V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Влияние различных условий на процесс роста кристаллов

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Кокоулина И.А. 1

---

1МБОУ СОШ № 279

Мезенцева В.А. 1

---

1МБОУ СОШ № 279

Работа в формате PDF

11.3 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

ВВЕДЕНИЕ

Кристалл. Что можно себе представить, услышав это слово? Что-то, необычное, загадочное. Возможно, вы считаете, что кристалл - это редкий и красивый минерал или драгоценный камень. Изумруды и бриллианты являются кристаллами. Но не все кристаллы редки и красивы. Каждая отдельная частица соли или сахара - это тоже кристалл! Многие из самых обычных веществ вокруг нас представляют из себя кристаллы.

Говорят, что кристалл растёт. Почему же он может расти? Ведь это не растение. Мне стало интересно, почему кристалл растет, как его использует человек, можно ли выращивать кристалл и как это сделать. Я решила попробовать вырастить кристалл у себя дома.

Актуальность работы заключается в том, чтобы научиться создавать что-то интересное и необычное из привычного и обычного в домашних условиях.

Гипотеза: предположим, что кристаллы различной формы возможно вырастить в домашних условиях и в зависимости от условий кристаллы могут расти по-разному.

Цель исследования: вырастить кристаллы в домашних условиях.

Задачи исследования:

1. изучить кристаллы;

2. подобрать доступное оборудование и сырье для выращивания кристаллов в домашних условиях;

3. овладеть практическими способами выращивания кристаллов (вырастить кристалл);

4. заинтересовать сверстников интересными сведениями о кристаллах и возможностью их самостоятельного выращивания.

Объект исследования: кристаллы.

Предмет исследования: процесс выращивания кристаллов.

Этапы исследования:

1. Сбор и изучение информации из литературы и других источников.

2. Проведение эксперимента и анализ результатов.

3. Обработка материалов и формулирование выводов.

Методы исследования:

1. самостоятельное размышление над темой исследования;

2. изучение литературы и работа с информацией из сети Интернет;

3. практическая работа.

Практическая значимость проекта состоит в создании домашней коллекции «Кристаллы», и в разработке рекомендаций по выращиванию кристаллов в домашних условиях.

ГЛАВА I. Мир кристаллов.

1.1. Что такое кристалл?

Кристаллы – поразительные создания природы. Нас восхищают их яркие цвета и прозрачность, ровные, гладкие грани и, самое главное, правильная форма.

Кристаллы многих минералов и драгоценных камней были известны и описаны ещё несколько тысячелетий назад. Сначала слово «кристалл» означало в переводе с греческого только «лёд». Потом так стали называть прозрачные кристаллы кварца, который ещё называется горный хрусталь. Люди думали, что горный хрусталь - это лёд, который не тает в тепле. Удивительной особенностью горного хрусталя являются его гладкие плоские грани. Возникла догадка, что форма может быть связана с внутренним строением. А потом учёные доказали, что строение кристалла имеет повторяющийся рисунок.

Кристалл - это твёрдое вещество, имеющее естественную внешнюю форму правильных симметричных многогранников, в которых мельчайшие частицы «упакованы» в определенном порядке. В результате при росте кристаллов на их поверхности самопроизвольно возникают плоские грани, а сами кристаллы принимают разнообразную геометрическую форму.

Кристаллы могут иметь всевозможные формы. Все известные в мире кристаллы могут быть разделены на 32 вида, которые сгруппированы в шесть видов. Кристаллы могут иметь и разные размеры. Некоторые минералы образуют кристаллы, которые разглядеть можно только с помощью микроскопа. Другие же образуют кристаллы, вес которых составляет несколько килограммов.

Есть целый ряд наук, изучающих кристаллы - это кристаллофизика, кристаллография, кристаллооптика, кристаллохимия.

1.2. Удивительный и загадочный мир кристаллов.

В природе существуют сотни веществ, образующих кристаллы. Вода - одно из самых распространенных из них. Замерзающая вода превращается в кристаллы льда или снежинки.

Всем известные и ежедневно используемые сахар и соль тоже являются кристаллами.

Минеральные кристаллы образуются в ходе определенных породообразующих процессов. Минералы превращаются в кристаллы, когда переходят из состояния горячей жидкости в холодную твердую форму.

