XVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
КРИСТАЛЛЫ. РОЖДЕНИЕ КРИСТАЛЛА ИЗ ПЕСЧИНКИ
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение.
Кристаллы одни из самых красивых и загадочных творений природы. В настоящее время изучением многообразия кристаллов занимается наука кристаллография. Она выявляет признаки единства в этом многообразии, исследует свойства и строение как одиночных кристаллов, так и кристаллических агрегатов. Кристаллография является наукой, всесторонне изучающей кристаллическое вещество.
В давние времена считалось, что кристаллы представляют собой редкость. Действительно, нахождение в природе крупных однородных кристаллов - явление нечастое. Однако мелкокристаллические вещества встречаются весьма часто. Так, например, почти все горные породы: гранит, песчаники известняк - кристалличны. Сейчас мы знаем, что даже некоторые части организма кристалличны, например, роговица глаза.
Кристаллы окружают нас повсюду. Твердые тела, из которых строят дома, делают станки; вещества, которые мы употребляем в быту,- почти все они относятся к кристаллам.
Представление древних о кристаллах было похоже на легенды. Верили, что хрусталь образуется изо льда, а алмаз – из хрусталя. Кристаллы наделялись множеством таинственных свойств: исцелять от болезней, предохранять от яда, влиять на судьбу человека…
Многие кристаллы идеально чисты и прозрачны, как вода. Недаром существуют выражения: «прозрачный, как кристалл», «кристально чистый».
В земле иногда находят камни такой формы, как будто их кто-то тщательно выпиливал, шлифовал, полировал. Правильность и совершенство формы этих камней, безукоризненная поверхность поражают. Трудно поверить, что такие многогранники образовались сами без помощи человека. Эти камни и называются кристаллами.
Слово «кристалл» происходит от греческого «крюсталлос», то есть «лед».
В настоящее время кристаллы имеют большое распространение в науке и технике, так как обладают особыми свойствами. Такие области использования кристаллов, как.
Именно поэтому свое исследование я посвятила кристаллам.
Цель работы: установить влияние температуры на скорость выращивания кристаллов поваренной соли и медного купороса, сходство кристаллов и живых организмов.
Гипотеза:
можно вырастить кристалл без применения специальной техники; кристалл растет постепенно.
Методы исследования: изучение и анализ литературы, эксперимент, наблюдение.
Актуальность выбранной темы: Кристаллы так хороши собой, что ими можно любоваться часами. Полупроводники, сверхпроводники, квантовая электроника и многие другие, требуют глубокого понимания зависимости физических свойств кристаллов от их химического состава и строения
Задачи:
Изучить литературные и электронные источники по данной теме.
Изучить среду выращивания кристаллов.
Отобрать вещества, применяемые в быту, из которых возможно вырастить кристаллы;
Вырастить различные кристаллы в домашних условиях.
Проследить за ростом кристаллов при разных температурах и оценить их форму.
Сравнить кристаллы и живые организмы.
1. Кристаллы, их свойства, применение.
1.1. Что такое кристалл.
Кристаллами называются «все твердые тела, в которых слагающие их частицы (атомы, ионы, молекулы) расположены строго закономерно наподобие узлов пространственных решеток» кристаллическое состояние многообразно. Одни и те же по составу молекулы могут быть упакованы в кристаллах разными способами. От способа упаковки зависят физические и химические свойства вещества. Таким образом, одни и те же по химическому составу вещества на самом деле часто обладают различными физическими свойствами. Если мы имеем дело с отдельным кристаллом, то называем его монокристаллом. В природе в основном встречаются поликристаллы – вещества, состоящие из множества кристаллов. Для скопления многих кристаллов используется термин кристаллический агрегат. Все кристаллы симметричны. Кристаллическое состояние является нормальным состоянием твердого вещества.
К высшей категории относятся самые симметричные кристаллы. К таким формам относятся куб, октаэдр, тетраэдр и др. Им всем присуща общая черта: они примерно одинаковы во все стороны.
К средней категории относятся средне симметричные кристаллы. Формы этих кристаллов: призмы, пирамиды и др. Общая черта: резкое различие вдоль и поперек главной оси симметрии.
