VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Выращивание кристаллов в домашних условиях
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Чем больше вглядываешься в кристалл, тем
глубже он затягивает вас в свою глубину очарования»
И.Е. Репин.
Совсем недавно побывав в музее природы (филиал Новосибирского государственного краеведческого музея) в экспозиции «Драгоценные и поделочные камни» я увидела удивительные по красоте камни: горный хрусталь, рубин, аметист, аквамарин и другие. Они поразили меня своей удивительной формой, кажется, что их кто - то специально выпиливал, полировал. Но на самом деле камни образовались сами без участия человека. Именно такие камни с природной правильной, многогранной, симметричной формой, не сделанной руками человека называются кристаллами.
Музей природы, экспозиция «Драгоценные и поделочные камни», 2018 г.
Оказывается, в облаках, в глубинах Земли, на вершинах гор, в песчаных пустынях, в озёрах, морях и океанах, в аппаратах химических заводов, в научных лабораториях, в клеточках растений, в живых и неживых организмах - везде мы встречаемся с кристаллами. Нет такого места на Земле, где бы не было кристаллов, где бы не происходили всё время возникновение, рост и уничтожение кристаллов. Соль, сахар, глина и песок и многое другое вокруг нас – это все кристаллические вещества. Даже метеориты, посланные из звёздного мира, тоже состоят из кристаллов. Слово «кристаллы» меня заинтересовало, у меня возникло много вопросов: «Что такое кристалл? Какие кристаллы бывают и где встречаются? Можно ли вырастить кристалл самим? Если можно, то как это сделать? Я решила найти ответы на поставленные мной вопросы, чтобы приобщиться к загадочному миру кристаллов и провести самостоятельное исследование.
Цель исследования: вырастить кристаллы в домашних условиях.
Задачи исследования:
Найти научно - популярную литературу, включая электронные ресурсы о кристаллах;
Узнать, что такое кристалл, где он встречается;
Изучить процесс выращивания кристаллов из сахара, медного купороса и соли в домашних условиях;
Попытаться вырастить кристаллы из сахара, из медного купороса и из соли в домашних условиях;
Проанализировать полученные результаты и сделать выводы;
Подготовить сообщение по результатам исследовательской работы и выступить перед учащимися своего класса.
Гипотеза исследования– я исхожу из предположения, что вырастить кристаллы в домашних условиях возможно.
Объект исследования: кристаллы.
Предмет исследования: процесс кристаллизации.
Методы исследования:
Изучение научно - популярной литературы, включая электронные ресурсы о кристаллах;
Проведение опытов по выращиванию кристаллов в домашних условиях;
Анализ полученных результатов.
Актуальность исследования: выращивание кристаллов, с моей точки зрения, это очень интересное, доступное и увлекательное занятие, максимально безопасное с точки зрения техники безопасности, что немаловажно, так как мы проводим эксперименты дома. Тщательная подготовка экспериментального опыта и его выполнение позволяют нам оттачивать навыки в умении аккуратно обращаться с химическими веществами и правильно организовывать свою работу. Неотъемлемой частью нашей жизни стали приборы на основе жидких кристаллов, поэтому эта тема, связанная с изучением кристаллов, актуальна для современного человека.
Практическое значение исследования: возможность использовать исследование и полученные в его ходе результаты на уроках по окружающему миру.
Музей природы, экспозиция «Драгоценные и поделочные камни», 2018 г.
Глава I. Основные сведения о кристаллах и их свойствах
1.1. Что такое кристалл?
Прежде чем провести практические опыты по выращиванию кристаллов, мне нужно было узнать, что из себя представляют кристаллы, какими обладают свойствами. Для этого я обратилась к книгам и использовала ресурсы Интернета.
Интересно происхождение слова «кристалл». Много веков назад в снегах Альп на территории современной Швейцарии нашли очень красивые бесцветные кристаллы, напоминающие чистый лед. Древние натуралисты так их и назвали – «кристаллос», в переводе с греческого это слово первоначально означало «лёд», а в дальнейшем «горный хрусталь».
Удивительное сходство кристаллов льда и кварца (горного хрусталя) было подмечено уже давно. Предполагали, что лёд становится хрусталём через тысячу лет, а хрусталь становится алмазом через тысячу веков.
Кристаллы горного хрусталя (кварца)
Но словом «кристалл» называют не только кристаллы замерзшей воды, хорошо нам знакомые льдинки и снежинки. Помимо воды кристаллы могут образовывать многие металлы, например, медь и железо. Самые красивые среди кристаллов – драгоценные камни: алмазы, аметисты, изумруды, сапфиры, рубины и др. В древности таким кристаллам приписывали всякие необыкновенные свойства: что одни навевают счастливые сны, другие - спасают мореплавателей от бурь, берегут от болезней, приносят счастье. Мир кристаллов разнообразен.
