XVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Исследование влияния различных факторов на рост кристаллов
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
В недрах нашей планеты скрыты несметные сокровища. С древних времен жизнь людей связана с добычей драгоценных камней (кристаллов). Такие как топазы, рубины, сапфиры, бриллианты и т.д. Их использовали и используют в ювелирных изделиях, расшивали и расшивают роскошные наряды. Но развитие мира доказало, что понятие кристалл, это не только украшения, а и пища (соль, сахар, лед). Мы ходим по песку, строим из глины, а также, сотни других веществ, это не что иное как, кристаллы.
Кристаллы бывают натуральные, то есть извлеченные из недр земли и искусственные, то есть созданные руками человека (самый яркий пример – кристаллы Сваровски).
Я поставила себе цель – вырастить кристалл в домашних условиях и отследить влияние разных факторов на его создание.
Для получения результата мне необходимо выполнить ряд задач:
Полностью раскрыть понятие кристалл
Исследовать опыт моих единомышленников
Изучить методы выращивания кристаллов
Провести наблюдение за процессом их роста (кристаллизации)
Объект исследования - кристаллы
Предмет исследования – условия и факторы влияющие на формирование роста кристаллов в домашних условиях
Гипотеза – мое предположение, что вырастить кристаллы в домашних условиях возможно.
Методами моего исследования служат
- работа с методической литературой
- изучение опыта единомышленников путем поиска в Интернете
- проведение собственного эксперимента
- наблюдение
- анализ
1. Понятие о кристалле и кристаллическом веществе
Кристаллы — это все твердые тела, имеющие форму многогранника, возникающую в результате упорядоченного расположения атомов. Кристаллографию называют наукой о кристаллах, кристаллических природных телах. Она изучает форму, внутреннее строение, происхождение, распространение и свойства кристаллических веществ. Кристаллами называют все твердые тела, имеющие форму многогранника, возникающую в результате упорядоченного расположения атомов. Примерами хорошо образованных кристаллов могут служить кубики пирита, двенадцатигранники граната, заостренные на концах призмы горного хрусталя, восьмигранники (октаэдры) важнейшей железной руды – магнетита, многие драгоценные камни: алмаз, рубин, топаз и др. подобные образования иногда достигают огромных размеров.
Свойства кристаллических веществ:
1.Анизотропность(т.е.неравносвойственность). Анизотропными называются такие вещества, которые имеют одинаковые свойства в параллельных направлениях, и неодинаковые в непараллельных. Различные физические свойства кристаллов, такие, как теплопроводность, твердость, упругость, распространение света и др., изменяются с изменением направления. В противоположность анизотропным, изотропные тела имеют одинаковые свойства во всех направлениях.
2. Способность самоограняться. Этой специфической особенностью обладают только кристаллические вещества. При свободном росте кристаллы ограничиваются плоскими гранями и прямыми ребрами, принимая многогранную форму.
3. Симметрия. Симметрией называется закономерная повторяемость в расположении предметов или их частей на плоскости или в пространстве. Все (моно)кристаллы являются телами симметричными.
4. Кристаллическое состояние при данном давлении характеризуется определенным значением температуры плавления и минимальной внутренней энергией.
2. Возникновение и рост кристаллов
Кристаллы возникают при переходе вещества из любого агрегатного состояния в твердое. Главным условием образования кристаллов является понижение температуры до определенного уровня, ниже которого частицы (атомы, ионы), потеряв избыток теплового движения, проявляют присущие им химические свойства и группируются в пространственную решетку.
При температурах, измеряемых тысячами градусов, ни одно из известных в природе веществ в кристаллическом состоянии существовать не может. Вторым важным условием является давление. Температура и давление – это термодинамические условиясуществования кристаллическоговещества. Высоко нагретое вещество при охлаждении может проходить стадии газообразной смеси, жидкости, расплава, твердого состояния. Поэтому возможны три способа образования кристаллов.
Кристаллизация путем возгонки – переход непосредственно из газообразного состояния к твердому. В этом случае кристаллы образуются прямо из пара, минуя жидкую фазу. Примером могут служить возгонка и перекристаллизация йода. В природе этот процесс происходит в кратерах, вулканических трещинах (налеты нашатыря, серы и др.). Зимой при ясной морозной погоде в воздухе образуются снежинки.
Раскристаллизация в твердом состоянии – переход из твердого состояния в твердое. Здесь возможны два процесса. Первый – кристаллическое вещество может образовываться из аморфного. Так, с течением времени раскристаллизовываются стекла и содержащие стекло вулканические породы. Второй процесс – перекристаллизация: структура одних веществ разрушается и образуются новые кристаллы с иной структурой. Явления перекристаллизации широко распространены в природе и ведут к образованию новых минералов, горных пород и руд. Все метаморфические горные породы в той или иной степени являются перекристаллизованными. Под влиянием температуры, давления и других факторов известняк, например, переходит в мрамор, глинистые породы – в филлиты и кристаллические сланцы, кварцевые песчаники – в кварциты.
