XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Выращивание кристаллов в домашних условиях
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
Мир кристаллов - это сказочно красивый мир. Они завораживают своим блеском, многообразием цвета и форм.
Кристаллы – это красиво, можно сказать чудо какое-то, они притягивают к себе; говорят же "кристальной души человек" о том, в ком чистая душа. Кристальная – значит, сияющая светом, как алмаз…
Кристаллы наделялись множеством таинственных свойств: исцелять от болезней, предохранять от яда, влиять на судьбу человека.
Самым простым примером кристаллов являются капельки замёрзшей воды - это снежинки, морозные узоры на стеклах окон и иней, украшающие зимой голые ветки деревьев. Я узнала, что кристаллы получают в лаборатории, но бывают они и в природе. Множество разных веществ образуют кристаллы: металлы, драгоценные камни, и даже соль и сахар.
Кристаллами являются алмазы, рубины, сапфиры и другие драгоценные камни. Кристаллы применяются в науке, промышленности, оптике, электронике. Мне очень нравятся красивые камни и кристаллы. У меня есть книга о кристаллах и я заинтересовалась этой темой, много прочитала в интернете по этому вопросу, и узнала о том, что такие красивые кристаллы можно вырастить дома.
Гипотеза исследования: предположим, что в домашних условиях действительно можно вырастить кристаллы.
Цель работы: провести исследование по выращиванию кристаллов в домашних условиях.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
изучить литературу, посвященной данной теме;
отобрать вещества, применяемые в быту, из которых возможно вырастить кристаллы;
познакомиться с методами выращивания кристаллов;
провести наблюдения за процессом роста кристаллов.
Актуальность работы состоит в том, что выращивание кристаллов - увлекательное занятие и, пожалуй, самое простое, доступное и недорогое для большинства юных химиков и максимально безопасное.
Предмет исследования: кристаллы.
Объект исследования: выращивание кристаллов из растворов.
О КРИСТАЛЛАХ
Многие думают, что кристаллы - это красивые, редко встречающиеся камни. Они бывают разных цветов, обычно прозрачные и, что самое замечательное, обладают красивой правильной формой. Чаще всего кристаллы представляют собой многогранники, стороны (грани) их идеально плоские, рёбра строго прямые. Они радуют глаз чудесной игрой света в гранях, удивительной правильностью строения.
Однако кристаллы - совсем не музейная редкость. Кристаллы окружают нас повсюду. Твёрдые тела, из которых мы строем дома и станки, вещества, которые мы употребляем в быту, - почти все они относятся к кристаллам. Почему же мы этого не видим? Дело в том, что в природе редко попадаются тела в виде отдельных одиночных кристаллов (или как говорят монокристаллов). Чаще всего вещество встречается в виде прочно сцепившихся кристаллических зёрнышек уже совсем малого размера - меньше тысячной доли миллиметра. Такую структуру можно увидеть лишь в микроскоп.
Тела, состоящие из кристаллических зёрнышек, называются мелкокристаллическими, или поликристаллическими ("поли" - по-гречески "много"). Конечно, к кристаллам надо отнести и мелкокристаллические тела. Тогда окажется, что почти все окружающие нас твёрдые тела - кристаллы. Песок и гранит, медь и железо, салол, продающийся в аптеке, и краски - всё это кристаллы.
Есть и исключения; стекло и пластмассы не состоят из кристалликов. Такие твёрдые тела называются аморфными.
Изучать кристаллы - это значит изучать почти все окружающие нас тела. Так что же такое кристаллы?
1.1 ИЗ ИСТОРИИ
Слово «кристаллос» в переводе с греческого первоначально означало «лёд», а в дальнейшем «горный хрусталь». Удивительное сходство кристаллов льда и горного хрусталя было подмечено уже очень давно. В древности и в средние века думали, что кристаллы горного хрусталя и кристаллы льда – одно и то же, только лёд замерзает у нас на глазах, а горный хрусталь – лишь при особенно сильном морозе. Предполагали, что лёд становится хрусталём через тысячу лет, а хрусталь становится алмазом через тысячу веков.
Но словом «кристалл» называют не только кристаллы замерзшей воды. Почти все камни, горные породы состоят из кристаллов. Руды металлов и сами металлы, выплавляемые из этих руд, соль, сахар и многое другое вокруг нас – это все кристаллические вещества. Самые красивые среди кристаллов – драгоценные камни.
