VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

В мире кристаллов

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Гусева Е.В. 1Скороходова А.С. 1Сизикова К.М. 1

---

1МБОУ ООШ №20

Чернышева О.Н. 1

---

1МБОУ ООШ №20

Работа в формате PDF

144.4 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Актуальность работы: Кристаллы не просто красивые минералы, важно то, что они обладают оптическими и механическими свойствами, знания которых позволили создать линзы, оптические приборы, применяемые в быту и жизни человека. И что для нас вызывает особый интерес - их можно выращивать из раствора в домашних условиях. Мы работаем над проектом, значит, подразумевается, что итогом деятельности будет готовый продукт. Планируем по окончанию исследования сформировать памятку по изучению кристаллов. Возможно, последующим поколения обучающихся 7-9 классов тоже будет интересно при изучении тем «Агрегатные состояния вещества», « Строение твёрдых тел».

Цели исследования:

- изучить виды кристаллов и их строение

- самой вырастить кристаллы из раствора поваренной соли,

- раствора соли медного купороса

- выяснить влияние окружающей среды, магнитного поля

на рост кристалла соли медного купороса

Задачи исследования:

Теоретическим путем изучить физические и химические свойства кристаллов поваренной соли, медного купороса, соли из набора «Волшебные кристалла»

Изучить влияние и возможное негативное воздействие на живой организм ионов этих кристаллов.

С помощью качественного анализа растворов солей кристаллов исследовать их свойства.

Выяснить влияет ли магнитное поле на скорость формирования кристалла из раствора соли медного купороса, его свойства.

5. На основе проведенных исследований сделать вывод о способах выращивания кристаллов в домашних условиях, факторах, влияющих на их рост

Предмет исследования: Процесс кристаллизации солей в разных условиях.

Методы исследования: - обзор и анализ литературы по изучению кристаллов и методах их выращивания.

- исследования по определению строения кристаллов.

Гипотеза:

На основе строения, свойств кристаллов можно определить методы их выращивания в домашних условиях. Скорость формирования кристалла из раствора соли медного купороса под воздействием магнитного поля увеличится.

Этапы работы:

1. Подготовительный этап: сбор информационного материала.

2. Основной этап: изучить свойств кристаллов и вырастить кристаллы солей.

3. Заключительный этап: создание презентации, рекомендаций по методам выращивания кристаллов в форме памятки.

Целевая группа: обучающаяся 9 класса.

План реализации проекта

Чтобы узнать веешь, нужно её сделать;

ибо хотя вы думаете, что знаете её,

в этом не может быть уверенности,

пока вы не попытаетесь её сделать.

Софокл

Подготовительный этап. Знакомство с литературой по изучению кристаллов

Зимой, когда летят хлопья пушистых снежинок, чётко понимаешь, что вещество может находиться в трёх агрегатных состояниях. Летом мы наблюдали на улице, что после дождя в жаркую погоду, идёт интенсивное испарение. Но хлопья снежинок, полёт маленьких кристалликов – это нечто. У меня возникло желание как можно больше узнать о строении кристаллов, их свойствах, способах их выращивания в школьных лабораторных условиях. Согласно школьного курса физики, кристаллы - это твердые тела, имеющие чёткое расположение молекул, образуют кристаллическую решетку. Они имею естественную внешнюю форму правильных симметричных многогранников, основанную на их внутренней структуре, то есть на одном из нескольких определённых регулярных расположений составляющих вещество частиц (атомов, молекул, ионов) [4,38].

Подготовительный этап

Кристаллы бывают: идеальные (без дефектов, имеют ровные грани, полную симметрию) и реальные (имеют дефекты структуры решётки, на гранях – неровности, пониженную симметрию многогранника).