Существуют в природе интереснейшие образования - жеоды и миндалины. Жеода – это округлое образование в грунте, заполненное изнутри кристаллами минералов.

Кристаллы могут быть разных размеров. Самые большие кристаллы были обнаружены в 2000 году в Пещерах кристаллов в Мексике. Это кристаллы селенита - прозрачного гипса. Эти формирования создавались природой несколько миллионов лет. Некоторые из найденных там кристаллов гипса достигают 15 метров в длину, а в ширину до 1,5 метров. Весят они более 55 тонн.

В Австрии есть музей «Хрустальные миры Сваровски», который находится под землёй, в пещере, состоящей из семи сообщающихся залов. В этом музее представлены всевозможные кристаллы Сваровски. Одна из чудо-комнат неизменно вызывает шок у всех посетителей – здесь вы оказываетесь как бы в середине огромного кристалла. В музее можно увидеть самый большой и самый маленький из когда-либо произведенных кристаллов. Самый большой – диаметром 40 см весит около 62 килограммов! А самый маленький можно увидеть лишь в микроскоп. Кристаллы Сваровски вошли в Книгу рекордов Гиннеса.

Кристаллы растут, воспроизводя себя. Из всего царства минералов они ближе всего к тому, чтобы называться "живыми".

1.3. Рост кристаллов.

Кристаллы люди используют в строительстве, при производстве ювелирных изделий, часов, электронных приборов, компьютерной техники. Но, где взять столько кристаллов? Возможно ли их вырастить искусственно?

В природе кристаллы растут тысячи лет, а ученые изобрели быстрые способы выращивания искусственных кристаллов, что широко используется повсеместно. Из "ненастоящих" кристаллов делают такие драгоценные камни как сапфир и рубин. На сегодняшний день почти все кристаллы, которые существуют, выращивают искусственно.

И я вырастила кристаллы в домашних условиях. Выращивание искусственных кристаллов очень увлекательный и важный для современной жизни процесс.

ГЛАВА II. Выращивание кристаллов

2.1. Из чего можно вырастить кристалл?

Вырастить кристалл можно из разных веществ: из сахара, из солей и даже каменные - искусственные рубины, аметисты, кварц, цитрины, морионы, с соблюдением строгих правил по температуре, давлению, влажности и других факторов. В обычных условиях, конечно, всего этого не получится. Поэтому проще всего выращивать кристаллы из обычной поваренной соли.

2.2.Способы выращивания кристаллов

Изучив литературу, я узнала, что вырастить кристаллы можно различными способами. Например, охлаждая насыщенный раствор. При понижении температуры вещества выпадают в осадок. Сначала в растворе и на стенках сосуда появляются крошечные кристаллы-зародыши. Когда охлаждение идёт медленно, зародышей образуется немного, и постепенно они превращаются в красивые кристаллики правильной формы. При быстром охлаждении возникает много мелких кристалликов.

Выращивание кристаллов можно осуществить и другим способом - постепенным удалением воды из насыщенного раствора. И в этом случае, чем медленнее удаляется вода, тем лучше получается результат. Если оставить открытым сосуд с раствором при комнатной температуре на длительный срок, накрыв его листом бумаги, то вода при этом будет испаряться медленно, и пыль в раствор попадать не будет.

2.3.Правила выращивания кристаллов солей

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

1. Использовать вещество как можно более высокой степени чистоты.

2. Использовать кипячёную 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.

6. Во время работы с солью и растворами необходимо соблюдать правила безопасности.

Форма кристаллов одной и той же соли зависит от многих факторов:

- Если начальная концентрация сильно высокая, то у вас вырастет друза.

- В течение всего времени роста кристалла желательно поддерживать одну и ту же температуру, т. к. даже незначительные перепады способны повлиять на его форму.

- Если раствор будет недостаточно чистым или в него попадёт пыль, то это может существенно повлиять на форму кристалла.

- Нельзя брать кристалл руками - это препятствует росту грани кристалла. Для того чтобы достать кристалл, очень удобно использовать пинцет.

Как приготовить раствор соли?

Раствор готовят из тёплой (не горячей!) воды. Воду лучше брать дистиллированную, но можно и кипячёную. Химический стакан наполовину наполняют водой и небольшими количествами (~по 10 г) добавляют соль. После каждой новой порции соли раствор тщательно перемешивают. После того, как вещество перестаёт растворяться, добавляют последние 10 г вещества и перемешивают. Уже готовый раствор фильтруют во второй химический стакан, в котором и будет происходить рост кристалла.