К низшей категории относятся кристаллы менее симметричные не имеющие оси симметрии. Структура данных кристаллов самая сложная.
К кристаллам высшей категории относятся: алмаз, квасцы, гранаты ,германий, кремний, медь, алюминий, золото, серебро, серое олово, вольфрам, железо , к средней категории – графит, рубин, кварц, цинк, магний, белое олово, турмалин, бериллий, к низшей – гипс, слюда, медный купорос, сегнетовая соль и др.
1.2. Кристаллическая решетка.
Для наглядного представления внутренней структуры кристалла применяется способ изображения его с помощью пространственно-кристаллической решетки.
Рис.1. Кристаллические решетки алмаза и графита.
Пространственная решетка алмаза (рис.1) является кубической гранецентрированной. С каждым узлом решетки связан примитивный базис, состоящий из двух одинаковых атомов. Тетраэдрическое расположение связей в структуре алмаза можно увидеть на рисунке: каждый атом имеет четырех ближайших соседей. Элементарный куб содержит восемь атомов. Строгое расположение атомов гарантирует такие свойства алмаза, как прочность.
И графит, и алмаз состоят из атомов углерода. Так выглядит кристаллическая решетка графита. Атомы располагаются слоями. Из-за этого сильно меняются физические свойства графита. Графит легко расслаивается и не обладает прочностью.[5]
1.3. Физические свойства кристаллов.
Остановимся на одном из главных физических свойств вещества - его плотности и на основе этого рассмотрим плотность кристаллов и как она связана со строением кристаллов.
Плотность кристалла зависит от типа кристаллической структуры вещества, его химического состава, коэффициента упаковки атомов, валентностей и радиусов слагающих его частиц. Кристаллы имеют некую внутреннюю симметрию, которая не обнаруживается в бесформенной крупинке. Симметрия кристаллов получает наружное выражение только тогда, когда они имеют возможность свободно расти без каких-либо помех. Но даже хорошо организованные кристаллы редко имеют совершенную форму, и нет двух кристаллов, которые были бы совершенно одинаковы.
Форма кристалла зависит от многих факторов, один из которых - форма элементарной ячейки. Если такой «кирпичик» повторить одинаковое число раз параллельно каждой из его сторон, то получится кристалл, форма и относительные размеры которого точно такие же, как у элементарной ячейки. Близкая к этому картина характерна для многих кристаллических веществ. Но на форму оказывают влияние и такие факторы, как температура, давление, чистота, концентрация и направление движения раствора. Поэтому кристаллы одного и того же вещества могут обнаруживать большое разнообразие форм. Различие форм связано с тем, как именно укладываются одинаковые «кирпичики».
1.4. Применение кристаллов.
Применения кристаллов в науке и технике так многочисленны и разнообразны, что их трудно перечислить. Поэтому ограничимся несколькими примерами. 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 за рубки.
Мелкий порошок алмаза, смешанный с каким-нибудь клей ким 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. Алмазным 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.[4]
Рубин и сапфир относятся к самым красивым и самым дорогим из драгоценных камней. 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. Корунд - это один из самых твердых камней на Земле, самый твердый после алмаза.
Кремень, аметист, яшма, опал, халцедон - все это разновидности кварца. Мелкие зернышки кварца образуют песок. А самая красивая, самая чудесная разновидность кварца - это 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.
Постепенно кристаллы Swarovski, выполненные из австрийского хрусталя высокого качества, сочетающие в себе функционализм и красоту, инновационные технологии и глубокомысленный дизайн, стали использовать для оформления интерьеров (рис. 2).
Рис.2. Кристаллы в освещении.
Каждый кристалл Swarovski излучает настолько положительные эмоции и бесконечное обаяние, что постоянно подталкивает дизайнеров к созданию все новых и новых шедевров, которые украшают наши интерьеры, и становятся с каждым днем все более популярными.
Осветительные системы сегодняпредставляют собой точно отшлифованные кристаллы, сочетаемые с передовой светодиодной технологией. Такая осветительная система позволяет добиться необыкновенного эффекта за счет того, что в ней использованы мерцающие кристаллы, которые излучают свет, что заставляет стены и потолки переливаться и мерцать.[3]
1.5. Кристаллы в природе.
