всевозможные волшебные свойства, свидетельство тому – многочисленные легенды и сказания, в которых упоминаются магические кристаллы, способные исцелять больных или показывать будущее. Современная кристаллофизика развеяла весь этот романтический туман, издавна окутывающий кристаллы, и дала четкое определение, что такое кристалл с научной точки зрения.
Кристалл - это твердое тело природного происхождения, либо образованное в лабораторных условиях, имеющее форму правильного многогранника. Правильность формы кристалла основана на его внутренней структуре – частицы вещества, из которых слагается кристалл (молекулы, атомы и ионы), располагаются в нем в определенной закономерности и образуют периодично-повторяющуюся трехмерную пространственную укладку, иначе называемую «кристаллической решеткой».
1.1.Виды и типы кристаллов
Ученые, занимающиеся изучением кристаллов, различают такие понятия, как «кристалл идеальный» и «кристалл реальный».
Идеальный кристалл
Идеальный кристалл - это некая абстрактная математическая модель кристалла, в которой ему приписывается абсолютно правильная форма, соответствующая его кристаллической решетке, полная симметрия и идеально ровные грани.
Реальный кристалл
Реальный кристалл – это тот кристалл, что существует в действительности. В отличие от идеального, у него имеются некоторые дефекты внутренней структуры, грани его не безупречны, а симметрия понижена. Но при всех этих недостатках в реальном кристалле сохраняется то главное свойство, которое и делает его кристаллом – частицы в нем располагаются в закономерном порядке.
2.Происхождение кристаллов
2.1.Возникновение кристаллов в природе
Вопрос о происхождении большинства минералов в природе тесно связано сложной проблемой происхождения и развития Земли. Многие минералы и горные породы образовались при охлаждении земной коры подобно тому, как образуется лед при замерзании воды. При охлаждении магмы сначала в ней образовались кристаллы того вещества, температура кристаллизации, которого самая высокая. По мере дальнейшего охлаждения происходила кристаллизация других минералов, обладающих меньшей температурой кристаллизации, и так до тех пор, пока вся магма не затвердела. Так, в честности, могли образовываться такие распространенные породы, как граниты. Чем медленнее понижалась температура магмы, т. е. чем дольше росли кристаллы, тем крупнозернистее получался минерал. Мелкозернистые же минералы образовались при более быстром охлаждении, а при очень быстром охлаждении магмы, например при ее выбросах, на поверхность Земли во время извержения вулканов, она затвердела раньше, чем начали расти кристаллы.
Многие минералы возникли из пересыщенных водных растворов. Первым среди них следует назвать каменную соль NaCl являющуюся одним из наиболее знакомых каждому человеку минералов.
Каждому известен способ образования кристаллов из пара. Снежинки, морозные узоры на стеклах окон и иней, украшающий зимой голые ветки деревьев, представляют собой кристаллы льда, выросшие из паров воды.
Подобным образом образуются и кристаллы некоторых минералов.
Например, летучие пары соединений борного ангидрида, оседая на стенках пустот и трещин остывающей магмы, образуют кристаллы турмалина, иногда достигающие 2—3 м длины.
На стенках кратеров «курящихся» вулканов постоянно образуются кристаллы серы, хлористого аммония, каменной соли и других веществ, достигающих поверхности Земли в виде пара.
Многие кристаллы являются продукта жизнедеятельности организмов.
Некоторые виды моллюсков обладают способностью наращивать на инородных телах, попавших в раковину, перламутр. За 5 - 10 лет образуется жемчуг, имеющий поликристаллическое строение.
В морской воде растворено много различных солей. Мириады 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. Мощные слои известняка в земной коре являются результатом многовековых отложений раковин и панцирей различных организмов.
2.2.Искусственные кристаллы.
Для многих отраслей техники, выполнения научных исследований требуются кристаллы очень высокой химической чистоты с совершенной кристаллической структурой.
Кристаллы, встречающиеся в природе, этим требованиям не удовлетворяют, так как они растут в условиях, весьма далеких от идеальных.
Кроме того, потребность во многих кристаллах превышает запасы в природных месторождениях.
Из более чем 3000 минералов, существующих в природе, искусственно удалось получить уже больше половины.
2.2.1.Искусственные кристаллы драгоценных и полудрагоценных камней.
