IV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЧНОСТИ КРИСТАЛЛОВ МЕДНОГО КУПОРОСА
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Кристаллы издавна привлекали внимание людей своей загадочностью, правильной формой, твердостью. Эти тела окружают нас всю жизнь, ведь это и драгоценные камни, и металлы, и жидкие кристаллы. Про них слагались легенды, в которых говорилось о лечебных свойствах кристаллов, о влиянии их на судьбу и самочувствие хозяина.
Многие поэты восхищались неповторимостью кристаллов, их ровными гранями, красотой. Кристаллы встречаются человеку повсюду. Они разнообразны, красивы, загадочны. Ну, например, снежинки. Бесконечно разнообразные формы снежинок.
Однажды, на уроке физики, рассматривая кристаллы один упал, но не разбился и меня это заинтересовало. Поэтому, мне захотелось больше узнать о кристаллографии – науке о кристаллах, условиях выращивания и прочности на примере кристаллов медного купороса.
Поэтому целью моей работы стало:
Изучение способности кристаллов медного купороса выдерживать нагрузку (прочность) и выявление зависимости силы разрушения от физических и геометрических параметров кристаллов.
Для достижения цели были поставлены задачи:
1) Собрать информацию и изучить научную литературу;
2) Вырастить монокристаллы и поликристаллы из раствора медного купороса разных объемов;
3) Разработать установку для разрушения кристалла;
4) Выявить зависимость силы разрушения от объема и массы кристалла и изобразить эту зависимость на графике. Сделать выводы.
Данная работа представляет интерес при изучении курса физики в 10 классе и на факультативных занятиях.
2. Теоретическая часть
2.1 Что такое кристаллы.
Изначально кристаллами называли горный хрусталь – безупречный в своей холодной красоте прозрачный кварц. Горный хрусталь встречался Альпах, он затвердевал до такой степени, что уже не плавился.
В прошлом, кристаллам приписывали всевозможные волшебные свойства об этом написаны – многочисленные легенды и сказания, в которых говорится о магических кристаллах, способных исцелять больных или показывать будущее. Кристаллами восхищались и посвящали им стихи.
В настоящее время ученые дали кристаллу точное определение. Кристалл – это тело определенной геометрической формы, ограниченное естественными плоскими гранями.
Наука, изучающая кристаллы, их структуру, возникновение и свойства называется кристаллографией.
2.1.1 Разновидности кристаллов.
Различают три вида кристаллов: монокристаллы, поликристаллы и жидкие кристаллы.
Тело, представляющее собой один кристалл, называется монокристаллом. Например, маленькая крупинка сахарного песка тоже является монокристаллом.
Фото 1. Монокристаллы медного купороса Фото 2. Поликристалл медного купороса
Большинство кристаллических тел состоит из множества беспорядочно расположенных и сросшихся между собой мелких кристалликов. Такие тела называются поликристаллическими. Поликристаллическими являются все металлы и минералы. Например, кусок сахара — это поликристалл.
Существуют необычные вещества, которые совмещают в себе свойства кристаллического твердого тела и жидкости. Эти вещества называются жидкими кристаллами. Подобно жидкостям они текучи. Но в тоже время они, подобно кристаллам, обладают анизотропией. Главным для жидких кристаллов является анизотропия оптических свойств.
2.2 Условия выращивания кристаллов.
2.2.1. В домашних условиях.
Выращивание кристаллов в домашних условиях производят разными способами. Например, охлаждая насыщенный раствор.
2.2.2. В лабораторных условиях
В лабораториях кристаллы выращивают из растворов, из расплавов, из паров и из твердых веществ. Для этого есть много интересных способов. Рост больших очень однородных и чистых кристаллов может измеряться месяцами. Искусственные кристаллы ничем не отличаются по своим свойствам от естественных кристаллов.
2.2.2.1. Из растворов.
