Удивительные кристаллы своими руками

VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Удивительные кристаллы своими руками

Синдеев Л.В. 1
1МКОУ "ООШ №8"
Иванова Е.В. 1
1МКОУ "ООШ №8"
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Мы живем в мире, в котором многие твердые тела имеют кристаллическое строение. Кристаллы играли и играют до сих пор немаловажную роль в жизни человека. Они, как загадочная и прекрасная часть природы, издревле привлекали внимание людей. Их цвет, блеск и форма затрагивали человеческое чувство прекрасного, и люди украшали ими себя и жилище. С давних пор с кристаллами были связаны суеверия; как амулеты, они должны были не только ограждать своих владельцев от злых духов, но и наделять их сверхъестественными способностями. [1]

Актуальность работы: Тема выращивания кристаллов становится все более актуальной для всего человечества. В настоящее время кристаллы буквально вошли в каждый дом. В сердце каждого телевизора, сотового телефона, компьютера  находится кристалл. Сейчас мы знаем, что даже некоторые части нашего организма кристалличны, например, роговица глаза. Мир кристаллов и мир людей стали неразрывны.

Кроме того, кристаллы можно выращивать из раствора. Это удивительное свойство кристаллических тел! Выращивание кристаллов сохраняет природные богатства  и  ускоряет научно-технический прогресс. А для меня выращивание кристаллов интересное и увлекательное занятие.

В ходе анкетирования моих одноклассников я узнал, что мои сверстники знакомы с кристаллами, но не все имеют представления о выращивании кристаллов искусственным способом, а особенно в домашних условиях. А также не знают, где они применяются в жизни человека. Это доказывает актуальность моей исследовательской работы и ее значимость.

Цель работы: выращивание кристаллов и определение факторов, влияющих на рост кристалла.

Гипотеза исследования:еслименять условия кристаллизации или использовать различные вещества, то можно получить кристаллы разной формы и цвета, при этом скорость роста кристаллов будет разная

Объектом исследования являются кристаллы.

Предметом исследования является процесс кристаллизации.

Задачи исследования:

проанализировать текстовый, иллюстративный и видео материал по данной теме.

изучить условия образования кристаллов, выявить наиболее благоприятные условия для роста кристаллов в домашних условиях.

провести работу по анализу выполненных экспериментов, сделать выводы и представить результаты.

4. поделиться полученными знаниями на школьной научной конференции

Проанализировав содержание учебной литературы, а также изучив материалы, представленные на сайтах, я разобрался в том, как устроены кристаллы, где они применяются и составил план исследования по выращиванию кристаллов в домашних условиях.

1. Кристаллы

1.1 Внутренний мир кристаллов

Если рассматривать при помощи лупы и микроскопа крупинки сахара, соли, медного купороса, нафталина и т. п., то можно заметить, что они ограничены плоскими, как бы шлифованными гранями. Наличие таких естественных граней является признаком нахождения вещества в кристаллическом состоянии.

Кристаллы (от греч. κρύσταλλος, первоначально — лёд, в дальнейшем — горный хрусталь, кристалл) — твёрдые тела, в которых атомы расположены закономерно, образуя трёхмерно-периодическую пространственную укладку — кристаллическую решётку. Кристаллом называют тело определенной геометрической формы, ограниченное естественными плоскими гранями.

Тело, представляющее собой один кристалл, называется монокристаллом. Маленькая крупица сахарного песка является монокристаллом. Большинство кристаллических тел состоит из множества беспорядочно расположенных и сросшихся между собой мелких кристалликов. Такие тела называются поликристаллическими. Поликристаллическими являются все металлы и минералы. Кусок сахара тоже поликристаллическое тело.

Кристаллы различных веществ имеют разнообразную форму. Один из видов кристаллов льда, образующих причудливые формы снежинок, представляет собой правильную шестиугольную призму. Размеры кристаллов тоже разнообразны. Одни кристаллы крупны и легко различимы невооруженным глазом, другие же настолько малы, что могут быть рассмотрены только в микроскоп. Размеры кристаллов поликристаллического типа могут с течением времени изменяться. Так мелкие кристаллы железа и меди переходят в крупные. Этот переход ускоряется при ударах и сотрясениях. Он постоянно происходит в железнодорожных рельсах, вагонных осях, стальных мостах, отчего прочность этих сооружений с течением времени уменьшается.

