II Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
ОГРОМНЫЙ МИР – В ЗЕРНЕ ПЕСКА
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Цель работы: проследить и изучить цепочку развития взглядов на превращение вещества из одного агрегатного состояния в другое, используя теоретические взгляды многих ученых ; показать, что внутреннее строение кристаллов подчиняется строгим законам, попытаться вырастить кристалл в домашних условиях.
Задачи: определить, какие процессы управляют ростом кристалла; почему разные вещества дают кристаллы различной формы, а некоторые вовсе не образуют кристаллов; что надо сделать, чтобы кристаллы получились большими и красивыми.
Актуальность проблемы: известно, что многие химики, минералоги и другие ученые начинали свои первые опыты именно с выращивания кристаллов. Эти опыты относительно просты, но их результаты порой вызывают удивление и восхищение. Мой метод выращивания кристалла тоже очень прост, но результат меня очень обрадовал. Хочу предложить его своим сверстникам, серьезно занимающимся химией или минералогией, чтобы они тоже попытались вырастить свой кристалл.
Основная часть
Самое интересное в окружающем нас мире – это то, что он очень сложно устроен, и к тому же постоянно изменяется. Современные понятия элемента, атома и простого вещества, молекулы как совокупности связанных между собой атомов сформировались сравнительно недавно. Но атомистическая теория строения материи - учение о том, что все вещества состоят из мельчайших частиц,- прошла долгий и трудный путь.
Что лежит в основе всех вещей? Если в природе нет ничего, кроме атомов и пустоты, то каким образом из них можно «сконструировать» эти вещи, причём так, что одни из них оказываются твёрдыми, другие - жидкими, а иные- газообразными?
-2-
Большинство веществ в умеренном климате Земли находятся в твёрдом состоянии. Твёрдые тела сохраняют не только форму, но и объём. По характеру
относительного расположения частиц твёрдые тела делят на три вида: кристаллические, аморфные и композиты.
При наличии периодичности расположения атомов твёрдое тело является кристаллическим. Если рассмотреть при помощи лупы или микроскопа крупинки соли, то можно заметить, что они ограничены плоскими гранями. Наличие таких граней – признак нахождения в кристаллическом состоянии. Тело, представляющее собой один кристалл, называется монокристаллом. Большинство кристаллических тел состоит из множества расположенных беспорядочно мелких кристаллов, которые срослись между собой. Такие тела называют поликристаллами. Размеры кристаллов разнообразны. Размеры кристаллов поликристаллического типа могут изменяться с течением времени.
Очень многие тела одинакового химического состава в кристаллическом состоянии в зависимости от условий могут существовать в двух или более разновидностях. Это свойство называется полиморфизмом.
Поликристаллические тела изотропны, т. е. обнаруживают одинаковые свойства по всем направлениям. Объясняется это тем, что кристаллы, из которых состоит поликристаллическое тело, ориентированны друг по отношению к другу хаотически. В результате ни одно из направлений не отличается от других.
Замечательный английский поэт и художник Уильям Блейк (1757- 1827) в своем стихотворении «Изречения невинности» призывал:
В одном мгновенье видеть вечность,
Огромный мир – в зерне песка,
В единой горсти – бесконечность
И небо – в чашечке цветка.
За 2 тыс. лет до Блейка Демокрит увидел во всем этом лишь атомы и пустоту. Но его взгляду открылось нисколько не меньше того, что было нарисовано воображением поэта. Разглядев за каждой из окружающих нас
-3-
вещей мириады мельчайших атомов, древнегреческий философ открыл тем самым практически бесконечное количество новых миров. Оказалось, что любая
песчинка действительно целая Вселенная, ибо включает в себя почти столько же мельчайших частиц сколько звезд содержится во всей Метагалактике!
Из этих частиц состоит и камень, одиноко лежащий на обочине дороги, и маленький цветок, радующий нас своей естественной красотой, и пушистые облака, неторопливо плывущие по голубому небу. Но откуда же тогда такое фантастическое разнообразие мира?
Все дело, оказывается, в том, как сгруппированы и как расположены эти частицы внутри того или иного тела. Атомы различных химических элементов могут объединиться в молекулы. Различные же комбинации атомов и молекул способны образовать несколько миллионов веществ!
Но даже одно и то же вещество может выглядеть по-разному. Например, уже Платон указывал, что «у воды имеется прежде всего две разновидности: одна жидкая, другая твердая, но способная плавиться». Впоследствии к ним добавили третью (водяной пар), а сами эти «разновидности» стали называть агрегатными состояниями вещества.