Первые сведения о горном хрустале мы находим у римского учёного Плиния Старшего (I век н. э.), величайшего авторитета для учёных древности и средневековья.
В древности кристаллам приписывали всякие необыкновенные свойства. Считали, например, что кристалл аметиста навевает счастливые сны. Изумруд спасает мореплавателей от бурь. Сапфир помогает при укусах скорпионов. Алмаз бережёт от болезней. Топаз приносит счастье в ноябре. Гранат – в январе и т. д. Человека, укушенного змеёй, заставляли съесть толчёный изумруд. Можно себе представить, как это помогало больному! Так рассуждать могли только в те времена, когда ещё не умели проверять свои утверждения опытом.
Древние обитатели Америки – инки – поклонялись как божеству большому кристаллу зелёного изумруда.
1.2 ЧТО ТАКОЕ КРИСТАЛЛЫ?
Кристалл — это твердое состояние вещества. Он имеет определенную форму и определенное количество граней вследствие расположения своих атомов. Частички, из которых состоит кристалл, в разных веществах выстраиваются и соединяются вместе различными способами. Из-за этого кристаллы могут иметь различные формы и размеры
Одиночные кристаллы сразу же узнают по правильности форм. Плоские грани и прямые рёбра являются характерным свойством кристалла; правильность формы несомненно связана с правильностью внутреннего строения кристалла. Если кристалл в каком-то направлении особо вытянулся, значит, и строение кристалла в этом направлении какое-то особенное.
Каждому знаком 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.
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.
Изучением кристаллов занимается специальная (очень непростая) наука кристаллография; ее изучают в институтах и университетах, когда уже знают и химию, и физику и некоторые другие науки.
1.3 РАЗНООБРАЗИЕ КРИСТАЛЛОВ
Кристаллы, которые залегают глубоко в земле, являются бесконечно разнообразными. Их часто называют «цветами мира камней». Размеры таких природных многогранников достигают подчас человеческого роста. Встречаются также очень тонкие кристаллы, толщина которых меньше чем у листка бумаги. Но бывают и огромные пласты, толщина которых достигает нескольких метров. Бывают кристаллы маленькие, узкие и острые как иголки, но также могут быть громадной формы, на подобии величественных колонн.
Иногда образуются дендриты - это кристаллы, похожие на веточки дерева; очень хрупкие, но очень красивые.
Многие кристаллы идеально чисты и прозрачны, как вода. Недаром постоянно можно слышать выражения: «прозрачный, как кристалл», «кристально чистый». Кристаллы могут иметь и разные размеры.
Некоторые минералы образуют кристаллы, которые разглядеть можно только с помощью микроскопа. Другие же образуют кристаллы, вес которых составляет несколько сотен фунтов.
В природе встречаются кристаллы различной формы, но все их можно разделить на 6 основных систем кристаллов.
1.4 КАК В ПРИРОДЕ РАСТУТ КРИСТАЛЛЫ
По размерам природные кристаллы могут быть самыми разными: от микроскопических до весьма крупных вплоть до нескольких метров длиной и в поперечном сечении. Внешний облик кристаллов зависит от того, насколько спокойно происходил их рост. Большинство кристаллов в природе растут медленно - тысячи и миллионы лет. Некоторые кристаллы растут очень быстро, например кристаллы растворимых солей, иногда сублимационных минералов (сера, таблички гематита) в кратерах действующих вулканов.
Кристаллы образуются, когда какое-либо вещество или их комплекс переходит из жидкого или газообразного состояния в твердое. Рост кристалла начинается с образования зародышей и скелетных форм. При длительном равномерном и беспрепятственном поступлении вещества со всех сторон возникают нормальные кристаллические формы, но в большинстве случаев кристаллы стеснены в своем росте соседними телами (соседними кристаллами). Это приводит к образованию несовершенных кристаллов с искаженными гранями, так как поступление растворов, питающих кристалл, происходит с разных сторон неравномерно.
ВЫРАЩИВАНИЕ КРИСТАЛЛОВ В ДОМАШНИХ УСЛОВИЯХ
Выращивание кристаллов - процесс очень интересный, но бывает достаточно длительным. Полезно знать, какие процессы управляют его ростом; почему разные вещества образуют кристаллы различной формы, а некоторые их вовсе не образуют; что надо сделать, чтобы они получились большими и красивыми.
Если кристаллизация идёт очень медленно, получается один большой кристалл (или монокристалл, например при выращивании искусственных камней), если быстро — то множество мелких (или поликристалл, например металлы).