Очень многие тела одинакового химического состава в кристаллическом состоянии в зависимости от условий могут существовать в двух или более разновидностях (модификациях). Это свойство называется полиморфизмом (многоформностью). У льда, например, известно до десяти различных модификаций, которые получают в лабораториях. В природе же встречается только один вид.

Особо важное значение для техники имеет полиморфизм углерода – углерод кристаллизуется в двух модификациях: графит и алмаз. Графит – мягкий материал матово-черного цвета. Из него, например, изготавливают, грифели карандашей. Алмаз совершенно не похож на графит. Это прозрачный и очень твердый кристалл. При температуре около 150 ºС (при нагревании в вакууме) алмаз превращается в графит. Чтобы графит превратить в алмаз, его нужно нагреть до 2000 ºС под давление 1010 Па. В настоящее время освоено промышленное производство искусственных алмазов. Искусственные алмазы широко используются в различных режущих инструментах.

Существенным свойством монокристалла является анизотропия – неодинаковость его свойств (механический, тепловых, электрических и т. д.) по различным направлениям. Например, если кристаллы поваренной соли, имеющие кубическую форму, раскалывать, то мелкие осколки будут иметь преимущественно форму прямоугольных параллелепипедов. Это значит, что в направлениях, параллельных граням, прочность кристалла поваренной соли гораздо меньше, чем в диагональных и других направлениях.

Кусок слюды легко расслаивается в одном из направлений на тонкие пластинки. Расслоить его в направлении, перпендикулярном пластинкам, гораздо труднее. Также легко расслаивается в одном направлении кристалл графита.

Если грань кристалла, например кварца, покрыть тонким слоем парафина и прикоснуться к нему раскаленной иглой, то парафин начнет плавиться. Расплавленный парафин имеет форму не круга, а эллипса, что указывает на различие теплопроводности кристалла по разным направлениям. О неодинаковости теплового расширения кристалла по разным направлениям можно заключить из следующего опыта. Если из монокристалла, например кварца, изготовить тело шарообразной формы и нагреть его, то после нагревания оно уже не будет шаром. Вдоль трех взаимно перпендикулярных диаметров тело расширится неодинаково, а вместо шара получится так называемый эллипсоид.

Поликристаллические тела изотропны, т. е. обнаруживают одинаковые свойства по разным направлениям. Это объясняется тем, что кристаллики, из которых состоит кристаллическое тело, ориентированны друг по отношению к другу хаотически. В результате ни одно из направлений не отличается от других.

Правильность внешней формы твердых (кристаллических) тел обусловлена тем, что частицы (атомы, молекулы), из которых эти тела состоят, расположены друг относительно друга в определенном порядке, на строго определенных расстояниях друг от друга.

Вследствие теплового движения расстояния между частицами несколько меняются, так как они совершают колебания около определенных точек – положений равновесия частиц. Именно эти точки – узлы и расположены в определенном порядке.

Кристаллическая решётка - пространственное периодическое расположение атомов или ионов в кристалле. Для описания кристаллической решётки достаточно знать расположение частиц в элементарной ячейке кристалла, повторением которой образуется кристаллическая решётка.

Длина ребра элементарной ячейки называется периодом кристаллической решетки. (Длины ребер элементарной ячейки могут быть различны по разным направлениям). Например, в монокристалле криптона такая ячейка повторяется много раз с неизменной ориентацией. На этом основании говорят, что в кристалле наблюдается дальний порядок в расположении атомов или других частиц, из которых построен кристалл. Образно это можно себе представить так. Человек, уменьшенный до размеров атома, нашел бы, что путешествие в кристалле весьма однообразно. Перепрыгивая с атома на атом в каком-либо определенном направлении, он совершал бы прыжки одинаковой длинны; расположение атомов справа и слева, над ним и под ним оставалось бы одним и тем же. Изменяя направление своего движения, человек быстро установил бы различие воспринимаемых картин. Он обнаружил бы, что расстояние между атомами изменилось, изменилось и их положение. Однако и новая картина повторялась бы до тех пор, пока вновь бы не сменил бы направление перемещения.