Существование в природе различных тел говорит о том, что их частицы способны взаимодействовать друг с другом. Если бы это было не так, то все предметы тут же рассыпались бы на отдельные частицы. Какие же силы удерживают их внутри тел?
В древности ученые знали лишь о контактных силах, возникающих при непосредственном соприкосновении тел. Поэтому в то время сторонники атомистической теории считали, что атомы твердых и жидких тел наделены какими – то крючками или выступали, позволяющими им зацепляться друг за друга. Подобной точки зрения исследователи природы придерживались на протяжении 2 тыс. лет! Даже в XVII столетии английский физик и химик Роберт Бойль все еще утверждал, что частицы твердых тел «не могут разлетаться вследствие своей разветвленности, неправильной фигуры,
-4-
крючковатости и других неудобств формы, которая сцепляет частицы друг с другом».
Другая точка зрения была высказана Исааком Ньютоном. Он впервые допустил, что между частицами вещества могут действовать какие – то особые силы, аналогичные тем, что действуют между наэлектризованными телами. О том, что лед может превращаться в воду, а вода – в пар, было известно с незапамятных времен. Вот как описывал превращение воды в лед древнегреческий философ Эпикур (341-270 до н.э.) : «Лед образуется как вследствие вытеснения из воды частиц круглой формы и соединения находящихся в воде треугольных и остроугольных частиц, так и вследствие прибавления извне таких частиц, которые, скопившись, доставляют замерзание воды, по Эпикуру, является результатом замены круглых частиц вещества на остроугольные. При обратной замене происходит превращение льда в воду – плавление. На самом деле частицы вещества при агрегатных превращениях остаются теми же, меняются только их расположение и характер движения. Но чтобы установить это, физика должна была пройти очень длинный и трудный путь. Даже Галилей, живший на 19 столетий позже Эпикура, признавал, что «окончательная истина» в этом вопросе ему еще неизвестна. Объясняя же процесс плавления, он решился высказать лишь «домысел, связанный с немалыми затруднениями и требующий исследования», а именно: «Это можно объяснить тем, что тончайшие частицы огня, проникая в мельчайшие поры металла… заполняют существующие между ними мельчайшие пустоты и освобождают частицы от действия той силы, которая держала их связанными друг с другом, и тем способствуют их разъединению. Получая таким образом свободу движения, частицы образуют жидкую массу и остаются в таком состоянии, пока между ними находятся частицы огня». Вот так медленно, с трудом уточнялась картина превращений вещества из одного агрегатного состояния в другое, а пытливый человеческий ум, придираясь через дебри
-5-
непонимания, шаг за шагом приближался к постижению истины. При нормальных (или близких к ним) условиях отношение полного объема занимаемого газом, к суммарному объему его молекул VVo » 1. Путем уменьшения объема V можно достичь такого состояния вещества, когда его
частицы станут располагаться почти вплотную друг к другу (VVo = 1 -3). Это состояние вещества называют конденсированным (от лат. Conden satio – «уплотнение», «сгущение»).
К конденсированным системам относятся жидкости и твердые тела. Типичными представителями последних являются кристаллы. Однако существуют и такие состояния вещества, которые занимают промежуточное положение между ними, - аморфы и жидкие кристаллы.
Для твердых тел характерно сохранение (при отсутствии внешних воздействий) формы и объема. При этом движение частиц носит характер малых колебаний около положений равновесия. Однако в аморфных телах атомы колеблются вокруг хаотически расположенных точек, упорядоченность которых наблюдается лишь на расстояниях, сравнимых с менатомными (так называемый ближний порядок). В то время как в кристаллах периодичность в расположении этих точек наблюдается для сколь угодно отдаленных атомов (дальний порядок).
Кристаллы обладают периодической (атомной; молекулярной или ионной) структурой, которая называется кристаллической решеткой, и обычно имеют форму правильного симметричного многогранника.
Одним из первых, кто выдвинул идею существования кристаллической решетки, был Ньютон. «Нельзя ли предположить, - писал он, - что при образовании… кристалла частицы … установились в строй и в ряды?». Его
современник, нидерландский физик Христиан Гюйгенс, увидел в этом причину правильной формы кристаллов. «Правильность, обнаруживаемая в этих образованиях, - отмечал он, - по-видимому, происходит от расположения маленьких невидимых и одинаковых частичек, из которых они состоят».
