XXIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Выращивание кристаллов в домашних условиях

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Пензин Е.И. 1

---

1МБОУ г. Иркутска гимназия № 3

Седова Л.Б. 1

---

1МБОУ г. Иркутска гимназия № 3

Работа в формате PDF

1.5 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

ВВЕДЕНИЕ

Кристаллы играли и играю до сих пор немаловажную роль в жизни человека. Кристаллы широко применяются в науке, промышленности, оптике, электронике. Кристаллы получают в лаборатории, но бывают они и в природе. Например, снежинки, морозные узоры на стеклах окон.

Выращивание кристаллов- увлекательное занятие, пожалуй, самое простое, доступное и безопасное для юных любознательных детей.

Цель исследования: вырастить кристаллы и сравнить их рост и формы при разных условиях выращивания.

Задачи для выполнения поставленной цели:

- изучить подходящие для выращивания кристаллов химические вещества;

- научиться создавать жидкие растворы;

- сделать выводы и проанализировать как меняется рост и формы кристаллов при разных условиях выращивания.

Объект исследования- кристаллы.

Предмет исследования- процесс кристаллизации.

В качестве основных методов в своей работе я использовал:изучение литературных источников, эксперимент,наблюдение, сравнение, анализ.

I.ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Что такое кристаллы

Кристаллы (от греч. krýstallos, первоначально — лёд, в дальнейшем — горный хрусталь, кристалл) твёрдые тела, имеющие естественную форму правильных многогранников.

Форма кристаллов — следствие упорядоченного расположения в кристаллах атомов, образующих трёхмерно-периодическую пространственную укладку — кристаллическую решетку.

Кристаллы — равновесное состояние твёрдых тел. Каждому химическому веществу, находящемуся при данных термодинамических условиях (температуре, давлении) в кристаллическом состоянии, соответствует определённая кристаллическая атомная структура. Кристаллы обладают той или иной симметрией атомной структуры. Кристалл, выросший в неравновесных условиях и не имеющий правильной огранки или потерявший её в результате той или иной обработки, сохраняет основной признак кристаллического состояния — решётчатую атомную структуру и все определяемые ею свойства.

Большинство природных или технических твёрдых материалов являются поликристаллическими, они состоят из множества отдельных, беспорядочно ориентированных, мелких кристаллических зёрен, иногда называемых кристаллитами. Таковы, например, многие горные породы, технические металлы и сплавы.

Одиночные кристаллы (природные или синтетические) называются монокристаллами. Кристаллы образуются и растут чаще всего из жидкой фазы — раствора или расплава; возможно получение кристаллов из газовой фазы или при фазовом превращении в твёрдой фазе (см. Кристаллизация). В природе встречаются кристаллы различных размеров — от громадных (до сотен кг): кристаллы Кварца (горного хрусталя), флюорита, полевого шпата до мелких кристаллов алмаза и др.

Для научных и технических целей разнообразные кристаллы выращивают (синтезируют) в лабораториях и на заводах. Можно получить кристаллы и таких сложных природных веществ, как белки и даже вирусы.

При неравновесных условиях образования кристаллов их идеальная форма (габитус) может претерпевать изменения. Различия в условиях подвода вещества, скоростей роста, молекулярных процессов и т. п. при кристаллизации могут привести к исключительному многообразию форм кристаллов: округлости граней и рёбер, возникновению пластинчатых, игольчатых, нитевидных, ветвистых (дендритных) кристаллов типа снежинок. Эти особенности используются в технике выращивания кристаллов разнообразных форм (дендритных лент германия, тонких плёнок различных полупроводников). Некоторым кристаллам уже в процессе выращивания придаётся форма требуемого изделия — трубы, стержня, пластинки. Если в объёме расплава образуется сразу большое количество центров кристаллизации, то разрастающиеся кристаллы, встречаясь друг с другом, приобретают форму неправильных зёрен.

