IX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Мир кристаллов

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Сеидова К.С. 1

---

1МБОУ "Школа 90"

Прасько Н.В. 1

---

1МБОУ "Школа 90"

Работа в формате PDF

2 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

1.ВВЕДЕНИЕ

Эти удивительные вещества, созданные природой, до такой степени стали частью нашей жизни, что, сталкиваясь с ними практически ежедневно, мы не всегда задумываемся об их происхождении. Может, вам приходилось обращать внимание на белый налет в кастрюле или на дне стакана после испарения соленой воды или очень сладкого чая? Если внимательно рассмотреть этот налет под лупой, то можно увидеть очень мелкие кристаллики соли или сахара. Крупинки соли и сахара, песок и снежинки, минералы и драгоценные камни — вот далеко не полный список кристаллов.

Актуальность: Темой своей работы я выбрала кристаллы, потому что считаю данную область физики очень интересной для исследования. В наше время наука идёт вперёд с огромной скоростью, но для того, чтобы воплотить в жизнь какие-либо проекты, не всегда находятся материалы, обладающие нужными свойствами.

Учёные придумали выход из такой ситуации: выращивать нужные материалы искусственно. То есть получается, что можно выращивать и кристаллы! К примеру, алмазы. Конечно, в первую очередь, алмазы выращивают для того, чтобы снизить стоимость или получить экземпляры большего размера, но я хочу попытаться исследовать эту тему с точки зрения возможности искусственного создания твердых тел любой формы, конфигурации и химического состава, а также установить важность и необходимость искусственного создания кристаллов.

Гипотеза: изучение кристаллов, во всех его проявлениях, является наиболее перспективным и востребованным занятием в области физики твёрдого тела на несколько ближайших десятилетий

Цель работы: исследовать свойства и виды кристаллических веществ, а также их практическое применение.

Задачи работы:

Рассмотреть виды кристаллов и основные способы их выращивания.

Установить в чем различия природных и искусственных кристаллов.

Выяснить практическое применение искусственных кристаллов.

2.Основная часть.

2.1.Кристалл – основные характеристики.

В недрах Земли находится магма, в процессе медленного остывания и затвердевания которой образуются кристаллы различных минералов с разным кристаллическим строением. Все вещества, находящиеся в магме, затвердевают по очереди, в соответствии с той температурой, при которой они способны принять кристаллическую форму. Большинство из таких кристаллов являются драгоценными камнями.

Кристалл (с греческого Минерало) - это твердое вещество, все мельчайшие частицы которого (молекулы, атомы или ионы) находятся в строго определенном, повторяющемся порядке. Именно такая структура позволяет формировать кристаллы уникальной формы.

Кристаллы образуются путем кристаллизации в определенных условиях: при переходе вещества из газа (парообразного и жидкого состояния) в твердое состояние. Например, из пара образуются кристаллы снега, а из раствора солей выделяются кристаллы соли, из расплавленной серы при остывании образуются кристаллы серы.

Во внешней форме кристаллов различают следующие элементы: плоскости или грани, ребра и углы. Величина граненых углов для кристаллов определенного вещества постоянна и служит для него одним из характерных признаков. Кристаллы по расположению своих элементов (их симметрии) соединяются в 6 групп (кристаллические системы), которые, в свою очередь, распадаются на 32 отделения или класса.

Кристаллические системы:

ромбическая – 1,2,3 взаимно перпендикулярные оси симметрии (например, винный камень);

квадратная - одна четверная ось симметрии (например, медный колчедан);

гексагональная - тройная ось симметрии (например, турмалин);

трехклиномерная - три неравные под косыми углами кристаллические оси (например, кристалл медного купороса);

одноклиномерная - двойные оси симметрии и плоскости симметрии (например, ортоклаз),

кубическая или правильная - четыре тройных оси симметрии.

Я выяснила, что наука, занимающаяся всесторонним изучением кристаллов, называется кристаллографией. Она делится на математическую кристаллографию, кристаллофизику и кристаллохимию.

2.2.Монокристаллы.

Внешняя форма монокристалла обусловлена его атомно-кристаллической структурой и условиями кристаллизации.

Часто монокристалл приобретает хорошо выраженную естественную огранку, в неравновесных условиях кристаллизации огранка проявляется слабо. Также примерами огранённых природных монокристаллов могут служить монокристаллы кварца, каменной соли, исландского шпата, алмаза, топаза.

Монокристаллы металлов и их сплавов могут обладать повышенными прочностными свойствами и применяются в авиастроении.

2.3.Поликристалл.

Большое промышленное значение имеют монокристаллы полупроводниковых и диэлектрических материалов, выращиваемые в специальных условиях. Я узнала о том, что в частности, монокристаллы кремния являются основой современной электроники. Все металлы и их сплавы являются поликристаллами.

2.4. Виды кристаллов.