Кристаллизация из расплавов и растворов – основной способ образования кристаллов в природе. Так образуются из огненно-жидкого силикатного расплава (магмы) массивные кристаллические породы – граниты. На дне озер, заливов и в море отлагаются кристаллы солей. Из расплавов и растворов выращиваются искусственные кристаллы (например, технические и драгоценные камни: пьезокварц, карборунд, рубин, алмаз, сапфир и др.).
Таким образом, основное условие зарождения – переохлаждение или перенасыщение. Зарождение кристаллов – переохлаждение или перенасыщение. Зарождение кристаллов может идти самостоятельно. Но иногда для роста кристаллов достаточным бывает наличие мельчайших кристалликов самого кристаллизуемого вещества или близких к нему по строению частиц других твердых веществ. Процесс образования кристаллов проходит скачкообразно, с выделением энергии, с перегруппировкой частиц, с резким изменением первоначальных свойств. Кристаллизационная способность у различных веществ неодинакова, она определяется количеством центров кристаллизации, образующихся в единицу времени в единице объема, и скоростью роста кристаллов.При большой скорости образования центров кристаллизации возникает много мелких кристаллов, при малом количестве центров возникают крупные кВыращивание 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 драгоценные и полудрагоценные камни, например, аметисты, выращенные на заводе, ничем не отличаются от своих знаменитых уральских и бразильских собратьев: ни внешне, ни по структуре.
Меня очень заинтересовали кристаллы и я решила сама попробовать вырастить кристалл из соли в домашних условиях.
3. Проведение эксперимента
Для проведения эксперимента, я взяла:
-стакан мерный на 100 мл
-стакан мерный на 50 мл
-палочка стеклянная (для размешивания)
-воронка стеклянная или пластиковая
-соль поваренная (или каменная), берите без добавок, так как они могут повлиять на результат
-бумажный лабораторный фильтр или бумажное полотенце
-палочка или карандаш
-нитка или леска
-ножницы
-вода
Отмерим 50 мл воды при помощи мерного стакана на 50 мл.
Далее нам нужно приготовить насыщенный раствор соли. На 50 мл. воды нам понадобится около 20 гр. соли. Перемешиваем раствор стеклянной палочкой до полного растворения соли в воде, но нужно добавить ещё ложку соли и попробовать перемешать её, если соль больше не растворяется, значит, у нас получился насыщенный раствор.
Берём квадратный лист салфетки и складываем его пополам, потом ещё пополам. Срезаем угол и раскрываем. Фильтр готов. Берём фильтр и вставляем его в воронку. Её ставим на стакан объёмом 100 мл и аккуратно вливаем в него раствор. Берём нитку (леску) и наматываем на деревянную палочку или карандаш. Опускаем нитку (леску) в раствор. Важно, чтобы нитка (леска) не касались дна и стенок стакана. Если всё сделано правильно, то кристаллы начнут расти или на нитке (леске), или на дне. Важно чтобы ёмкость была чистой и закрыта от пыли. Не трогайте кристалл и не доставайте его из раствора, чтобы не испортить его. Кристаллы из поваренной соли растут очень медленно (особенно монокристаллы), но результат стоит ожидания. Вот какие поликристаллы у меня получились.
Заключение
Выращивание кристаллов – очень интересный и увлекательный процесс. В результате проведенных исследований моя гипотеза полностью подтвердилась. Мне удалось вырастить кристаллы поваренной соли в домашних условиях. На основании проведенных опытов, я смогла сделать вывод, что соль состоит из кристаллов. При соприкосновении с водой соль растворяется, по мере испарения воды соль снова образует кристаллы. При росте в холодном месте, кристалл получается более хрупким, чем в теплом. В перенасыщенном растворе получаются друзы. В магнитном поле кристаллы, образуются быстрее. В ходе выполнения исследовательской работы я узнала способы выращивания кристаллов. Много узнала об образовании кристаллов.
Благодаря такому опыту, даже самый начинающий исследователь может применить свои знания и помочь развивающимся и уже развитым предприятиям в области ювелирной промышленности, пищевой и агропромышленной.
Список литературы
1.https://www.geolib.net/crystallography
2.https://www.geolib.net/crystallography/obrazovanie-i-rost-kristallov.html
3. https://himya.ru/kristally.html
4. Кристаллы. Практическое руководство для начинающих. Как выбрать, почувствовать, использовать (новое оформление) | Фрезье Карен
5. Живой кристалл. Гегузин Я.Е