1.2. Разнообразие кристаллов
Кристаллы так хороши собой, что ими можно любоваться часами.
Различают идеальные и реальные кристаллы. Идеальный кристалл - это кристалл с полным набором всех качеств, свойств и характеристик, присущих данному виду кристаллов. Реальный кристалл – это тот кристалл, что существует в действительности. В отличие от идеального, у него имеются некоторые дефекты внутренней структуры, грани его не безупречны, он менее симметричен. Но при всех этих недостатках в реальном кристалле сохраняется то главное свойство, которое и делает его кристаллом – частицы в нем располагаются в закономерном порядке.
Частички, из которых состоит кристалл, в разных веществах выстраиваются и соединяются вместе различными способами. Из-за этого кристаллы могут иметь различные формы: столбики, кубики, пирамиды, звёзды. Поражают размеры кристаллов: высота «кристаллика» горного хрусталя, найденного на Алтае геологами с «двухэтажный дом» и весом 70 000 килограмм.
Встречаются также очень тонкие кристаллы, толщина которых меньше чем у листка бумаги. Но бывают и огромные пласты, толщина которых достигает нескольких метров. Бывают кристаллы маленькие, узкие и острые как иголки, но также могут быть громадной формы, на подобии величественных колонн, как в пещере «Сикстинская капелла кристаллов» или уникальной ледяной пещере, глубина которой 407 метров.
Природные (натуральные) кристаллы зарождаются и вырастают в недрах Земли. Большинство кристаллов в природе растут медленно - тысячи и миллионы лет.
Иногда образуются кристаллы, похожие на веточки дерева; очень хрупкие, но очень красивые. Многие кристаллы идеально чисты и прозрачны, как вода. Недаром постоянно можно слышать выражения: «прозрачный, как кристалл», «кристально чистый». Некоторые кристаллы можно разглядеть только с помощью микроскопа.
Не все кристаллы одинаковы. Есть одиночные кристаллы- их называют монокристаллами, а есть твердые тела, состоящие из множества кристалликов- поликристаллы.
Ещё кристаллы бывают жидкими. Жидкие кристаллы — это вещества, которые ведут себя одновременно как жидкости и как твёрдые тела.Переход в состояние жидкого кристалла происходит при очень высокой температуре.
1.3. Способы выращивания кристаллов. Применение кристаллов в жизни человека
Существует два способа роста кристаллов: естественный (образование кристаллов в природе) и искусственный (выращивание в специально- созданных условиях при участии человека).
В природе кристаллы образуются тремя способами: 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 образование вулканических пород. Пример кристаллизации из раствора в природе – выпадение сотен миллионов тонн соли из морской воды. При охлаждении газа (или пара) образуются снежинки.
Кристаллы образуются, когда какое-либо вещество переходит из жидкого или газообразного состояния в твердое. Рост кристалла начинается с образования зародышей и скелетных форм. При длительном равномерном и беспрепятственном поступлении вещества со всех сторон возникают нормальные кристаллические формы, но в большинстве случаев кристаллы стеснены в своем росте соседними кристаллами. Это приводит к образованию несовершенных кристаллов с искаженными гранями, так как поступление растворов, питающих кристалл, происходит с разных сторон неравномерно.
Зачем создают искусственные кристаллы? Природные кристаллы не всегда достаточно крупны, часто они неоднородны, в них могут быть примеси. При искусственном выращивании можно получить кристаллы крупнее и чище, чем в природе.
Есть такие кристаллы, которые в природе редки и ценятся дорого, но они очень нужны в технике. Поэтому и существуют лаборатории по выращиванию алмазов, рубинов, сапфиров, кварца. Одновременно в лабораториях создаются такие вещества, которых нет в природе.
Наиболее распространёнными способами искусственного выращивания кристаллов являются кристаллизация из раствора и из расплава. В первом случае кристаллы растут из насыщенного раствора при медленном испарении растворителя, с использованием затравки (наиболее крупный кристалл) или при медленном понижении температуры. Такой процесс происходит, например, с водным раствором поваренной соли. Если дать воде возможность медленно испаряться, то, в конце концов, раствор станет насыщенным, и дальнейшее его испарение приведёт к выпадению кристаллов соли.
Если твёрдое вещество нагреть, оно перейдёт в жидкое состояние – расплав. Методом расплава при температуре ниже 80 градусов можно вырастить кристаллы сахара.