Среди выставленных в магазинах напоказ драгоценных и полудрагоценных камней есть "натуральные" (найденные в природе) и “искусственные” (выращенные в лабораторных условиях). Можно выращивать аметисты, цитрины, морионы и другие кристаллы.
Выращивание искусственных кристаллов интересовало людей ещё в IX веке. И прежде всего интерес представляли драгоценные минералы: рубин и сапфир. Сейчас такие минералы производятся миллионами карат ежегодно.
Искусственные кристаллы камней производят из расплавов, из растворов, из газа, но конечно, для каждого минерала существует свой способ получения, своя технологическая особенность. Например, кристаллы кварца растут в водных растворах природных минерализаторов. Для выращивания искусственного кристалла камня природные условия моделируются также искусственно.
Интересен вопрос о скорости роста. Здесь нет однозначного ответа. Скорость роста искусственных кристаллов камней зависит от условий роста того или иного кристалла. Если учесть то, что в самом среднем случае рост минералов может происходить годами и веками, то создавая искусственные условия выращивания кристаллов камней, получили почти "космическую" скорость - сравнимую со скоростью роста волос у человека.
Если кратко описать процесс искусственного выращивания кристаллов камней, то исходное сырьё (например некрасивый, разрушенный кварц) разрушается в щелочи до молекулярного состояния и затем создаётся идеально правильный прозрачный кристалл. Делается это с помощью специальных затравок. Затравки для выращивания искусственных минералов - прозрачные тонкие вытянутые в длину пластинки, изготавливаемые из тех же синтетических кристаллов. При этом обязательно контролируется соответствующая температура, давление, концентрация раствора. Малейшие отклонения от заданных параметров - и кристалл будет безнадёжно испорчен. Ещё одним важным условием выращивания искусственных камней - это перепад температур внизу и вверху ёмкости где они растут. При этом происходит перенос молекул в растворе и поступление их к затравкам.
Удивляет не только богатство разновидностей искусственных кристаллов, их цветовых оттенков, а сам размер, такие драгоценности увидишь не часто. Лимонно-жёлтый цитрин, нежно-голубой и ярко-синий перунит, фиолетовый аметист, дымчатый раухтопаз, почти чёрный морион, голубая бирюза, аквамариновые бериллы, янтарно-коричневый топаз.
2.2.2.Производство синтетических (искусственных) алмазов
В 1694 году итальянские учёные Дж. Аверани и К.А. Тарджони при попытке сплавить несколько мелких алмазов в один крупный обнаружили, что при сильном нагревании алмаз сгорает, как уголь. В 1772 году Антуан Лавуазье установил, что при сгорании алмаза образуется диоксид углерода. В 1814 году Гемфри Дэви и Майкл Фарадей окончательно доказали, что алмаз является химическим родственником угля и графита.Открытие натолкнуло учёных на мысль о возможности искусственного создания алмаза.
В 1879 году шотландский химик Джеймс Хэнней обнаружил, что при взаимодействии щелочных металлов с органическими соединениями происходит выделение углерода в виде чешуек графита и предположил, что при проведении подобных реакций в условиях высокого давления углерод может кристаллизоваться в форме алмаза. После ряда экспериментов, в которых смесь парафина, костяного масла и лития длительное время выдерживалась в запаянной нагретой до красного каления стальной трубе, ему удалось получить несколько кристаллов, которые после независимого исследования были признаны алмазами. В научном мире его открытие не было признано, так как считалось, что алмаз не может образовываться при столь низких давлениях и температурах. Повторное исследование образцов Хэннея, проведённое в 1943 году с применением рентгеновского анализа, подтвердило, что полученные кристаллы являются алмазами. Однако профессор К. Лонсдейл, проводившая анализ, вновь заявила, что эксперименты Хэннея являются мистификацией. В феврале 1953 года группе физиков шведской энергетической компании ASEAпри проведении одного из опытов по синтезу алмаза из графита удалось получить первые в мире искусственные алмазы. Давление составляло 80*108 МПа, температура 2500оС, выдержка во времени 2 минуты. В декабре 1954 года учёные фирмы "Дженерал Электрик Ко" создали искусственные алмазы размером около 0,8 мм.
