XXIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Особенности выращивания кристаллов
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Большинство веществ на Земле находится в твёрдом кристаллическом состоянии. Кристаллы в природе называют минералами. Например руды металлов, песок, гранит, драгоценные камни и многое другое. Кристаллы входят в состав живых организмов, кости и зубы на 70 процентов состоят из кристаллов гидроксиапатита.
Применения кристаллов в науке и технике многочисленны и разнообразны. Алмаз и корунд - самые твёрдые камни на Земле, с их помощью сверлят, шлифуют, полируют, точат. Рубин, гранат, флюорит используются при создании лазеров, применяемых для резки металлов, а так же в глазной хирургии. Кремний и германий являются основой современной электроники.
Актуальность: применение кристаллов в науке и технике растёт с каждым годом. Природных не достаточно, поэтому широкое применение нашли искусственно выращенные кристаллы. Опыт выращивания и оценка факторов, влияющих на процесс кристаллизации, могут быть использованы в дальнейших исследованиях.
Объект исследования: кристаллы соли, сахара и медного купороса.
Предмет исследования: выращивание кристаллов в домашних условиях.
Цель: изучить процесс выращивания кристаллов в домашних условиях; узнать, как скорость остывания влияет на их рост.
Задачи работы:
Изучить выращивание кристаллов по литературным и электронным источникам.
Узнать область применения кристаллов.
Вырастить кристаллы из разных веществ в домашних условиях.
Оценить влияние скорости остывания на рост кристаллов.
Определиться с перспективами.
Методы исследования: сбор и анализ литературы и электронных источников, наблюдение, эксперимент.
-
Основная часть
-
Кристаллы
-
Кристаллы – твёрдые тела, в которых частицы (атомы и молекулы) расположены регулярно, образуя кристаллическую решётку. Имеют внешнюю форму правильных симметричных многогранников.
Природные кристаллы (натуральные) – кристаллы, образовавшиеся в результате естественных природных процессов. Большинство веществ на Земле являются природными кристаллами. Руды, камни, песок, снег, лёд, кости, зубы - всё это природные кристаллы.
Искусственные кристаллы – кристаллы, выращенные человеком для своих нужд. Их главными преимуществами стали высокое качество и низкая цена, относительно природного кристалла сравнимого качества и размера. Выращивают кристаллы чаще всего из расплавов, реже из растворов и паров.
-
-
Применение кристаллов
-
Применения кристаллов в науке и технике так многочисленны и разнообразны, что их трудно перечислить. 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, бурят горные породы. Алмазным порошком шлифуют и полируют твердые камни, закаленную сталь, твердые и сверхтвердые сплавы. Наиболее ответственные детали двигателей в автомобильном и авиационном производстве обрабатывают алмазными резцами и сверлами.
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. Разница в цвете возникла из-за очень малых примесей: хром превращает бесцветный корунд в рубин, окись титана - в сапфир. 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.
На полупроводниковых заводах тончайшие схемы рисуют рубиновыми иглами. В текстильной и химической промышленности рубиновые нитеводители вытягивают нити из искусственных волокон, из капрона, из нейлона.
Новая жизнь рубина - это лазер, оказалось, что кристалл рубина усиливает свет. Мощный луч лазера обладает громадной мощностью. Он легко прожигает листовой металл, сваривает металлические провода, прожигает металлические трубы, сверлит тончайшие отверстия в твердых сплавах, алмазе. Лазеры на рубине применяются в глазной хирургии.
Из прозрачного кварца делают линзы, призмы и другие детали оптических приборов. 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, измерительных приборах.
Полупроводниковые приборы изготавливаются главным образом из кремния и германия. Полупроводники используются в компьютерах и системах связи, транзисторы заменили электронные лампы в радиотехнике, а солнечные батареи, помещаемые на наружной поверхности космических летательных аппаратов, преобразуют солнечную энергию в электрическую. Полупроводники широко применяются также в преобразователях переменного тока в постоянный.
С каждым годом потребность в качественных дешёвых кристаллах растёт; природные камни не соответствуют требованиям, поэтому всё чаще используются искусственные кристаллы. Например, кристаллов кремния в полупроводниковой промышленности выращивается около 6 тысяч тонн в год.
-
-
Выращивание в домашних условиях
-
Я решил попробовать вырастить искусственные кристаллы в домашних условиях. В процессе работы проверить возможность выращивания кристаллов, исследовать зависимость от материалов и особенности процесса.
Для опытов я выбрал три простых вещества: соль, сахар и медный купорос. Они безопасны при использовании и их легко найти дома или в обычных магазинах.