Методы искусственного получения кристаллов из растворов основаны или на удалении растворителя из насыщенного раствора путем его медленного испарения при постоянной температуре раствора, или на уменьшении растворимости вещества в данном растворе при охлаждении последнего
2.2.2.2 Из расплавов
Известно много методов для выращивания монокристаллов из расплава: лучшие из них используют принцип направленной кристаллизации, заключающейся в том, что охлаждение расплава, а, следовательно, и его затвердевание осуществляют в одном центре; обычно для этой цели используются тигли с коническим дном или специальные холодильники.
2.2.3. В газах
В горячей зоне реакционного сосуда может происходить химическая реакция, если вводить туда по отдельности или вместе компоненты кристалла и их летучие соединения. При достаточно высокой температуре этой зоны, когда пар оказывается ненасыщенным относительно образующейся твёрдой фазы, кристаллизация происходит на сравнительно холодных частях системы.
2.2.4. В космосе
Самые широкие перспективы в недалеком будущем открываются в космической промышленности перед кристаллами, ставшими неотъемлемой частью электроники и электронной оптики. В электронике используют свойство кристалла проводить электроны в строго определенных и полностью контролируемых условиях, в оптике — его прозрачность, с которой не сравнится даже самое высококачественное стекло, которое из-за своей аморфной структуры частично рассеивает свет.
2.3. Свойства кристаллов
2.3.1. Кристаллическая решетка
Для лучшего представления внутренней структуры кристалла используют его изображение с помощью кристаллической решётки.
Кристаллические вещества отличаются закономерным расположением частиц, из которых они состоят: атомов, молекул и ионов, – в строго определенных точках пространства. Когда эти точки соединяются прямыми линиями, создается пространственный каркас, его называют кристаллической решеткой. Точки, в которых находятся частицы кристалла, называют узлами решетки.
Существует всего семь основных блоков, которыми можно заполнить трехмерное пространство (без пропусков) и из которых могут быть сконструированы все кристаллы.
Кристаллы медного купороса имеют моноклинную кристаллическую решетку.
Четыре типа кристаллов
Алмаз и парафиновая свеча... Алмаз — символ твердости; парафин, подобно воску, мягок и податлив. Сразу можно подумать, что полярности свойств соответствует полярность сочленения в единое целое тех отдельных элементов, из которых состоят эти вещества.
Существует четыре типа кристаллов: молекулярные, ковалентные (или атомные), ионные и металлические.
Во всех типах кристаллов образующие их частицы (молекулы, атомы, ионы) располагаются таким образом, что их энергия оказывается минимальной. При таком расположении частиц внутри кристалла они образуют устойчивую систему.
2.3.2 Анизотропия
Существенным свойством монокристалла является анизотропия (от греческих слов anisos— неравный, tropos— поворот, направление.) — неодинаковость его свойств (механических, тепловых, электрических и т. д.) по различным направлениям..
Поликристаллические тела изотропны (от греческих слов isos— равный, tropos— поворот, направление.), т.е. обнаруживают одинаковые свойства по разным направлениям. Это объясняется тем, что кристаллики, из которых состоит поликристаллическое тело, ориентированы друг по отношению к другу хаотически. В результате ни одно из направлений не отличается от других.
2.3.3 Полиморфизм
Очень многие тела одинакового химического состава в кристаллическом состоянии в зависимости от условий могут существовать в двух или более разновидностях (модификациях). Это свойство называется полиморфизмом (многоформностью). У льда, например, известно до десяти различных модификаций, которые получают в лабораториях. В природе же встречается только один вид. Особо важное значение для техники имеет полиморфизм углерода — углерод кристаллизуется в двух модификациях: графит и алмаз.
2.5 Твердость кристаллов
Для определения твердости образцов существуют различные методы, такие как статический и динамический (ударный) и ультразвуковой.
Измерение твердости методом Бринелля.
