XVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Я выращиваю кристаллы

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Андрианова В.А. 1

---

1МБОУ "Лицей №21"

Куликова Е.В. 1

---

1МБОУ "Лицей №21"

Работа в формате PDF

4.5 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

ВВЕДЕНИЕ

Слово «кристалл» 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». Аналогичный вывод сделали в древности в Китае и Японии – лед и горный хрусталь обозначали там одним и тем же словом.

Особое место среди кристаллов занимают драгоценные камни, которые с древнейших времен привлекают внимание человека. Люди научились получать искусственно очень многие драгоценные камни. Например, подшипники для часов и других точных приборов уже давно делают из искусственных рубинов. Получают искусственно и прекрасные кристаллы, которые в природе вообще не существуют. Например, фианиты, которые внешне очень похожи на бриллианты.(6)

К сожалению, в домашних условиях вырастить драгоценные камни невозможно, однако можно вырастить кристаллы веществ, применяемых нами в быту. Поэтому, мы решили попробовать вырастить кристаллы в домашних условиях, описать полученный результат в данном проекте.

Цель проекта: экспериментальным путем вырастить кристаллы медного купороса, соли, сахара, пищевой соды, лимонной кислоты, а также соли из набора «Алхимик» и изучить их свойства.

Задачи исследования:

изучить информацию о кристаллах и способах их выращивания в домашних условиях;

вырастить кристаллы различных веществ путем постановки экспериментов;

проанализировать полученные результаты и сделать выводы;

Гипотеза:Кристаллы различных веществ значительно отличаются по скорости роста, цвету, форме и размерам самих кристаллов.

Методы исследования:

использование Интернет-ресурсов для поиска информации;

анализ информации;

эксперимент;

наблюдение;

фиксация результатов;

сравнительный анализ полученных образцов.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Что такое кристаллы?

Как известно, все вещества в природе находятся в основном в трех состояний: газообразном, жидком и твердом. Любой кристалл — это всегда твердое вещество, однако твердое вещество далеко не всегда является кристаллом. Чтобы в этом разобраться, необходимо рассмотреть внутреннюю структуру веществ. В отличии от жидких и газообразных веществ, в твердых веществах, частицы расположены, как правило, очень плотно друг к другу, однако расположены они хаотично. В кристаллах же, эти частицы выстроены в определенной закономерности. В результате, структура таких веществ принимает форму правильных симметричных многогранников, образуя так называемую кристаллическую решетку. От кристаллической решетки, свойства вещества могут сильно меняться. Так, графит и алмаз являют собой различные формы одного и того же химического элемента — углерода. Однако из-за различной кристаллической решетки они обладают различными свойствами. Графит достаточно мягкий, имеет темно-серый цвет. В то время как алмаз - одно из самых твердых в мире веществ и как правило, бесцветный.

Все кристаллические соединения можно разделить на моно- и поликристаллические. Монокристалл представляет собой монолит с единой ненарушенной кристаллической решеткой. Природные монокристаллы больших размеров встречаются очень редко. Большинство кристаллических тел являются поликристаллическими, то есть состоят из множества мелких кристалликов, иногда видных только при сильном увеличении. (6)

Рост кристаллов

Многие видные ученые, внесшие большой вклад в развитие химии, минералогии, других наук, начинали свои первые опыты именно с выращивания кристаллов. Помимо чисто внешних эффектов, эти опыты заставляют задумываться на тем, как устроены кристаллы и как они образуются, почему разные вещества дают кристаллы разной формы, а некоторые вовсе не образуют кристаллов, что надо сделать, чтобы кристаллы получились большими и красивыми.

Каждое кристаллическое вещество имеет определенную свойственную ему внешнюю форму кристалла. Например, для хлорида натрия эта форма – куб, для лимонной кислоты – октаэдр (ромбическая форма), для медного купороса — триклинная решетка, для сахара и соды— моноклинная форма. И даже если сначала такой кристалл имел неправильную форму, он все равно рано или поздно превратится в куб или октаэдр. Более того, если кристалл с правильной формой специально испортить, например, отбить у него вершины, повредить ребра и грани, то при дальнейшем росте такой кристалл начнет самостоятельно «залечивать» свои повреждения. Происходит это потому, что «правильные» грани кристалла растут быстрее, «неправильные» – медленнее. Чтобы убедиться в этом, был проведен такой опыт: из кристалла поваренной соли выточили шар, а потом поместили его в насыщенный раствор поваренной соли; через некоторое время шар сам постепенно превратился в куб.

