Выращивание кристаллов в домашней лаборатории из различных солевых растворов

XXII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель

Выращивание кристаллов в домашней лаборатории из различных солевых растворов

Екименко А.А. 1
1БМАОУ «Лицей №7» им. А.А. Лагуткина,
Леонова М.В. 1
1БМАОУ «Лицей №7» им. А.А. Лагуткина,
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Осенью наш класс посетил популярную достопримечательность Урала Кунгурские пещеры. Красота пещеры поразила меня. Ледяные кристаллы украшают стены и потолок, создавая захватывающее зрелище. Огромные сталактиты, сталагмиты и столбы образовались здесь тысячи лет назад. Правильность и совершенство формы этих камней, безукоризненная поверхность – удивляют и поражают. Трудно поверить, что такие многогранники образовались сами без помощи человека. Я заинтересовалась кристаллами. Кажется, что кристаллы – редкое явление, но на самом деле, мы встречаем их везде на протяжении всей своей жизни. Это и снежинки зимой, и драгоценные камни в ювелирных изделиях. Мы строим дома из кристаллов, также едим кристаллы, лечимся ими, но, что самое главное – мы сами частично состоим из кристаллов. Соль, сахар, снег, лед, глина и песок, сотни других веществ – все это не что иное, как кристаллы.Мне стало интересно, как кристаллы служат человеку, как их добывают, можно ли вырастить кристаллы и как это сделать.

Цель исследования: изучить процесса роста кристаллов в домашних условиях.

Задачи:

  1. Изучить что такое кристаллы, происхождение кристаллов, их разновидности;

  2. Изучить условия образования кристаллов, их формы

  3. Освоить методику выращивания кристаллических тел;

  4. Провести наблюдения за процессом кристаллизации;

  5. Выработать рекомендации по выращиванию кристаллов;

  6. Проанализировать полученные результаты.

Объект исследования: процесс кристаллизации

Предмет исследования: выращивание кристаллов из поваренной соли и медного купороса, сульфата алюминия и дигидроортофосфата аммония.

Гипотеза исследования: кристаллы могут появляться при создании определенных условий, поэтому я предполагаю, что растворить различные вещества, то можно получить кристаллы разной формы и цвета в домашних условиях

Актуальность исследования: данная тема является актуальной в связи с тем, что выращивание кристаллов очень интересное и увлекательное занятие. Я очень люблю узнавать все новое и интересное, мне нравится экспериментировать. Мне стало интересно узнать, можно ли вырастить кристаллы в домашних условиях.

Практическая значимость проекта состоит в составлении презентации с фотографиями выращенных кристаллов. Результаты исследования могут быть использованы на уроках химии, биологии в старших классах. Или же поделиться своими знаниями с одноклассниками и друзьями.

  1. Теоретическая часть. Теория кристаллов

1.1. Что такое кристалл?

Кристалл – это твердое состояние вещества. Он имеет определенную форму и определенное количество граней вследствие расположения своих атомов. Все кристаллы одного вещества имеют одинаковую форму, хоть и могут отличаться размерами.

В природе существуют сотни веществ, образующих кристаллы. Вода – одно из самых распространенных из них. Замерзающая вода превращается в кристаллы льда или снежинки.

         

Рисунок 1. Разнообразие кристаллических решеток у снежинок.

Кристаллы – вещества, в которых мельчайшие частицы (атомы, ионы или молекулы) «упакованы» в определенном порядке. В результате при росте кристаллов на их поверхности самопроизвольно возникают плоские грани, а сами кристаллы принимают разнообразную геометрическую форму.

1.2. Происхождение слова «кристалл»

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».

1.3. Структура кристалла

Кристаллы – это твердые тела, атомы или молекулы которых занимают определенные, упорядоченные положения в пространстве. Поэтому кристаллы имеют плоские грани. Например, крупинка обычной поваренной соли имеет плоские грани, составляющие между собой прямые углы. Это можно заметить, рассматривая соль с помощью лупы.

А как геометрически правильна форма снежинки! В ней также отражена геометрическая правильность внутреннего строения кристаллического тела – л ьда.

Рисунок 2. Разнообразие кристаллических решеток у снежинок

Не все кристаллы одинаковы. Существуют монокристаллы и поликристаллы. Твердое тело, состоящее из большого числа маленьких кристаллов, называют поликристаллическим.Одиночные кристаллы называются монокристаллами.

