VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Такие разные кристаллы
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Актуальность работы. Выращивать кристаллы – не пустая забава. Кристаллизация – очень распространенный в природе и науке процесс, редко какое производство без него обходится. Кристаллы очень распространены в природе. Они бывают разных размеров: от мельчайших до многометровых. Наиболее красивые минералы (алмазы, рубины, горный хрусталь) – это кристаллы. Кристаллами являются обычные снежинки, а также соль и сахар. Конечно, на предприятиях выращивают кристаллы не ради красоты, но иногда и вправду бывает красиво. Искусственные ярко-красные рубины и синтетические алмазы нашли широкое применение в самых разных отраслях науки и техники.
В школе на уроках окружающего мира мы выращивали кристаллы из раствора поваренной соли. Мне стало интересно, кристаллы каких веществ ещё можно вырастить в домашних условиях.
Цель работы. Вырастить кристаллы из различных растворов солей в домашних условиях.
Задачи.
Изучить литературные источники о кристаллах и способах их выращивания
Выбрать ряд соединений для получения кристаллов
Определить оптимальные условия для получения кристаллов
Провести опыт по выращиванию кристаллов в домашних условиях
Описать полученные результаты
Методы исследования.
Все кристаллы получали из насыщенных растворов. Все растворы были водные. Воду нагревали, чтобы она вместила больше вещества. В горячую воду насыпали порциями вещество и размешивали стеклянной палочкой до полного растворения. Затем раствор охлаждали на воздухе и наблюдали образование и рост кристалликов. Для ряда растворов условия кристаллизации были изменены: их охлаждали быстро, погружая стакан с раствором в лёд с солью.
Гипотеза. Размер кристаллов зависит от условий их выращивания.
II. Понятие о кристалле и кристаллизации
II.1. Типы кристаллов и кристаллических решёток
Кристаллы — это твёрдые вещества, в которых атомы и молекулы выстроены в строгом порядке, образуя так называемую кристаллическую решетку определенного строения, от чего зависит форма кристалла. Именно наличие кристаллической решетки придает красивую внешнюю форму кристаллам.
В зависимости от составляющих их частиц, выделяют 4 основных типа кристаллических решеток: атомные, ионные, молекулярные и металлические (рис.1).
Рис. 1. Типы кристаллических решеток.
В зависимости от типа кристаллической решетки, вещества, в том числе кристаллы, обладают различными свойствами. Например, вещества с атомной и ионной решетками являются твердыми и тугоплавкими (кремний, алмаз, поваренная соль), с молекулярной – хрупкими и легкоплавкими (йод, лёд), с металлической – обладают металлическим блеском и хорошей тепло- и электропроводностью.
Разнообразие кристаллов по форме очень велико. Кристаллы могут иметь от четырех до нескольких сотен граней. Но при этом они обладают замечательным свойством - какими бы ни были размеры, форма и число граней одного и того же кристалла, все плоские грани пересекаются друг с другом под определенными углами. Углы между соответственными гранями всегда одинаковы. На форму оказывают влияние такие факторы, как температура, давление, частота, концентрация и направление движения раствора. Поэтому кристаллы одного и того же вещества могут обнаруживать большое разнообразие форм. Закон постоянства углов, открытый в 1669 г. датчанином Николаем Стено, является важнейшим законом науки о кристаллах - кристаллографии. Так, по результатам измерений углов между гранями кристаллов во многих случаях может быть достоверно определена природа минерала.
Русский учёный Е.С.Фёдоров установил, что в природе может существовать только 230 различных пространственных групп, охватывающих все возможные кристаллические структуры. Большинство из них (но не все) обнаружены в природе или созданы искусственно. Кристаллы могут иметь форму различных призм, основанием которых могут быть правильный треугольник, квадрат, прямоугольник и шестиугольник (рис. 2,3).
Рис. 2. Примеры форм простых кристаллических решёток: 1 – простая кубическая; 2 – гранецентрированная кубическая; 3 – объёмно-центрированная кубическая; 4 – гексагональная.