Как отфильтровать раствор?

Лучше всего для фильтрации раствора использовать хороший, лабораторный фильтр из фильтровальной бумаги и стеклянную воронку. Если готового фильтра нет, то его можно сделать из обычной промокашки. Его вкладывают в стеклянную воронку и фильтруют раствор. 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.

Как вырастить крупные одиночные кристаллы – монокристаллы?

Выращивание крупного одиночного кристалла - очень длительный и сложный процесс. Для этого потребуется затравка - маленький кристаллик, который и будет центром кристаллизации.

Для того чтобы получить затравку, готовится максимально концентрированный раствор соли, переливается в химический стакан и накрывается листком бумаги. Через несколько дней на дне стакана появляются первые кристаллики. Из них отбираются те, которые имеют более правильную форму.

Раствор фильтруют и погружают туда затравку. Стакан накрывают бумагой и оставляют. Чем дольше кристалл будет оставаться в растворе, тем крупнее он станет. В ходе роста основного кристалла на дне появляются и растут другие, случайно выпавшие кристаллы. Их желательно удалять хотя бы раз в неделю.

Выращивание сростков кристаллов - поликристаллов (друз).

Это - один из самых быстрых способов выращивания кристаллов. Для начала нам потребуется приготовить перенасыщенный раствор соли в горячей воде. После охлаждения раствора в него вносят затравку - подвешенный на ниточке кристаллик. Раствор оставляют в покое в течение 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 ещё на 3-5 дней.

Как сохранить кристалл?

Большинство искусственных кристаллов, выращенных из различных солей очень хрупкие и со временем разрушаются. В особенности это грозит кристаллам поваренной соли, так как она быстро начинает впитывать воду из окружающего воздуха и красивый кристалл рассыпается. По информации сети Интернет можно защитить кристаллы от разрушения покрыв их поверхность прозрачным лаком в несколько слоёв. Для этого подойдёт мебельный лак, лак для ногтей и даже лак для волос.

Глава III. Практическое исследование

3.1. Этапывыращивания кристаллов в домашних условиях.

Изучив литературу и получив нужную информацию, я приступила к практической части своего проекта и начала выращивать свой кристалл.

На первом этапе я растворила поваренную соль, из которой будет расти кристалл, в подогретой воде. Растворяла соль до тех пор, пока она уже больше не растворяется. Следуя рекомендациям, я использовала кипячёную воду (Приложение 2 фото 1,2).

На втором этапе я отфильтровала насыщенный раствор и переливала его в другую ёмкость, где планировалось производить выращивание кристаллов. На этом этапе важно было следить, чтобы раствор не особо остывал (Приложение 2 фото 3).

На третьем этапе я привязала на нитку и на леску кристаллики соли (затравочные кристаллы выращенные заранее) и закрепила её на картонной заготовке, которую положила на края ёмкости. Кристаллик опустила в насыщенный раствор таким образом, чтобы он не касался дна. Ёмкость накрыла сверху от попадания пыли и мусора и закутала в полотенце для более медленного остывания (Приложение 2 фото 4,5,6).

На четвертом этапе я разместила ёмкости с раствором и кристаллами в различных условиях.

Пятый этап – заключительный – сохранение кристаллов. Для сохранности кристаллов я покрыла их несколькими слоями прозрачного лака (Приложение 2 фото 7).

3.2. Анализ полученных результатов.

Для проверки гипотезы о влиянии условий на рост кристаллов в домашних условиях мы выращивали кристаллы в 4-х ёмкостях находящихся в различных условиях.

Первый кристалл (I) я выращивала из йодированной поваренной соли (не чистая соль с примесью) на ворсистой хлопчатобумажной нитке при быстром охлаждении раствора. Раствор не обновлялся. В результате этих условий довольно таки быстро вырос длинный поликристалл по всей длине нити (Приложение 3 фото 1-4).

Второй кристалл (II)я выращивала из йодированной поваренной соли (не чистая соль с примесью) на ворсистой хлопчатобумажной нитке при медленном охлаждении раствора. Раствор фильтровался и обновлялся еженедельно. В результате этих условий вырос длинный поликристалл по всей длине нити, но рос он более длительно и более правильной формы, чем первый (Приложение 3 фото 5-8).