Но для получения кристалла рубина нужно нагреть порошок до температуры 2030 градусов Цельсия. Чтобы вырастить большие однородные кристаллы, необходимо искусственно перемешивать раствор и тщательно регулировать температуру.
Как образовались красивые кристаллы горного хрусталя, светящиеся многочисленными сколами увидеть в природных условиях невозможно. Искусственные же кристаллы некоторых минералов ученые получают в лабораториях с помощью очень сложных приборов. Чем медленнее растёт кристалл, тем более совершенным и однородным он вырастет. Рост крупных кристаллов длится неделями и месяцами. Их выращивание производят на затравках.
В средневековье думали, что природные кристаллы были сотворены богом раз и навсегда. Лишь в 17 веке поняли, что минералы растут в воде. В настоящее время изучением кристаллов занимается специальная наука кристаллография - наука о строении, свойствах, образовании и росте кристаллов, которая зародилась в 18 веке.
В настоящее время применение кристаллов в жизни человека так многочисленно и разнообразно, что трудно перечислить. Вот несколько примеров. Каменная соль давно и навечно вошла в жизнь человека. Мы называем ее в быту просто солью, в технике - поваренной, или пищевой, солью. Ни с чем несравнимый вкус соли человек оценил давно. В древности страны, куда ее завозили, за килограмм соли платили килограмм золотого песка. В пустынях Средней Азии сейчас есть целые горные хребты из кристаллической соли.
Самый твердый и самый редкий из природных минералов - алмаз. Алмазными пилами распиливают камни, используют для обработки деталей из самых твёрдых материалов, для бурения скважин при разведке и добыче полезных ископаемых. Конечно, алмазы используются и в ювелирных изделиях – это бриллианты.
Вся часовая промышленность работает на искусственных рубинах. Изобретен рубиновый лазер, который служит мощным источником света. Кристалл кварца используется в телефонных трубках. А из прозрачного кварца делают линзы, используют в оптических приборах. Кристаллы применяются в мобильных телефонах, цифровых фото- и видеокамерах, жидкокристаллических телевизорах и мониторах. Как мы видим, применение кристаллов в науке и технике разнообразно.
Глава II. Практическая часть
2.1 Выращивание кристаллов из сахара в домашних условиях
Чтобы вырастить кристаллы из сахара в домашних условиях нам понадобились следующие материалы и инструменты:
Сахар
Прозрачные стаканы
Палочки из дерева (мы использовали большие шпажки)
Вода
Кастрюля
Пищевой краситель
Плотный картон
Технологический процесс выращивания кристаллов из сахара:
Приготовить сахарный сироп: 2 столовые ложки сахара полностью растворить на огне с ¼ стакана воды.
Смочить палочки в сиропе.
Палочки обвалять в сахаре, чтобы сахар одинаково прилип со всех сторон палочки.
Оставить подготовленные палочки на 8-10 часов, чтобы сахар не осыпался при попадании в горячий сироп.
В кастрюлю влить 2 стакана воды, всыпать 2,5 стакана сахара, поставить на средний огонь и постоянно помешивать, чтобы сироп не пригорел. После полного растворения сахара всыпать еще 2,5 стакана сахара и снова варить до полного растворения.
Кастрюлю снять с огня и оставить на 20 минут. Не допускать остывания сиропа, иначе кристалл не будет расти.
Взять палочки и аккуратно проткнуть обратным концом палочки, картон ровно посередине, чтобы он плотно сидел на палочке.
В стаканы добавить по несколько капель пищевого красителя и разлить горячий сироп.
Заготовку для кристаллов поместить в стакан так, чтобы она не упиралась в дно и не касалась стенок стаканов и поставить в теплое место на свет на 7 дней.
1. 2. 3.
4. 5,6 7,8,9
В результате проведённого опыта мы получили красивые кристаллы из сахара.
В стаканах, где находились образцы отчетливо виден процесс кристаллизации сахара.
Процесс выращивания кристаллов сахара в домашних условиях методом расплава у нас занял 7 дней. Рост кристаллов из сахара идет быстрее, если в комнате тепло и много света. Опыт показал, что если расплав застывает медленно, спокойно, то он застывает в виде кристаллов. Если же остывание идет очень быстро, например, если вылить расплавленный сахар в холодную воду блюдце, то образуется сахарный леденец, т.е. некристаллический сахар, но через несколько месяцев и леденец закристаллизуется.