В основе классификации кристаллов и объяснения их физических свойств может лежать не только форма элементарной ячейки, но и другие виды симметрии, например, поворот вокруг оси. Осью симметрии называют прямую, при повороте вокруг которой на 360° кристалл несколько раз совмещается сам с собой. Число этих совмещений называют порядком оси. Существуют кристаллические решётки, обладающие осями симметрии 2-го, 3-го, 4-го и 6-го порядков. Возможна симметрия кристаллической решётки относительно плоскости симметрии, а также комбинация разных видов симметрии.
Рис.3. Формы кристаллов.
Кристаллы разделяют на монокристаллы и поликристаллы.
Монокристалл представляет собой монолит с единой ненарушенной кристаллической решеткой. Природные монокристаллы больших размеров встречаются очень редко. Монокристаллами являются кварц, алмаз, рубин и многие другие драгоценные камни. Большинство же кристаллических тел являются поликристаллическими, то есть состоят из множества мелких кристалликов, иногда видных только при сильном увеличении. Поликристаллами являются все металлы (рис.4).
Рис. 4. Поликристалл висмута
II.2. Способы выращивания кристаллов
Процесс образования кристаллов называется кристаллизацией.
Существует три способа образования кристаллов: кристаллизация из расплава, из раствора и из газовой фазы. Примером кристаллизации из расплава может служить образование льда из воды (ведь вода – это расплавленный лёд), а также образования вулканических пород. Пример кристаллизации из раствора в природе – выпадение сотен миллионов тонн соли из морской воды. При охлаждении газа (или пара) электрические силы притяжения объединяют атомы или молекулы в кристаллическое твёрдое вещество – так образуются снежинки (рис.5).
Рис. 5. Кристалл воды - снежинка
Кристаллизация из раствора встречается в химии чаще всего.
Под кристаллизацией из растворов подразумевается рост кристалла соединения, химический состав которого заметно отличается от химического состава исходной жидкой фазы. Растворителями могут быть вода, многокомпонентные водные и неводные растворы, расплавы каких-либо химических соединений. В зависимости от температуры процесса и химической природы растворителя различают процессы выращивания из низкотемпературных водных растворов (при температурах не выше 80-90оС), перегретых водных растворов (гидротермальный метод, температуры до 800оС), солевых расплавов (методы кристаллизации из раствора в расплаве, температуры кристаллизации до 1500оС).
При выращивании кристаллов из растворов движущей силой процесса является пересыщение. Все кристаллы получают из насыщенных растворов. Насыщенный раствор – раствор, в котором вещество уже не может больше растворяться, и избыток его остается нерастворенным. Кристаллизацию из растворов можно осуществлять за счет изменения температуры раствора, за счет изменения состава раствора, путем внесения затравочных кристаллов, а также использовать кристаллизацию при химической реакции.
В методе кристаллизации при испарении растворителя пересыщение создается за счет увеличения концентрации растворенного вещества при испарении растворителя до значений, превышающих равновесное. Процесс осуществляется при постоянной температуре в строго изотермических условиях. В присутствии затравочных кристаллов процесс нарастания пересыщения регулируется растущим кристаллом. Скорости кристаллизации очень малы. Процесс выращивания кристаллов таким способом может достигать несколько недель.
Если твёрдое вещество нагреть, оно перейдёт в жидкое состояние – расплав. Трудности выращивания монокристаллов из расплавов связаны с высокой температурой плавления. Например, для получения кристалла рубина нужно расплавить порошок оксида алюминия, а для этого его нужно нагреть до температуры 2030 °С. Порошок высыпают тонкой струйкой в кислородно-водородное пламя, где он плавится и каплями падает на стержень из тугоплавкого материала. На этом стержне постепенно и вырастает монокристалл рубина.
Большинство кристаллов (кварц, аметист, рубин, изумруд, алмазы, малахит, гранаты и др.) выращивают в чугунных автоклавах под высоким давлением. Температуры достигают 500-1000 градусов, а давление – 3000 атмосфер.