Третий кристалл (III)я выращивала из каменной поваренной соли (чистая соль без примесей) на гладкой леске при быстром охлаждении раствора. Раствор не обновлялся. В результате этих условий достаточно быстро вырос поликристалл с одним центром роста (Приложение 3 фото 9-12).

Четвёртый кристалл (IV) я выращивала из каменной поваренной соли (чистая соль без примесей) на гладкой леске при медленном охлаждении раствора. Раствор обновлялся и фильтровался еженедельно. В результате этих условий выросли крупный поликристалл с одним центром и два монокристалла правильной кубической формы (Приложение 3 фото 13-16).

По результатам практического исследования можно сделать вывод о том, что кристалл, возможно вырастить в домашних условиях. Также значительным выводом является то, что соблюдение определённых условий выращивания кристаллов помогает вырастить кристаллы различной формы с различной скоростью.

3.3. Результаты работы над проектом.

Результатом моей работы стало создание домашней коллекции кристаллов выращенных мною из поваренной соли и из купленных наборов «Юный химик» и «Чудесный сад» (Приложение 4 фото1-2)

После презентации моего проекта в классе я раздала памятки по выращиванию кристаллов одноклассникам. Некоторые одноклассники заинтересовались и также начали выращивать кристаллы в домашних условиях. Результатом этого увлечения стали красивые разноцветные кристаллы (Приложение 4 фото3-6).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Кристаллы имеют чёткую, повторяющуюся структуру, бывают твердыми и жидкими. Они встречаются в природе и могут быть выращены человеком.

Кристаллы очень полезны для человека. В некоторых случаях без них не обойтись. Например, если нужно разрезать камень нужен алмаз, а если нужно сделать часы, то не обойтись без рубина. Микропроцессоры в компьютерах сделаны из кремния. Найти нужный кристалл в природе очень сложно. Гораздо проще и дешевле его вырастить искусственно. Это делается в промышленном производстве. Но можно вырастить кристалл и в домашних условиях.

Кристаллы капризны, требуют бережного к ним отношения, соблюдения всех условий при погружении кристалла и для дальнейшего роста. В противном случае, кристалл, который долго и терпеливо выращивали, может за несколько минут исчезнуть у нас на глазах! Но, зато, если уж всё выполнено верно, терпеливо и бережно, выращенный кристалл порадует своей красотой, необычной формой, размером!

Гипотеза, выдвинутая в начале моей исследовательской работы, полностью подтвердилась.

Выводы:

1. В результате эксперимента было доказано, что кристалл можно выращивать в домашних условиях.

2. Соблюдение определённых условий выращивания кристаллов помогает вырастить кристаллы различной формы с различной скоростью.

3. В ходе эксперимента я убедилась, что кристаллы очень хрупкие и их необходимо покрывать лаком, защищая от разрушения.

Изучение кристаллов невозможно вместить в эту работу, она заслуживает большего внимания! Именно этим я и планирую заняться в дальнейшем.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Окслейд Крис Научные опыты для детей. [Текст] / Перевод с англ. А. О. Ковалёвой. - М. ЭКСМО, 2014. – с. 214

2. Суперэксперименты [Текст] / Перевод с нем. П.Лемени-Македона. – М. ЭКСМО, 2014. – с. 178

3. Новая энциклопедия школьника [Текст] / под ред. Бубновой Е.М. – М. Махаон, 2013 – с. 245

4. Шаскольская М. П. Кристаллы [Текст] / Шаскольская М. П. - М.: Наука, 1995. – с. 156

5 Мир кристаллов [Электронный ресурс] - http://course-crystal.narod.ru/p31aa1.html

6. Википедия [Электронный ресурс] - http://ru.wikipedia.org/wiki/кристаллы:

7. Инструкция по выращиванию кристаллов [Электронный ресурс] - http://mirhim.ucoz.ru.html

Приложение 1

Приложение 2

1. 2.

3. 4.

5. 6.

7.

Приложение 3

Этапы роста первого кристалла (I)

Этапы роста второго кристалла (II)

Этапы роста третьего кристалла (III)

Этапы роста четвертого кристалла (IV)

Приложение 4

1. 2.

3. 4.

5. 6.