Соблюдая большие предосторожности, можно вырастить металлический кристалл больших размеров – монокристалл. В обычных условиях поликристаллическое тело образуется в результате того, что начавшийся рост многих кристаллов продолжается до тех пор, пока они не приходят в соприкосновение друг с другом, образуя единое тело.

К поликристаллам относятся не только металлы. Кусок сахара, например, тоже имеет поликристаллическую структуру. Большинство кристаллических тел – поликристаллы, так как состоят из множества сросшихся кристаллов. Одиночные кристаллы - монокристаллы, так как имеют правильную геометрическую форму, и их свойства различны по разным направлениям.

  1. Образование кристаллов

Кристаллиза́ция – процесс образования кристаллов из газов, растворов, расплавов или стёкол, процесс выстраивания атомов и молекул в жесткую кристаллическую решетку с хорошо определенной энергетически устойчивой структурой. Мельчайший структурный элемент кристаллической решетки — ячейка. Она способна принимать атомы и молекулы, и благодаря этому свойству формируется макроскопический кристалл. В процессе кристаллизации атомы и молекулы соединяются между собой под определенными углами, образуя характерную форму кристалла с гладкими поверхностями и гранями. Хотя кристаллизация происходит в природе, у нее также есть широкое промышленное применение. Она используется на этапе разделения и очистки при производстве фармацевтических и химических продуктов.

Кристаллизацией называют также образование кристаллов с данной структурой из кристаллов иной структуры (полиморфные превращения) или процесс перехода из жидкого состояния в твёрдое кристаллическое.

Рис. 3 Образование кристаллизации

2.1. Образование кристаллов в природе

Минеральные кристаллы образуются в ходе определенных породообразующих процессов. Огромные количества горячих и расплавленных горных пород глубоко под землей в действительности представляют из себя растворы минералов. Когда массы этих жидких или расплавленных горных пород выталкиваются к поверхности земли, они начинают остывать.

Они охлаждаются очень медленно. Минералы превращаются в кристаллы, когда переходят из состояния горячей жидкости в холодную твердую форму. Например, горный гранит содержит кристаллы таких минералов, как кварц, полевой шпат и слюда. Миллионы лет тому назад гранит был расплавленной массой минералов в жидком состоянии. В настоящее время в земной коре имеются массы расплавленных горных пород, которые медленно охлаждаются и образуют кристаллы различных видов. Кристаллы растут с ограниченной скоростью, так как частицы вещества отлагаются, образуя грани.

2.2 Выращивание кристаллов в промышленности

Начиная с XIX века появились технологии выращивания искусственных кристаллов. Некоторые из этих ювелирных камней настолько совершенны, что их крайне сложно отличить от натуральных. Синтетические кристаллы востребованы в промышленности и на рынке ювелирных изделий. Первые успешные попытки синтеза драгоценных камней приходятся на конец XIX века. В 1877 году Эдмон Фреми и Шарль Фейль получили кристаллы рубина.

В 1902 году Огюст Вернейль смог синтезировать рубины методом плавления в пламени, положив начало промышленному синтезу ювелирных камней. Данный метод, с некоторыми изменениями, до сих пор остается одним из самых распространенных способов выращивания кристаллов ювелирного качества.

Рисунок 4. Схема аппарата Вернейля и монокристалл корунда, полученный этим методом плавления

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 – их название происходит от сокращения ФИАН – Физический институт Академии наук, где они впервые были получены. Фианиты – искусственные кристаллы, которые внешне очень похожи на бриллианты.

Рисунок 5. Фианит.

2.3 Основные свойства кристаллов

Температура плавления.

Плавление – это переход вещества из твёрдого состояния в жидкое. Процесс плавления любого кристалла происходит при постоянной температуре, называемой температурой плавления. Например, если взять кристалл льда и положить его в тёплое место, то он растает – расплавится. В процессе плавления температура не повысилась.

Симметрия.

Идеальные формы кристаллов симметричны. По выражению известного русского кристаллографа Е. С. Фёдорова (1853-1919), «кристаллы блещут симметрией».

В кристаллах можно найти различные элементы симметрии: ось симметрии, плоскость симметрии, центр симметрии.

У кристаллов медного купороса имеется лишь центр симметрии, других элементов симметрии у них нет.

Из этого небольшого обзора симметрий различных кристаллов можно сделать вывод, что различные кристаллы обладают разной симметрией.

Закон постоянства углов – основной закон кристаллографии.