Монокристалл -  это отдельный однородный кристалл, имеющий непрерывную кристаллическую решётку. Внешняя форма монокристалла обусловлена его решёткой и условиями (в основном это скорость и однородность) кристаллизации [4,47]. Медленно выращенный монокристалл почти всегда приобретает хорошо выраженную естественную огранку. При большой скорости кристаллизации вместо монокристалла образуются однородные поликристаллы (или кристаллические зерна), состоящие из множества мелких монокристаллов. Примерами огранённых природных монокристаллов могут служить единичные кристаллы кварца, каменной соли, исландского шпата, алмаза, топаза, флюорита.

Историческая справка.

Хлорид натрия является распространенным пищевым продуктом [6]. В природе данное соединение встречается в качестве минерала галита, именуемого также «каменной солью». Если в живом организме не хватает соли начинается солевое голодание. Хищники восполняют дефицит хлорида натрия с мясом и кровью добычи, травоядные лижут соленые почвы. В день человеку достаточно 10-15 граммов поваренной соли (не больше 1 столовой ложки). В древнее время соль использовалась для изготовления монет, на 5 плиток соли можно было приобрести раба. В Древнем Риме наемные солдаты получали жалованье именно солью, а не деньгами. В Киевскую Русь она попадала из соляных озер Азовского и Черного морей. Она была настолько дорогим товаром, что подавали на стол ее только для знатных гостей. Есть города, которые появились на местах добычи хлорида натрия: Соликамск, Сольвычегодск, Солигалич, Соль-Илецк. В переводе с греческого языка слово кристалл означает «лед» [5,52].

Физические свойства кристаллов.

Температура плавления.

Из школьного курса физики мы знаем, что плавление – это переход вещества из твёрдого состояния в жидкое, причём этот процесс происходит при постоянной температуре, то есть пока всё твердое тело (в нашем случае кристалл) полностью не растает, температура не изменится. Температура, при которой твёрдое тело переходит в жидкое, называется температурой плавления. Для многих твёрдых веществ температура плавления в учебнике физики представлена в таблице и уже с 7 класса в голове откладывается, что если лёд (кристалл) положить в тёплое место, то он нагреется, расплавится при температуре 0°С и только после превращения твёрдого тела в жидкое температура начнёт повышаться и вода будет нагреваться до комнатной температуры, причём это справедливо и для любого другого кристалла [5,59].

Симметрия.

В кристаллах имеются различные элементы симметрии: ось симметрии, плоскость симметрии, центр симметрии [7].

,

Рисунок 1. Элементы симметрии кристаллов

Так как моя задача заключается в том, чтобы вырастить кристалл медного купороса, то нужно помнить, что у этого кристалла есть только центр симметрии.

Кристаллы разных веществ обладают разной симметрией.

Основным законом кристаллографии является закон постоянства углов.

Для одного и того же вещества в кристаллах углы между соответственными гранями всегда одинаковы.

Наличие кристаллической решётки.

В кристаллах частицы находятся в строго упорядоченном месте

Взаимодействие частиц в кристалле приводит к тому, что частицы устанавливаются только в строго определённых положениях, где силы, действующие на них (силы взаимного притяжения и отталкивания) скомпенсированы и потенциальная энергия их взаимодействия становится наименьшей. Это и есть кристаллическая решётка, причём, положения, в которых располагаться частицы называется узлами кристаллической решётки [8].

Рисунок 2. Закономерность построения частиц

Закономерность построения частиц представляют собой элементарные ячейки - это совокупность минимального числа частиц, регулярно повторяющаяся внутри кристалла.

Полиморфизм – это наличие нескольких различных кристаллических структур в веществе [11]:

Алмаз – самый красивый из драгоценных камней. Граненый алмаз называют бриллиантом. Эти вещества, которые представляют собой углерод в чистом виде.

Что же происходит при погружении кристалла в раствор?

