XXVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Кристаллические и аморфные тела. Дефекты в кристаллах. Выращивание кристалла в домашних условиях

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Канюка Л.Д. 1

---

1ЧОУ "ЛТГПУ им. Л.Н.Толстого"

Матвеева А.В. 1

---

1ЧОУ ЛТГПУ

Работа в формате PDF

2.5 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Мы живём на Земле, где многие окружающие нас предметы – кристаллические тела: мы ходим по кристаллам, строим из кристаллов, обрабатываем кристаллы на заводах, выращиваем их в лабораториях, широко применяем в технике и науке, едим кристаллы, лечимся ими. Структура твёрдых тел многообразна. Тем не менее, их можно разделить на два больших класса: кристаллы и аморфные тела.

Исследованиями кристаллических тел и их свойств ученые занимаются и по сегодняшний день, ведь варианты использования этих сложных и полезных веществ разнообразны и многочисленны. Огромную роль, конечно, играет практическая деятельность человека. Твёрдые тела — это металлы и диэлектрики, без которых немыслима электротехника, это - полупроводники, лежащие в основе современной электроники, магниты, сверхпроводники, конструкционные материалы. Словом, можно утверждать, что научно-технический прогресс в значительной мере основан на использовании твёрдых тел.

Цель работы

Данная работа нацелена на изучение твёрдых тел и свойств этого агрегатного состояния, а также сравнение кристаллов разных веществ; определение разницы между кристаллическими и аморфными телами, классифицирование дефектов в кристаллах.

Задачи

1. Исследовать виды твёрдых тел, их строение, свойства и применение, классификацию.

2. Определить различия и сходства твердых кристаллических и аморфных тел.

3. Вырастить кристаллы в домашних условиях.

4. Сравнить кристаллы: их рост, форму, структуру, свойства.

Кристаллические и аморфные тела

По агрегатному состоянию все вещества делятся на газообразные, жидкие и твёрдые в данных условиях (например, при нормальных условиях, при комнатной температуре и пр.). Вещества могут находиться в разных агрегатных состояниях в зависимости от температуры. В данной работе мы рассмотрим твёрдое агрегатное состояние.

Твёрдые тела обладают самыми разнообразными свойствами. Однако все тела, состоящие из твёрдых веществ, в отличие от газообразных и жидких, имеют определенную форму и объём, т. к. частицы, их образующие, не могут свободно перемещаться относительно друг друга.

По внутреннему строению вещества (в твёрдой фазе) делятся на аморфные и кристаллические. Кристаллических веществ подавляющее большинство. В отличие от аморфных веществ, кристаллические вещества имеют строго упорядоченную внутреннюю структуру. Однако, некоторые вещества могут находиться как в кристаллическом, так и в аморфном состояниях, например сера, оксид кремния (IV) и некоторые другие

рисунок 1 - Кристаллическое тело

рисунок 2 - Аморфное тело

Образование кристаллических тел

С точки зрения физики кристаллы возникают потому, что при определённых условиях кристаллическое состояние становится энергетически выгодным для вещества. При охлаждении жидкость стремится минимизировать свою свободную энергию — и зачастую наилучший способ сделать это — выстроить частицы в регулярную решётку (так образуется лёд, металл при затвердевании и т. д.). То же верно и для раствора: когда раствор перенасыщен, избытку растворённого вещества выгоднее выйти из раствора в виде твёрдого кристалла, имеющего более стабильное состояние. 

Вприроде кристаллизация приводит к образованию минералов, льда, играет важную роль во многих биологических процессах. Впромышленности кристаллизация лежит в основе многих технологических процессов: в металлургии, при получении материалов для электроники, оптики.

Кристаллизация — это процесс образования кристаллического твёрдого тела из другой фазы (жидкости, раствора или пара). 

рисунок 3 - Кристаллическое тело, образованное из воды (кристаллы льда)

Процесс состоит из двух стадий:

1. Образование зародышей. На первом этапе несколько частиц вещества случайно собираются во временную группировку. Если такая группировка достигла критического размера, она становится устойчивым зародышем кристалла. Для образования зародышей обычно необходимы специальные условия — например, температура должна снизиться ниже точки кристаллизации (переохлаждение расплава) или концентрация вещества превысить растворимость (перенасыщение раствора). Нередко зарождение происходит легче на примесях, пылинках или стенках сосуда, которые служат «затравкой».

