ВЫРАЩИВАНИЕ КРИСТАЛЛОВ И ИЗУЧЕНИЕ ИХ СВОЙСТВ

Медведев В.А. 1

Левина Н.В. 1

Работа в формате PDF

2 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьника Свидетельство руководителя

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Поэзия! Завидуй кристаллографии!

Кусай ногти в гневе и бессилии.

О.Э. Мандельштам

Что такое кристаллы? Как они устроены и от чего зависят их свойства. Красота линий и форм, удивительная геометрия. Кристаллы в природе. О пользе красоты, кристаллы: от бриллианта до компьютера. Выращивание кристаллов в лаборатории, изучение их свойств. Эти вопросы интересуют меня, вот основной мотив моей проектной деятельности.

О кристаллах.

Кристаллы (от греч. krystallos, первонач. - лед), твердые тела, атомы или молекулы которых образуют упорядоченную периодическую структуру (кристаллическую решетку).

Кристалл – этим именем называют однородное твердое тело, имеющее природную форму многогранника, физические свойства которого по различным направлениям, вообще говоря, различны, но подчинены определенным законам(симметрии); по направлениям же, параллельным между собою, все свойства одинаковы. Нам удаётся выращивать кристаллы благодаря кристаллизации - процессу образования кристаллов из паров, растворов, расплавов. Кристаллизация начинается при достижении некоторого предельного условия, например, переохлаждения жидкости или пересыщения пара, когда практически мгновенно возникает множество мелких кристалликов - центров кристаллизации. Кристаллики растут, присоединяя атомы или молекулы из жидкости, или пара. Рост граней кристалла происходит послойно, края незавершенных атомных слоев при росте движутся вдоль грани. Зависимость скорости роста от условий кристаллизации приводит к разнообразию форм и структуры кристаллов.

Гипотеза: в лабораторных условиях можно вырастить кристаллы из смеси растворов, крупные кристаллы способом затравки и изучить их свойства.

Цель:

вырастить кристаллы поваренной соли, медного купороса, сульфата железа (II),

гексоцианоферрата калия, перманганата калия, серебра.

2. Определить плотность кристаллов медного купороса.

3. Провести опыты с кристаллом перманганата калия, изучая его свойства.

Актуальность: сведения о плотности кристаллов медного купороса необходимы для расчетов в промышленности и для решения задач, изучая свойства перманганата калия составит понятие об окислительно-восстановительных реакций и окислительных свойствах перманганата калия.

Объект исследования:

1. процесс выращивания кристаллов.

2. изучение свойств кристаллов медного купороса.

3. изучение химических свойств кристалла перманганата калия.

Предмет исследования: расчет плотности медного купороса, свойств перманганата калия.

Задачи:

1.Провести анализ научной и научно-популярной литературы.

2.Вырастить кристаллы.

3.Определить плотность.

4.Выявить условия и изменения, происходящие с кристаллами при одинаковых условиях выращивания в зависимости от различного химического состава.

Методы:

1.Теоретический анализ проблем.

2.Практический: выполнение практической работы.

3.Исследовательско-поисковый.

Следует разделить идеальный и реальный кристалл.

Идеальный кристалл, является, по сути, математическим объектом, имеющим полную, свойственную ему симметрию, идеализированно ровные гладкие грани и т. д.

Реальный кристалл всегда содержит различные дефекты внутренней структуры решетки, искажения и неровности на гранях и имеет пониженную симметрию многогранника вследствие специфики условий роста, неоднородности питающей среды, повреждений и деформаций. Реальный кристалл не обязательно обладает кристаллографическими гранями и правильной формой, но у него сохраняется главное свойство — закономерное положение атомов кристаллической решётке.

Пластичность –свойство твердых тел необратимо изменять свои размеры и форму под действием механических нагрузок

₄

₂

Медный купорос — пятиводный сульфат меди (II) CuSO₄^.5H₂O. В древности его называли витриолом (от латинского слова vitrum — стекло), так как крупные кристаллы напоминают цветное синее стекло. Медный купорос применяют в сельском хозяйстве для борьбы с вредителями и болезнями растений, в промышленности при производстве искусственных волокон, органических красителей, минеральных красок, мышьяковистых химикатов, для обогащения руды при флотации, при воронении стали, в гальванопластике и др. (Приложение №1)

Изучая содержание Web-сайтов, посвященных проблеме кристаллов, я увидел, что многим нравится работать именно с медным купоросом. Очевидно, что одна из причин — доступность этого вещества и его относительно малая токсичность.

