XXVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Основное о кристаллах
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Окружающий нас мир состоит из кристаллов. Снег и лёд, любой металл и основная масса горных пород состоят из кристаллов. Даже глина и песок − это нагромождение мельчайших кристалликов. Кристаллическими являются и многие современные синтетические материалы и сплавы. Из кристаллов состоят обычные сахар и поваренная соль, шёлк и хлопок, и даже кости человека. Мы постоянно пользуемся кристаллами в быту, едим их, лечимся ими и даже сами частично состоим из кристаллов [См. об этом: 2].
Тема моей научно-исследовательской работы: «Основное о кристаллах». Данная тема никогда не утратит своей актуальности, ведь кристаллическое состояние − это наиболее распространенное состояние вещества на Земле и в космосе [4].
Цель моего исследования: изучить основную научную информацию о кристаллах и обобщить полученные знания, попытаться самому вырастить кристаллы в домашних условиях и описать полученный результат.
Задачи моего исследования:
-
изучить различные учебные пособия по кристаллографии;
-
дать общее определение кристаллографии, узнать, когда впервые ученые задумались о закономерном строении кристаллов;
-
дать понятие кристаллу;
-
охарактеризовать такие основные свойства кристалла, как самоогранение и симметрия;
-
узнать, какие формы кристаллов существуют;
-
описать процесс кристаллизации, уточнить, что не всегда вырастают идеальные кристаллы;
-
вырастить на практике кристаллы двух разных веществ самостоятельно, зафиксировать и описать полученный результат;
-
сделать выводы.
В данной работе мною преимущественно использовались такие методы исследования, как анализ, обобщение и эксперимент.
1. Кристаллография
Кристаллография – это наука о кристаллах, изучающая процессы их образования, внутреннее строение, внешнюю форму и свойства [См. об этом: 1]. Кристаллография зародилась ещё в 17 веке. Тогда немецкий учёный Иоганн Кеплер в своей книге «О шестиугольных снежинках» впервые высказал мнение, что снежинки (т.е. кристаллики льда) имеют форму шестиугольной звезды не случайно, а вследствие общего расположения составляющих их частиц [См. об этом: 5].
2. Понятие кристалла
Кристаллами называют твёрдые тела, образующиеся в природных или лабораторных условиях в виде многогранников. Слово кристалл у древних греков обозначало «лёд». Так же называли и прозрачный кварц, считавшийся тогда окаменевшим льдом. Примерами многогранников кристаллов могут служить кубики каменной соли, шестигранники горного хрусталя, восьмигранники алмаза, двенадцатигранники граната и другие. Величина кристаллов иногда достигает нескольких метров (например, кварц, лёд или гипс) [См. об этом: 1].
3. Самоогранение и симметрия кристаллов
Кристаллам характерно самоогранение. Это способность кристалла приобретать форму правильного многогранника при благоприятных условиях роста. Если сколотый кристалл поместить в питающий раствор, то он восстановит свою типичную форму. Так, например, шар, вырезанный из каменной соли, в питающем растворе станет кубом. Если окружающая среда мешает свободному росту кристаллов, то получаются деформированные кристаллы. Однако внутри они сохраняют упорядоченность [См. об этом: 3].
Поверхность кристаллов ограничена рёбрами, вершинами и гранями. Рёбра – это линии пересечения граней. Вершины – это точки пересечения рёбер. А грани – это плоскости, ограничивающие кристалл. Кристаллы растут за счёт нарастающих слоёв вещества так, что грани передвигаются параллельно самим себе. Кристаллы имеют разный облик, размер, форму и число граней, но углы между гранями всегда постоянны [Там же].
Все кристаллы – симметричные тела. Греческое слово симметрия в переводе на русский язык означает «соразмерность». В окружающем мире птице нужно два крыла, чтобы летать, человеку – две ноги, чтобы ходить, а рыбе – два плавника, чтобы плавать [5]. Симметричная фигура должна состоять из закономерно повторяющихся равных частей [4]. Под симметрией кристаллов понимается закономерная повторяемость одинаковых граней, рёбер и вершин [5]. Внутреннее строение кристаллов зеркально: каждая из частей кристалла является зеркальным изображением другой [См. об этом: 4].
4. Формы кристаллов
Формы кристаллов бывают простые и сложные. Кристалл простой формы состоит из одинаковых по величине и очертанию граней, а кристалл сложной формы − из различных по величине и очертанию граней [См. об этом: 5]. Простые формы кристаллов образуют великое множество сложных форм [4]. Примером простой формы является призма изумруда, а примером сложной − форма кальцита.