Кристаллическая решётка

Кристаллическая решётка– это присущее веществу в кристаллическом состоянии правильное расположение атомов (ионов, молекул), характеризующееся периодической повторяемостью в трёх измерениях. Ввиду такой периодичности для описания кристаллической решётки достаточно знать размещение атомов в элементарной ячейке, повторением которой путём параллельных дискретных переносов (трансляций) образуется вся структура кристалла. В соответствии с симметрией кристалла элементарная ячейка имеет форму косоугольного или прямоугольного параллелепипеда, квадратной или шестиугольной призмы, куба.

Существование кристаллической решётки объясняется тем, что равновесие сил притяжения и отталкивания между атомами, дающее минимум потенциальной энергии всей системы, достигается именно при условии трёхмерной периодичности. В простейших случаях это можно интерпретировать геометрически как следствие укладки в кристалле атомов, молекул наиболее плотно друг к другу.

Известны случаи вращения молекул в кристаллической решётке с повышением температуры колебания частиц усиливаются, что приводит к разрушению кристаллической решётке и переходу вещества в жидкое состояние. Реальная структура кристалла всегда отличается от идеальной схемы, описываемой понятием кристаллической решётки, поскольку, помимо всегда имеющих место тепловых колебаний атомов, трансляционные «равные» атомы могут в действительности отличаться по атомному номеру (Изоморфизм), по массе ядра (изотонический изоморфизм). Кроме того, в реальном кристалле всегда имеются различного рода дефекты: примесные атомы, вакансии, Дислокации и т. д.

История получения искусственных кристаллов.

Первую попытку получения искусственных кристаллов можно отнести к Средневековью, к периоду расцвета алхимии. И хотя конечной целью опытов алхимиков было получение золота из простых веществ, можно предположить, что они пытались вырастить кристаллы драгоценных камней.

Целенаправленное создание искусственных кристаллов минералов связано с именем французского химика М. Годена, которому в 1837 г. удалось получить мельчайшие (в 1 карат – 0,2 г) кристаллы рубина. В дальнейшем предпринимались неоднократные попытки получения искусственных рубинов, и уже в конце XIX в. удалось синтезировать ряд соединений группы корунда. А в 1902 г. французский химик М.А. Вернейль начал поставлять на мировой рынок синтетические рубины, позже сапфиры и шпинели.

Несколько позже были синтезированы кристаллы многих драгоценных камней, шедшие наряду с природными. Широкое применение не только в качестве ювелирного сырья, но и в промышленности, где понадобились уже монокристаллы достаточно крупных размеров.

В последние полвека в связи с бурным развитием техники и приборостроения с каждым годом возрастает потребность в кристаллах, обладающих специфическими свойствами, такими как пьезоэлектрические, полупроводниковые, люминесцентные, акустические, лазерные, оптические и т.д. Кроме того, для создания современных приборов требуются кристаллы с такими уникальными свойствами, которыми природные объекты не обладают. Все это способствует становлению промышленного выращивания искусственных кристаллов.

Работы по теории и практике выращивания кристаллов способствовали интенсивному развитию научных исследований в области процессов реального кристаллообразования, в частности в природных условиях.

Моделирование природных процессов кристаллообразования в лаборатории позволяет понять и объяснить ряд причин зарождения, роста и разрушения кристаллов в реальных условиях.

Образование кристаллов в природе.

В природе кристаллы образуются при различных геологических процессах из растворов, расплавов, газовой или твердой фазы.

Значительная часть минеральных видов произошла путем кристаллизации из водных растворов. Примеры выпадения кристаллов из раствора – выпадение кристаллов солей в замкнутых водоемах; рост кристаллов на стенках трещин и полостей при гидротермальных процессах, на больших глубинах в условиях высоких давлений и температур; образование отдельных кристаллов вторичных минералов в зонах окисления рудных месторождений.

Образование кристаллов из расплавов. Если магматический очаг располагается на большой глубине и его остывание идет медленно, то магма успевает хорошо раскристаллизовываться и кристаллы вырастают достаточно крупными и хорошо ограненными. Если магма застывает внезапно, могут образоваться некристаллические минералы и горные породы. Внезапное застывание магмы происходит при извержении вулканов. Потоки застывшей лавы дает начало не кристаллическим, а стекловидным породам.