Измерение твердости по Бринеллю происходит путем внедрения с определенной нагрузкой закаленного стального шарика (диаметром 2,5 мм; 5
мм или 10 мм) в поверхность испытуемого образца. В результате на поверхности образца получается отпечаток. С помощью лупы измеряют диаметр отпечатка.
Измерение твердости методом Роквелла. Измерение твердости по Роквеллу основан на погружение алмазного наконечника (120 градусов) или стального закаленного шарика (диаметром 1,588 мм) с последующим измерением глубины отпечатка.
Измерение твердости методом Виккерса.
Измерение твердости по Виккерсу происходит путем плавного внедрения четырехгранной алмазной пирамиды (с противоположным углом 136 градусов) в исследуемую поверхность образца, с дальнейшим измерением диагонали отпечатка d и расчета твердости исследуемого образца по таблицам (подробнее в ГОСТ 2999-75).
2.5.1 Шкала Мооса
Шкала Мооса (минералогическая шкала твёрдости) — набор эталонных минералов для определения относительной твёрдости камней методом царапания. В качестве эталонов приняты 10 минералов, расположенных в порядке возрастающей твёрдости.
Таблица твердости материалов состоит из 10 эталонов твёрдости: тальк — 1; гипс — 2; кальцит — 3; флюорит — 4; апатит — 5; ортоклаз — 6; кварц — 7; топаз — 8; корунд — 9; алмаз — 10. Минералы с индексом ниже 7 считаются мягкими, выше 7 — твердыми. Шкала твёрдости предложена в 1811 году немецким минералогом Фридрихом Моосом. Твёрдость камня - это сопротивление, которое оказывает его поверхность при попытке поцарапать ее другим камнем или иным предметом; твердость представляет собой меру связности атомной структуры вещества. Твёрдость одного и того же камня может быть различной в разных направленияхЗначения шкалы от 1 до 10 соответствуют 10 распространённым минералам - от талька до алмаза.
Бытовые средства измерения твёрдости.
Иногда для определения твёрдости приходится пользоваться средствами, которые есть под рукой, хотя в некоторых случаях они бывают недостаточно точны (карандаш -1, соль поваренная - 2, ноготь - 2.5, медная монета - 3, железный гвоздь - 4, стекло - 5, стальной нож - 6, напильник - 7). При определении твердости всегда следует испытывать свежую поверхность минерала. Для практических целей хорошо запомнить: ноготь оставляет царапину на гипсе и более мягких веществах обычное оконное стекло немного мягче полевого шпата стальное лезвие ножа немного твёрже полевого шпата, приближаясь по твердости к кварцу, и легко царапает стекло. Линейная твёрдость определяется абсолютной шкалой твердости, а не шкалой Мооса.
Вот абсолютная шкала твердости:
Тальк - 1 - Скоблится ногтем
Гипс - 3 - Царапается ногтем
Кальцит - 9 - Царапается медной монетой
Флюорит - 21 - Легко царапается ножом
Апатит - 48 - С трудом царапается ножом
Ортоклаз - 72 - Царапается напильником
Кварц - 100 - Царапает оконное стекло
Топаз - 200 - Легко царапает кварц
Корунд - 400 - Легко царапает топаз
Алмаз - 1600 - Не царапается ничем (а сам при этом легко царапает корунд)
До того, как ввели в употребление рефрактометр, твёрдость по Моосу была практически единственным методом проверки ограненных камней.
3. Практическая часть
3.1 Выращивание кристаллов в домашних условиях
3.1.1 Получение раствора
Я выращивала кристаллы медного купороса. Чтобы приготовить раствор
потребуется: медный купорос, горячая вода, емкость для выращивания, вата с марлей.
В горячий раствор воды, я добавляла медный купорос, до того пока он не перестанет растворяться. Далее я процеживала раствор через марлю в которую положила вату. Раствор готов.
Рост кристалла зависит от определенной температуры, насыщенности раствора и других факторов.
