V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Удивительный мир кристаллов

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Карасев Л.И. 1

---

1МБОУ ООШ №1 им. М.А. Погодина

Мигулка М.А. 1Карасева О.В. 1

---

1МЮОУ ООШ №1 им. М.А. Погодина

Работа в формате PDF

9.9 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителяСвидетельство руководителя

Введение

Летом в отпуске мама купила мне журнал о природных минералах. Вместе с журналом в комплекте был прозрачный камень сиреневого цвета в красивой коробочке. Он очень был похож на сверкающие камни в маминых серьгах и кольце. В журнале я прочитал, что это минерал аметист. Он – полудрагоценный и используется для изготовления украшений. Из статьи в журнале я узнал, что минерал состоит кристаллов.

А чуть позже на день рождения, как по волшебству, мне подарили очень интересный подарок – набор «Вырасти свой кристалл». Название меня очень заинтересовало и озадачило. Появилось множество вопросов, на которые я срочно хотел найти ответы: что такое кристаллы, как их получают, где используют? И неужели их можно вырастить? Красота аметиста и картинка на коробочке еще больше подстегнула мой интерес.

Таким образом, возникла проблема: каким образом выращивают кристаллы и можно ли сделать это в домашних условиях. Кроме того, подаренный мне набор стоил определенную сумму денег, поэтому я решил выяснить, можно ли вырастить кристалл без денежных затрат, чтобы сэкономить семейный бюджет.

Актуальность моей работы заключается в том, что в настоящее время дети не ограничены в игрушках, гаджетах. Многие проводят свое свободное время, играя в компьютерные игры, а у многих ребят даже нет увлечений. Я считаю, что время нужно проводить с пользой, например, выращивать кристаллы.

Поэтому я выдвинул следующую гипотезу: если кристаллы можно выращивать в домашних условиях и без особых затрат, то это может стать увлечением для моих одноклассников, друзей и даже взрослых.

Новизна моего исследования заключается в том, что я не только сам проверил уже известные способы выращивания кристаллов, но выбрал самые интересные и удобные в исполнении, привлек к этому увлекательному занятию своих одноклассников, друзей и их родителей.

Цель исследования – изучение способов выращивания кристаллов в домашних условиях.

Задачи:

1) узнать на основе анализа литературных и Интернет источников о кристаллах и способах их выращивания;

2) вырастить кристаллы в домашних условиях

3) установить методом анкетирования и опроса сверстников уровень заинтересованности предметом исследования;

4) подготовить презентацию результатов исследования.

Объект исследования - кристаллы.

Предмет исследования – способы выращивания кристаллов в домашних условиях.

Методы исследования: анализ литературных источников и сведений, полученных из Интернет-источников; наблюдение, практические опыты, сравнение, анкетирование, анализ результатов.

1. Основная часть 1.1. Что такое кристаллы? Строение кристаллов.

Первым этапом моего исследования является сбор информации по предмету исследования.

Как настоящий исследователь, я начал с определения понятий с помощью словарей и узнал, в переводе с греческого слово «кристаллос» означало лед, а потом горный хрусталь [4]. Благодаря поразительному сходству замершей воды и горного хрусталя древние греки считали, что лед под воздействием низких температур и времени превращается в горный хрусталь.

В словаре Ожегова [6] мы с мамой прочитали, что «кристалл – это твердое тело, имеющее упорядоченное, симметрическое строение». Мама объяснила мне, что кристаллы имеют правильную форму и напоминают объемные геометрические фигуры. Я убедился в этом, еще раз рассмотрев аметист из своей коллекции.

Многие считают, что кристаллы – это красивые цветные, чаще всего драгоценные камни правильной формы. На самом деле, кристаллов намного больше. Мама как химик объяснила мне, что большая часть твердых веществ имеет кристаллическое строение: мельчайшие частицы вещества (молекулы, атомы или ионы) располагаются в пространстве в определенном порядке, как правило, занимая вершины объемных фигур, которые называются многогранниками. Такую упаковку частиц в строго определенном порядке называют кристаллической решеткой [2]. Кристаллы могут иметь самую различную форму (рис. 1).

Рис.1. Форма кристаллов

К сожалению, мы не всегда можем рассмотреть строение кристаллов с помощью глаз и даже через микроскоп, так как они очень мелкие. В природе можно встретить довольно крупные монокристаллы (отдельные кристаллы). Чаще всего встречаются поликристаллы (несколько сцепившихся монокристаллов) (рис.2). Из литературных источников я узнал, что монокристаллы появляются при соблюдении особых условий (температура, отсутствие примесей, покой, свободное пространство) [2].

