VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Выращивание кристаллов в домашних условиях

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Гвоздева П.К. 1

---

1ОЛГ

Малярчук О.В. 1

---

1ОЛГ

Работа в формате PDF

615.3 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Слово «кристалл» происходит от греческого «крюсталлос», то есть «лед».¹⁰ Люди верили, что лед, который длительное время находится на сильном морозе, окаменевает и теряет способность таять, превращаясь в хрусталь. Хрусталь, в свою очередь, может превратиться в алмаз. Кристаллы наделялись множеством таинственных свойств: исцелять от болезней, предохранять от яда, влиять на судьбу человека.

Оказалось, что из кристаллов состоят не только почти все минералы, но также многие другие тела, относительно которых никому и в голову не приходило, что они могут быть кристаллами. В глине, каучуке, саже, костях, волосах, волокнах шерсти, шелка, целлюлозы найдены мельчайшие, даже в микроскоп неразличимые зерна кристаллического строения. Мы живем в мире кристаллов. Наши дома и города построены из камня и металла, т.е. в основном из кристаллов.

Некоторые живые организмы оказываются настоящими «фабриками» кристаллов: кораллы, например, образуют целые острова, сложенные из мельчайших кристаллов кальцита! Нет такого места на Земле, где бы не было кристаллов. И не только на Земле! Из межпланетного пространства иногда прилетают к нам осколки небесных тел — метеориты. Оказалось, что их строение ничем не отличается от строения наших земных минералов и горный пород: они тоже состоят из кристаллов.⁴

Благодаря науке о кристаллах люди смогли понять, почему отличаются по свойствам алмаз и графит, хотя состоят из одних и тех же атомов. Наука дала ответ почему лед легче воды. За время своего развития кристаллография прошла путь от описательной минералогии, через химию, выращивание кристаллов, рентгеноструктурного анализа до биологии и белковой кристаллографии. Сейчас изучаются новые виды кристаллов такие как пластические и жидкие кристаллы, твердые ионные проводники. Признанием заслуг кристаллографии стали 23 нобелевских лауреата и примерно столько же получили эту премию в смежных областях.

Я заинтересовалась кристаллами, когда мне родители показали ролик про то как из порошка можно получить крупный прозрачный камень правильной формы. Мне понравилось рассматривать кристаллы, которые получаются, и читать об их структуре. Я решила попробовать вырастить кристалл в домашних условиях.

Актуальность работы: заключается в том, что учёные постоянно создают новые вещества с уникальными свойствами, без которых невозможен технический прогресс. Так были созданы сверхпрочные кристаллы, применяемые для буровых установок по добыче нефти и газа, синтезированы кристаллы для лазерной медицины и металлообработки. Неотъемлемой частью нашей жизни стали приборы на основе жидких кристаллов. И, может быть, проведённое мной исследование повлечёт за собой осознанный выбор моей будущей профессии.

Кристаллы играют большую роль в жизни человека. Их используют в качестве украшений, элементов декора, в науке и технике. Зная структуру кристаллов, можно управлять их формой и свойствами.

Гипотеза: некоторые кристаллы легко выращиваются в домашних условиях.

Предмет исследования: кристаллы.

Объект исследования: процесс кристаллизации

Задачи исследования:

Проанализировать теоретическую информацию по данной теме, понять разновидности кристаллов

Изучить условия образования кристаллов, их формы, цвета.

Выполнить опытно-экспериментальную работу по изученным методикам.

Анализ полученных результатов исследования.

Основная часть

Что такое кристаллы. Разновидности кристаллов.

Кристаллы – это твердые тела, атомы или молекулы которых занимают определенные, упорядоченные положения в пространстве.

Все кристаллы состоят из отдельных частиц: молекул и атомов, располагающихся в строгом порядке. Они образуют кристаллическую решетку. Каждому атому отведено место в определенном узле решетки, при этом образуются правильные многогранники. Кристалл может иметь от трех до нескольких сотен граней. Но при этом они обладают замечательным свойством. Все плоские грани пересекаются друг с другом под определенными углами. Углы между соответствующими гранями всегда одинаковы. Например, у кристаллов поваренной соли (NaCl) всегда их грани пересекаются под прямым углом. Кристаллы разнообразны по своей форме и цвету, но главный секрет их красоты - в симметрии.