Садоводы применяют медный купорос как фунгицид (средство против паразитических грибов), предназначенный для опрыскивания плодово-ягодных, декоративных деревьев и кустарников от парши, монилиоза, антракноза и других болезней, а также для дезинфекции ран. Аквариумисты применяют медный купорос при заболевании рыб бранхиомикозом, гиродактилезом, дактилогирозом, костиозом и одиниозом.

Оказывается, для этого необходимо приготовить насыщенный раствор соли. Чтобы приготовить его, я взял стакан, налил в него теплой воды и стал добавлять в воду порошок медного купороса CuSO₄^.5H₂O. Поначалу соль довольно хорошо растворялась, но потом все хуже и хуже. Чтобы растворить еще немного соли, я нагрел стакан с раствором на плите, помешивая при этом его содержимое. Медный купорос растворился, поэтому я добавил еще порошка. После перелил полученный насыщенный раствор медного купороса в другой стакан так, чтобы в него не попал осадок (это не растворившаяся соль). (Приложение№2)

Затем в этот стакан я опустил кусочек медной проволоки на нитке таким образом, чтобы он не касался стенок и дна стакана. К концу первого дня на самой нитке и кусочке проволоки уже образовались первые маленькие кристаллы. (Приложение №3)

Выращивание кристаллов поваренной соли.

Сначала я приготовил концентрированный раствор поваренной соли, внося соль в стакан с водой, - до тех пор, пока очередная порция соли не перестанет растворяться при перемешивании. После этого слегка подогреем смесь, чтобы добиться полного растворения соли.

Полученный концентрированный раствор я перелил в химический стакан; туда же с помощью проволочной перемычки (можно также сделать перемычку из стержня шариковой ручки) подвесил на нитке кристаллическую "затравку" - маленький кристаллик той же соли - так, чтобы он был погружен в раствор. На этой "затравке" и вырос кристалл. (Приложение№2)

Выращивание кристаллов кровяной соли.

Гексоцианоферрат калия(III), или красная кровяная соль, это довольно сложное комплексное соединение, имеющее очень интересную кристаллическую решетку. Кристаллы этой соли растут довольно быстро и имеют разнообразные формы, поэтому именно это вещество я рекомендую всем, кто решил выращивать кристаллы. (Приложение №1)

Мною был приготовлен раствор комнатной температуры. Профильтровав его, приготовив и заложив затравку, я оставил его в покое на 3дня. После, я наблюдал за ростом кристалла. В процессе роста проблемы почти не возникают, разве что мелкие кристаллы, которые усеивают дно и иногда мешают росту основного кристалла. Их необходимо удалять.

(Приложение №2)

Уже выращенный кристалл хранится на открытом воздухе, но, так скажем, для безопасности я поместил его в емкость, которая защищает его от пыли и влажности. (Приложение №3)

Кристаллы сульфата железа (II) представляют собой семиводный гидрат, имеющий светло-зелёный цвет. У него очень высокая растворимость в воде. (Приложение №1)

Сульфат железа обладает рядом характерных особенностей, которые следует учесть: в воде он гидратируется, на воздухе дегидратируется и окисляется. В горячей воде гидратация проходит особенно интенсивно, поэтому после приготовления раствора в него добавляют серную кислоту. Уже выращенные кристаллы необходимо хранить в герметически закрывающихся ёмкостях, например, стеклянных бюксах. При приготовлении раствора я использовал стеклянную посуду. Также следует учесть, что при попадании на ткань сульфат железа(II) окисляется и образовывает несмываемые оранжевые пятна. (Приложение№2)

В стаканчик с раствором нитрата серебра опускали медную проволоку, скрученную в форме елочки, а через некоторое время на меди вырастали красивые игольчатые кристаллики серебра. (Приложение №4)

Кристаллы в природе

По размерам природные кристаллы могут быть самыми разными: от микроскопических до весьма крупных вплоть до нескольких метров длиной и в поперечном сечении. Внешний облик кристаллов зависит от того, насколько спокойно происходил их рост. Большинство кристаллов в природе растут медленно - тысячи и миллионы лет.