3.1.2 Затравки
После того как я приготовила раствор, он должен был остыть, и я оставила его на ночь. За это время по бокам сосуда выросли маленькие монокристаллы, их я и использовала как затравки.
Я поместила их в трубочки и подвесила в раствор, так чтобы он не касался ни стенок, ни дна.
Фото 3. Затравки медного купороса.
3.2. Определение твердости кристаллов медного купороса.
Чтобы проверить твердость кристалла медного купороса при нанесении повреждений, я попыталась процарапать выращенный кристалл ногтем – не удалось.
А вот монета оставляет на гранях кристалл след. Значит, твердость кристаллов медного купороса приближается к 3
А абсолютная твердость кристалла приближается к 9.
Видно, что поверхность граней данного кристалла не имеет высокой прочности.
А как же проверить, насколько крепок кристалл внутри?
Вот тут и появилась идея ломать кристаллы. Визуально можно заметить, что кристалл начинает разрушаться. Процесс начала разрушения можно и услышать по характерному звуку.
А чтобы узнать, при какой силе разрушается кристалл, была сконструирована установка, состоящая из напольных весов и доски, которая давила на кристалл под ней при закручивании гаек.
Зная массу, которую показывают весы, умножив ее на ускорение свободного падения, можно узнать силу, с которой доска давит на кристалл.
3.2 Создание установки
В начале работы возник вопрос создания установки. Первая установка которую я создавала это установка на фотографии 4.
Фото 4. Установка
Но эта установка оказалась негодна, так как весы были до 3 килограмм, а кристалл даже самый маленький сломался при 9,5 килограмм.
Вторая установка сделана с электронными весами, она также оказалась негодна, так как электронные весы останавливаются и показывают цифру, еще до того, как кристалл ломается.
Фото 5. Вторая установка с электронными весами.
Последняя, третья установка была сделана с обычными механическими напольными весами. Эта установка оказалась правильной и годной к применению.
Фото 6. Третья установка.
На фотографии видно, что масса равна 90 килограмм. Значит, сила давления на кристалл или вес равны 900Н. Именно при таком весе сломался один из кристаллов. Сам кристалл находится под деревянной пластиной (приложение 3).
После создания установки, я вычислила погрешность которая равна ± 0,5 кг.
3.3 Изучение разрушения монокристаллов.
Приспособление для разрушения кристаллов я сделала.
А какие кристаллы брать? Моно или поликристаллы?
По моим предположениям монокристалл сломать сложнее, чем поликристалл. Ведь поликристалл состоит из сросшихся кристаллов. И, возможно, маленький кристалл сломать сложнее, чем крупный.
Вот это я и проверю в своей дальнейшей работе.
При давлении на кристалл, последний разламывается на несколько частей, например, монокристаллы при разрушении разламываются на 4-5 частей (рис. 11).
Рис. 11. Разрушенный кристалл.
В процессе работы я рассмотрела, как ведут себя кристаллы медного купороса при воздействии на них. Как зависит сила разрушения от объема, массы и вида кристалла.
В результате исследований были построены графики, которые представлены в работе.
3.3.1 График зависимости силы разрушения от массы
Под действием силы давления доски кристалл разрушается, поэтому силу, под действием которой разрушается кристалл впоследствии, буду называть силой разрушения.
В процессе измерений была построена таблица зависимости твердости кристалла от его массы.
Таблица массы кристаллов и силы твердости.
|
№ |
m, кг * 10-3 |
Fтвердости, Н |
|
1 |
0,95 |
40 |
|
2 |
1,65 |
70 |
|
3 |
2,1 |
95 |
|
4 |
4 |
153 |
|
5 |
6 |
310 |
|
6 |
10 |
320 |
|
7 |
14 |
900 |
|
8 |
25 |
1280 |
График зависимости твердости от массы.