2. Рост кристалла. На втором этапе вокруг устойчивых центров кристаллизации вещество начинает упорядоченно присоединяться к уже существующей структуре. Атомы или молекулы из окружающей среды садятся на грани зародыша, слой за слоем, заполняя узлы решётки.

Образование аморфных тел

Образование аморфных твёрдых тел происходит в результате процессов, которые не позволяют материалу принять чётко определённую кристаллическую структуру, что приводит к беспорядочному и случайному расположению частиц. Для создания аморфных твёрдых тел можно использовать несколько методов, выбор которых зависит от типа материала и желаемых свойств. Вот несколько распространённых методов получения аморфных твёрдых тел:

• Быстрое охлаждение:

• • Один из наиболее распространённых методов — быстрое охлаждение расплавленного материала. Если жидкость охлаждается достаточно быстро, частицы не успевают образовать правильную кристаллическую решётку. Этот процесс часто используется при производстве аморфных металлов (металлических стёкол) и некоторых видов стекла.

• Тушение:

• • Закалка — это быстрое охлаждение материала с высокой температуры до более низкой. Этого можно добиться с помощью охлаждающих сред, таких как вода или масло. Резкое охлаждение препятствует образованию кристаллической структуры, в результате чего получается аморфное твёрдое тело.

• Аморфизация механическими методами:

• • Механические методы, такие как шаровая мельница или высокоэнергетическое измельчение, могут нарушить структуру материала, что приведёт к образованию аморфной фазы. Механическая энергия нарушает правильное расположение частиц, способствуя образованию аморфной структуры.

• Золь-Гель-процесс:

• • Золь-гель процесс предполагает превращение раствора (золя) в гель, а затем в твёрдый материал. Тщательно контролируя условия, такие как температура и концентрация, можно получать аморфные материалы, в том числе аморфные оксиды металлов и стёкла.

рисунок 4 – Золь (слева) и гель (справа)

• Физическое осаждение из паровой фазы (ФОП):

• • Такие методы, как распыление или испарение в определённых условиях, позволяют получать тонкие плёнки из аморфных материалов. Контролируемое осаждение атомов или молекул на подложку при низких температурах предотвращает образование кристаллической структуры.

Свойства кристаллических веществ

• Упорядоченная структура

В кристаллических твёрдых телах атомы, ионы или молекулы расположены повторяющимся образом, образуя кристаллическую решётку.

• Резкая температура плавления

У них чётко выражена температура плавления, при которой они переходят из твёрдого состояния в жидкое.

• Анизотропное поведение

Свойства могут меняться в зависимости от направления из-за особого расположения частиц.

• Рассечение

Они часто ломаются по определённым плоскостям из-за своей упорядоченной структуры.

• Показатель преломления

Оптические свойства определяются регулярным расположением частиц.

• Электропроводность

В зависимости от кристаллической решётки и связей они могут быть проводниками, изоляторами или полупроводниками.

• Растворимость

Растворимость в различных растворителях зависит от сил, удерживающих кристаллическую решётку.

Свойства аморфных веществ

• Отсутствие дальнобойного заказа

В аморфных твёрдых телах отсутствует дальний порядок в расположении частиц. Это означает, что периодическое расположение атомов или молекул не распространяется на большие расстояния. Такой ближний порядок придаёт аморфным материалам некоторую степень жёсткости и стабильности.

• Аморфные твёрдые тела изотропны

Изотропность означает, что физические свойства, такие как показатель преломления, при измерении в разных направлениях внутри твёрдого тела, остаются неизменными. Изотропность аморфных твёрдых тел объясняется их неупорядоченным расположением атомов. В отличие от кристаллических твёрдых тел, которые имеют чётко определённую повторяющуюся структуру, аморфные твёрдые тела имеют неупорядоченное расположение атомов или молекул. Примерами аморфных твёрдых тел являются стекло и некоторые полимеры.

• Отсутствие резкой температуры плавления

Аморфные твёрдые тела не имеют чётко выраженной фиксированной температуры плавления. Это связано с неупорядоченной структурой аморфного вещества. Различные участки материала могут переходить в более жидкое состояние при немного разных температурах. Следовательно, у аморфных твёрдых тел более широкий диапазон температур плавления.