Рис.2. Монокристаллы и поликристаллы

Кристаллы отличаются друг от друга по форме (в виде куба, пирамиды, бипирамиды и т.д.), цвету (цветные, бесцветные), происхождению (природные, искусственные), способу получения (из раствора, из расплава, из газа).

Изучением кристаллов занимается очень интересная и сложная наука кристаллография, которая объединяет в себе химию, физику, геометрию. Все эти предметы мы будем изучать в старших классах [1].

Таким образом, мы выяснили, что кристалл – это твердое дело, имеющее внешнюю форму в виде многогранников. Кристаллы очень разнообразны.

1.2. Кристаллы в природе

Нахождение кристаллов в природе мы решили рассмотреть с точки зрения их деления на монокристаллы и поликристаллы.

Интересно, что монокристаллы встречаются в природе очень редко. Это, в первую очередь, относится к кристаллам большой величины, размеры которых в отдельных случаях могут достигать человеческого роста. Так, например, в Московском минералогическом музее АН России и в Горном музее Санкт-Петербургского горного института имеются гигантские кристаллы кварца и гипса (рис. 3).

Рис.3. Кристалл «Малютка» (784 кг)

А в 1958 г. в Средней Азии был найден уникальный кристалл кварца весом около 30 т., длиной 7,5 м. и шириной 1,6 м.

Гораздо чаще встречаются более мелкие и нередко микроскопические кристаллики.

Поликристаллы встречаются в природе гораздо чаще: это минералы и горные породы, твердые полезные ископаемые (песок, глина, руды металлов).

В Мексике в городе Найка при бурении шахты была обнаружена уникальная пещера с гигантскими кристаллами селенита (селенит – кристаллическая форма гипса). Высокая влажность и температура, а также длительный, возможно в миллионы лет, покой, способствовали росту такого чуда природы (рис. 4).

Рис.4. Гигантские кристаллы в пещере (Найка, Мексика)

Существуют даже биологические кристаллы, к которым относят молекулы ДНК. Также учеными обнаружено, что некоторые ткани нашего организма представляют собой поликристаллы: роговица глаза, зубы, некоторые кости.

Особое место в мире кристаллов занимает вода, которая в отличие от всех других веществ, при замерзании расширяется.

Снежинки, например, состоят из кристаллов льда. Каждая из них уникальна. Мама рассказала мне, что знаменитый американский фотограф Уилсон Бентли увлекался фотографированием снежинок через микроскоп. Он сделал более 5 тысяч фотографий, и его коллекция находится в музее в США. Бэнтли называл снежинки «ледяными цветами» [7] (рис. 5).

Рис.5. Фото снежинок Уилсона Бентли

Благодаря образованию кристаллов льда из водяного пара мы наблюдаем красивые узоры на окне, иней, изморозь.

Кристаллами являются даже продукты питания: поваренная соль, сахар, лимонная кислота, пищевая сода, а также многие строительные материалы, удобрения, лекарства и многое другое.

Таким образом, кристаллы окружают нас повсюду. Образно выражаясь, мы живем в мире кристаллов. Знаменитый академик А.Е. Ферсман говорил: «Почти весь мир кристалличен. В мире царит кристалл и его твёрдые прямолинейные законы».

1.3. Способы выращивания кристаллов

Меня заинтересовало появление кристаллов. Из литературных источников я узнал, что процесс образования кристалла и его роста называют кристаллизацией. Существуют три способа кристаллизации: из расплава, из раствора, из газа. В промышленности кристаллы получают чаще всего из раствора и реже из расплава.

Кристаллизация из раствора

Суть данного процесса заключается в способности веществ растворяться. Как правило, при нагревании вещества растворяются лучше, а при охлаждении - хуже.

Для образования кристаллов, нужен насыщенный раствор вещества (это такой раствор, в котором вещество уже не растворяется, а выпадает в виде осадка). Раствор должен быть горячим, так как растворимость вещества в нем выше. Для того, чтобы кристалл начал расти, нужна «затравка» (частица твердого вещества). В процессе охлаждения растворимость вещества постепенно снижается, и оно начинает выделяться в твердом виде из раствора: на "затравке" формируется кристалл [4].

Кристаллизация из расплава

Рост кристалла из расплава проводится так же, как и из раствора. Отличие заключается в том, что твердое вещество расплавляют при высокой температуре, а после охлаждения в нем появляются кристаллы.