3.3.2 График зависимости силы разрушения от объема
Таблица объема кристаллов и силы твердости.
|
№ |
V, м3 * 10-6 |
Fтвердости, Н |
|
1 |
0,8 |
95 |
|
2 |
0,9 |
153 |
|
3 |
1 |
310 |
|
4 |
2 |
320 |
|
5 |
3 |
900 |
|
6 |
5,5 |
1280 |
Графики зависимости твердости от объема.
3.4 Изучение разрушения поликристаллов
Таблица объема кристаллов и силы твердости.
|
№ |
V, м3 * 10-6 |
Fтвердости, Н |
|
1 |
0,8 |
9 |
|
2 |
1,1 |
29 |
|
3 |
2 |
30 |
|
4 |
2,5 |
60 |
|
5 |
3 |
220 |
График зависимости силы разрушения от объема.
3.4.2 График зависимости силы разрушения от массы
Таблица массы кристаллов и силы твердости.
|
№ |
m, кг * 10-3 |
Fтвердости, Н |
|
1 |
0,8 |
9 |
|
2 |
1,9 |
29 |
|
3 |
5,6 |
30 |
|
4 |
7,1 |
60 |
|
5 |
11,2 |
220 |
График зависимости силы разрушения от массы.
В отличие от монокристаллов сила разрушения поликристаллов увеличивается нелинейно, близко по параболическому закону, в зависимости от массы и объема тела. Что не соответствует моим предположениям: чем кристалл крупнее, тем в нем больше должно быть дефектов, а значит, и прочность должна быть ниже.
Перспективы работы
Выращивание кристаллов – интересный, красивый и захватывающий процесс. Работа будет продолжена так как с кристаллами можно провести еще очень много интересных опытов которые мне очень интересны. Это усовершенствование работы или, например, прохождение света через кристалл.
4. Выводы
1. Углубила свои знания о кристаллах.
2. Вырастила в домашних условиях монокристаллы и поликристаллы медного купороса.
3. Определила твердость поверхности кристаллов медного купороса: твердость приближается к 3, а абсолютная твердость кристалла примерно равна 9.
4. Создала установку для разрушения кристаллов, чтобы узнать под действием какой силы кристалл разрушается.
5. Исследовала зависимость твёрдости кристалла от массы и объема.
6. Построила графики и выяснила, чем больше объем, тем сложнее сломать кристалл (что противоречит моим первоначальным представлениям).
7. У монокристаллов сила разрушения увеличивается линейно, а вот у поликристаллов сила разрушения нелинейная близко по параболическому закону, в зависимости от массы и объема тела.
5. Литература и интернет источники
1.В.С. Петров, «Драгоценные и цветные камни»; Издательство московского университета 1963 г.
2. М. П. Шаскольская, «Кристаллография»; Москва «Высшая школа» 1976.
3. Г. Я. Мякишев, А. З. Синяков, «Физика. Молекулярная физика. Термодинамика»; Дрофа 2002 г.
4. В.А. Касьянов, «Физика»; Дрофа 2003.
5. Википедия http://ru.wikipedia.org/wiki/E519
6. Геология Земли http://www.geologiazemli.ru/articles/112
7. http://phscs.ru/physics1/crystals
8. . http://course-crystal.narod.ru/p31aa1.html
9. Чернов А.А. и др. “Современная кристаллография”. Том 3. Москва 1980
10. В. Миронов «Мир физики и техники. Основы сканирующей зондовой микроскопии», 2002
11. Энциклопедия для детей. «Химия» М. Аксёнова, И. Леенсон, Аванта, 2003
12. А.Е.Гуревича, Д.А.Исаева, Л.С.Понтак «Физика и химия»
13.https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%BE%D0%BD%D0%BE%D0%BA%D1%80%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%BB
14.https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%BE%D0%BB%D0%B8%D0%BA%D1%80%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%BB
6. Приложения
Приложение 1.Фото монокристалла.
Приложение 2.
Автор работы.