• Аморфные твёрдые тела — это переохлаждённые жидкости

Аморфные твёрдые тела хоть и являются твёрдыми, но их молекулы имеют тенденцию к течению под действием силы тяжести в течение длительного времени. Поэтому их называют переохлаждёнными жидкостями. Чтобы превратить материал в аморфное твёрдое тело (стекло), нагрейте его до жидкого состояния и быстро охладите путём закалки. Это предотвратит образование кристаллической структуры. В процессе быстрого охлаждения образуется аморфное твёрдое тело, обладающее такими свойствами, как прозрачность и отсутствие плоскостей спайности.

• Механические свойства

Механические свойства аморфных твёрдых тел отличаются от свойств кристаллических твёрдых тел из-за их неупорядоченной атомной или молекулярной структуры. Аморфные твёрдые тела могут обладать высокой прочностью и твёрдостью. Отсутствие кристаллических дефектов и дислокаций способствует их механической целостности. Это позволяет использовать их в определённых областях, где важна прочность. Многие аморфные твёрдые тела хрупкие, то есть склонны к разрушению без значительной пластической деформации.

• Тепловые свойства

Аморфные твёрдые тела, как и другие материалы, при нагревании подвергаются тепловому расширению. Тепловые свойства аморфных твёрдых тел, как и любых других материалов, зависят от их структуры, состава и характеристик связей. Аморфные материалы расширяются иначе, чем кристаллические.

• Оптические Свойства

Показатель преломления аморфных твёрдых тел обычно отличается от показателя преломления кристаллических материалов. На оптические свойства аморфных твёрдых тел, таких как стекло и некоторые полимеры, влияет их некристаллическая структура: скорость света одинакова во всех направлениях, и, следовательно, показатель преломления не зависит от направления. Такие тела называются оптически изотропным

Показатель преломления аморфного твёрдого тела — это мера того, насколько сильно свет преломляется (изменяется) при прохождении через материал. Это свойство важно для оптических приборов, включая линзы, призмы и оптические волокна.

Различия между кристаллическими и аморфными телами. Сравнение в таблице.

Таблица №1

Применение кристаллических тел

• Полупроводники: используются в электронике благодаря своей способности проводить электрический ток при определённых условиях, что крайне важно для таких устройств, как транзисторы и диоды.

• Ювелирные изделия и драгоценные камни: ценятся за свои оптические свойства и долговечность, в первую очередь это касается бриллиантов, рубинов и сапфиров.

• Строительные материалы: кристаллические твёрдые вещества, такие как гранит и мрамор, широко используются в строительстве благодаря своей прочности, долговечности и эстетической привлекательности.

• Фармацевтика: многие лекарства производятся в кристаллической форме для обеспечения стабильности, контролируемого высвобождения и удобства дозирования.

• Оптические устройства: используются в линзах, призмах и лазерных технологиях благодаря своей способности управлять светом.

• Хранение энергии: Некоторые кристаллические вещества, такие как литий-ионные аккумуляторы, являются неотъемлемой частью технологий хранения энергии и используются в различных устройствах — от смартфонов до электромобилей.

• Катализ: кристаллические материалы служат катализаторами в различных промышленных процессах, ускоряя химические реакции, при этом сами остаются неизменными.

• Сенсорные технологии: кристаллические материалы используются в датчиках для измерения температуры, давления и других физических или химических параметров благодаря их предсказуемой реакции на раздражители.

Применение аморфных тел

• Изделия из стекла:наиболее распространённое и известное применение аморфных твёрдых тел — производство стекла. Окна, контейнеры, стеклянная посуда и оптические линзы — всё это изготавливается из разных видов стекла. Аморфная структура стекла позволяет ему быть прозрачным или полупрозрачным, что делает его подходящим для этих целей.

• Упаковочные материалы:аморфные полимеры, такие как некоторые виды пластика, широко используются в производстве упаковочных материалов. Благодаря своей гибкости, прочности и способности принимать различные формы они идеально подходят для упаковки продуктов питания, напитков и потребительских товаров.