Кристаллы зарождаются и растут при достижении некоторого, разного для раз личных химических соединений, критического пересыщения среды веществом будущих кристаллов. В природе оно может достигаться, например, за счет испарения растворителя. Так, в естественных условиях, природные соли нередко кристаллизуются при испарении рассолов в озерах и морских лагунах. Кристаллизация может начаться при понижении температуры (простые примеры - кристаллизация льда, остывание и раскристаллизация глубинных магматических расплавов) или изменении давления (именно так в некоторых вольфрамовых месторождениях образуется халцедон - это быстро закристаллизовавшаяся при резком спаде давления скрытокристаллическая разновидность кварца). Наконец, кристаллизация может начаться в результате химических реакций. Так, при фильтрации через граниты перегретых водных растворов магматического происхождения полевые шпаты вступают в химические реакции с растворами, и на месте полевых шпатов выкристаллизовывается зернисто-чешуйчатый агрегат мусковита и кварца
Многие кристаллы являются продуктами жизнедеятельности организмов.
Некоторые виды моллюсков обладают способностью наращивать на инородных телах, попавших в раковину, перламутр. За 5 - 10 лет образуется драгоценный камень жемчуг, имеющий поликристаллическое строение. В морской воде растворено много различных солей. Миллиарды 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.[1]
Кристаллы льда и снега.
Иногда кристаллы образуются прямо из паров, а не из жидкости. В этом случае они бывают особенно правильны. Примером этого является образование инея и снежинок из водяных паров воздуха. Каждая снежинка формируется из шестиугольной молекулы воды. Один атом кислорода окружен четырьмя атомами водорода (два через атомные связи и два через водородные мостики). Затем появляются другие такие же молекулы, все они присоединяются к первой.
Кристаллы в облаках.
Кристаллики льда, причудливыми узорами которых мы любуемся в снежинках, могут в несколько минут погубить самолет. Обледенение - страшный враг самолетов, тоже результат роста кристаллов.
Кристаллы в пещерах.
Все природные воды - в океанах, морях, озерах, ручьях и подземных источниках - являются естественными растворами, все они растворяют встречающиеся им породы, и во всех этих растворах происходят сложные явления кристаллизации.
Особенно интересна кристаллизация подземных вод в пещерах. Капля за каплей просачиваются воды и падают со сводов пещеры вниз. Каждая капелька при этом частично испаряется и остается на потолке пещеры вещество, которое было в ней растворено. Так постепенно образуется на потолке пещеры маленький бугорок, вырастающий затем в сосульку. Эти сосульки сложены из кристалликов. Одна за другой капли мерно падают день за днем, год за годом, века за веками. Звук их падения глухо раздается под сводами. Сосульки все вытягиваются и вытягиваются, а навстречу им начинают расти вверх такие же длинные столбы сосулек со дна пещеры. Иногда сосульки, растущие сверху (сталактиты) и снизу (сталагмиты), встречаются, срастаются вместе и образуют колонны. Так возникают в подземных пещерах узорчатые, витые гирлянды, причудливые колоннады.
Кристаллы во Вселенной.
В облаках, в глубинах Земли, на вершинах гор, в песчаных пустынях, в озерах, морях и океанах, в доменных печах, в аппаратах химических заводов, в научных лабораториях, в клеточках растений, в живых и мертвых организмах - везде встретились мы с кристаллами. Нет такого места на Земле, где бы не было кристаллов, где бы не происходили все время возникновение, рост и разрушение кристаллов. Метеориты, посланцы из звездного мира, тоже состоят из кристаллов. В космических пришельцах - метеоритах - встречаются кристаллы, известные на Земле, и кристаллы минералов, на Земле не встречающихся.[2]
2. Выращивание кристаллов.
Крупные одиночные кристаллы, имеющие свою правильную форму, в природе встречаются очень редко. Но такой кристалл можно вырастить в искусственных условиях.
Фото 1. Поваренная соль для выращивания кристаллов.
Кристаллизация может происходить из раствора, расплава, а также из газообразного состояния вещества
Методика выращивания кристалла:
1.В воде растворяют достаточное количество кристаллического вещества.