Для такого способа нужно специальное оборудование, которого у меня нет. Поэтому дома я могу вырастить кристаллы только из раствора [4].

2. Практическая часть 2.1. Выращивание кристаллов в домашних условиях

Я узнал много интересного про кристаллы и решил вырастить их самостоятельно в домашних условиях.

Но прежде чем браться за выполнение опыта, мама рассказала мне о технике безопасности.

Техника безопасности при проведении опыта

Соблюдайте порядок на рабочем месте.

Для проведения опыта нельзя использовать посуду, из которой вы едите.

Можно использовать только знакомые и непросроченные вещества под присмотром взрослых.

Нужно хорошо вымыть руки и проветрить помещение после проведения опыта.

Используйте перчатки, фартук при проведении опыта.

При попадании реактивов на кожу или в глаза немедленно промойте их проточной водой.

За основу своих опытов я взял поваренную соль, морскую соль и медный купорос. Внимание: медный купорос является ядом, поэтому работать с ним нужно только в присутствии взрослых, соблюдая правила техники безопасности!

Опыт 1. Выращивание кристаллов из набора «Вырасти кристалл»

Весь опыт я провел в соответствии с инструкцией, которая прилагалась к набору. Кристаллизация также проходила из насыщенного раствора. В результате мы получили прозрачные светло-желтые игольчатые кристаллы. Мама объяснила мне, что вещество, которое использовали в наборе – желтая кровяная соль. В быту его добыть невозможно, только в специальных химических магазинах. Кроме того, сам набор в магазине стоит около 500р.

Вывод

Используя набор «Вырасти кристалл», мы получили красивые кристаллы (Приложение 1).

Опыт 2. Выращивание кристаллов из растворов поваренной и морской соли

Подготовительная работа

В Химическом справочнике Лурье [5] мы с мамой нашли растворимость хлорида натрия (поваренная и морская соль): при температуре 100 ⁰С она составляет 39,4 г на 100 мл воды; приготовили необходимые вещества посуду и оборудование. Ход опыта подробно описан в Приложение 2.

Процесс кристаллизации начался уже через час после начала опыта. При этом центры кристаллизации появились на самой леске, а также на дне стаканчика. В результате мы получили множество мелких кристалликов в виде кубиков, нанизанных на леску. Чтобы они не мешали друг другу, мы оставили самые крупные для дальнейшего роста.

Через сутки оставленные моно-кристаллы, превратились в поликристаллы и достигали в 2 мм.

Процесс роста продолжался 3 недели. В результате мы получили красивые грозди поликристаллов, которые называют друзами. А на дне стаканчика с раствором морской соли мы обнаружили довольно крупный монокристалл.

Вывод

Таким образом, из раствора поваренной соли вырастает прозрачный бесцветный поликристалл кубической формы (Приложение 2). Процесс кристаллизации довольно долгий: требует времени и терпения.

Опыт 3. Выращивание кристаллов из растворов медного купороса

Подготовительная работа

В химическом справочнике Лурье [5] мы с мамой нашли растворимость сульфата меди (медного купороса): при температуре 100 ⁰С она составляет 61,8 г на 100 мл воды; приготовили необходимые вещества посуду и оборудование. Ход опыта подробно описан в Приложение 3.

Процесс кристаллизации начался уже через полчаса после начала опыта. При этом центры кристаллизации появились на самой леске, а также на дне стаканчика. В результате мы получили множество мелких триклинных кристалликов, нанизанных на леску. Чтобы они не мешали друг другу, мы оставили самые крупные для дальнейшего роста.

Через сутки оставленные моно-кристаллы, превратились в крупные поликристаллы и достигали в 1см. А на дне стаканчика выросла друза из кристаллов медного купороса.

Вывод

Таким образом, из раствора медного купороса вырастает прозрачный синий поликристалл триклинной формы (Приложение 3). Процесс кристаллизации очень быстрый.

Я проанализировал полученные результаты и составил свой рейтинг веществ для выращивания кристаллов по 4 критериям. Для этого я перевел в баллы проявление каждого критерия.

Результаты представлены в Таблице 1.

Таблица 1

Рейтинг веществ для выращивания кристаллов

Места распределились следующим образом:

1 место – поваренная соль

2 место – медный купорос

3 место – набор из магазина

Таким образом, из раствора поваренной и морской соли вырастает прозрачный бесцветный поликристалл в виде куба. Рост кристалла проходит достаточно долго. А из раствора медного купороса вырастает прозрачный синий поликристалл удивительной формы. Процесс кристаллизации очень быстрый. Кристаллы из поваренной и морской соли можно вырастить легко, просто, безопасно и из без особых затрат.