Таким образом, различные способы получения кристаллов позволяют создать разнообразные виды кристаллов для практических целей.
II.3. Применение кристаллов
В наше время кристаллы имеют очень широкое применение в науке, технике и медицине. Приведём некоторые примеры.
1. Алмаз. Около 80% всех добываемых природных алмазов и все искусственные алмазы используются в промышленности. Алмазные инструменты используются для обработки деталей из самых твёрдых материалов, для бурения скважин при разведке и добыче полезных ископаемых, служат опорными камнями в хронометрах высшего класса для морских судов и других, особо точных приборах. На алмазных подшипниках не обнаруживается никакого износа даже после 25 млн оборотов. Высокая теплопроводность алмаза позволяет использовать его в качестве теплоотводящей подложки в полупроводниковых электронных микросхемах.
Конечно, алмазы используются и в ювелирных изделиях – это бриллианты.
2. Рубин. Высокая твёрдость рубинов, или корундов, обусловила их широкое применение в промышленности. Из 1 кг синтетического рубина получается около 40 000 опорных камней для часов. Незаменимыми оказались рубиновые стержни-нитеводители на фабриках по изготовлению химического волокна. Они практически не изнашиваются, в то время как нитеводители из самого твёрдого стекла при протяжке через них искусственного волокна изнашиваются за несколько дней. Новые перспективы для широкого применения рубинов в научных исследованиях и в технике открылись с изобретением рубинового лазера, в котором рубиновый стержень служит мощным источником света, испускаемого в виде тонкого луча.
3. Жидкие кристаллы. Это необычные вещества, которые совмещают в себе свойства кристаллического твёрдого тела и жидкости.
Наиболее широкое применение жидкие кристаллы получили в буквенно-цифровых индикаторах электронных часов, микрокалькуляторов и т.д. Жидкие кристаллы применяются в различного рода управляемых экранах, оптических затворах, плоских телевизионных экранах.
4. Полупроводники. Исключительная роль выпала на долю кристаллов в современной электронике. Многие вещества в кристаллическом состоянии не являются такими хорошими проводниками электричества, как металлы, но их нельзя отнести и к диэлектрикам, т.к. они не являются и хорошими изоляторами. Такие вещества относят к полупроводникам. Это большинство веществ, их общая масса составляет 4/5 массы земной коры: германий, кремний, селен и др., множество минералов, различные оксиды, сульфиды, теллуриды и др. Полупроводники широко применяются в микроэлектронике, используются в диодах, транзисторах.
5. Вольфрам и молибден. На современном уровне технического развития резко возросли скорости нагрева и охлаждения деталей приборов и машин, значительно увеличился интервал температур, при которых им приходится работать. Очень часто требуется длительная работа при очень высоких температурах, в агрессивных средах. Для работы при высоких температурах широко применяются тугоплавкие металлы, например, молибден и вольфрам. Монокристаллы вольфрама и молибдена используются для изготовления сопел реактивных двигателей, обшивок головных частей ракет, ионных двигателей, турбин, атомных силовых установок и во многих других устройствах и механизмах.
6. Кварц. Это диоксид кремния, один из самых распространённых минералов земной коры, по сути, песок. Природные кристаллы кварца имеют размеры от песчинок до нескольких десятков сантиметров, встречаются кристаллы размером до одного метра и более. Чистый кристалл кварца бесцветен. Ничтожные посторонние примеси вызывают разнообразную окраску. Прозрачные бесцветные кристаллы – это горный хрусталь, фиолетовые – аметист, дымчатые – раухтопаз. Оптические свойства кварца обусловили широкое применение его в оптическом приборостроении: из него делают призмы для спектрографов, монохроматоров. Кварц в отличие от стекла хорошо пропускает ультрафиолетовое излучение, поэтому из него изготавливают специальные линзы, применяемые в ультрафиолетовой оптике.