При помещении кристаллов в растворитель, он начинает растворяться, разрушая кристаллическую решетку за счёт тепла, поступающего от окружающей среды. Сам процесс выращивания кристаллов из соли основан на явлении диффузия. Например, взяв несколько кристаллов медного купороса наблюдала образование голубых завихрения [4,76]. Выращивание кристаллов из купороса – это переход из жидкой фазы в твердое агрегатное состояние. При испарении жидкости вследствие действия электрических сил притяжения наблюдается объединение и перестроение атомов в кристаллическую решётку. Сложность наблюдения процесса заключается в скорости его протекания. Практика выращивание кристаллов поваренной соли не предполагает специальных химических препаратов. На любой кухне есть соль, которую мы добавляем в пищу. Её кристаллы (химического соединения атомов) представляют собой прозрачные бесцветные кубики.

Основной этап. Эксперимент

Определение оптимальной концентрации соли для получения насыщенного раствора. Кристаллы поваренной соли Na Cl представляют собой бесцветные прозрачные кубики. В идеале должны получиться прямоугольные кристаллы (это связано с тем, что Na Cl имеет кубическую кристаллическую решетку). В результате нескольких попыток получения насыщенного раствора пришла к выводу, чтобы вырастить монокристалл поваренной соли, надо 70 мл воды и 42 г соли.

Алгоритм приготовления насыщенного раствора поваренной соли

1. Налить в банку воду из водопровода, пропущенную через фильтр, (три четверти банки). Взять низкую кастрюлю, на дно положить салфетку, на неё поставить банку с водой и поместить на плиту.

2. Вода нагревалась, постепенно высыпали соль в банку (примерно на70 мл горячей воды и 42 г соли). Надо отметить, что в пищевой соли есть мелкие соринки, которые нужно убрать ложкой, так как по мере нагревания они всплывают на поверхность) [8].

3. Весь раствор переливаем во вторую банку.

4. Приготовление зародыша.

Насыпать в отдельную миску соль, выбрать самую большую крупицу соли, взять нитку, сделать петельку с крупинкой соли. Другой конец нитки накрутить на карандаш (противовес), при помощи которого регулировать глубину погружения.

Этот зародыш поместить в насыщенный раствор, прикрыть банку полотенцем, чтобы раствор медленнее остывал.

Уже на второй день зародыш подрос, убрать полотенце, прикрыть банку листом бумаги (чтобы не попадала пыль) и поместить в темное прохладное место.

Через 4 дня за счет испарения воды, соль начала осаждаться на зародыш и кристалл начал расти

7. Кристалл рос, следовательно, количество соли в растворе уменьшалось, поэтому раз в неделю добавляла в банку насыщенный раствор соли.

8. Кристалл вырос, извлечь его из раствора, промокнуть салфеткой, сверху нанести бесцветный лак чтобы не разрушился кристалл.

В мерный стакан налить насыщенный раствор поваренной соли, опустить зародыш соли на нити, прикрыть бумажной салфеткой, поместить в тёмное прохладное место. В течение недели вокруг зародыша соли наблюдался нарост за счет испарения воды из раствора и достижения температуры кристаллизации.

Вывод. Рост кристалла наблюдается не только на зародыше, но и по краям мерного стакана, центрами кристаллизации стали примеси, хотя раствор очищался.

3. Выращивание кристаллов медного купороса

Медный купорос - это активное, ядовитое химическое соединение. Поэтому необходимо соблюдать правила по технике безопасности, а именно работать в перчатках, после работы с веществом мыть руки. Готовим насыщенный раствор соли. Для этого взять 100 грамм соли медного купороса, насыпать в стеклянную банку и залить 200г кипятка, когда вся соль растворилась (нужно тщательно перемешать), через фильтр перелить в мерные стаканы. Всё оставить на сутки, часть жидкости испарится, появится осадок – мелкие кристаллы Пинцетом взять крупный кристалл и привязать его на леску (зародыш) и опустить в насыщенный раствор, предварительно леску закрепить на картонке. Этот кристалл будет являться центром кристаллизации, и от его качества будет зависеть рост кристалла [9]. Прикрытый мерный стакан с зародышем поставить в тёмное прохладное место. Через неделю кристаллик подрастёт, ещё через неделю он приобрётает форму маленького четырёхугольника. По истечению 8 недель, он увеличился в размерах до 4 см. Кристалл получился неправильной формы, насыщенно сине - зелёного цвета.