2. При этом раствор подогревают до тех пор, пока вещество полностью не растворится
3.Затем раствор медленно охлаждают, переводя его тем самым в пересыщенное состояние
4.Опускаем затравку в приготовленный раствор
Результаты опыта:
Фото 2. Рост кристалла.
Фото 3. Выращенный кристалл медного купороса.
2.1. Влияние температуры на выращивание кристаллов.
Если скорость роста кристаллов мала при охлаждении – образуется стеклообразное состояние (аморфное).
Простые вещества остальных элементов имеют металлическую кристаллическую решётку.
Взаимосвязь между положением элемента в Периодической системе и кристаллической решёткой его простого вещества.
Между положением элемента в периодической системе и кристаллической решёткой его соответствующего простого вещества существует тесная взаимосвязь.
Таблица 1
Выращивание кристалла при разных температурах.
|
Температура |
Наблюдение за ростом кристалла |
|
+30 |
Не растет, растворяется |
|
+10 |
Рост кристалла происходит, но медленно |
|
0 |
Рост кристалла со средней скоростью |
|
-5 |
Рост быстрый, бесформенные кристаллы. |
Вывод: таким образом, наиболее оптимальная температура для роста кристалла- 0,-5.
Таблица 2
Сходство кристаллов и живых организмов.
|
Свойства |
Кристалл |
Живые организмы |
|
Системность |
+ |
+ |
|
Специфичность |
+ |
+ |
|
Рост |
+ |
+ |
|
Раздражимость |
+ |
+ |
|
Открытость |
+ |
+ |
|
Саморегуляция |
+ |
+ |
Вывод: как видно из таблицы, кристаллы сходны по ряду свойств с живыми организмами.
Выводы:
кристаллы окружают нас повсюду;
кристаллы различных веществ отличаются друг от друга по форме;
кристаллы, окружающие нас, могут расти в природе, в лаборатории, на заводе.
человек может получать искусственные кристаллы.
Заключение.
На основании проделанной работы я получила следующие результаты:
вырастила кристаллы из поваренной соли, медного купороса
в результате наблюдений я убедилась в том, что все кристаллы имеют различную правильную форму, что подтверждает наличие у кристаллов кристаллической решетки
кристаллы при разной температуре ведут себя по- разному.
кристаллы схожи с живыми организмами
полученные данные позволяют получить более наглядное представление о строении кристаллов, а в целом об окружающем нас мире
работа по выращиванию кристаллов сделала меня более наблюдательной, расширила мой кругозор, приобщила к науке, приоткрыла дверь в загадочную страну кристаллов и минералов.
В данной работе рассказана лишь малая часть того, что известно о кристаллах в настоящее время, однако и эта информация показала, насколько неординарны и загадочны кристаллы по своей сущности.
В облаках, в глубинах Земли, на вершинах гор, в песчаных пустынях, в морях и океанах, в научных лабораториях, в клеточках растений, в живых и мертвых организмах – везде встретим мы кристаллы. Но может кристаллизация вещества совершается только на нашей планете? Нет, мы знаем теперь, что и на других планетах и далеких звездах все время непрерывно возникают, растут и разрушаются кристаллы. Метеориты, космические посланцы, тоже состоят из кристаллов, причем иногда в их состав входят кристаллические вещества, на Земле не встречающиеся. Кристаллы везде.
Люди привыкли использовать кристаллы, делать из них украшения, любоваться ими. Теперь, когда изучены методы искусственного выращивания кристаллов, область их применение расширилась, и, возможно, будущее новейших технологий принадлежит кристаллам и кристаллическим агрегатам.
Список использованной литературы:
1. Блудов М.И. Беседы по физике. - М., 1984.
2. Ландау Л.Д., Китайгородский А.И. Физика для всех, Книга 2. Молекулы. - М.,1978.
3. Опыты без взрывов. / Сост.А.Г. Мадера, А.Б. Пятикоп. - М., 2000.
4. Энциклопедический словарь юного химика. / Сост. В.А. Крицман, В.В.Станцо. - М., 1982.
5. Энциклопедия для детей. Том 4. Геология. / Сост. С.Т. Исмаилова.