III. Экспериментальная часть. Выращивание кристаллов водорастворимых солей в различных условиях
Изучив литературные данные, мы выяснили, что в домашних условиях можно вырастить кристаллы из растворов. Для эксперимента мы выбрали ряд водорастворимых солей. Нам хотелось получить яркие красивые образцы, похожие на природные минералы. Поэтому мы взяли для эксперимента окрашенные соли: 1) оранжевый бихромат калия, 2) синий сульфат меди, 3) зелёный хлорид никеля, 4) красный нитрат кобальта (II), 5) жёлтый хромат калия, 6) изумрудно-зелёный сульфат никеля (II), 7) тёмно-фиолетовый нитрат хрома (III).
Рис. 6. Исходные насыщенные растворы солей: бихромат калия (оранжевого цвета), сульфат меди (синего цвета), хлорид никеля (зеленого цвета), нитрат кобальта (II) (красного цвета), хромат калия (желтого цвета), сульфат никеля (II) (изумрудно-зеленого цвета), нитрат хрома (III) (темно-фиолетового цвета) (слева направо).
Описание опыта.
Все кристаллымы получали из насыщенных растворов, то есть из таких, в которых растворено так много вещества, что больше оно уже не растворяется. Вещества растворяли в горячей воде в стеклянных химических стаканах. В горячую (но не кипящую) воду насыпали порциями вещество и размешивали стеклянной палочкой до полного растворения. Как только вещество прекращало растворяться, образовывался насыщенный раствор. Его переливали в чистый стакан, фильтруя остатки нерастворенного вещества через салфетку.
Рис. 7. Растворение сульфата никеля (II).
Растворы оставили медленно охлаждаться. Стаканы хранились в неподвижном состоянии без перепадов температур и вибрации в течение месяца. Процесс формирования кристаллов фотографировали.
Для ряда солей условия кристаллизации изменили: горячие насыщенные растворы солей охладили быстро, поместив стаканы с веществами в смесь льда с солью.
Результаты исследования.
а) в условиях медленного охлаждения
Бихромат калия (хромпик) K2Cr2O7.
Насыщенный раствор готовили по выше приведённой методике. Кристаллы бихромата калия стали образовываться уже через несколько часов после охлаждения раствора. Это был плотный оранжевый слой, который расположился на стенках стаканчика. Бихромат калия образует мелкие кристаллы оранжевого цвета, кристаллическая решетка которых изменчива под воздействием температуры. При температуре до 257° С решетка имеет форму триклинных монокристаллов, а при повышении температуры выше 257° С она изменяет вид на моноклинную (рис.8) [5].
Рис.8. – Кристаллическая решетка бихромата калия.
В нашем опыте бихромат калия образовал мелкие кристаллы, напоминающие по виду красную икру. Образцы кристаллов бихромата калия приведены на рисунке 9.
Рис. 9. Кристаллы бихромата калия
2. Сульфат меди (медный купорос) CuSO4.
Нагревая воду и добавляя вещество, приготовили горячий насыщенный раствор сульфата меди. Затем раствор медленно охладили и держали закрытым в течение месяца, наблюдая образование и рост кристаллов на дне стеклянного стаканчика. Избыток растворителя слили, кристаллы высушили на воздухе.
Сульфат меди - медная соль серной кислоты, белые кристаллы, хорошо растворимые в воде. Однако из водных растворов, а также на воздухе хотя бы с незначительным содержанием влаги кристаллизуется голубой пентагидрат CuSO4 · 5H2O — медный купорос. Структура кристаллической решетки сульфата меди представлена на рисунке 10 [5]. В основе такой решетки лежит неправильный шестиугольник.
Рис. 10. Кристаллическая решетка сульфата меди
Получившиеся в нашем опыте монокристаллы сульфата меди достаточно крупные, сросшиеся, но отчетливо видны их вытянутые грани шестиугольной формы, которые представлены на рисунке 11.
Рис. 11. Кристаллы сульфата меди
3. Хлорид никеля NiCl2.
Насыщенный раствор готовили аналогично. Первую неделю раствор стоял закрытым, но кристаллизация не наблюдалась. Тогда стаканчик открыли, чтобы добиться пересыщения путем испарения растворителя. Еще через неделю на дне начали формироваться кристаллы. Еще через две недели излишки раствора слили, кристаллы высушили на воздухе.