Если процесс кристаллизации идет не слишком быстро, а частицы обладают удобной для укладки формой и высокой подвижностью, они легко находят свое место. Если же резко снизить подвижность частиц с низкой симметрией, то они «застывают» как попало, образуя прозрачную массу, похожую на стекло. Такое состояние вещества так и называют – стеклообразным. Примером может служить обычное оконное стекло. Если стекло долго держать сильно нагретым, когда частицы в нем достаточно подвижны, в нем начнут расти кристаллы силикатов. Такое стекло теряет прозрачность.

Трудно кристаллизуются вещества с «неудобной» формой молекул. К таким веществам относятся, например, белки и другие биополимеры.(6)

Применение кристаллов

Применения кристаллов в науке и технике так многочисленны и разнообразны, что их трудно перечислить. 

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 даже камни. Колоссальное значение имеет алмаз при бурении горных пород, в горных работах. Алмазным порошком шлифуют и полируют твердые камни, сталь, твердые и сверхтвердые сплавы. Сам алмаз можно резать, шлифовать и гравировать тоже только алмазом.

Рубин и сапфир относятся к самым красивым и самым дорогим из драгоценных камней. У всех этих камней есть и другие качества, более скромные, но полезные. Кроваво-красный рубин и лазарево-синий сапфир - это родные братья, это вообще один и тот же минерал — корунд. Разница в цвете возникла из-за очень малых примесей. Есть корунды и других цветов.

Есть у них ещё совсем скромный, невзрачный брат: бурый, непрозрачный, мелкий корунд - наждак, которым чистят металл, из которого делают наждачную шкурку. Корунд со всеми его разновидностями - это один из самых твердых камней на Земле, самый твердый после алмаза. Корундом можно сверлить, шлифовать, полировать, точить камень и металл. Из корунда и наждака делают точильные круги и бруски, шлифовальные порошки.

Вся часовая промышленность работает на искусственных рубинах. На полупроводниковых заводах тончайшие схемы рисуют рубиновыми иглами.

Новая жизнь рубина - это лазер. Оказалось, что кристалл рубина усиливает свет. Лазер светит ярче тысячи солнц.

Сапфир прозрачен, поэтому из него делают пластины для оптических приборов.

Основная масса кристаллов сапфира идет в полупроводниковую промышленность.

Кремень, аметист, яшма, опал, халцедон — все это разновидности кварца. Мелкие зернышки кварца образуют песок. А самая красивая, самая чудесная разновидность кварца - это и есть 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. Пьезоэлектрические кристаллы широко применяются для воспроизведения, записи и передачи звука. Перечень видов применения кристаллов уже достаточно длинен и непрерывно растет. (4)

Выращивание кристаллов в домашних условиях

Выращивать кристаллы в домашних условиях можно двумя способами: охлаждением раствора и выпариванием воды. Метод охлаждения раствора заключается в том, что при охлаждении растворение солей в растворе замедляется и они выпадают в осадок. Если раствор охлаждается быстро, то получается множество мелких кристаллов, если медленно, то несколько крупных. Второй способ – постепенное удаление воды из насыщенного раствора путем простого испарения жидкости. Чем медленнее удаляется вода, тем лучше получается результат. Сосуд с раствором необходимо поставить при комнатной температуре на длительный срок, накрыв его листом бумаги, — вода при этом будет испаряться медленно, и пыль в раствор попадать не будет. (1) В нашей работе мы использовали второй способ, поскольку в домашних условиях его реализовать проще.

Технология выращивания кристаллов

После изучения литературы было принято решение использовать следующую технологию выращивания кристаллов. Сначала необходимо вскипятить воду. Вода должна быть либо дистиллированной либо хорошо отфильтрованной. В горячую воду (200-300 мл.) необходимо добавлять вещество до тех пор, пока оно не прекратит растворяться в воде. При этом необходимо контролировать, чтобы вода оставалась горячей. Как только вещество прекратит растворяться в воде, значит раствор стал насыщенным. Полученный раствор следует отфильтровать, чтобы удалить остатки не растворившегося вещества. Это нужно, чтобы избежать неконтролируемого роста кристаллов на осадке. Отфильтрованный раствор помещается в банку. Сверху в него погружается закрепленная на палочке нитка. Для предотвращения слишком быстрого испарения воды сверху банку необходимо накрыть бумагой или крышкой. Если одновременно в различных банках выращиваются различные кристаллы, то каждая банка подписывается. Банка помещается в теплое, защищенное от сквозняков и вибраций место, поскольку перепады температуры и вибрация могут нарушить рост кристаллов. Дальнейшая работа заключается в ежедневном контроле роста кристаллов и периодическом добавлении свежего раствора по мере испарения старого.