Образование кристаллов в результате конденсации газов или из паров. Кристаллизоваться могут не только водяные пары, но и пары других веществ. Пример- на фумаролах образуются кристаллы из газов.

Образование кристаллов при перекристаллизации твердых веществ. При переходе из твердого состояния в твердое выделяют 2 случая:

1. Кристаллическое вещество образуется из аморфного–например, с течением времени закристаллизовываются содержащие стекла кристаллические породы.

2. Перекристаллизация – это процесс, при котором структура одних веществ разрушается, и образуются новые кристаллы с другой структурой. Например, известняк под действием высоких температур и давления становится мрамором. Перекристаллизация связана с таким явлением как метосамотоз – преобразование горной породы или минерала в другую горную породу или минерал под воздействием привноса или выноса вещества.

Причины и условия образования кристаллов

Материальные частицы (атомы, молекулы, ионы), слагающие газообразные или жидкие (расплавленные) вещества, обладая высокой кинетической энергией, находятся в непрерывном движении. Время от времени они сталкиваются, образуя зародыши – микроскопические фрагменты будущей структуры. Чаще всего такие зародыши распадаются, что связано либо с собственными колебаниями, либо с бомбардировкой их свободными частицами. Однако для начала кристаллизации необходимо, чтобы зародыш достиг критической величины, т.е. содержал такое количество частиц, при котором присоединение следующей частицы сделало бы разрастание зародыша энергетически более выгодным, чем его распад. Такая возможность для большинства веществ проявляется либо с понижением температуры, в результате чего уменьшаются температурные колебания, либо с повышением концентрации вещества в растворе или газе, что приводит к увеличению вероятности встречи частиц друг с другом, то есть к возникновению зародышей.

Таким образом, рост кристаллов можно рассматривать как процесс, посредством которого мельчайшие кристаллические частицы – зародыши – достигают макроскопических размеров. Причем кристаллизация протекает не во всем объеме, а лишь там, где возникнут зародыши. Факторами, влияющими на появление зародышей, являются не только переохлаждение и повышение концентрации раствора или вязкости расплава, но и присутствие посторонних обломков кристаллов или пылинок, на поверхности которых собираются частицы, упрощая этим начало кристаллизации.

Процесс кристаллизации является энергетически выгодным. Растущий кристалл не принимает равновесную форму вследствие того, что на него влияют различные изменяющиеся условия кристаллизации: температура, давление, сила тяжести, химический состав и динамика среды и т.д.

Интересные факты

1. Древние греки считали, что горный хрусталь — это превратившийся в камень лед, поэтому они так его и назвали — κρύσταλλος. Позже название перешло на горный хрусталь, а при попадании в европейские языки стало обозначением разных драгоценных камней и не только.

2. В Японии горный хрусталь считали замерзшим дыханием дракона. А в средневековой Европе из него делали «магические кристаллы» — шары, якобы предсказывающие будущее.

3. Первым ученым, классифицировавшим кристаллы, был ученик Платона и друг Аристотеля, философ и естествоиспытатель Теофраст Эресиос, живший на стыке IV и III веков до нашей эры. В своем трактате «О камнях» он описал 16 минералов.

4. Кристалл — это единственное «живое» существо в неживой природе. Он воспроизводит сам себя и растет.

5. В 2000 году в пещере кристаллов мексиканского шахтового комплекса Найка были обнаружены самые крупные в мире экземпляры — кристаллы гипса в ширину достигали метра, а в длину — 15 метров.

6. Самый крупный в мире искусственный кристалл хранится в популярном австрийском музее «Хрустальные миры Swarovski». Он весит 62 килограмма и занесен в Книгу рекордов Гиннесса.

7. Не все кристаллы безопасны. Например, халькантит (пятиводный сульфат меди) при попадании в воду способен отравить целый пруд, поскольку при взаимодействии с водой содержащаяся в нем медь начинает стремительно растворяться. А эффектный торбернит, похожий на россыпь изумрудов, содержит 50 процентов урана и очень радиоактивен. При нагревании же он выделяет ядовитый газ радон. А вот медный кристалл клиноклаз ослепительно синего цвета при нагревании начинает сильно пахнуть чесноком, но это совершенно безвредно.