По литературным данным, хлорид никеля образует ромбоэдрические кристаллы зеленого цвета [5]. В нашем исследовании из этого вещества сформировались округлые ромбовидные кристаллы, которые представлены на рисунке 12.
Рис. 12. Кристаллы хлорида никеля
4. Нитрат кобальта(II) Co(NO3)2
Образуются розовые монокристаллы кубической формы. В полученном поликристалле мелкие «кубики» располагаются слоями (рис.13).
Рис.13. Кристаллы нитрата кобальта (II)
5. Хроматкалия K2CrO4
В природе встречается в виде редкого минерала тарапакаита — хромата калия с примесями. При кристаллизации получили желтые монокристаллы ромбической формы (рис. 14).
Рис. 14. Кристаллы хромата калия
6. Сульфат никеля (II) семиводный, NiSO4 *7Н2О
Природный аналог никелевого купороса – минерал моренозит.
Сульфат никеля кристаллизуется в виде изумрудно-зелёных кристаллов ромбической формы. Здесь мы получили самые крупные кристаллы. Два крупных монокристалла срослись между собой (рис.15).
Рис.15. Кристаллы сульфата никеля семиводного
7. Нитрата хрома (III) нонагидрат [Cr(H2O)6](NO3)3•3H2O
Представляет собой тёмно-фиолетовые моноклинные кристаллы. Однако в условиях эксперимента, в течение месяца, выпадения кристаллов не наблюдалось. Получить кристаллы путём выпаривания растворителя в течение времени эксперимента так же не получилось, т.к. испарение растворителя в данном образце происходило очень медленно (рис.16)
Рис. 16. Насыщенный раствор нитрата хрома (III) нонагидрата
б) в условиях быстрого охлаждения
Для солей: 1) бихромат калия, 2) медного купороса, 3) хлорида никеля, 4) хромата калия и 5) сульфата никеля эксперимент повторили, изменив условия охлаждения насыщенного раствора: его охлаждали быстро, поместив стаканы с растворами в охлаждающую смесь: лёд с солью (рис. 17).
Рис. 17. Быстрое охлаждение насыщенных растворов солей: бихромат калия (оранжевого цвета), сульфат меди (синего цвета), хлорид никеля (зеленого цвета), хромат калия (желтого цвета), сульфат никеля (II) (изумрудно-зеленого цвета) (слева направо).
По литературным данным, при быстром охлаждении в растворе образуется много центров кристаллизации и сразу образуется много мелких кристаллов. Полученные нами результаты это подтвердили: мы наблюдали образование мелких кристаллов для всех солей (рис. 18).
Рис. 18. Мелкие кристаллы солей: хлорид никеля (зеленого цвета), сульфат меди (синего цвета), хромат калия (желтого цвета), бихромат калия (оранжевого цвета).
Заключение
На основании полученных результатов исследования нами были сформулированы следующие выводы:
Выращивание кристаллов из раствора возможно в домашних условиях.
Химические вещества образуют отличные по форме и цвету кристаллы. Форма кристаллов обусловлена строением кристаллической решетки.
Скорость роста кристаллов и условия их образования индивидуальны для каждого соединения и определяются его химической природой.
Самые большие и красивые кристаллы получаются при медленном охлаждении и использовании затравочных кристаллов.
Список литературы
Зоркий, П.М. Симметрия молекул и кристаллических структур /П.М. Зоркий. – М.: изд-во МГУ, 1986. – 232 с.
Леенсон, И.А. Занимательная химия для детей / И.А. Леенсон. – М. : Астрель, 2010. – 366 с.
Ольгин, О.М. Чудеса на выбор / О.М. Ольгин. – М. : Издательский дом Мещерякова, 2010. – 224 с.
Шаскольская, М.П. Кристаллы / М. П. Шаскольская. – М.: Наука,1985. – 208 с.
Химическая энциклопедия. В 5 томах. М.: Наука, 1985.
http://fiz.1september.ru/article.php?ID=200600409