Техника безопасности при выращивании кристаллов в домашних условиях

Дети должны проводить опыты по выращиванию кристаллов только в присутствии взрослых;

Соли необходимо держать подальше от детей и домашних животных во избежание отравления;

Соли и инвентарь применяемые для выращивания кристаллов нельзя использовать для приготовления и приема пищи;

Нельзя принимать пищу во время проведения опытов;

Избегать попадания солей в рот и глаза, но если это произошло, необходимо тщательно промыть рот и глаза большим количеством воды из под крана;

При работе с горячей водой необходимо проявлять осторожность. Доставать раствор из водяной бани следует только после его остывания до температуры превышающей комнатную не более чем на 10 градусов;

Растворы солей вообще не следует вдыхать или нюхать никакими способами;

Хранить соли и их растворы следует в отдельных баночках от других солей и растворов, баночки необходимо подписать;

Нельзя использовать банки для выращивания разных солей, иногда соли сложно вымываются и остатки могут вступить в нежелательные реакции с другими солями;

При работе с газовой/электрической плитой необходимо тщательно проветривать помещения;

Необходимо проявлять аккуратность при работе с газовыми плитами;

После проведения опытов обязательно вымыть руки, очистите плиту и поверхность прилегающую к ней от возможных остатков солей;

Нельзя использовать железные ложки и резервуары для кристаллизации так как некоторые соли могут вступать в реакцию с железом, в следствии чего опыт может не удастся или даже навредить;(3)

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Выращивание кристаллов соли

В первую очередь был приготовлен насыщенный солевой раствор путем растворения соли в горячей воде до тех пор, пока она не перестанет в ней растворяться. (Приложение 1 Рисунок 1) Полученный насыщенный раствор был отфильтрован с помощью фильтровальной бумаги. (Приложение 1 Рисунок 2) В банку с отфильтрованным раствором была помещена закрепленная на палке нитка. (Приложение 1 Рисунки 3,4) Во избежание слишком быстрого испарения воды, а также попадания сора и пыли, банка была накрыта крышкой и помещена в теплое, недоступное для сквозняков место. Через три дня была осуществлена проверка — начался ли рост кристаллов? (Приложение 1 Рисунок 5) Через две недели кристаллы приняли следующий вид. (Приложение 1 Рисунок 6). Опыт показал, что кристаллы соли растут очень быстро. Уже через три дня было заметно, что начался интенсивный рост и по всей длине нитки. Полученные кристаллы прозрачны и имеют форму куба, что подтверждает теоретические данные.(Приложение 1 Рисунок 6) Таким образом для кристаллов соли можно составить следующую таблицу:

Таблица 1 — Свойства кристаллов соли.

Выращивание кристаллов сахара

Был приготовлен насыщенный раствор путем растворения сахара в горячей воде до тех пор, пока он не перестал в ней растворяться. (Приложение 2 Рисунок 1) Полученный насыщенный раствор был отфильтрован с помощью фильтровальной бумаги. В банку с отфильтрованным раствором была помещена закрепленная на палке нитка. (Приложение 1 Рисунок 2) Во избежание слишком быстрого испарения воды, а также попадания сора и пыли, банка была накрыта крышкой и помещена в теплое, недоступное для сквозняков место. Рост кристаллов начался сравнительно поздно — через полторы недели, однако в дальнейшем пошел достаточно интенсивно. Через две с половиной недели кристаллы приняли следующий вид. (Приложение 2 Рисунок 3). Опыт показал, что кристаллы сахара растут значительно медленнее кристаллов соли. Особенностью роста кристаллов сахара в данном эксперименте являлось то, что рост кристаллов наблюдался как по нитке, так и по поверхности . Из рисунка видно, что полученные кристаллы прозрачны и имеют преимущественно форму шестигранной призмы. (Приложение 2 Рисунок 3) Отклонения от формы можно наблюдать там, где кристаллы плотно прилегают друг к другу, поскольку это мешает им образовать правильную для вещества форму кристалла. Таким образом для кристаллов сахара можно составить следующую таблицу:

Таблица 2 — Свойства кристаллов сахара.