1.2 Кристаллы в природе

Кристаллы замершей воды, т.е. лед и снег, известны всем. Эти кристаллы почти полгода (а в полярных областях и круглый год) покрывают необозримые пространства Земли, лежат на вершинах гор и сползают с них ледниками, плавают айсбергами в океанах.

Ледяной покров реки, массив ледника или айсберга - это, конечно, не один большой кристалл. Плотная масса льда обычно поликристаллическая, т.е. состоит из множества отдельных кристаллов. Их не всегда различишь, потому что они мелки и все срослись вместе. Иногда эти кристаллы можно различить в тающем льду, например, в льдинках весеннего ледохода на реке. Тогда видно, что лед состоит как бы из «карандашиков», сросшихся вместе, как в сложенной пачке карандашей: шестигранные столбики параллельны друг другу и стоят торчком к поверхности воды; эти «карандашики» и есть кристаллики льда.

Каждый отдельный кристаллик льда, каждая снежинка хрупка и мала. На снежинках легче всего убедится в том, что форма кристаллов правильна и симметрична. Удивительно разнообразны формы звездочек-снежинок, но симметрия их всегда одинакова: только шесть лучей. Почему? Такова симметрия атомной структуры кристаллов снега. Это относится не только к снегу. Формы кристаллов могут быть весьма разнообразными, но симметрия этих форм для каждого вещества одна, ее определяет симметрия и закономерность атомного строения данного вещества. Снежинка может быть только шестилучевой - такова симметрия строения кристаллов снега.

1.3 Применение кристаллов.

Выращивание кристаллов имеет огромное практическое значение.

На космической станции «Мир» и во время полётов шаттлов НАСА успешно выращивали кристаллы различных белков. Высокоочищенные белки при низкой температуре образуют кристаллы, которые используют для получения модели данного белка.

"Жидкие кристаллы": почти все жидкие кристаллы, обнаруженные на сегодняшний день, представляют собой органические соединения .

Самый твердый и самый редкий из природных минералов - алмаз. Сегодня алмаз в первую очередь камень-работник, а не камень-украшение.

Алмаз играет громадную роль в технике из-за своей удивительной твердости. С помощью него распиливают камни, бурят горные породы. Алмазная пила - это большой (до 2-х метров в диаметре) вращающийся стальной диск, на краях которого сделаны надрезы или зарубки. Мелкий порошок алмаза, смешанный с каким-нибудь клейким веществом, втирают в эти надрезы. Такой диск, вращаясь с большой скоростью, быстро распиливает любой камень.

Алмазным порошком шлифуют и полируют твердые камни, закаленную сталь, твердые и сверхтвердые сплавы. Сам алмаз можно резать, шлифовать и гравировать тоже только алмазом. Наиболее ответственные детали двигателей в автомобильном и авиационном производстве обрабатывают алмазными резцами и сверлами.

Рубин и сапфир относятся к самым красивым и самым дорогим из драгоценных камней. Но у этих камней есть и другие качества, более скромные, но полезные. Кроваво-красный рубин и лазарево-синий сапфир - это родные братья, это вообще один и тот же минерал - корунд, окись алюминия А12О3. Корунд со всеми его разновидностями - это один из самых твердых камней на Земле, самый твердый после алмаза. Корундом можно сверлить, шлифовать, полировать, точить камень и металл. Из корунда и наждака делают точильные круги и бруски, шлифовальные порошки.

Вся часовая промышленность работает на искусственных рубинах. На полупроводниковых заводах тончайшие схемы рисуют рубиновыми иглами. В текстильной и химической промышленности рубиновые нитеводители вытягивают нити из искусственных волокон, из капрона, из нейлона.

В 1960г. был создан первый лазер на рубине (оптический квантовый генератор (ОКГ)). Оказалось, что кристалл рубина усиливает свет. Лазер светит ярче тысячи солнц.

Мощный луч лазера обладает громадной мощностью. Он легко прожигает листовой металл, сваривает металлические провода, прожигает металлические трубы, сверлит тончайшие отверстия в твердых сплавах, алмазе. Он используется и в глазной хирургии.

Сапфир прозрачен, и из него делают пластины для оптических приборов.

Кремень, аметист, яшма, опал, халцедон -это разновидности кварца. Мелкие зернышки кварца образуют песок. А самая красивая, разновидность кварца - горный хрусталь, т.е. прозрачные кристаллы кварца. Из прозрачного кварца делают линзы, призмы и др. детали оптических приборов.