Исследование свойств кристаллов медного купороса.

Обнаружение магнитного поля.

Согласно учебнику физики за 8 класс [4,93], мы знаем, что магнитное поле существует вокруг постоянных магнитов. И сама планета Земля является большим магнитом. При помощи дугообразных магнитов и металлических опилок на уроках физики наблюдали наличие силовых линий магнита, по которым располагались опилки. Для исследования за ростом кристаллов в магнитном поле и вне его взять два мерных стакана, налить равное количество насыщенного раствора соли медного купороса, опустить на лесках по кристаллику, прикрыть. Один стакан поместить в магнитное поле двух дугообразных магнитоврасположенные друг к другу разноименными полюсами, а второй стакан в другой конец комнаты, то есть подальше от магнитов Важное условие: и температура и освещенность должны быть одинаковыми. В результате влияния магнитного поля дугообразных магнитов, вырос монокристалл в форме наклонного параллелепипеда, а в другом случае – поликристалл (более крупный своеобразной формы, то есть – друза), Общее – насыщенный изумрудно - синий цвет.

Определение химических свойств полученных кристаллов:

Растворимость - достаточно хорошо растворяются в воде, но не в спирте. Для этого помещали их поочерёдно в стакан с водой и в стакан со спиртом.

Медный купорос хорошо растворим в воде. С повышением температуры растворимость его в воде увеличивается. Например, при 15°С в 1 л воды растворяется 302г медного купороса, а при 70° С - 716 г. Наоборот, если горячий насыщенный раствор медного купороса охлаждать, то его растворимость уменьшается, и он выкристаллизовывается из раствора. Чем ниже температура, до которой охлаждают раствор, тем большее количество медного купороса выделяется в виде кристаллов.  

Медный купорос CuSO4 кристаллизуется в виде красивых синих кристаллов. На воздухе медный купорос выветривается, при 220°С теряет кристаллизационную воду и переходит в порошок белого цвета, легко поглощающего влагу [9].

Наличие ионов меди: выращенные кристаллы подносили к пламени спиртовки, они горели, причём пламя при этом было зеленоватого цвета. Это говорит о том,что в кристалле присутствуют ионы меди

Определение физических свойств полученных кристаллов:

Плотность.

1. Измерить массу кристалла на кухонных электронных весах. m =37г и m=56г

2. Объём определить при помощи мерного стакана.

Налить 100г спирта, опустить поочерёдно кристаллы. Согласно таблицы растворимости соль медного купороса не растворяется в спирте.

Объём спирта в стакане с кристаллом, выращенным в магнитном поле стал118 мл, в другом случае – 126мл.

Определили объём тела по аналогии с лабораторной работой в 7 классе, как разность объёмов жидкости до погружения и после. В результате получили – V=18 см³ и

V=26 см³

Находим плотность кристаллов :

- плотность кристалла, выращенного в магнитном поле;

= 2153 - для кристалла, выращенного в нормальных условиях .

Вывод:

На обычной кухне, используя оборудование, можно вырастить кристаллы из насыщенного раствора медного купороса методом испарения, наблюдать за их ростом в магнитном поле и вне его, вычислили физические характеристики, исследовали химические свойства, то есть:

Под солевым кристаллом следует понимать кристалл [11], выращенный из раствора поваренной соли. Задаваясь вопросом как вырастить кристалл из соли в домашних условиях, надо понимать, что выращивание кристалла – это долгий процесс, за которым необходимо следить. При благоприятных условиях поваренная соль, медный купорос принимают форму кристаллов. При сравнении процесса роста кристаллов у различных химических веществ было выявлена зависимость роста от температуры окружающей среды, состава раствора, ёмкости сосуда. Кристаллы различных веществ имеют разную форму.