В кристаллах одного вещества углы между соответственными гранями всегда одинаковы – так звучит закон постоянства углов.

Все кристаллы имеют кристаллическую решётку.

Взаимодействие частиц в кристалле приводит к тому, что частицы устанавливаются только в определённых положениях, где силы, действующие на них, оказываются скомпенсированными, а потенциальная энергия их взаимодействия становится наименьшей. Такое строение и называют кристаллической решёткой, а положения, в которых могут располагаться частицы, – узлами кристаллической решётки.

  1. Практическая часть. Выращивание кристаллов

Чтобы кристаллы были правильными и красивыми, необходимо выполнять условия для выращивания кристаллов:

  1. Кристаллик нельзя при росте без особой причины вынимать из раствора.

  2. Не допускать попадание мусора в насыщенный раствор.

  3. Отсутствие сквозняков.

  4. Неяркий свет.

  5. Отсутствие вибрации.

  6. Терпение.

3.1.Выращивание кристалла из медного купороса

Имея разные виды соли, можно выращивать различные по форме и цвету кристаллы. Для выращивания кристаллов из медного купороса мне потребовалось:

  • чистая посуда,

  • ватный диск,

  • вода,

  • медный купорос,

  • соль.

Медный купорос применяют в сельском хозяйстве для борьбы с вредителями и болезнями растений, в промышленности – при производстве искусственных волокон, органических красителей и др. Его можно купить в магазине «Все для сада и огорода», «Цветы».

Так как это вещество ядовито, нужно работать в перчатках и тщательно мыть руки после работы с порошком, растворами или кристаллами медного купороса.

Этапы работы выращивания монокристалла из медного купороса:

  1. Сделала насыщенный раствор из соли, для этого вскипятила воду; затем в этот раствор высыпала медный купорос, размешал деревянной палочкой до полного растворения.

  2. Перелила через фильтр в другую чистую стеклянную емкость и поместила нитку в стакан с раствором. После фильтрации получила чистый насыщенный раствор.

  3. После этого закрыла раствор крышкой и оставила на сутки.

  4. На следующий день на дне ёмкости я обнаружила несколько маленьких кристаллов соли – это стало затравкой для кристаллов. После этого слила раствор и достала кристаллы.

  5. Для того, чтобы вырастить монокристалл, мне потребовалась монозатравка, которую я выбрала из числа этих кристаллов с наиболее геометричными гранями.

  6. Выбранную затравку я поместила на дно стеклянной ёмкости и вновь через фильтр налила насыщенный раствор медного купороса, закрыла крышкой и убрала в место с наименьшими колебаниями температуры, так как кристалл может раствориться, если будет разная температура.

  7. Через некоторое время я получила ярко-синие монокристаллы. Чтобы они не выветривались, покрыл их прозрачным лаком.

Срок выращивания данного кристалла – 5 дней.

3.2. Выращивание кристаллов из поваренной соли

Процесс выращивания не требует наличия каких-то особых химических препаратов. У нас всех есть пищевая соль (или поваренная соль), которую мы принимаем в пищу. Её также можно назвать и каменной. Кристаллы поваренной соли NaCl представляют собой бесцветные прозрачные кубики.

Для выращивания кристаллов мне потребовалось:

  • чистая посуда

  • ватный диск

  • вода

  • соль

Этапы выращивания кристаллов из соли:

  1. Выбрал самый крупный кристаллик соли крупного помола, привязал его к леске, другой конец лески привязал к крышке.

  2. Затем сделал раствор соли из мелкого помола в кипячёной воде, процедил данный раствор через фильтр и поместил туда привязанный к леске кристаллик.

  3. Периодически добавлял свежий соляной раствор, предварительно процедив его через фильтр.

  4. Вырос кристалл с красивыми гранями за 3 недели.

3.3. Выращивание кристаллов из сульфата алюминия и дигидроортофосфата аммония

Для выращивания кристаллов из сульфата алюминия и дигидроортофосфата аммония мне потребовался набор этих солей, а также лабораторное оборудование:

  • Мензурка.

  • Лопатка.

  • Пакетик сульфат алюминия.

  • Пакетик дигидроортофосфат аммония.

  • Вода.

Этапы выращивания кристалла:

  1. Вырастила монозатравку из сульфата алюминия по аналогии опытами ранее. На этот процесс ушло 12 часов

  2. Приготовила насыщенный раствор дигидроортофосфат аммония.