В целях безопасности, выращивать буду из раствора, так как расплавы и пары очень опасны. Из раствора кристаллы можно вырастить методом охлаждения или методом испарения. Процесс охлаждения гораздо быстрее, выбрал его.
Метод выращивания из насыщенного раствора при охлаждении основан на том, что с понижением температуры растворимость веществ уменьшается. Лишнее вещество кристаллизуется (выпадает в осадок).
Предполагаю, что метод плохо подойдёт для соли, так как в источниках были найдены следующие данные по растворимости:
-
-
-
Последовательность выращивания
-
-
Последовательность выращивания кристаллов одинаковая для всех веществ, при работе с медным купоросом необходимо надеть перчатки.
-
Подготавливаю две ёмкости: стеклянную банку и термос, чисто вымытые, на крышки скотчем приклеиваю ниточки. Для сахара необходимо на ниточку подвесить груз, так как раствор получается очень плотным и нитка не тонет.
-
Подготавливаю насыщенный раствор вещества: в горячей фильтрованной воде растворяю вещество до тех пор, пока оно не перестаёт растворяться и остаётся на дне осадком.
-
Разливаю раствор в ёмкости, фильтруя через марлю, закрываю крышками.
-
Ёмкости оставляю до полного остывания на столе. Стеклянную банку на несколько часов, термос на несколько суток. Затем смотрю результат.
-
-
-
Соль
-
-
Кристаллов образовалось мало в обеих ёмкостях.
Кристаллы образовались мелкие. При медленном остывании раствора, в термосе, кристаллы образовались немного крупнее.
Я убедился, что метод выращивания из раствора плохо подходит для соли. Кристаллов образуется мало, влияние скорости остывания раствора на результат не значительное.
-
-
-
Сахар
-
-
Кристаллов образовалось очень много в обеих ёмкостях.
В термосе кристаллы образовались крупные, с чёткими гранями. В банке кристаллы мелкие, сросшиеся.
Я убедился, что метод выращивания из раствора хорошо подходит для сахара. Кристаллов образуется много, влияние скорости остывания раствора на результат значительное.
-
-
-
Медный купорос
-
-
Кристаллов образовалось небольшое количество в обеих ёмкостях.
Кристаллы образовались средние. При медленном остывании раствора, в термосе, кристаллы образовались немного крупнее.
Я убедился, что метод выращивания из раствора подходит для медного купороса. Кристаллов образуется среднее количество, влияние скорости остывания раствора на результат прослеживается.
Результаты
Мне удалось вырастить кристаллы соли, сахара и медного купороса в домашних условиях из раствора.
Худший результат получился для соли, кристаллов образовалось мало и они все мелкие. Данный метод плохо подходит для неё, так как растворимость соли мало зависит от температуры воды.
Лучший результат получился для сахара, кристаллов образовалось много. При медленном остывании они крупные, правильной формы. При быстром - мелкие и сросшиеся. Данный метод очень хорошо подходит для сахара, так как его много растворяется в воде, и его растворимость зависит от температуры воды.
Самый красивый результат получился для медного купороса, кристаллы сине-бирюзового цвета. При медленном остывании они крупнее, при быстром - мельче. Данный метод подходит для медного купороса, так как его растворимость зависит от температуры воды.
-
Заключение
Цель работы достигнута, я изучил процесс выращивания кристаллов в домашних условиях и узнал, как скорость остывания влияет на их рост.
В процессе работы я собрал большое количество материала о кристаллах, выяснил где они применяются, вырастил разные виды кристаллов в домашних условиях, выявил зависимость результата от скорости остывания раствора.
Перспективы работы: я хочу попробовать увеличить размеры полученных кристаллов методом выпаривания, а так же исследовать влияние качества воды на полученный результат.
-
Список литературы
-
Физика // Энциклопедия для детей - 2000 Аванта+
-
Будаев А. Г., Третьякова Н. В. "Выращивание кристаллов в домашних условиях" // Юный ученый - 2015 №1
-
"Кристаллы" // Большая российская энциклопедия - https://bigenc.ru/c/kristally-7029a6
-
"Выращивание кристаллов. Что нужно знать!" // Занимательная химия - https://www.kristallikov.net/page6.html
-
Ферсман А.Е. "Мир кристаллов" - http://course-crystal.narod.ru/p2aa1.html
-
Львова М. "Выращивание кристаллов медного купороса с использованием воды различной степени очистки" // Обучонок - https://obuchonok.ru/node/6555
-
Абаева Д. А. "Влияние различных факторов на рост и форму кристаллов медного купороса" // Живая наука - https://livescience.ru/Статьи:Влияние-факторов-на-рост-и-форму-кристаллов