Выращивание кристаллов в домашних условиях производят разными способами. Например, охлаждая насыщенный раствор. С понижением температуры растворимость веществ уменьшается (в основном, это касается безводной соли), и они, как говорят, выпадают в осадок. Сначала в растворе и на стенках сосуда появляются крошечные кристаллы-зародыши. Когда охлаждение медленное, а в растворе нет твёрдых примесей (скажем, пыли), зародышей образуется немного, и постепенно они превращаются в красивые кристаллики правильной формы. При быстром охлаждении возникает много мелких кристалликов, почти никакой из них не имеет правильную форму, ведь их растёт множество и они мешают друг другу.
Растущий кристаллик можно либо подвесить в насыщенном растворе на тонкой прочной нитке, либо положить на дно сосуда. В последнем случае кристаллик периодически надо поворачивать на другой бок. По мере испарения воды в сосуд следует подливать свежий раствор. Даже если нащ исходный кристаллик имел неправильную форму, он рано или поздно сам выправит все свои дефекты и примет форму, свойственную данному веществу, например превратится в октаэдр, если используете соль хромокалиевых квасцов, ромб - если используете медный купорос.
Выращивание кристаллов - процесзанимательный, но требующий бережного и осторожного отношения к своей работе. Теоретически размер кристалла, который можно вырастить в домашних условиях таким способом, неограничен. Известны случаи, когда энтузиасты получали кристаллы такой величины, что поднять их могли только с помощью товарищей.
УСЛОВИЯ ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ КРИСТАЛЛОВ
Кристаллик нельзя при росте без особой причины вынимать из раствора.
Не допускать попадание мусора в насыщенный раствор
Отсутствие сквозняков.
Неяркий свет.
Отсутствие вибрации
Терпение
Этапы выращивания кристаллов
Приготовление насыщенного раствора. Для этого необходимо взять горячую воду, растворить в ней столько вещества, сколько возможно.
Перелить насыщенный раствор в другую посуду через фильтр.
Привязать затравку на нитку и опустить в насыщенный раствор.
Поставить посуду с насыщенным раствором в место, где нет сквозняков, вибрации и сильного света.
Накрыть сверху бумагой и наблюдать за процессом кристаллизации.
2.2. ВЫРАЩИВАНИЕ КРИСТАЛЛОВ ПИЩЕВОЙ СОЛИ
Налила горячую воду в стакан, насыпала пищевую соль и перемешала. Когда соль растворилась добавила ещё соль и снова перемешала. Повторяла этот этап до тех пор, пока соль не перестала растворяться. Получила насыщенный раствор соли.
Перелила полученный раствор в чистый стакан через салфетку.
Приготовили затравку. Привязали ее к нитке и опустили в раствор.
Далее раствор поставили в темное теплое место.
Через 2 суток после начала опыта я заметила, что кристалл начал расти. На нитке появился налет, больше похожий на осадок или пыль. Маленькие кристаллики начали формироваться на пятый день.
Через 25 дней я вынула его из раствора, обсушила бумажной салфеткой и покрыла кристалл бесцветным лаком.
2.3КРИСТАЛЛЫ ИЗ НАБОРА
Здесь все проще нужно только действовать по инструкции и набраться терпения.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Моя гипотеза подтвердилась: я вырастила кристаллы в домашних условиях. Моя работа может быть использована на уроке окружающего мира, во внеклассных мероприятиях. Уже сейчас я хочу быстрее изучать химию в школе, ведь это так интересно!
Своим экспериментом я заинтересовала всех в своей семье. Каждое утро бежали к баночкам папа, мама, удивляясь как растут кристаллы.
Многие мои друзья тоже, заинтересовались моими опытами.
А если появился интерес к способу получения кристаллов, то задача моей презентации выполнена.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
Белов Н.В. Энциклопедия драгоценных камней и кристаллов, Минск: «Харвест», 2014
Должанская Т.Ю. Минералы. – М. : РОСМЭН, 2015.
Пакулова В.М. Природа. Неживая и живая. М.:«Дрофа», 2017
Шалагаева Г.П. Современная энциклопедия начальной школы. М.:«Эксмо», 2016
Интернет- ресурсы:
Геология Земли http://www.geologiazemli.ru/articles/112
Википедия http://ru.wikipedia.org/wiki/E519
Кристаллов.NET http://www.kristallov.net/mineraly.html
Мир кристаллов http://www.mirkristallov.com/