8. Кристалл как физический объект всегда имеет дефекты и искажения внутри кристаллической решетки и на ее гранях. Этим дефектам в некоторых кристаллах мы обязаны изобретением полупроводников. Сегодня невозможно представить ни один точный прибор и компьютер без монокристаллического кремния, который работает внутри них.

9. Кристаллы бывают жидкими. Некоторые вещества при определенных условиях приобретают одновременно свойства жидкостей и кристаллов. Жидкие кристаллы активно используются в электронике, например, в экранах телевизоров и смартфонов.

10. Горный хрусталь генерирует ток — это явление назвали пьезоэлектричеством, а сам камень использовали в разнообразных приборах, пока не нашли аналогов.

II.ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Процесс приготовления

Д ля приготовления жидкостей мне понадобились разные химические компоненты: квасцы, медный купорос, пищевая соль, английская соль. Также понадобилось: прозрачные стаканы, бечёвка, деревянные палочки, железная чаша, ложка.

Процесс приготовления жидкостей довольно прост:

1. В железную чашу налить воду из-под крана;

2. Поставить на разогретую плиту и довести до кипения;

3. Снять с огня;

4. Засыпать химический компонент, непрерывно помешивая;

5. Перелить полученную жидкость в стакан;

6. Опустить бечёвку, привязанную к деревянной палочке, в стакан;

7. Аккуратно перенести стакан в место наблюдения.

Дневник наблюдения

Выращивание в полутени

Свой проект по выращиванию кристаллов я начал 24 сентября 2024 года в 21:30.

30 сентября я закончил свое наблюдение в полутени. Вот мой результат выращивания в полутени. Предположу, что кристаллы в полутени растут хорошо, но не все, например, английская соль.

Дневник наблюдения

Выращивание на солнце.

Дождавшись солнечных дней, я начал второе наблюдение 5 октября 2024года в 12:00. Также приготовил растворы и поставил под прямые солнечные лучи.

9 октября я закончил второе наблюдение. Но поваренную соль оставил еще на три недели.

Вот мой результат выращивания. Могу предположить, что кристаллы очень хорошо растут на солнце, но есть один минус _они подтаивают.

Выводы

Выращивание кристаллов- занимательный процесс. Требующий внимательности, осторожности и бережного отношения к работе. Размеры кристаллов, которые можно вырастить в домашних условия, могут быть разными. Чтобы вырастить кристаллы больших размеров, нужны определенные навыки.

В ходе моих наблюдений я заметил:

1. Английская соль лучше растет на солнце, чем в полутени. Но на солнцепеке под прямыми солнечными лучами первые образовавшиеся кристаллы распадаются, а некоторые и вовсе расплавляются обратно в раствор.

2. Квасцы растут одинаково как на солнце, так и в полутени. Но размер кристаллов на солнце больше.

3. Кристаллы медного купороса растут с одинаковой скорость будь то они на солнце или же в полутени. А вот формы кристаллов разные. И размеры кристаллов больше на солнце, чем в полутени.

4. Поваренная соль кристаллизуется немного быстрее на солнце, чем в полутени, кристаллы крупнее и квадратной формы, а в полутени кристаллы маленькие, продолговатые, прямоугольной формы.

Кристаллы в полутени. Кристаллы на солнце.

Хранение кристаллов имеет некоторые особенности и если не соблюсти правила хранения, то кристалл может рассыпаться, так как если кристалл оставить открытом в сухом воздухе, он постепенно теряет, содержащуюся в нем воду.

Поэтому все кристаллы я покрыл обычным прозрачным лаком для ногтей.

Список литературы

1. Журнал «Старт в науке». – 2016. – С. 107-111

2. Шаскольская М.П. и Вайнштейн Б.К. - Большая Советская Энциклопедия, 1969. -1978. – С. 48- С. 49.

3. Петраков В.С. Выращивание кристаллов. МИСиС, 2017. – С. 56

Список интернет-источников

4. https://gufo.me/dict/bse/

5. https://ru.wikihow.com/