• Оптические волокна:аморфные материалы, в частности стёкла на основе диоксида кремния, используются при производстве оптических волокон для связи. Благодаря контролируемому показателю преломления и прозрачности аморфные стеклянные волокна незаменимы для передачи данных на большие расстояния.

• Аморфные металлы (металлические стёкла):металлические стёкла, также известные как аморфные металлы, находят применение в различных областях. Они используются в электронике, в качестве компонентов некоторых медицинских устройств, а также при производстве прецизионных деталей благодаря уникальному сочетанию высокой прочности, твёрдости и эластичности.

Вывод о различиях кристаллического и аморфного тел

В заключение, кристаллические и аморфные тела представляют два различных типа структуры вещества. Кристаллические тела обладают упорядоченной регулярной структурой, в то время как аморфные тела не имеют определенного порядка. Эти различия в структуре влияют на свойства и поведение материалов при воздействии на них внешних факторов, таких как температура или давление. Также стоит отметить, что кристаллические тела обычно обладают более высокой прочностью и жесткостью по сравнению с аморфными.

Что такое кристалл

Кристаллы — твёрдые тела, у которых наблюдается упорядоченное расположение атомов или молекул. Они имеют форму правильных многогранников, образованных в результате многократного регулярного повторения расположения составляющих вещество частиц.

Виды кристаллов

Кристаллы делятся на два класса:

• Монокристаллы - вся структура тела представлена единым кристаллом (алмаз, рубин, сапфир).

рисунок 5 - Монокристалл

• Поликристаллы - структура тела представляет собой объединение большого количества малых кристаллов (гранит, большинство металлов).

рисунок 6 - Поликристалл

В зависимости от типа кристаллической решётки различают четыре типа кристаллов:

• Атомные, в узлах которых расположены атомы, соединённые ковалентной связью (алмаз, кремний, германий, бор).

• Ионные, в узлах которых находятся положительные и отрицательные ионы, связь между ними ионная (соли, щёлочи и оксиды типичных металлов).

• Молекулярные, в узлах которых находятся молекулы, которые удерживаются за счёт межмолекулярных вандервальсовых сил (лёд, йод, нафталин, углекислый газ).

• Металлические, для которых характерна металлическая кристаллическая решётка (металлы).

Дефекты в кристаллах

Дефектами кристалла называют всякое устойчивое нарушение трансляционной симметрии кристалла — идеальной периодичности кристаллической решётки. Они образуются в процессе роста кристалла под влиянием тепловых, механических и электрических воздействий, а также при облучении нейтронами, электронами, рентгеновскими лучами, ультрафиолетовым излучением (радиационные дефекты) и т.п. По числу измерений, в которых размеры дефекта существенно превышают межатомное расстояние, дефекты делят на нульмерные (точечные), одномерные (линейные), двумерные (плоские) и трёхмерные (объёмные) дефекты.

Дефекты влияют практически на все свойства кристаллов. В значительной степени ими определяются структурно-чувствительные свойства.

Виды дефектов кристаллов

Нульмерные (точечные) дефекты

Часть атомов или ионов может отсутствовать на местах, соответствующих идеальной схеме решётки. Такие дефектные места называются Вакансиями.

В кристаллах могут присутствовать чужеродные (примесные) атомы или ионы, замещая основные частицы, образующие кристалл, или внедряясь между ними.

К точечным дефектам относятся и собственные атомы или ионы, сместившиеся из нормальных положений (межузельные атомы и ионы), а также центры окраски — комбинации вакансий с электронами проводимости (F-центры), с примесными атомами и электронами проводимости (Z-центры) либо с дырками (V-центры). Центры окраски могут быть вызваны облучением кристаллов.

Характерной особенностью точечных дефектов является то, что они нарушают лишь ближний порядок в кристаллах, не затрагивая дальнего порядка.

рисунок 7 - Точечный (слева) и линейный (справа) дефекты

Линейные (одномерные) дефекты

В отличие от точечных линейные дефекты нарушают дальний порядок.

В реальных кристаллах некоторые атомные плоскости могут обрываться. Края таких оборванных (лишних) плоскостей образуют краевые дислокации. Существуют также винтовые дислокации, связанные с закручиванием атомных плоскостей в виде винтовой лестницы, а также более сложные типы дислокаций. Иногда линейные дефекты в кристаллах образуются из скопления точечных дефектов, расположенных цепочками.