Древние считали, что все кристаллы прозрачны, поэтому позднее так стали называть все прозрачные твердые тела. Сейчас словом «кристалл» называют все твердые тела с упорядоченной внутренней структурой, которая часто проявляется в виде правильной геометрической ф ормы тела. В снежинках отражена геометрическая правильность внутреннего строения кристаллического тела – льда.

Рисунок 1. Формы снежинок

Не все кристаллы одинаковы. Существуют монокристаллы и поликристаллы. Твердое тело, состоящее из большого числа маленьких кристаллов, называют поликристаллическим. Одиночные кристаллы называются монокристаллами.

Соблюдая большие предосторожности, можно вырастить металлический кристалл больших размеров – монокристалл. В обычных условиях поликристаллическое тело образуется в результате того, что начавшийся рост многих кристаллов продолжается до тех пор, пока они не приходят в соприкосновение друг с другом, образуя единое тело.²

К поликристаллам относятся не только металлы. Кусок сахара, например, тоже имеет поликристаллическую структуру. Большинство кристаллических тел – поликристаллы, так как состоят из множества сросшихся кристаллов. Одиночные кристаллы - монокристаллы, так как имеют правильную геометрическую форму, и их свойства различны по разным направлениям¹.

Возможны три способа образования кристаллов:

Кристаллизация путем возгонки – переход непосредственно из газообразного состояния к твердому. В этом случае кристаллы образуются прямо из пара, минуя жидкую фазу. Примером могут служить возгонка и перекристаллизация йода. В природе этот процесс происходит в кратерах, вулканических трещинах (налеты нашатыря, серы и др.). Зимой при ясной морозной погоде в воздухе образуются снежинки.

Раскристаллизация в твердом состоянии – переход из твердого состояния в твердое. Здесь возможны два процесса:

кристаллическое вещество может образовываться из аморфного. Так, с течением времени раскристаллизовываются стекла и содержащие стекло вулканические породы.

перекристаллизация: структура одних веществ разрушается и образуются новые кристаллы с иной структурой. Явления перекристаллизации широко распространены в природе и ведут к образованию новых минералов, горных пород и руд. Все метаморфические горные породы в той или иной степени являются перекристаллизованными. Под влиянием температуры, давления и других факторов известняк, например, переходит в мрамор, глинистые породы – в филлиты и кристаллические сланцы, кварцевые песчаники – в кварциты.

Кристаллизация из расплавов и растворов – основной способ образования кристаллов в природе. Так образуются из огненно-жидкого силикатного расплава (магмы) массивные кристаллические породы – граниты. На дне озер, заливов и в море отлагаются кристаллы солей. Из расплавов и растворов выращиваются искусственные кристаллы (например, технические и драгоценные камни: пьезокварц, карборунд, рубин, алмаз, сапфир (Рисунок 3. Сапфир) и др.)⁸.

Применение кристаллов.

Применение кристаллов в науке и технике очень разнообразно. Приведу только несколько примеров. Самый твердый и редкий минерал – алмаз (Рисунок 4. Алмаз) – используется как украшение. Примерно 80% применяемых в технике алмазов идет на заточку инструментов и резцов «сверхтвердых сплавов». Алмазы служат опорными камнями (подшипниками) в хронометрах высшего класса для морских судов и в других особо точных навигационных приборах.

Кристаллы кварца, кальцита и других прозрачных веществ, пропускающих ультрафиолетовое и инфракрасное излучение применяются для изготовления призм и линз оптических приборов. Большинство полупроводниковых электронных приборов изготовлено из кристаллов германия или кремния. В повседневной жизни мы сталкиваемся с часами, термометрами на жидких кристаллах.

Так же в технике нашел свое применение материал поляроид (Рисунок 2. Поляроидные пленки) – тонкая прозрачная пленка, заполненная крохотными игольчатыми кристаллами. Поляроидные пленки используют в поляроидных очках, так как они гасят блики отраженного света. Это важно для полярников, которым приходится смотреть на ослепительный снег, а также для водителей автотранспорта.