Вообще говоря, кристаллы образуются тремя путями: из расплава, из раствора и из паров. Примером кристаллизации из расплава может служить образование льда из воды, так как вода, в сущности, не что иное, как расплавленный лед. К кристаллизации из расплава относится и процесс образования вулканических пород. Магма, проникающая в трещины земной коры или вытесняемая в виде лавы на ее поверхность, содержит многие элементы в разупорядоченном состоянии. При охлаждении магмы или лавы атомы и ионы разных элементов притягиваются друг к другу, образуя кристаллы различных минералов. В таких условиях возникает много зародышей кристаллов. Увеличиваясь в размере, они мешают друг другу расти, а поэтому гладкие наружные грани у них образуются редко.

Сколько времени продолжается образование минералов? Это зависит от температуры и концентрации минералообразующей среды, скорости пополнения ее кристаллизующимся веществом, темпов реакций минералообразования. В кристаллизации могут наступать перерывы, рост кристаллов может сменяться их растворением. Для вырастания больших и маленьких индивидов требуется разное время, поэтому правильнее говорить о скорости роста минералов. Природные кристаллы растут из подвижных сред - растворов, расплавов, паров. Даже когда кристалл образуется в твердой среде, рост происходит за счет окружающего его микроскопически тонкого "чехла" питающего раствора.

Несколько индивидов, развивающихся из расположенных по соседству центров кристаллизации, срастаются в агрегат минералов. Из всего многообразия агрегатов более всего коллекционеров интересуют друзы, вырастающие в свободном пространстве из произвольно расположенных зародышей. В процессе друзового роста индивиды развиваются независимо друг от друга и сохраняют форму одиночных кристаллов.

С течением времени растущие индивиды начинают стеснять друг друга. Возможность дальнейшего развития сохраняют лишь те из них, которые растут в сторону свободного пространства, т. е. перпендикулярно поверхности нарастания агрегата. Это явление носит название геометрического отбора. В результате самоупорядочения ориентировки индивидов друза перерастает в параллельно-шестоватый агрегат. Его свободная поверхность, образованная головками кристаллов, называется щеткой.

Поэтому ясно, почему крупные друзы встречаются нечасто: по мере роста увеличивается вероятность вырождения друзы в параллельно-шестоватый агрегат. Для образования крупных друз нужно, чтобы центры кристаллизации были немногочисленны и расположены не слишком близко друг к другу (достаточно сильно удалены). Условия, благоприятные для продолжительного друзового роста и образования крупных кристаллов, обычно обеспечиваются только при достаточно медленной кристаллизации. При чрезмерно быстрых процессах образуются мелкие и очень мелкие агрегаты и кристаллы (вплоть до микронных).

₂

₄₎₃

₂

₃

Хлорид кобальтаприменяют в метеорологии для изготовления индикаторной бумаги, с помощью которой определяют атмосферную влажность. Протравы при крашении тканей, микродобавки в корм скоту. Хлорид кобальта придает стеклянной массе синюю окраску, поэтому он применяется для производства синего и голубого декоративного стекла.

Эксперимент

Приборы и материалы: исследуемый кристалл, весы лабораторные с разновесом, штангенциркуль.

Ход работы:

определить массу кристалла

m=0,065г

определить объем кристалла

кристалл- прямоугольный параллелепипед, то его V=abc a-длина, b-ширина, с- толщина а=0,59см, b=0,38см, с=0,13см V=0,59*0,38*0,13=0,02946см3

определить плотность

p=m/V=0,065г/0,02946см3=2,23г/см3=2230кг/м3

определение погрешности

ﻉ(р)=Δр/р*100%- относительная погрешность

Практические рекомендации по выращиванию кристаллов

Итак, для того, чтобы кристаллы получились как можно более красивыми и имели геометрическую форму необходимо приготовить чистый раствор. Для этого требуется:

1) использовать вещество с как можно более высокой степенью чистоты;

2) использовать кипячёную (лучше дистиллированную) воду для приготовления раствора; 3) готовить раствор в химической посуде (желательно); 4) обязательно необходимо профильтровать раствор после его приготовления; 5) во избежание попадания пыли накрыть ёмкость с раствором листком бумаги;

Форма кристаллов одной и той же соли зависит от многих факторов: 1) если начальная концентрация сильно высокая, то у вас вырастет друза (сросшиеся кристаллы); 2) в течение всего времени роста кристалла желательно поддерживать одну и ту же температуру, т. к. даже незначительные перепады способны повлиять на его форму; 3) если раствор будет недостаточно чистым или в него попадёт пыль, то это может существенно повлиять на форму кристалла; 4) очень часто необходимо достать кристалл из раствора для каких-либо целей (сменить раствор, например);

5) никогда не берите кристалл руками: на руках постоянно присутствует слой кожного сала, который при попадании на растущую грань кристалла препятствует росту этой грани. Для того, чтобы достать кристалл, очень удобно использовать пинцет (желательно хромированный).