Электрические свойства кварца проявляется, если сжимать или растягивать кристалл кварца. Тогда на его гранях возникают электрические заряды. Это - пьезоэлектрический эффект в кристаллах.

Пьезоэлектрические кристаллы широко применяются для воспроизведения, записи и передачи звука, измерения давления крови, давления в стволах артиллерийского орудия, давления в момент взрыва и т.д.

Полупроводниковые диоды используются в компьютерах и системах связи, транзисторы заменили электронные лампы в радиотехнике. Полупроводники широко применяются также в преобразователях переменного тока в постоянный.

Перечень видов применения кристаллов уже достаточно длинен и непрерывно растет.

2 Исследование роста кристалла

2.1 Работа с готовым набором

В магазине я купил Набор для выращивания кристаллов «Удивительные кристаллы». Техника выращивания кристаллов написана на коробке: растворите химикаты в горячей воде и дайте остыть до комнатной температуры. Далее опустил кристаллики в этот раствор. Я проделал всё, что сказано в инструкции в перчатках, поскольку в инструкции не сказано, соль какого вещества мы выращиваем. Через 2 дня уже получил небольшие кристаллики. Через неделю вырос большой кристалл. Фотографию его можно посмотерть в Приложении 2.

Недостатки этого метода: Готовые наборы не дают полного понимания того, как выращивают кристаллы и от чего зависит их рост, не знаю кристаллы каких веществ вырастил, кроме того кристаллы получились очень хрупкими. Достоинства: простота и удобство использования – не нужно изучать специальную литературу и искать и готовить ингредиенты для опыта.

2.2 Исследование роста кристаллов

Решил вырастить кристаллы соли (NaCl), и медного купороса(CuSO4). Соблюдал технику безопасности - с медным купоросом работал в перчатках.

Сделал насыщенный раствор соли в горячей воде и поставил стакан в тёплое и сухое место.

Намешал насыщенный раствор соли в холодной воде, поставил стакан в холодное место.

Сделал насыщенный раствор медного купороса в горячей воде, поставил в теплое, сухое место.

Через 3 дня увидел, что в первом появились первые кристаллики и в третьем стакане появились первые кристаллики. Во втором стакане ничего не было.

Через неделю в первом стакане верх покрылся кристаллами соли, ниточка обрасла кристаллами. Во втором - появились первые кристаллы

Через две недели в первом стакане кристаллы стали больше и внутри стакан стал покрываться кристаллами соли. Во втором стакане кристаллы появились и на самом стакане наверху. В третьем кристалл медного купороса становился крупнее.

Через три недели в первом стакане кристаллы соли стали крупными, у них можно было разглядеть их форму. Она была кубическая. Во втором стакане кристаллы полностью покрывали стакан и форма их была непонятная. На нитке кристаллы оказались мелкие и их было мало.

В третьем кристалл стал ещё крупнее.

Фотографии кристаллов, которые получились можно посмотреть в Приложение 3. Результаты представил в таблице.

Таблица – результаты опыта

раствор повареной соли

теплое место

раствор повареной соли

холодное место

раствор медного купороса

теплое место

Быстрый рост

Медленный рост

Быстрый рост

Много мелких кристаллов

Много мелких кристаллов

Крупные кристаллы

синего цвета

Проводить исследование мне понравилось. В результате проделанной работы я могу сделать выводы о том, что действительно кристаллы можно вырастить в домашних условиях из растворов поваренной соли и медного купороса.

Оказалось, что скорость роста и внешний вид получившихся кристаллов зависит от температуры воздуха (чем холоднее, тем медленнее растут кристаллы), от начальной температуры воды, в которой растворяли соль( чем больше температура, тем быстрее растут) и разные соли имеют разные кристаллы по цвету, форме и скорости роста.

Заключение

Скорость роста и внешний вид получившихся кристаллов зависит от следующих условий: от температуры воздуха (чем холоднее, тем медленнее растут кристаллы), от начальной температуры воды, в которой растворяли соль( чем больше температура, тем быстрее растут) и разные соли имеют разные кристаллы по цвету, форме и скорости роста.