Первый выращенный алмаз был получен в 1956 году компанией General Electric. Это был маленький камень технического качества. Через 15 лет - в 1971 году - компании удалось вырастить ювелирный алмаз весом в 1 карат. Отсюда и можно отсчитывать историю выращенных алмазов. В России производство синтетических алмазов началось в 1970-е годы, сейчас в стране существуют два центра производства ювелирных синтетических алмазов - Новосибирск, Москва.
Технология производства искусственных алмазов
Технология производства выращенных алмазов довольно сложна. Дело в том, что каждый кристалл растет индивидуально. Одна лаборатория ежегодно может выращивать лишь две-три сотни алмазов. Поэтому, в отличие от большинства синтетических монокристаллов, выращенный алмаз имеет довольно высокую себестоимость, и зачастую выращенный алмаз небольшого размера стоит значительно дороже природного. Также, как и природный алмаз, выращенный кристалл может содержать включения, так как абсолютно чистый бездефектный бриллиант - понятие скорее теоретическое, чем практическое. Условия роста кристаллов алмазов в процессе их образования настолько нестабильные и разнообразные, что в них всегда присутствуют либо дефекты механического происхождения, либо инородные образования.
Отдельно следует сказать об окраске алмазов. В природе встречаются алмазы почти всех цветов, от черного до красного, но они достаточно редки. Выращенный в лабораторных условиях кристалл алмаза имеет медово-желтую окраску за счет высокого содержания азота в исходных компонентах. Такие кристаллы, благодаря характерному цвету, эксперты сразу определяют, как выращенный алмаз. Для придания бриллианту цветов, аналогичных цветам природных цветных алмазов (интенсивно-желтых, зелёных, розовых и красных), используются технологии постростовой термобарической обработки (HPHT) – дополнительный отжиг кристалла при высоких давлениях и температурах.
Применяя различные режимы, а также внося примеси в ростовую систему, можно получать алмазы разных цветов: желтые, красные, зеленые. Отдельно следует упомянуть, что выращенный алмаз, особенно после термобарической обработки, обладает более совершенной кристаллической структурой, чем его природный собрат, что приводит к изменению его люминесцентных свойств - характеру свечения в ультрафиолетовых лучах. Алмазы с идеально упорядоченной структурой в природе редки, очень редко удается найти правильный монокристалл.
Бриллианты состоят из кристаллического углерода, следовательно, можно искусственно получить эти камни, тем более, что научно-технический прогресс не стоит на месте, и в настоящее время разработано геммологическое оборудование для этих целей. По технологии LifeGem в бриллианты можно переработать даже человеческие останки, богатые углеродом. Для этого их нагревают до высокой температуры, а затем сжимают под высоким давлением. Кристаллы затем обрабатывают и получают бриллианты, которые затем используют в ювелирных изделиях.
3.Применение кристаллов
Природные кристаллы всегда возбуждали любопытство у людей. Их цвет, блеск и форма затрагивали человеческое чувство прекрасного, и люди украшали ими себя и жилище. С давних пор с кристаллами были связаны суеверия; как амулеты, они должны были не только ограждать своих владельцев от злых духов, но и наделять их сверхъестественными способностями. Позднее, когда те же самые минералы стали разрезать и полировать, как драгоценные камни, многие суеверия сохранились в талисманах «на счастье». Все природные драгоценные камни, кроме опала, являются кристаллическими, и многие из них, такие, как алмаз, рубин, сапфир и изумруд, попадаются в виде прекрасно ограненных кристаллов. Украшения из кристаллов сейчас столь же популярны, как и во время неолита.
Опираясь на законы оптики, ученые искали прозрачный бесцветный и бездефектный минерал, из которого можно было бы шлифованием и полированием изготавливать линзы. Нужными оптическими и механическими свойствами обладают кристаллы неокрашенного кварца, и первые линзы, в том числе и для очков, изготавливались из них. Даже после появления искусственного оптического стекла потребность в кристаллах полностью не отпала; кристаллы кварца, кальцита и других прозрачных веществ, пропускающих ультрафиолетовое и инфракрасное излучение, до сих пор применяются для изготовления призм и линз оптических приборов.