Кристаллы различных веществ имеют различные свойства (одни кристаллы окрашиваются, другие – бесцветны; одни кристаллы растут хорошо, другие – плохо), быстрее и легче кристалл растёт тогда, когда в насыщенный раствор помещается кристалл - «затравка».

При сравнении кристаллов поваренной соли и медного купороса выяснилось, что они имеют разную форму, симметрию, имеют разные углы между гранями. Есть и общее – он имеют кристаллическую решетку.

Магнитное поле влияет на рост кристаллов, кристалл, выращенный в магнитном поле, имеет почти правильную форму ромба.

Исследовались физико-химические свойств, доказано, что кристаллы медного купороса хорошо растворяются в воде и плохо в спирте; появление зеленого оттенка в пламени указывает на наличие ионов меди, плотность кристалла, выращенного в магнитном поле равна 2,055г/см³, а вне магнитного поля – 2,04 г/см³ [11].

При работе над проектом более подробно изучила теоретический материалам по кристаллам, приобрела навыками экспериментальной деятельности, применения основных правил техники безопасности при работе с ядовитыми растворами.

Заключение

Кристаллы - твердые тела, частицы которых образуют единую кристаллическую решетку. Кристаллы одного и того же вещества имеют одинаковое количество граней, но для различных химических соединений они имеют свою форму. Для поваренной соли - это правильная фигура – куб, для медного купороса грани имеют форму неправильный четырехугольника. форма кристаллов одного вида может быть различной, но углы между соответствующими гранями у них одинаковые и не меняются. Выполняется закон постоянства углов французского естествоиспытателя Ж.Б.Роме де Лиля, правильная форма кристаллов связана с закономерным размещением частиц, образующих кристалл. Кристаллы характеризуются наличием значительных сил межмолекулярного взаимодействия. Силы взаимодействия между атомами в кристаллах по разным направлениям неодинаковы. Силы притяжения, возникающие между плоскостями образующие грани октаэдра в кристаллах поваренной соли состоящих из ионов одного типа, в пять раз больше, чем силы между плоскостями, параллельными граням куба, в каждой из которых лежат ионы, Na+, и Cl-. Закона анизотропии [11]: многие свойства твердых тел зависят от направления, в котором эти свойства изменяются. Если кристаллы поваренной соли, расколоть, то мелкие осколки будут иметь преимущественно форму прямоугольных параллелепипедов. То есть в направлениях, параллельных граням, прочность кристалла поваренной соли гораздо меньше, чем в диагональных и других направлениях. По идеи теплопроводность кристалла поваренной соли, измеренная в различных направлениях, должна быть неодинаковой. Она будет одинаковой лишь в параллельных и симметричных направлениях. симметрия внешней формы сопровождается и симметрией физических свойств кристаллов.

Список использованной литературы

1. Учебник физики 10 класс. Мякишев Г.Я. ,Синяков А.З.Физика.10 кл.-М.:Дрофа,2001г

2. Гальперштейн Л. Я. Занимательная физика.-М.:РОСМЭН,2000.

633. Желудов И.С. Физика кристаллов и симметрия.-М.:Наука,1987.

4. Кабардин О.Ф.Физика. Справочник для старшеклассников и поступающих в вузы.-М.:АСТ ПРЕСС ШКОЛА,2005.

5. Ландсберг Г.С.Элементарный учебник физики. -М.;Наука,1985.

6. Сайт: https://biribby.wordpress.com/2015/04/16/chrystal_types/

7.Сайт..https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D1%80%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%BB%D1%8B)

8.СайтFB.ru: http://fb.ru/article/51463/vyiraschivanie-kristallov---est-takoe- uvlechenie Автор: dgyzi 25 Февраля, 2018  

9. Газета“ Первое сентября”. Физика .-2006.-№4.

10. Газета“ Первое сентября”.Физика. – 2007.-№17.

11. Журнал “Физика в школе”.-2006.-№2.