-6-
Правда, большинство твердых материалов являются поликристаллическими, т.е. состоят из множества отдельных, беспорядочно ориентированных мелких кристаллических зерен (например, многие горные породы, технические металлы, сплавы), и потому подобной симметричной формой не обладают. В
противоположность им крупные одиночные кристаллы называют монокристаллами (кристаллы кварца, флюорита, полевого шпата, алмаза и т.д.). Некоторые из них (например, кварц берилл) могут достигать огромных размеров (более 1м) и массы (свыше 1 т).
Одна из отличительных особенностей кристаллов – наличие у них определенной температуры плавления. Впервые этот важный факт был установлен зимой 1754 – 55 гг. швейцарским физиком Наном Андре Делюком (1727 – 1817). Поставив на огонь сосуд со льдом, он заметил, что его температура оставалось равной 00 С до тех пор, пока лед полностью не превратился в воду.
Другой особенностью, присущей всем монокристаллам, является их анизотропия (от греч. «анизос» - «неравный» и «тропос» - «направление»), т.е. зависимость физических свойств от направления внутри кристалла. Например, по разным направлениям в кристалле могут быть неодинаковыми механическая прочность, теплопроводность, тепловое расширение, оптические и другие свойства. Причина анизотропии кристаллов – упорядоченное расположение в них частиц, приводящее к различию расстояний интенсивности взаимодействия этих частиц по разным направлениям внутри кристаллической
решетки. Поликристаллические тела в достаточно больших масштабах изотропны: От греч. «изос» - «равный», «одинаковый» и тропос» - «направление».
Аморфы (от греч. «аморфос» - «бесморфемный») бывают как природными (янтарь и другие смолы), так и искусственными (стекло, некоторые виды пластмассы). Последние можно получить путем достаточно быстрого охлаждения жидкого вещества. В отличие от кристаллов аморфные тела
-7-
изотропны. Кроме того, они не имеют определенной температуры плавления. При повышении температуры они различаются и переходят в жидкое состояние постепенно.
Жидкие кристаллы были открыты в 1889г. австрийским ботаником Ф. Рейницером и немецким физиком Отто Неманом (1855 – 1922). К веществам, находящимся в таком состоянии, относятся, например, эфиры холестерина.
Жидкие кристаллы получили свое название благодаря тому, что они обладают одновременно и текучестью, характерной для жидкостей, анизотропией свойств, характерной для твердых кристаллов. Образующие их молекулы имеют удлиненную форму и располагаются внутри кристалла параллельно друг другу. Эта параллельность и приводит к наличию анизотропии. Текучесть объясняется относительной слабостью межмолекулярных сил.
Благодаря особым электрооптическим свойствам жидкие кристаллы находят широкое применение в технике (в частности, в плоских мониторах компьютеров, экранах портативных телевизоров, микрокалькуляторах, электронных часах).
Мир кристаллов – удивительный мир многогранников, привлекающих совершенством и красотой геометрических форм.
Но красота и правильность внешней огранки не обязательные свойства кристаллов. Главное, что их внутреннее строение подчиняется строгим законам симметрии. Так, любой кусок металла состоит из маленьких криссталиков, и в каждом атомы расположены в пространстве и строго периодически.
Центры атомов образуют кристаллическую решетку, которая состоит из повторяющихся частиц.
Ее можно разбить на совершенно одинаковые параллелепипеды, сдвинутые параллельно по отношению друг к другу. Это важнейшее свойство кристаллов называется трансляционной симметрией. Простейшие кристаллические решетки, все атомы которых можно получить трансляциями только одного
-8-
атома, называют решетками Браве. Такое название дано в честь французского морского офицера О. Браве, впервые построившего в XIX в. теорию трехмерных
решеток. Существует сравнительно небольшое число типов решеток Браве. Они образуют кристаллические системы.
Зачем нужно знать симметрию внутреннего строения кристалла, тип его кристаллической решетки? Оказывается, это совершенно необходимо для практического использования кристаллов. Даже если кристалл состоит из множество кристалликов (поликристалл), строение кристаллической решеткивлияет на многие его свойства (например, сжимаемость, температура плавления и т.д.)
Кристаллическая решетка никогда не бывает идеальной, она содержит пустые узлы (вакансии), примесные атомы, дислокации.