Для часовой промышленности нужны кристаллы рубинов, сапфиров и некоторых других драгоценных камней. Дело в том, что отдельные подвижные части обыкновенных часов делают в час до 20 000 колебаний. Такая большая скорость предъявляет необычайно высокие требования к качеству кончиков осей и подшипников. Истирание будет наименьшим, когда подшипником для кончика оси диаметром 0,07 – 0,15 мм служит рубин или сапфир. Искусственные кристаллы этих веществ очень прочны и очень мало истираются сталью. Замечательно, что искусственные камни оказываются при этом лучше таких же природных камней.
Кристаллы сыграли важную роль во многих технических новинках 20 в. Некоторые кристаллы генерируют электрический заряд при деформации. Первым их значительным применением было изготовление генераторов радиочастоты со стабилизацией кварцевыми кристаллами. Полупроводниковые приборы изготавливаются из кристаллических веществ, главным образом кремния и германия. При этом важную роль играют легирующие примеси, которые вводятся в кристаллическую решетку.
Полупроводниковые диоды используются в компьютерах и системах связи, транзисторы заменили электронные лампы в радиотехнике, а солнечные батареи, помещаемые на наружной поверхности космических летательных аппаратов, преобразуют солнечную энергию в электрическую. Полупроводники широко применяются также в преобразователях переменного тока в постоянный.
Кристаллы используются также в некоторых лазерах для усиления световых волн. Кристаллы, обладающие пьезоэлектрическими свойствами, применяются в радиоприемниках и радиопередатчиках, в головках звукоснимателей и в гидролокаторах. Некоторые кристаллы модулируют световые пучки, а другие генерируют свет под действием приложенного напряжения.
Перечень видов применения кристаллов уже достаточно длинен и непрерывно растет.
4.Выращивание кристаллов в домашних условиях.
4.1.Выращивание кристаллов соли.
Для проведения работы мне потребуется:
Соль (я взял крупнокристаллическую морскую)
Вода (для лучшего результата можно взять дистиллированную, но подойдет любая, я взял фильтрованную, чтобы избежать ненужных примесей)
Нить (можно взять леску, на ней с меньшей вероятностью будут оседать кристаллики соли, а значит, больше будет расти основной затравочный кристалл)
Марля или фильтр пакет (подойдет для кофе), для фильтрации раствора соли от не растворившихся кристалликов, опять же для того чтобы больше рос основной затравочный кристалл.
Карандаш или CD диск для фиксации нити с затравочным кристаллом на банке.
Емкость для выращивания кристалла лучше прозрачная, чтобы было удобней наблюдать за ростом кристалла (подойдет обычная стеклянная банка).
Затравочный кристалл (т.к. я взял крупнокристаллическую соль, у меня нет необходимости выращивать затравочный кристалл самостоятельно).
Опишу процесс выращивания кристаллов соли пошагово:
Необходимо налить в стакан воды, поставить стакан в кастрюлю, также наполненную горячей водой.
Теперь насыпаю в стакан соль, перемешиваюдо полного растворения соли. Воду в кастрюле можно немного подогреть, в стакан добавить ещё соли и перемешать до полного растворения соли;
Повторяю, предыдущий шаг до тех пор, пока соль уже не будет в состоянии растворяться. Когда я вижу, что соль оседает на дно используемого стакана это говорит о том, что получился насыщенный солевой раствор;
Раствор соли процеживаю через марлю в другую ёмкость, выкинув осадок из соли, который образовался на дне;
Теперь – важный момент. Из кристалликов соли выбираю любой крупный кристаллик и подвешиваю его за нитку таким образом, чтобы кристаллик не касался стенок банки. Такой кристаллик ещё называют «затравкой»;
Ставлю банку в любое место с обычной комнатной температурой, накрыв его салфеткой для защиты от пыли. Лишний раз его лучше не трогать.
Уже через несколько дней можно увидеть, что кристаллик начинает расти. (Стоит знать, что если проделывать, хотя бы раз в неделю, весь процесс приготовления раствора насыщенной соли и использовать тот же кристаллик в новом растворе, то расти он будет значительно быстрее).
Через две недели кристаллы соли выросли до размера, изображенного на следующей фотографии, несмотря на небольшой размер, отдельные кристаллы соли хорошо просматриваются, поэтому опытную часть работы по выращиванию кристаллов соли считаю удавшейся.
После того, как кристалл готов, покрываю его бесцветным лаком. Это делается для того, чтобы вода, которая находится в кристалле не испарилась, а сам кристалл не рассыпался.