2.2. Первичное анкетирование

Мне стало интересно: что известно моим одноклассникам о кристаллах; хотели бы они научиться их выращивать. Я провел анкетирование, в котором просил ребят ответить на следующие вопросы:

В опросе приняло участие 24 ученика 1-го класса. Ребята ответили на такие вопросы:

1. Знаешь ли ты, что такое кристаллы?

Да, знаю __________________________

Нет, не знаю

2. Хочешь ли ты научиться выращивать кристаллы?

Хочу, но не знаю как

Не хочу, потому что уже выращивал сам

Не хочу, мне неинтересно

Результаты опроса представлены в виде диаграмм в Приложении 4.

Таким образом, я выяснил, что по предмету исследования учащиеся знают очень мало. Но у них есть желание познакомиться с кристаллами и даже вырастить их.

2.3. Проведение мастер-класса по выращиванию кристаллов и вторичное анкетирование

С помощью учителя я провел для ребят мастер-класс, на котором представил мои кристаллы и показал, как их можно вырастить (Приложение 5). Чтобы ребята могли вырастить кристаллы дома, мы подготовили для них буклет (Приложение 6).

Мои одноклассники с удовольствием провели этот опыт. Ребята вырастили кристаллы поваренной соли и медного купороса (Приложение 5).

Чтобы подтвердить мою гипотезу я провел повторное анкетирование, в ходе которого те же ученики ответили на следующие вопросы:

1. Знаешь ли ты что такое кристаллы?

• Да, знаю __________________________

• Нет, не знаю

2. Понравилось ли тебе выращивать кристаллы?

• Да

• Нет

3. Хотел бы ты выращивать другие кристаллы?

• Да

• Нет

Результаты повторного анкетирования представлены в Приложении 7.

Повторное анкетирование показало, что теперь ребята знают, что такое кристаллы, а их выращивание считают интересным и увлекательным занятием.

Заключение

В ходе исследовательской работы я выполнил все поставленные задачи: узнал, что такое кристаллы и способы их получения. Я вырастил кристаллы из насыщенного раствора. Методом анкетирования установил, что мои одноклассники заинтересованы предметом исследования.

Я провел мастер-класс, на котором рассказал, что такое кристаллы и как их можно вырастить дома. Также я создал букле о кристаллах.

Таким образом, моя гипотеза полностью подтвердилась: кристаллы можно выращивать дома, это очень увлекательное занятие.

Считаю, что цель моего исследования полностью достигнута.

В будущем я хочу вырастить более сложные по строению и цветные кристаллы.

Список литературы

Большая детская энциклопедия: Химия, сост. К. Люцис. М.: Русское энциклопедическое товарищество. 2000.

Большая Российская энциклопедия: В 30 т. / Председатель Науч.-ред.совета Ю.С. Осипов. Отв.ред.С.Л. Кравец. Т.12. Исландия – Канцеляризмы. – М.: Больщая Российская энциклопедия, 2008. – 767 с.: ил.: карт.

Большая эциклопедия школьника / Пер.с англ. У.В. Сапциной, А.И. Кима, Т.В. Сафроновой и др. – М.: ООО «Издательство «Росмен-Пресс», 2005. – 664с.

Большой Российский энциклопедический словарь. – М.: Большая Российская энциклопедия, 2003. – 1888с.: ил.

Лурье Ю.Ю. Справочник по аналитической химии. – М.: Химия, 1971. – 456 c.

Ожегов С.И. Словарь русского языка: Ок. 57000 слов / Под ред.докт.филол.наук, проф. Н.Ю. Шведовой. – 15-е изд., стереотип. – М.: Рус.яз., 1984 – 816с.

Энциклопедия для любознательных «Что, зачем и почему?» М.: Махаон 2012.

Приложения Приложение 1. Выращивание кристаллов из набора «Вырасти свой кристалл» Приложение 2. Карта опыта «Выращивание кристаллов поваренной соли в домашних условиях»

Приложение 3. Карта опыта «Выращивание кристаллов медного купороса в домашних условиях»

Приложение 4. Результаты первичного анкетирования Приложение 5. Мастер-класс по выращиванию кристаллов

Кристаллы моих одноклассников

Приложение 6. Буклет «Удивительный мир кристаллов» Приложение 7. Результаты вторичного анкетирования