5. Кристаллизация
Процесс образования и роста кристаллов называют кристаллизацией. Кристаллы возникают при переходе вещества из расплава, раствора или газа в твёрдое состояние. Кристаллизация начинается с появления мельчайших кристаллических частиц − зародышей, которые разрастаются путём присоединения следующих частиц. Зарождение кристаллов для большинства веществ возникает либо при понижении температуры, либо при повышении концентрации раствора или газа или вязкости расплава. Ещё на появление зародышей влияет присутствие посторонних тел (осколков, пылинок), на поверхности которых собираются частицы, упрощая этим начало кристаллизации. Со временем изменение внешних условий прекращает кристаллизацию, а иногда даже вызывает распад выросших кристаллов. Кристаллизация происходит самопроизвольно [См. об этом: 5].
Но кристаллы идеальной формы встречаются не так уж часто. В результате влияния внешних факторов происходит их искажение. Например, когда раствор, как питающая среда, плохо перемешивается, неподвижен или высоко пресыщен, то происходит неравномерный рост кристаллов. Грани нарастают с различной скоростью и возникают кристаллические скелеты (например, снежинки) или кристаллические сростки, где кристаллы крепятся к одному основанию [Там же].
6. Моя практика по выращиванию кристаллов
Я решил проверить на практике описанные выше свойства кристаллов и сам процесс кристаллизации. В доме каждого школьника найдутся обычные сахар и поваренная соль. Именно их кристаллы я попробовал самостоятельно вырастить у себя дома.
Для выращивания кристаллов из сахара мне понадобились: фильтрованная вода, сахарный песок, пластиковая ёмкость, ложка, деревянная палочка и прищепка. Сахар лучше растворяется в горячей воде. Чтобы приготовить сахарный раствор, я подогрел воду и добавлял в неё сахарный песок до тех пор, пока он не перестал в ней растворятся при размешивании. В готовый раствор я опустил деревянную палочку и закрепил её прищепкой для неподвижности.
Для выращивания кристаллов из поваренной соли мне понадобились: фильтрованная вода, мелкая поваренная соль, пластиковая ёмкость, ложка, деревянная палочка и нитка. Чтобы приготовить солевой раствор, я добавлял в воду поваренную соль до тех пор, пока она не перестала в ней растворятся при размешивании. В готовый раствор я опустил нитку, привязанную к деревянной палочке для неподвижности.
Ёмкости с растворами я убрал на полку и не трогал один месяц, потом проверил результат. В сахарном растворе на опущенной в него палочке образовался одиночный кристалл сахарозы длиной примерно 9 мм. В остальном растворе образовались кристаллические сростки. Кристаллы сахарозы имеют сложную форму в виде двух усечённых пирамид с одним основанием (Рисунок 1).
Рисунок 1
В солевом растворе на опущенной в него нитке образовался кристаллический скелет соли длиной около 4,5 см. В остальном растворе образовались кристаллики соли длиной не более 5 мм. и кристаллические сростки. Кристаллы имеют простую форму в виде куба (Рисунок 2).
Рисунок 2
Проведённый мною эксперимент подтверждает, что кристаллы − это твёрдые тела, самопроизвольно образующиеся из питающей среды, в виде многогранника простой или сложной формы. Ещё я убедился, что идеальные кристаллы − это редкость, в обоих растворах преобладают кристаллические сростки.
Заключение
На основании проведенной научно-практической работы можно сделать следующие выводы. Окружающий нас мир состоит из кристаллов. Наука о кристаллах, изучающая процессы их образования, внутреннее строение, внешнюю форму и свойства, называется кристаллографией. Кристаллография зародилась ещё в 17 веке. Кристаллы − это твёрдые тела, образующиеся в природных или лабораторных условиях в виде многогранников. Кристаллам характерно самоогранение, т.е. способность приобретать форму правильного многогранника при благоприятных условиях роста. Поверхность кристаллов ограничена рёбрами, вершинами и гранями. Все кристаллы – симметричные тела: каждая из частей кристалла является зеркальным изображением другой. Формы кристаллов бывают простые и сложные. Процесс образования и роста кристаллов называется кристаллизацией. Кристаллизация происходит самопроизвольно при переходе вещества из расплава, раствора или газа в твёрдое состояние. При этом кристаллы идеальной формы встречаются не так уж часто. Мои выводы подкреплены собственным опытом выращивания кристаллов из сахарного песка и поваренной соли в домашних условиях.
Таким образом, задачи, поставленные перед моим исследованием, выполнены, а цель настоящей работы − достигнута.
Список использованной литературы
1. Брагина В.И. Кристаллография, минералогия и обогащение полезных ископаемых: учебное пособие – Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2012. – 152 с.
2. Буланов В.А. Минералогия с основами кристаллографии: учебник − Москва: Издательство Юрайт, 2025. − 230 с.
3. Власов М.Н., Лобанова Е.С. Основы минералогии: учебно-методическое пособие – Пермь: ИПЦ «Прокростъ», 2021. − 121 с.
4. Сергеева В.В. Кристаллография и минералогия: учебно-методическое пособие − Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2017. − 152 с.
5. Черкасова Т.Ю. Основы кристаллографии и минералогии: учебное пособие – Томск: Изд-во Томского политехнического ун-та, 2014. – 207 с.