Рисунок 2. Поляроидные пленки

Рисунок 3. Алмаз

Рисунок 4. Сапфир

Экспериментальная часть. Выращивание монокристалла

Монокристалл - отдельный однородный кристалл, имеющий непрерывную кристаллическую решётку. Примерами природных монокристаллов могут служить кварц, каменная соль, алмаз.⁹

Этап 1. Приготовление раствора.

Для выращивания кристаллов в домашних условиях, мы решили взять алюмокалиевые квасцы (минерал алунит)⁴, которые продаются в аптеке в виде

Рисунок 5. Приготовление насыщенного раствора

Рисунок 6. Квасцы для выращивания монокристалла

Рисунок 7. Соблюдение техники безопасности

порошка. Вещество сушит кожу» и убивает болезнетворные микроорганизмы, при этом не вызывает аллергии и не токсично. В целях соблюдения техники безопасности, я должным образом оделась.

Мы приготовили насыщенный раствор. Квасцы следует растворить в теплой воде до насыщения и раствор отфильтровать. Для того, чтобы кристаллы были цветными мы добавили зелёный краситель.

Этап 2. Закладка «затравки».

Рисунок 8. Маленькие кристаллы - затравка

Рисунок 9. Фильтрование раствора

Рисунок 10. Размещение затравки в растворе

Через некоторое время при комнатной температуре, на дне емкости появились маленькие кристаллы.

Из этих кристалликов нужно выбрать несколько самых крупных, правильной формы и поместить в ёмкость с насыщенным раствором из первого этапа. Мы привязали затравку на ниточку и опустили её в раствор. Ниточка была привязана на карандаше и таким образом находилась в середине ёмкости. Кристалл будет расти, пока насыщенность раствора не снизится (вещество расходуется для роста кристаллов).

Этап 3. Рост кристалла

Уже на следующий день после погружения затравки в раствор, кристалл заметно вырос, и на нитке тоже появились небольшие кристаллы.

Через неделю я увидела, что квасцы выпали в осадок на дно, при этом скорость роста кристалл сильно замедлилась, а через некоторое время кристалл совсем перестал расти.

Рисунок 11. Выросшие монокристаллы

Рисунок 12. Выросшие кристаллы со слитым раствором

Н а следующее утро я вылила раствор из банки, так как кристаллы выросли настолько, что приросли ко дну банки.

Заключение

На основании проделанной работы я сделала следующие выводы:

Кристаллы разных веществ отличаются друг от друга цветом и формой.

Разные кристаллы имеют разные направление роста и скорость роста.

Кристаллы растут в сильно насыщенном растворе, по мере снижения насыщенности рост кристаллов прекращается.

Рост кристаллов сильно зависит от температуры: чем выше температура, тем быстрее растут кристаллы.

Кристаллы хрупкие, при работе с ними надо быть аккуратной.

Результаты проекта:

Я училась работать с источниками информации из Интернета.

Освоила два способа выращивания кристаллов.

В течении нескольких дней я наблюдала рост кристаллов.

На уроке окружающего мира я рассказала одноклассникам, как можно вырастить кристаллы в домашних условиях.

Список использованной литературы

Журнал «Галилео. Наука опытным путём», №7, 2011 г.

http://course-crystal.narod.ru/ - "Мир кристаллов"

Шаскольская М.П.. Кристаллы. - М.: Наука, 1978 г. – 208 с.

http://www.geologiazemli.ru/articles/105 - Геология Земли

https://ru.wikipedia.org/wiki/Алунит -Википедия – свободная энциклопедия.

http://www.kristallov.net/mineraly.html - Кристаллов.NET.

http://mirkristallov.com/ - Мир кристаллов.

http://www.geolib.net/crystallography/obrazovanie-i-rost-kristallov.html

https://dic.academic.ru/dic.nsf/bse/110398/Монокристалл

http://www.newstex.ru/publ/12-1-0-21 - Кристалл - хрусталь

Список изображений