Если раствор охлаждать быстро, то кристаллы будут тоже расти быстро, но их форма может оказаться неправильной. Если же раствор охлаждать медленно, то форма кристаллов будет правильной. При быстром охлаждении образуется много «зародышей»; правильных кристаллов при этом не получится, потому что находящиеся в растворе частицы могут просто не успеть «устроиться» на поверхности кристалла на положенное им место. Посторонние твердые примеси в растворе также могут играть роль центров кристаллизации, поэтому чем чище раствор, тем центров кристаллизации будет меньше. Можно за две-три недели вырастить красивые кристаллы разных веществ у себя дома.

Выращивание искусственных кристаллов очень увлекательный и важный для современной жизни процесс.

Для одноклассников я разработал памятку по выращиванию кристаллов (Приложение3).

Список используемой литературы

Воротников А. А. Физика и химия. Универсальная энциклопедия школьника. ТОО Харвест, 1996

Сайт Удобная усадьба [Электронный ресурс]– Режим доступа: http://cozyhomestead.ru/Terminy_1764.html (10.11.2019)

Мир кристаллов/ Применение кристаллов в науке и технике [Электронный ресурс]– Режим доступа: http://course-crystal.narod.ru/p31aa1.html (02.12.2019)

Мякишев Г. Я., А. З. Синяков. Физика. Молекулярная физика. Термодинамика. 10 класс. Учеб. для углубленного изучения физики – М.: Дрофа, 2005;

Крицман В.А., Станцо В. В. Энциклопедический словарь юного химика. – М.: Педагогика, 1996;

Смолеговский А. М. Кристаллы. – М.: Просвещение, 1999;

Чуянов В. А. Энциклопедический словарь юного физика. – М.: Педагогика, 1995.

Приложение 1

Анкетирование

В анкетировании участвовали учащиеся 7 классов, в количестве 54 человек.

 

Вопросы

Да

%

Нет

%

Не знаю

%

1

Знаете ли вы что такое кристалл?

48

90

6

10

-

 

2

Знаете ли вы, какими бывают кристаллы?

39

74

15

26

-

 

3

Можно ли вырастить кристаллы, из того что есть дома?

26

49

3

6

15

45

4

Знаете ли вы, где применяются кристаллы?

21

40

20

38

13

22

5

Различаются ли кристаллы?

1

2

50

93

1

5

Приложение 2

Эксперимент. Фотографии эксперимента

1) Кристаллы, которые выросли, когда использовал готовый набор для изготовления кристаллов

2) Кристаллы, получившиеся с использованием растворов поваренной соли и медного купороса

Приложение 3

Памятка для выращивания кристаллов

Кристаллы поваренной соли NaCl представляют собой бесцветные прозрачные кубики.

1) Разведите раствор поваренной соли следующим образом: налейте воды в ёмкость (например стакан) и поставьте его в кастрюлю с тёплой водой (не более 50°С - 60°С).

2) Насыпьте пищевую соль в стакан и оставьте минут на 5, предварительно помешав. За это время стакан с водой нагреется, а соль растворится. Желательно, чтобы температура воды пока не снижалась.

3) Затем добавьте ещё соль и снова перемешайте. Повторяйте этот этап до тех пор, пока соль уже не будет растворяться и будет оседать на дно стакана. Мы получили насыщенный раствор соли.

4) Перелейте его в чистую ёмкость такого же объёма, избавившись при этом от излишек соли на дне.

5) Выберите любой понравившийся более крупный кристаллик поваренной соли и положите его на дно стакана с насыщенным раствором. Можно кристаллик привязать за нитку и подвесить, чтобы он не касался стенок стакана. Теперь нужно подождать.

6) Ждите.Уже через пару дней можно заметить значительный для кристаллика рост. С каждым днём он будет увеличиваться.

Полезный совет: если проделать всё то же ещё раз (приготовить насыщенный раствор соли и опустить в него получившийся кристаллик), то он будет расти гораздо быстрее (извлеките кристаллик и используйте уже приготовленный раствор, добавляя в него воды и необходимую порцию пищевой соли). Помните, что раствор должен быть насыщенным, то есть при приготовлении раствора на дне стакана всегда должна оставаться соль (на всякий случай).

Для сведений: в 100г воды при температуре 20°С может раствориться приблизительно 35г поваренной соли. С повышением температуры растворимость соли растёт.

Просмотров работы: 41