В зависимости от строения, кристаллы делятся: ионные, ковалентные, молекулярные и металлические. Ионные кристаллы построены из чередующихся катионов и анионов, которые удерживаются в определенном порядке силами электростатического притяжения и отталкивания.

Электростатические силы ненаправленные: каждый ион может удержать вокруг себя столько ионов противоположного знака, сколько помещается. Но при этом силы притяжения и отталкивания должны быть уравновешены и должна сохраняться общая электронейтральность кристалла.

Все это с учетом размеров ионов приводит к различным кристаллическим структурам. Так, при взаимодействии ионов Na + (их радиус 0,1 нм) и Cl – (радиус 0,18 нм) возникает октаэдрическая координация: каждый ион удерживает около себя шесть ионов противоположного знака, расположенных по вершинам октаэдра. При этом все катионы и анионы образуют простейшую кубическую кристаллическую решетку, в которой вершины куба попеременно заняты ионами Na + и Cl – . Аналогично устроены кристаллы KCl, BaO, CaO, ряда других веществ.

2.5.Симметрия кристаллов.

Свойство кристаллов совмещаться с собой в различных положениях путём поворотов, отражений, параллельных переносов либо части или комбинации этих операций. Симметрия внешних формы (огранки) кристалла определяется симметрией его атомного строения, которая обусловливает также и симметрию физических свойств кристалла.

Среди различных горных пород встречаются кристаллические (обычно магматические и вулканические породы) и некристаллические (обычно осадочного происхождения). Особый интерес представляют кристаллические горные породы (или природныекристаллы). Я узнала о том, что среди выставленных в магазинах на показ драгоценных и полудрагоценных камней (представленных в виде природныхкристалловили осадочных пород) у некоторых из них имеется табличка "натуральный камень". Это означает, что такие камни найдены в природе, обработаны и выставлены на продажу. А что тогда представляют остальные камни без табличек? Это минералы и камни выращены на заводе! (или искусственныекристаллы). Можно выращивать аметисты, цитрины, морионы, которые не будут уступать естественным минералам. Но вот себестоимость таких минералов и камней будет гораздо ниже! (конечно это относится не ко всем минералам, выращиваемым искусственным путём).

2.6.Жидкие кристаллы.

  Есть такие вещества, и природные, и искусственные, которые в определенном диапазоне температур текучи, как жидкости, но сохраняют внутренний порядок составляющих их частиц-молекул, присущий твердым телам. При понижении температуры они превращаются в твердые кристаллы, а нагрей их - станут обычными жидкостями.

Жидкие кристаллы обладают двойственными свойствами, сочетая в себе свойство жидкостей (текучесть) и свойство кристаллических тел (анизотропию).

Жидкие кристаллы делятся на две большие группы:

Термотропные жидкие кристаллы - образуются в результате нагревания твердого вещества и существуют в определенном интервале температур и давлений.

Лиотропные жидкие кристаллы - представляют собой двух или более компонентные системы, образующиеся в смесях стержневидных молекул данного вещества и воды (или других полярных растворителей).

Одно из важных направлений использования жидких кристаллов термография. Подбирая состав жидкокристаллического вещества, создают индикаторы для разных диапазонов температуры и для различных конструкций.

Например, жидкие кристаллы в виде плёнки наносят на транзисторы, интегральные схемы и печатные платы электронных схем.

Новые возможности получили врачи: жидкокристаллический индикатор на коже больного быстро диагностирует скрытое воспаление и даже опухоль. С помощью жидких кристаллов обнаруживают пары вредных химических соединений и опасные для здоровья человека гамма - и ультрафиолетовое излучения. На основе жидких кристаллов созданы измерители давления, детекторы ультразвука.

Но самая многообещающая область применения жидкокристаллических веществ информационная техника. Такие телевизоры дают изображение весьма высокого качества, потребляя меньшее количество энергии.

Одно из важных направлений использования жидких кристаллов термография. Подбирая состав жидкокристаллического вещества, создают индикаторы для разных диапазонов температуры и для различных конструкций.

2.7. Алмаз.

При нормальных условиях метастабилен, то есть может существовать неограниченно долго. В вакууме или в инертном газе при повышенных температурах постепенно переходит в графит.

Кристаллическая решетка алмаза:

Под фразой «кристаллическая решетка алмаза» понимают пространственное расположение и соединения атомов углерода, обусловливающие твердость минерала. Минерал имеет атомную кристаллическую решетку, т. е. в узлах расположены атомы углероды. Особенности строения кристаллической решетки алмаза обусловливают его прочность, т. к. каждый атом находится в центре тетраэдра (треугольная или трехгранная пирамида) и связан ковалентными связями. При этом каждый атом плотно связан с четырьмя соседними атомами.

Среди натуральных камней алмаз занимает наивысшее место. Его применяют на протяжении сотен лет в разных отраслях. И все из-за того, что он обладает уникальными свойствами, которых нет в других камнях.