Выращивание кристаллов соды

Был приготовлен насыщенный раствор путем растворения соды в горячей воде до тех пор, пока она не перестанет в ней растворяться. (Приложение 3 Рисунок 1) Полученный насыщенный раствор был отфильтрован с помощью фильтровальной бумаги. В банку с отфильтрованным раствором была помещена закрепленная на палке нитка. Во избежание слишком быстрого испарения воды, а также попадания сора и пыли, банка была накрыта крышкой и помещена в теплое, недоступное для сквозняков место. Рост кристаллов начался практически сразу — на следующее утро было видно, что начался процесс кристаллизации. (Приложение 3 Рисунок 2). Через шесть дней кристаллы приняли следующий вид. (Приложение 3 Рисунок 3). Опыт показал, что кристаллы соды растут также быстро, как и кристаллы соли. Из рисунка видно, что полученные кристаллы прозрачны и имеют преимущественно моноклинную форму. (Приложение 3 Рисунок 3). Таким образом для кристаллов соды можно составить следующую таблицу:

Таблица 2 — Свойства кристаллов сахара.

Выращивание кристаллов медного купороса

Сперва был приготовлен насыщенный раствор медного купороса путем растворения его в горячей воде до тех пор, пока он не перестанет в ней растворяться. (Приложение 4 Рисунок 1) Полученный насыщенный раствор был отфильтрован с помощью фильтровальной бумаги. В банку с отфильтрованным раствором была помещена закрепленная на палке нитка. (Приложение 4 Рисунок 2) Во избежание слишком быстрого испарения воды, а также попадания сора и пыли, банка была накрыта крышкой и помещена в теплое, недоступное для сквозняков место. Уже на следующее утро очень интенсивно начался процесс кристаллизации. Кристаллизация шла очень активно, особенно по дну банки, поскольку часть медного купороса выпала в осадок. Таким образом через сутки на дне образовалась друза кристаллов, которая продолжила активный рост. (Приложение 4 Рисунок 3) К сожалению данная друза раскололась и в дальнейшем наблюдение продолжилось за более мелкой друзой. Через пять дней кристаллы приняли следующий вид. (Приложение 4 Рисунок 4). Опыт показал, что кристаллы медного купороса растут крайне быстро. В нашем эксперименте кристаллы медного купороса росли быстрее остальных веществ. Полученные кристаллы имеют яркий синий цвет и имеют форму триклинной решетки, что подтверждает теоретические данные.(Приложение 4 Рисунок 4) Таким образом для кристаллов медного купороса можно составить следующую таблицу:

Таблица 4 — Свойства кристаллов медного купороса.

Выращивание кристаллов лимонной кислоты

Сперва был приготовлен насыщенный раствор лимонной кислоты путем ее растворения в горячей воде до тех пор, пока она не перестанет растворяться. (Приложение 5 Рисунок 1) Полученный насыщенный раствор был отфильтрован с помощью фильтровальной бумаги. В банку с отфильтрованным раствором была помещена закрепленная на палке нитка. (Приложение 5 Рисунок 2) Во избежание слишком быстрого испарения воды, а также попадания сора и пыли, банка была накрыта крышкой и помещена в теплое, недоступное для сквозняков место. Начало процесса кристаллизации было обнаружено только через неделю. (Приложение 5 Рисунок 3) Окончательно, кристалл сформировался лишь через две с половиной недели. (Приложение 5 Рисунок 4) Опыт показал, что кристаллы лимонной кислоты растут крайне медленно. В нашем эксперименте кристаллы лимонной кислоты росли гораздо медленнее остальных веществ. Полученные кристаллы бесцветны и имеют ромбическую форму, что подтверждает теоретические данные.(Приложение 5 Рисунок 4) Таким образом для кристаллов лимонной кислоты можно составить следующую таблицу:

Таблица 5 — Свойства кристаллов лимонной кислоты.

Выращивание кристаллов из вещества набора «Алхимик»

Сперва был приготовлен насыщенный раствор путем растворения вещества в горячей воде до тех пор, пока оно не перестанет растворяться. (Приложение 6 Рисунок 1) В раствор был добавлен зеленый краситель из набора. Полученный насыщенный раствор был отфильтрован с помощью фильтровальной бумаги. В банку с отфильтрованным раствором была помещена закрепленная на палке нитка. Во избежание слишком быстрого испарения воды, а также попадания сора и пыли, банка была накрыта крышкой и помещена в теплое, недоступное для сквозняков место. Кристаллизация началась очень быстро Окончательно, друза кристаллов сформировалась уже через пять-шесть дней. (Приложение 6 Рисунок 2) Опыт показал, что кристаллы вещества из набора растут очень быстро. Полученные кристаллы имеют зеленый цвет (за счет красителя, в нормальном состоянии бесцветны) и имеют ромбическую форму, что подтверждает теоретические данные. (Приложение 6 Рисунок 2) Таким образом для кристаллов вещества из набора «Алхимик» можно составить следующую таблицу:

Таблица 6 — Свойства кристаллов вещества из набора «Алхимик».