2.2 Выращивание кристаллов из медного купороса в домашних условиях
Чтобы получились кристаллы из медного купороса, нам потребовались следующие материалы и инструменты:
Сульфат меди;
Стеклянная банка;
Вода дистиллированная;
Деревянная палочка;
Картон
Технологический процесс:
Взяли банку объемом 500мл.
Добавили 200г сульфата меди.
Залили 300 мл воды. Хорошенько все размешали.
На дно банки поместили несколько крупинок медного купороса, накрыли картоном и оставили на ночь в темном месте.
За ночь на дне банки образовался слой из кристаллов.
Аккуратно его откололи, выбрали самый ровный и крупный кристалл.
Привязали его на нить и опустили в раствор, так чтобы кристалл не касался дна банки. Оставили ещё на 7 дней.
1. 2. 3 3.
4. 5. 6.
7.
В результате проведенного опыта вырос кристалл примерно 3 см в длинну, красивого насыщенно голубого цвета. На ощупь очень похожий на стекло или пластмасс.
2.3 Выращивание кристаллов из соли в домашних условиях
В основе опыта лежит химическая реакция насыщенного раствора соли. Но для того чтобы вырастить кристалл в домашних условиях, нам не потребовалась лабораторного оборудования. Оборудованием послужило следующее:
Соль;
Вода дистиллированная;
Нитки;
Деревянная палочка;
Картон;
Стеклянная банка
Процесс:
В первую очередь приготовили солевой раствор. Взяли стеклянную банку. Смешали дистиллированную воду, комнатной температуры с солью. Соли насыпали много, сыпали до того момента пока соль не перестала растворятся.
С помощью плотной ткани процедили жидкость, чтобы отделились твердые примеси.
Взяли обыкновенную нить, привязали кусочек соли (который в последствии оторвался) и опустили в подвешенном состоянии в раствор на 7 дней.
Выросшие кристаллы очень хрупкие. Отломившийся кусочек можно обратно положить в раствор, и он вновь начинает расти.
Опыт получился, мы вырастили кристаллы.
3. Заключение
При выполнении исследовательской работы мы выяснили, что мир кристаллов разнообразен. Кристаллы уникальны по своим свойствам, размерам, играют важную роль в жизни человека и при этом они очень красивые.
В ходе опытов мы исследовали интересное свойство кристаллов- их рост в искусственной среде. У веществ разного химического состава кристаллы имеют разную форму, цвет, могут отличаться по способам выращивания. В ходе проведения опыта по выращиванию кристаллов из сахара мы использовали метод расплава.
Мы доказали, что кристаллы можно вырастить в домашних условиях без использования специальных приспособлений, которые есть в научных лабораториях. Выдвинутая нами гипотеза подтверждена.
Но в то же время, мы убедились, что в домашних условиях невозможно выращивать большие однородные кристаллы. Ведь в комнатах температура никогда не остается неизменной. А при изменении температуры раствор оказывается то пересыщенным, то недосыщенным, кристаллы в нем то растут, то растворяются.
Кристаллы из растворов можно растить и в сосудах, не закрытых крышкой, и по мере испарения воды насыщенный раствор постепенно кристаллизуется.
Если в сосуд с раствором опустить какой-нибудь предмет, на котором много затравок, то он весь обрастёт кристаллами. Так опустив в раствор разборную синтетическую ёлку, предварительно, обмотав её ствол и ветки нитками, мы можем вырастить «заснеженную» ёлку.
Каждый человек при желании может вырастить кристаллы у себя дома. Но для того, чтобы получился результат, нужно аккуратно выполнять следующие правила:
Внимательно изучить инструкцию по выращиванию кристаллов и строго следовать ей.
Готовить раствор в посуде, не используемой для приготовления пищи.
Профильтровать раствор после его приготовления.
Во избежание попадания пыли ёмкость с раствором накрыть листком бумаги.
В течение всего времени роста кристалла желательно поддерживать одну и ту же температуру.
Желательно не брать кристалл руками, удобнее использовать пинцет.
Кристаллик нельзя при росте без особой причины вынимать из раствора.
Выращивание кристаллов - процесс очень занимательный, но требует бережного и осторожного отношения к своей работе. Работу я делала с большим удовольствием и интересом, и привлекла к ней родителей.
Надеюсь, что полученные навыки мне пригодятся на занятиях по окружающему миру.
4. Используемая литература
1. Шаскольская М.П. Кристаллы.-М.: Наука, 1978, 237 с.
2. Энциклопедия для детей т.4 М.: Аванта, 1995
3. Энциклопедия Я познаю мир: Драгоценные камни и минералы Н. Орлова. АСТ, Астрель, 2007