-9-
Заключение
Современная кристаллофизика дает полную геометрическую картину строения реальных кристаллов. Однако, почему именно так вырастает тот или иной кристалл, чаще всего объяснить не удается. Чтобы вырастить кристалл, полезно знать, какие процессы управляют его ростом; почему разные вещества дают кристаллы различной формы, а некоторые вовсе не образуют кристаллов; что надо сделать, чтобы кристаллы получились большими и красивыми.
При росте кристалла атомы находятся в непрерывном тепловом движении и, перебирая разные возможности, как-то находят свое место в кристалле, отвечающие минимуму потенциальной энергии.
Для выращивания относительно большого кристалла чаще всего используют квасцы (полное название – алюмокалиевые квасцы, химическая формула – КА (SO4)2 . 12 H2O).
Это довольно распространенное в быту и совершенно безвредное вещество.
Самый простой, но очень важный метод выращивания кристаллов – выращивание из растворов. К нему относится, в первую очередь, выращивание кристаллов путем постепенного снижения температуры раствора. Метод хорош тем, что не требует сложной аппаратуры и позволяет выращивать кристаллы очень многих веществ. С понижением температуры растворимость большинства веществ уменьшается, 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, зародышей образуется немного, и постепенно они превращаются в красивые кристаллы правильной формы. При быстром охлаждении центров кристаллизации возникает много, сам процесс идёт активнее.
Например, для получения кристаллов из квасцов можно сделать насыщенный раствор из них при температуре 300С. Профильтровать его через фильтровальную бумагу и налить в чистую банку. В центре банки на нитке надо подвесить по возможности большой кристалл тех же квасцов – затравку.
-10-
Другой способ – испарение растворителя. При этом создается небольшое пресыщение раствора, за счет которого и идет кристаллизация. Таким способом можно, например, получить кристаллы из раствора медного купороса.
Установка представляет собой сосуд из органического стекла ёмкостью около 750 мл. В него наливают примерно 600 мл насыщенного раствора медного купороса. По мере испарения в сосуд подливают новые порции раствора. Верхнюю часть стенок сосуда необходимо смазать тонким слоем вазелинового масла, для предотвращения появления кристаллов – паразитов. Первоначально из поликристаллической массы медного купороса отбирается несколько кристаллов правильной формы. По мере роста удаляются неудачные кристаллы, обросшие паразитами и потерявшие типичную для монокристаллов форму.
Таким путём в течение месяца можно получить довольно большой монокристалл. На протяжении всего эксперимента сосуд должен быть прикрыт целлофаном, чтобы в него не попадала пыль.
Для исследования строения кристаллов используют явление дифракции рентгеновских лучей и нейтронов.
Возможно так же прямое наблюдение кристаллов в электронных микроскопах, которые сейчас позволяют различать даже отдельные атомы.
Казалось бы, от холодного порядка в кристаллах так далеко до живой природы. Ведь не зря же Снежная королева в сказке Андерсена заставляла Кая складывать из льдин правильные геометрические узоры, чтобы он забыл о теплых человеческих чувствах. И, тем не менее, в последнее время становится все более очевидным, что именно законы упорядочения дают ключ к пониманию тайн жизни.
Науке известно пространственное расположение атомов в кристаллах многих сотен тысяч химических соединений. Иногда очень простое, иногда чрезвычайно замысловатое, оно естественно наводит на мысль об архитектуре. Внутри кристалла, как и внутри большого здания, можно иной раз найти обширные «залы», извилистые «переходы», «этажи» и закрученные по спирали
-11-
«лестницы». И весь этот «интерьер» находится в строгом соответствии с «экстерьером» - внешней огранкой кристалла.
-12-
Литература
-
Аксенова М. , Володин В.
Энциклопедия для детей. «Издательский центр «Аванта+»». 2005г. 2-е издание
-
Коганов М. И., Френкель В. Я.
Вехи истории физики твердого тела. – М: Знание, 1981г – 64стр.
3)Кононенко В. К. Чудесные кристаллы: книга для учащихся. – Минск: народная асвета, 1985г. – 128стр.
4) Тарасов Л. В. Этот удивительно симметричный мир: Пособие для учащихся. – М.: Просвещение, 1982г. – 176стр.
5) Чуянов В. А. Энциклопедический словарь юного физика: пособие для учащихся. – М: Педагогика, 1991г. – 336стр.
6) Эфрос А. Л. Физика, геометрия беспорядка. – М.: Наука, 1982г. – 176стр.