4.2.Выращивание кристаллов медного купороса.
Для проведения работы мне потребуется:
медный купорос или сульфат меди, который можно купить не только в химическом магазине, но и в магазине для садоводства. Хотя он и не будет достаточно чистым, но это и не столь принципиально.
Все остальное аналогично тому, что нам потребовалось для выращивания кристаллов соли, кроме затравочного кристалла, его необходимо вырастить самостоятельно.
Это важно!
Перед тем как приступить к выращиванию кристалла медного купороса стоит отметить, что это вещество является токсичным. При работе с медным купоросом в домашних условиях необходимо использовать резиновые перчатки и не допускать его попадания в пищевод и на слизистые оболочки. По окончании работ необходимо тщательно вымыть руки в проточной воде.
Опишу процесс выращивания кристаллов медного купороса:
Сначала необходимо вырастить затравочный кристалл. Для этого, как и в предыдущем случае, необходимо налить в стакан воды, поставить стакан в кастрюлю, также наполненную горячей водой насыпая и перемешивая медный купорос приготовить насыщенный раствор.
Фильтрую раствор в другую емкость
Поставлю емкость с раствором в холодное место, но не накрываюего крышкой.
На второй день утром в банке уже заметны 3 кристаллика медного купороса.
К середине дня эти кристаллики выросли до 3 см, а вокруг крупных кристаллов, стала заметна россыпь более мелких, часть из которых прикрепились к большим. Аккуратно зубочисткой я отсоединил мелкие кристаллики от крупных, чтобы в дальнейшем они не мешали им расти. Два крупных кристалла я и буду использовать в качестве затравочных кристаллов.
Затравочные кристаллы аккуратно привязываю к нитке и помещаю в разные емкости, с новым профильтрованным и остывшим раствором медного купороса.
Я использую две емкости, для того чтобы вырастить кристаллы в разных условиях:
в одном я через некоторое время поменяю раствор на новый;
другой же я оставлю без изменений на все время выращивания кристалла
в первой банке, на следующий день, кристалл медного купороса вырос и достал до дна банки, чтобы он не прирос к кристаллам, образовавшимся на дне, я навел новый раствор медного купороса и поместил кристалл в большую емкость(измерив предварительно его размер), хорошо видно, что за сутки он вырос на 1 сантиметр
через неделю достаю кристаллы
кристалл, с поменянным раствором (24 грамма)
кристалл, раствор в котором не меняли (11грамм)
кристалл, который рос в поменянном растворе больше в два раза, это подтверждает, то что чем чаще менять раствор для выращивания, тем быстрее вырастет кристалл.
Вывод
Проведя исследовательскую работу по теме «кристаллы», я понял, что:
кристаллы окружают нас повсюду;
кристаллы создала природа, но человек научился выращивать, уже больше половины из них, в лабораторных условиях;
перечень видов применения кристаллов достаточно длинен и непрерывно растет.
кристаллы некоторых веществ можно вырастить даже в домашних условиях, это весьма увлекательная и интересная работа.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Аликберова Л.Ю. Занимательная химия: Книга для учащихся, учителей и родителей. М.: АСТ-ПРЕСС. 1999.
Большая детская энциклопедия: Химия / сост. К. Люцис. М.: Русское энциклопедическое товарищество. 2000.
Боровицкий П.И. Краткий справочник преподавателя естествознания. М.: Учпедгиз. 1951.
Владимиров А.В. Солёное золото: Научно-худож. литература. М.: Дет. лит.1986.
Девяткин В.В. Химия для любознательных или о чём не узнаешь на уроке. Ярославль: Академия Холдинг. 2000.
Леенсон И.А. Занимательная химия. М.: Дрофа. 1996.
Энциклопедический словарь химика. М.: Педагогика. 1990.
Интернет-ресурсы:
http://www.zircon81.narod.ru/Metodica.html
http://www.waynesthisandthat.com/crystals.htm#fast - fast
http://www.crystalgrowing.com/index_e.htm
Приложение
рис.1 рис.2
рис.3 рис.4
рис.5 рис.6 рис.7 рис.8
рис.9 рис.10
рис.11 рис.12
рис.13 рис.14
рис.15 рис.16
рис.17 рис.18
рис.19 рис.20
рис.21 рис.22
рис.23 рис.24
рис.25 рис.26
рис.27