  3. В полученный раствор поместила готовую монозатравку из сульфата алюминия. Через 24 часа увидела рост и формирование кристаллов.

Фотографии кристаллов, выращенных в домашней лаборатории, а также последовательность действий и их фиксация на фото, размещены в Приложении.

Заключение

В результате изучения литературы и проведения практической работы я пришла к следующим выводам:

  1. Кристалл – это твердое состояние вещества. Он имеет определенную форму и определенное количество граней.

  2. Кристаллы окружают нас повсюду и имеют широкое применение в практической деятельности человека.

  3. кристаллы различных веществ имеют разную форму;

  4. кристаллы различных веществ имеют различные свойства (одни кристаллы окрашиваются, другие – бесцветны; одни кристаллы растут хорошо, другие – плохо).

  5. быстрее и легче кристалл растёт тогда, когда в насыщенный раствор помещается кристалл- «затравка».

Для того чтобы образовались кристаллы необходимо выполнять следующие рекомендации:

  • соль надо растворять в кипяченой воде (чем чище вода, тем лучше получаются кристаллы);

  • при растворении соли воду необходимо нагревать;

  • раствор соли должен быть очень насыщенным;

  • кристаллик нельзя при росте без особой причины вынимать из раствора;

  • периодически (раз в неделю) менять или обновлять насыщенный раствор.

  • при отсутствии света и наличия места, где меньше всего колебаний температур поваренная соль, медный купорос, сульфат алюминия и дигидроортофосфат аммония принимают форму кристаллов.

Таким образом, наша гипотеза подтвердилась: кристаллы можно вырастить в домашних условиях из разных солей, соблюдая требования и технику безопасности. Для этого мы использовали: поваренную соль, соль медного купороса, сульфат алюминия, дигидроортофосфат аммония.

Я узнала много нового и интересного о кристаллах, их видах, происхождении, их образовании, применении в промышленности. Мне удалось поэкспереметировать, вырастив кристаллы из разных веществ в домашних условиях. Поэтому я смогу поделиться результатами моего исследования с одноклассниками и друзьями на уроках химии и биологи в старших классах.

Источники и литература.

  1. 1. Белов Н. В. Энциклопедия драгоценных камней и кристаллов, Минск: «Харвест», 2018 http://ru.wikipedia.org/wiki/E519 - ВикипедиЯ – свободная энциклопедия.

  2. http://www.kristallov.net/mineraly.html - Кристаллов.NET.

  3. http://mirkristallov.com/ - Мир кристаллов.

  4. https://урок.рф/library/nauchnoissledovatelskij_proekt_virashivanie_krist_142109.html

  5. https://nsportal.ru/ap/library/nauchno-tekhnicheskoe-tvorchestvo/2023/04/22/proekt-vyrashchivanie-kristallov-v-domashnih

  6. https://ped-kopilka.ru/blogs/larisa-viktorovna-shtokolova/proekt-vyraschivanie-kristalov-iz-soli.html

Приложение 1.

Выращивание кристаллов из медного купороса

  1. Используемые материалы

Ход работы

  1. Наливаем в банку кипяченную воду и добавляем медный купорос до полного растворения. Получился насыщенный раствор.

  1. Процеживаем раствор через марлю и добавляем несколько крупиц купороса.

 

  1. Делаем конструкцию: выбираем самый крупный кристаллик из медного купороса, завязываем его на леску, а леску на карандаш и прикрепляем к картону.

  1. Наши кристаллы из медного купороса готовы! (Для выращивания понадобилось 5 дней).

Приложение 2.

Выращивание кристаллов из поваренной соли

Используемые материалы.

Ход работы

    1. В банку наливаем кипяченную воду, затем добавляем соль до полного растворения и процедили через фильтр.

    1. Из крупных кристалликов повариной соли выбираем самый крупный и завязываем на проволку, а ее на карандаш.

  1. Наш кристалл из соли крупного помола готов!

Приложение 3.

Выращивание из готовых наборов

    1. Готовый набор.

2. Я вырастила монозатравку из сульфата алюминия, так же, как другие затравки. (Они росли 12 часов).

3. Затем 2 пакетика дигидроортофосфата аммония высыпала в кружку, добавила краситель и перемешала. Добавила воду и так же перемешала. Затем положила в раствор несколько монозатравок.

4. Кристаллы из готового набора выращены!

Просмотров работы: 13