Все результаты экспериментов могут быть сведены в общую таблицу:

Таблица 7 — Сводная таблица экспериментов

Из таблицы видно, что свойства полученных в идентичных условиях кристаллов очень сильно отличаются. Каждый полученный кристалл обладает своим набором свойств. Следовательно можно сделать вывод, что свойства кристалла зависят от самого вещества. Гипотеза нашла свое подтверждение.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе проведения работы была изучена информация о кристаллах, их свойствах, применении в науке и технике, их отличии от веществ с другой структурой. Изучена литература о технологиях выращивания кристаллов в домашних условиях и техники безопасности их выращивания. Проведены эксперименты по выращиванию в домашних условиях кристаллов соли, сахара, соды, медного купороса, лимонной кислоты и соли из набора «Алхимик». Полученные результаты были проанализированы, и была составлена сводная таблица, содержащая информацию об их основных свойствах, приведены выводы. В результате проведенной работы можно сделать вывод о том, что гипотеза нашла свое подтверждение. Кристаллы всех веществ значительно отличались друг от друга.

Перспективой дальнейших исследований является изучение технологий выращивания монокристаллов. Это гораздо более сложный процесс, требующий как большей подготовки, так и гораздо больших временных затрат. Полученные знания и опыт без сомнения пригодятся в дальнейшей учебе.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

Все про камни: Как самостоятельно вырастить кристаллы? [Электронный ресурс] https://vseprokamni.ru/interesno/vyrashhivanie-kristallov.html

Китайгородский А.И. Кристаллы [Электронный ресурс] https://bookscafe.net/book/kitaygorodskiy_aleksandr-kristally-75991.html

Кристаллов.net [Электронный ресурс] https://kristallov.net/tehnica_bezopasnosti.html

Мир вокруг нас: Мир кристаллов [Электронный ресурс] http://lara1972kav.blogspot.com/2012/12/blog-post.html

Технология бизнеса [Электронный ресурс] https://технология-бизнеса.рф/biznes-plany-rukovodstva/krasota-i-zdorove/vyrashchivanie-kristallov-kak-biznes/

Энциклопедия «Кругосвет» Кристаллы [Электронный ресурс] https://www.krugosvet.ru/enc/fizika/kristally

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Выращивание кристаллов соли

Рисунок 1 - Приготовление насыщенного раствора соли

Рисунок 2 - Фильтрация насыщенного раствора

Рисунок — 3 Закрепление нитки

Рисунок - 4 Процесс кристаллизации соли запущен

Рисунок 5 - Состояние кристаллов соли через 3 дня

Рисунок 6 — Полученные кристаллы соли

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Выращивание кристаллов сахара

Рисунок 1 — Приготовление насыщенного раствора сахара

Рисунок 2 — Готовый раствор сахара

Рисунок 3 - Друзы кристаллов сахара

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

Выращивание кристаллов соды

Рисунок 1 — Приготовление насыщенного раствора соды

Рисунок 2 — Кристаллы соды через сутки

Рисунок 3 - Кристаллы соды через шесть дней

ПРИЛОЖЕНИЕ 4

Выращивание кристаллов медного купороса

Рисунок 1 — Приготовление насыщенного раствора медного купороса

Рисунок 2 — Приготовленный раствор

Рисунок 3 — Друза кристаллов медного купороса

Рисунок 4 — Кристаллы медного купороса

ПРИЛОЖЕНИЕ 5

Выращивание кристаллов лимонной кислоты

Рисунок 1 — Приготовление насыщенного раствора лимонной кислоты

Рисунок 2 — Насыщенный раствор лимонной кислоты

Рисунок 3 - Кристаллы лимонной кислоты через неделю

Рисунок 4 — Кристаллы лимонной кислоты через две с половиной недели

ПРИЛОЖЕНИЕ 6

Выращивание кристаллов соли из набора «Алхимик»

Рисунок 1 — Приготовление насыщенного раствора

Рисунок 2 — Друза кристаллов