Двумерные (плоские) дефекты

Это несовершенства кристаллического строения, у которых два размера существенно превышают параметр решётки. К двумерным дефектам относятся: дефекты упаковки, границы двойников, границы магнитных или сегнетоэлектрических доменов, границы зёрен в поликристаллических материалах, межфазные границы в сплавах, сама поверхность кристалла.

рисунок 8

Трёхмерные (объёмные) дефекты

Трёхмерными, или объёмными, дефектами являются скопления вакансий, образующие поры и каналы, трещины, включения других фаз, тетраэдры из дефектов упаковки. Образуются, как правило, в кристаллах, полученных в неравновесных условиях, то есть при нарушении режимов роста кристалла, распаде пересыщенного твердого раствора, загрязнение образцов.

рисунок 9 - Объёмный дефект

Объёмные дефекты обычно ухудшают свойства кристаллов, уменьшают прочностные характеристики кристаллического материала с одновременным уменьшением и пластических характеристик, однако в ряде случаев такие дефекты специально создают в поликристаллических материалах для предотвращения их рекристаллизации.

Избавление от дефектов

Основной метод, который помогает избавляться от дефектов в кристалле — метод зонной плавки. Этот метод хорошо применим для кремния. Плавят малую часть кристалла, чтобы впоследствии перекристаллизовать расплав. Используют также просто отжиг.

Полезность дефектов

Дефекты могут быть полезными, так как при пластической деформации металлов (например, ковке, прокатке), генерируются многочисленные дислокации, что затрудняет разрушение кристалла по сетке дислокаций. Таким образом увеличивается прочность металла, но в то же время снижается пластичность.

В искусственно выращенных рубинах, сапфирах для лазеров добавляют примеси (Cr, Fe, Ti) элементов — окрашивающие центры, которые участвуют в генерации когерентного света.

Эксперимент №1

Для того, чтобы наглядно понять, что такое кристалл, и увидеть, как он появляется, проведу эксперимент, в котором самостоятельно выращу кристаллическое твердое тело – кристалл поваренной соли (NaCl).

Ход эксперимента:

1. В очищенную ёмкость наливаем перенасыщенный раствор соли (в воде растворяем поваренную соль до тех пор, пока кристаллики соли не будут оставаться осадком).

2. К шпажке прикрепляем нить. Погружаем нить в ёмкость с соляным раствором так, чтобы её конец не касался дна и стенок сосуда. На нити должен образоваться кристалл соли.

3. Оставляем в тёмном месте без сквозняка и прямых лучей света на пару дней.

рисунок 10 - День 1

рисунок 11 - День 3. Кристалл соли на шпажке

Во время проведения опыта я обнаружила, что кристаллические образования появляются не на нити, как ожидалось, а на шпажке, к которой была привязана нить. Это произошло из-за того, что нить состояла из синтетического волокна, а также из-за отсутствия кристаллика-затравки на нити. В моём опыте кристалл появлялся через сутки и рос около двух дней. Его рост происходил за счёт испарения жидкости и осаждения соли на крохотных неровностях и шероховатостях краёв шпажки.

Описание: один целый неровный кристалл, состоящий из множества мелких, непрозрачный, имеет белый оттенок, плотную структуру с ионной кристаллической решеткой и шероховатую поверхность.

Эксперимент №2

Для сравнения условий выращивания я попробовала вырастить еще один кристалл из поваренной соли, но немного иначе: вместо синтетического волокна я взяла хлопковую нить и использовала кристаллик-затравку. Остальное в эксперименте осталось без изменений: в перенасыщенный раствор поваренной соли опускается нить с кристаллом-затравкой и помещается в безветренное место с постоянной температурой без прямого солнечного света.

рисунок 12 - День 1

Ровно через сутки на кристалле-затравке и на нити появились мелкие кристаллики соли, образовавшиеся, когда раствор соли остывал, а вода испарялась, и ионы натрия (Na+) и хлора (Cl-) слиплись.

рисунок 13 - Мелкие кристаллики на затравке и нити

Также некоторые кристаллы соли образовались в растворе и всплыли на его поверхность.