Приготовление раствора

Раствор готовят из слегка тёплой (не горячей!) воды. Воду лучше брать дистиллированную, но можно и кипячёную. Химический стакан на половину объёма наполняют водой и небольшими количествами (~по 10гр) добавляют соль. После каждой новой порции соли раствор тщательно перемешивают. При этом раствор может начать охлаждаться, т. к. при растворении вещества расходуется тепловая энергия на расщепление его на ионы. После того, как вещество перестаёт растворяться, добавляют последние 10гр вещества и перемешивают. Уже готовый раствор фильтруют во второй химический стакан, в котором и будет происходить рост кристалла. Стакан накрывают листком бумаги и ждут появления первых кристалликов.

Фильтрация раствора

Конечно же, для фильтрации раствора лучше всего использовать хороший, лабораторный фильтр из фильтровальной бумаги и стеклянную воронку. Если готового фильтра нет, то его можно сделать из обычной промокашки. Для этого из неё вырезают круг диаметром не менее 10см, сгибают его вдвое и затем ещё вдвое. Если теперь отогнуть крайний листок получившегося конуса, то получится бумажная воронка. Её вкладывают в стеклянную воронку и фильтруют раствор. Это надо делать очень осторожно, следить за тем, чтобы уровень жидкости в стеклянной воронке не был выше краёв фильтра. В самом крайнем случае, если под рукой нет даже промокашки, то фильтр делается из ваты. Вату плотно вставляют в горлышко воронки и затем фильтруют раствор. Естественно, чем плотнее вата, тем медленнее и качественнее происходит фильтрация.

Выращивание крупных одиночных кристаллов

Для того, чтоб кристалл вырос крупным и геометрически ровным, т. е. имел природную форму, необходимо довольно много времени. Обычно кристалл вырастает на 0,1-0,8мм в сутки, что во многом зависит от соли. Т. е. за месяц - полтора можно вырастить довольно крупный кристалл. Выращивание крупного одиночного кристалла - очень длительный и сложный процесс, требующий терпения и осторожности. Для начала вам потребуется затравка - маленький кристаллик, который и будет центром кристаллизации. Обычно кристаллик, используемый как затравка, представляет собой уменьшенную копию выращиваемого кристалла. Для того, чтобы получить затравку, я использую очень простой метод: готовится максимально концентрированный раствор соли, переливается в стакан с вертикальными стенками и накрывается листком бумаги. Через несколько дней на дне стакана появляются первые кристаллики. Обычно они все имеют разную форму. Именно из них и отбираются те, которые вам больше нравятся и которые имеют более правильную форму. Раствор, в который вы собираетесь погрузить затравку, желательно приготовить заранее и оставить на пару дней для выпадения первых кристалликов (чтобы быть уверенным, что затравка не растворится). Раствор фильтруют от выпавших кристалликов, переливают в чистый стакан и погружают туда затравку. Стакан накрывают бумагой и оставляют на полке. Уже через неделю вы заметите, что ваш кристалл заметно подрос. Чем дольше он будет оставаться в растворе, тем крупнее он станет. Раствор со временем испаряется и если верхняя часть кристалла окажется на воздухе, то это может испортить весь кристалл. Для того, чтобы этого не произошло, добавляйте раствор по мере необходимости. У вас может возникнуть ещё одна проблема: в ходе роста основного кристалла на дне появляются и растут другие, случайно выпавшие кристаллы. Их желательно удалять хотя бы раз в 1-2 недели.

Выращивание сростков кристаллов (друз)

Это - один из самых быстрых способов выращивания кристаллов. Если выращивание одиночных кристаллов занимает много времени и рассчитано на постепенный, правильный рост кристаллов, то выращивание друзы гораздо легче, потому что оно ориентируется на быстрое, хаотическое выпадение кристаллов. Для начала вам потребуется приготовить перенасыщенный раствор соли в ГОРЯЧЕЙ воде. После охлаждения раствора в него вносят затравку - подвешенный на ниточке кристаллик. Уже через 5-10 часов можно увидеть большое количества кристалликов на нитке, на затравке, на дне стакана. Раствор оставляют в покое в течении 3-5 дней, затем вынимают нитку с кристаллом, раствор нагревают, добавляют воды и снова делают максимально концентрированным. После охлаждения в него вновь вносят нитку с уже подросшим кристаллом и оставляют на 3-5 дней. Эту процедуру повторяют до тех пор, пока кристалл не достигнет необходимого размера. Кстати, довольно неплохие результаты получаются, если смешать оба метода: сначала вырастить друзу, а потом погрузить её в раствор для медленной кристаллизации.