Подавляющая часть природных алмазов используется для производства бриллиантов.Для изготовления драгоценных изделий используют не все виды алмазов. Камень должен иметь как можно меньше микротрещин и не быть мутным. Также обращают внимание на присутствие оттенков. Качественный материал тот, у которого не наблюдается серый цвет.

В промышленном производстве используют алмазы не все. Качественный материал имеет высокую цену, поэтому применять в больших масштабах нерационально. В производстве чаще всего используют искусственные алмазы. Исключительная твёрдость алмазанаходит своё применение - его используют для изготовления ножей, свёрл, резцов и других частей механизмов требующих особой прочности. Также данный драгоценный материал нашел применение в космической сфере. Алмазом покрывают различные приборы, чтобы они приобрели высокую прочность и прослужили как можно дольше.

2.8.Кварц.

Один из самых распространённых минералов в земной коре, породообразующий минерал большинства магматических и метаморфических пород. Свободное содержание в земной коре - 12%. Входит в состав других минералов в виде смесей и силикатов.

Кварц образуется при различных геологических процессах - кристаллизуется из магмы кислого состава. Температура его выделения может превышать 1000 °C. Кварц кристаллизуется из обогащённых флюидом пегматитовых магм.

В промышленности имеет место синтез кварца гидротермальным способом. Преимуществом метода синтеза является то, что результатом выращивания являются монокристаллы, которые по своим свойствам более пригодны для использования в качестве пьезооптического кварца, чем широко распространённые в природе сдвойникованные кристаллы. Для ювелирной промышленности также метод синтеза является немаловажным, так как позволяет получать кварц практически любых цветов, самой разной насыщенности, при необходимости даже с переходами одной окраски в другую. Выращивают даже не существующий в природе синий кварц.

2.9.Агат

Ювелиры называют агатом также разновидностью халцедона без явной слоистости, но с различными включениями, создающими конкретный рисунок: моховой агат, агат звёздчатый и другие.

Агаты медленно формируется в условиях, обеспечивающих протекание периодических химических реакций, связанных с диффузией и перенасыщением соединений кремния. Зоны агатов могут иметь толщину до 1,5 мкм. Концентрическая слоистость агатов формировалась в условиях избыточного гидростатического давления. Агаты формируются в закрытой системе — полости бывшего газового пузыря, изолированного в толще лавы. У глазковых (очковых) агатов концентрические круговые слои располагаются вокруг центральной точки (эта точка может содержать несколько кристалликов горного хрусталя), это самые ценные агаты. В некоторых агатах в зоне шириной 1 см может содержаться несколько тысяч различных слоев.

2.10.Аметист

Красивый фиолетовый или вишнёво-синий цвет аметиста, которым он только и отличается от простого кварца и горного хрусталя, обусловлен не следами окислов железа и марганца, как думали прежде, а примесью органического красящего вещества. Поэтому при прокаливании уже около 250° аметист теряет свою окраску, переходящую постепенно в жёлтую или зеленоватую, и становится бесцветным.

Аметист образуется в низкотемпературных гидротермальных условиях. В природе аметист встречается в виде призматических кристаллов, увенчанных пирамидальной головкой, в виде скиптровидных кристаллов, а также щеток, друз, в сростках и параллельно-шестоватых кристаллических агрегатах.

2.11.Рубин и Сапфир.

Сапфиры и рубины — драгоценные камни, во многих отношениях одни из самых замечательных и значимых среди цветных камней. Рубины и сапфиры, принадлежащие к семейству минерала корунда, наиболее известны, любимы и популярны по сравнению с остальными драгоценными камнями. 

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.

Новая жизнь рубина - это лазер или, как его называют в науке, оптический квантовый генератор (ОКГ). Основная масса кристаллов сапфира идет в полупроводниковую промышленность. 

3.Заключение.

Тема «Кристаллы» актуальна, и если в неё вникнуть глубже, то она будет интересна каждому, даст ответы на многие вопросы, а самое главное – это безграничное применение кристаллов.

Человек встречается с кристаллами повсюду: употребляет в пищу, соль и сахар, любуется искрящимся снегом в ясную зимнюю погоду и, вообще, живёт в поражающем своим многообразием мире кристаллов. Кристаллы необычайно интересны и удивительны.

Кристаллы загадочны по своей сущности и настолько неординарны, что в моей работе была исследована лишь малая часть того, что известно о кристаллах и их применении в настоящее время.

Будущее новейших технологий принадлежит кристаллам и кристаллическим агрегатам!

4.Список использованных источников и литературы:

Федюнина Д.М. Мир кристаллов. Международный школьный научный вестник. – 2017. – № 5-2. – С. 360-363

Большая иллюстрированная энциклопедия эрудита «Издательство МАХАОН», 2006г.

Кантор Б. З «Минерал рассказывает о себе", 1985г.

Алексинский В. Н «Занимательные опыты по химии", 1995г.

Китайгородский А.И «Кристаллы», 1950г.

Кузмичева Г.М. «Основные разделы кристаллографии», 2002г.