рисунок 14 - Кристаллики на поверхности раствора

Описание получившихся кристаллов соли: непрозрачные, имеют белый оттенок, плотную структуру с ионной кристаллической решеткой. В данном эксперименте наглядно видно, что кристаллы поваренной соли являются поликристаллами, так как выпало множество мелких кристалликов, которые наросли друг на друга.

Благодаря второму эксперименту стало ясно, что:

1. 1. на нити из шерсти/синтетики кристаллы поваренной соли не оседают, а на хлопковую, наоборот, хорошо липнут;

   2. наличие кристаллика-затравки влияет на то, где именно будет образовываться кристалл: в первом эксперименте, где не было затравки, кристалл образовался на шпажке, а также отсутствовал осадок; во втором эксперименте, где была затравка, кристалл образовывался на ней и на нити, а также некоторые кристаллики всплыли на поверхность и выпили осадком;

   3. во втором эксперименте концентрация раствора была меньше и, как следствие, количество и размер образовавшихся кристаллов оказался меньше, чем в первом эксперименте.

Эксперимент №3

Для наглядности различий между кристаллами веществ выращу ещё один кристалл, но уже из медного купороса (CuSO₄).

Ход эксперимента:

2. В ёмкости с теплой водой наводим перенасыщенный раствор медного купороса так, чтобы растворе не осталось крупинок вещества.

3. На хлопковую нить привязываем кристаллик-затравку медного купороса и опускаем в раствор, привязав нить к шпажке (затравка не растворится, так как раствор перенасыщен).

4. Оставляем в месте с постоянной температурой, без сквозняков и прямых солнечных лучей.

рисунок 15 - День1

Кристалл начал появляться на следующий день, а на вторые сутки закончил своё образование.

рисунок 16 - День 2. Кристалл на нити

Из-за большой концентрации вещества в растворе и малого расстояния до дна ёмкости кристалл рос не только на нити, но и на дне. На фотографиях представлены уже разделённые кристалл с нити и со дна ёмкости.

рисунок 17 - Кристалл на дне ёмкости

Описание: кристалл медного купороса вырос прозрачным с синим оттенком, не целостным, а состоящим из отдельных кристалликов – данный кристалл является поликристаллом, имеющим молекулярную моноклинную кристаллическую решетку.

Итоги экспериментов и сравнение

Таблица №2

Заключение

Знакомство с вышеизложенной темой помогло узнать некоторые интересные факты:

• Кристаллическое состояние веществ является одним из самых распространенных в окружающем нас мире.

• Самым доступным методом получения кристаллов является кристаллизация из растворов за счет перенасыщения.

• Разница между кристаллическими и аморфными телами заключается в степени упорядоченности их внутреннего строения.

• Дефекты кристаллов разнообразны по происхождению, видам, а также они бывают полезны в практическом плане.

Список литературы

1. https://www.geeksforgeeks.org/chemistry/amorphous-solid/#properties-of-amorphous-solids

2. https://www.geeksforgeeks.org/chemistry/crystalline-solids-definition-types-properties-structure-examples/#properties-of-crystalline-solids

3. https://zaochnik-com.com/spravochnik/fizika/molekuljarno-kineticheskaja-teorija/kristallicheskie-i-amorfnye-tela/

4. https://school-science.ru/2/13/30559

5. https://ru.wikipedia.org/wiki/Дефекты_кристалла#:~:text=Дефектами%20кристалла%20называют%20всякое%20устойчивое,(плоские)%20и%20трёхмерные%20(объёмные)%20дефекты

6. https://ru.ruwiki.ru/wiki/Дефекты_кристалла

7. https://gufo.me/dict/bse/Дефекты_в_кристаллах

8. https://portal.tpu.ru/SHARED/b/BGA/bio/bachelors/Tab3/Tab/Tab/CrysralDedects.pdf

9. https://bigenc.ru/c/defekty-v-kristallakh-fedef8

10. https://multiurok.ru/index.php/files/proiekt-kristallichieskiie-i-amorfnyie-tiela.html

11. https://school-science.ru/21/11/56943

12. https://nsportal.ru/npo-spo/estestvennye-nauki/library/2019/11/16/proekt-po-himii-kristally