Какой метод предпочесть

Конечно, если вы хотите использовать выращенный кристалл как предмет интерьера (т. е. для украшения комнаты), то лучше выращивать друзы. Но если вы выращиваете кристалл, и хотите, чтобы он имел научную ценность, то лучше выращивайте его медленнее.

Принцип приготовления препарата очень прост: необходимо вырастить на предметном стекле кристаллики исследуемого вещества. А теперь подробней: 1. готовим насыщенный раствор исследуемой соли; 2. тщательно очищаем предметное стекло от пыли и отпечатков пальцев; 3. на предметное стекло капаем раствор так, чтоб получилось несколько "лужиц" различной формы.

Маленькие, но глубокие (высоко выступающие над поверхностью стекла), и большие, но мелкие - просто размажьте раствор по стеклу. Это делается потому, что различным солям необходимы различные условия роста. Мелкие капли раствора испаряются быстрее - это необходимо для большинства солей. "Глубокие" капли испаряются дольше - это лучше для солей-гидратов (в основном хлоридов). Оставьте стекло в покое пока не увидите первых кристалликов. При этом можно поэкспериментировать с внешними условиями: нагреть стекло с раствором для быстрого выпадения кристаллов, или дать им выпасть самостоятельно. Анализ результатов, выводы.

Кристалл медного купороса рос довольно быстро. В течении суток я наблюдал на медной проволочку небольшой кристалл. По мере испарения жидкости из раствора кристалл увеличивался в размерах.

Кристалл поваренной соли, как и кристалл медного купороса, отличился от всех остальных кристаллов именно своей большой скоростью роста. В течении 4 дней у меня получилось вырастить кристалл диаметром в 3см.

Интересны кристаллы сернокислого кобальта: яркий цвет, правильная форма. Но, выращивать его было не так просто. Необходимо было часто менять растворы соли, поддерживать определенную температуру. Рост кристалла шел медленно: за 4 дня мне удалось вырастить кристаллик размером несколько больше спичечной головки.

И самым «капризным» кристаллом в моей практике оказался кристалл соли сульфата железа (III). Изначально кристалл не хотел завязываться на медной проволочке, после чего я решил использовать метод затравки, приходилось часто менять раствор и иногда подогревать, чтобы помочь образоваться кристаллу.

Перспективы.

Выращенные мною кристаллы можно использовать для расчета плотности.

Кристаллы так красивы, что я рекомендую их использовать в декоративных целях, для создания картин методом мозаики и т.д.

Кристаллы и мой опыт их выращивания интересен многим моим друзьям, а мои рассказы младшим школьникам формируют у них интерес к предмету «Химия».

Кристалл, поэтом обновленный

Укрась мой мирный уголок,

Залог поэзии священной

И дружбы сладостный залог.

В тебе таится жар целебный

__________

Едва уста красноречивы

Тебя коснулися, и вмиг

Его ума огонь игривый

В тебя таинственно проник.

Экспериментальная химия. Кристаллы - www.chemexperiment.narod.ru

Кристаллы медного купороса под микроскопом - www.chemexperiment.narod.ru

Мы выращиваем кристаллы сами - www.mes.ru

Рекомендации по выращиванию красивых кристаллов медного купороса и другая

интересная информация на сайте «Алхимик.РУ» - www.alhimik.ru

Приложение №1

Сульфат железа (II) FeSO4* 7H2O

- гидрат светлозелёного цвета с

лёгким морским оттенком.

гексоцианоферрат калия, калий

железосинеродистый K3[Fe(CN)6] - соль красного цвета.

Приложение №4 Выращивание кристаллов серебра

Приложение №5 Эксперимент

Просмотров работы: 1445

IV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

ВЫРАЩИВАНИЕ КРИСТАЛЛОВ И ИЗУЧЕНИЕ ИХ СВОЙСТВ

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Старт в науке
IV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся