Научно - исследовательская работа "Удивительный мир кристаллов"

Муниципальное общеобразовательное учреждение

«Васильевская средняя школа»

155926, село Васильевское улица Новая дом № 8

Ивановская область Шуйский район

Научно – исследовательская работа

«Выращивание кристаллов в домашних условиях»

Автор проекта: Марова Ксения Дмитриевна,

ученица 11 класса МОУ Васильевская СШ

Руководитель проекта: Канаичева Мария Викторовна,

учитель физики МОУ Васильевской СШ

2023 – 2024 уч. год

Содержание стр.

1. Введение. Актуальность. ………………………………………………………..2

2.Цели и задачи исследовательской работы………………………………………2

3. Теоретическая часть ……………………………………………………………..2 – 7

3.1. Строение кристаллических тел

3.2.Кристаллы в природе

3.3. Кристаллы в науке и технике

3.4. Жидкие кристаллы.

4. Технология выращивания кристаллов…………………………………………..7 – 8

5. Практическая часть. Выращивание кристаллов в домашних условиях……….8 – 9

6. Анализ полученных результатов………………………………………………..9 – 11

7. Заключение………………………………………………………………………..11

8. Список использованной литературы…………………………………………….11

9. Приложение (фото автора) ………………………………………………………12 – 14

1. Введение.

Актуальность.

Мы живем в мире, в котором большая часть веществ находится в твёрдом состоянии. Многие твёрдые тела имеют кристаллическое строение. Кристаллы получают в лаборатории, но бывают они и в природе. Снежинки, морозные узоры на оконных стеклах и иней на ветках деревьев. Это кристаллы. Наиболее известные примеры кристаллов: лёд, алмаз, кварц, каменная соль.

Многие кристаллы – продукты жизнедеятельности организмов. Например, некоторые виды моллюсков обладают способностью наращивать перламутр на инородных телах, попавших в раковину. В результате через 5-10 лет образуется жемчуг.

Применение кристаллов в современном мире широко и многогранно: радиотехника, электроника, медицина, металлургия, ювелирное дело.

В электронике сейчас используют полупроводники. Это кристаллические вещества, в основном германий и кремний. Полупроводниковые диоды используются в компьютерах и системах связи. На смену электронным лампам в радиотехнике пришли транзисторы. Так как кристаллы имеют широкое применение в науке и технике, то трудно назвать такую отрасль производства, где не использовались бы кристаллы. Поэтому знать и разбираться в свойствах кристаллов очень важно для каждого человека.

Моя работа основывается на изучении материалов из научной литературы и анализа опыта по выращиванию кристаллов в домашних условиях.

II. Цель работы: Изучить практическое применение кристаллов в науке и технике; выращивание кристалла из раствора в домашних условиях.

Гипотеза:  в домашних условиях можно вырастить кристаллы многих веществ.

Предмет исследования: кристаллы соли, сахара, медного купороса, железного купороса.

Задачи исследования:

- изучить строение кристаллических тел

- подобрать оборудование и сырьё для выращивания кристаллов

- вырастить кристаллы в домашних условиях

- проанализировать полученные результаты

III. Теоретическая часть.

3.1. Строение кристаллических тел

Кристаллы – это твёрдые тела, атомы и молекулы которых занимают определённые, упорядоченные положения в пространстве. Поэтому кристаллы имеют плоские грани. Кристалл от греческого krystallos, первоначально - лёд, в дальнейшем - горный хрусталь. Кристаллы это твёрдые тела, имеющие естественную форму правильных многогранников. 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, концентрация и направление движения раствора. Поэтому кристаллы одного и того же вещества могут обнаруживать большое разнообразие форм.

Эта форма - следствие упорядоченного расположения атомов, образующих трёхмерно-периодическую пространственную укладку - кристаллическую решётку. Каждому химическому веществу, находящемуся при данной температуре или давлении в кристаллическом состоянии соответствует определённая кристаллическая атомная структура кристаллов, обладающей той или иной симметрией.

П равильная внешняя форма не единственное и даже не самое главное следствие упорядоченного строения кристалла. Главное – это зависимость физических свойств от выбранного направления в кристалле. Механическая прочность кристаллов по разным направлениям различна. Кусок слюды легко расслаивается в одном направлении на тонкие пластинки, но разорвать его в направлении, перпендикулярном пластинкам, гораздо труднее.

Так же легко расслаивается в одном направлении кристалл графита. Когда мы пишем карандашом, такое расслоение происходит непрерывно и тонкие слои графита остаются на бумаге.

Зависимость физических свойств от направления внутри кристалла называется анизотропией. Все кристаллические тела анизотропны.

Т вердое тело, состоящее из большого числа маленьких кристалликов, называется поликристаллическим. Большинство природных или технических твёрдых материалов являются поликристаллическими, они состоят из множества отдельных, беспорядочно ориентированных, мелких кристаллических зёрен, иногда называемых кристаллитами. Таковы, например многие горные породы, технические металлы и сплавы. Одиночные кристаллы называются монокристаллами. 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.

3.2. Кристаллы в природе.

В природе встречаются кристаллы различных размеров - от громадных до сотен килограмм (кристаллы кварца, горного хрусталя, флюорита, полевого шпата) до мелких кристаллов (алмаза и др.)

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.

К аждый 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.

3.3. Кристаллы в науке и технике.

В наше время кристаллы имеют очень широкое применение в науке, технике и медицине.

А лмазными пилами распиливают камни. Алмазная пила – это большой 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.

О громное значение имеет алмаз при бурении горных пород, в горных работах. В граверных инструментах, делительных машинах, аппаратах для испытания твердости, сверлах для камня и металла вставлены алмазные острия. Алмазным порошком шлифуют и полируют твердые камни, закаленную сталь, твердые и сверхтвёрдые сплавы. Сам алмаз можно резать, шлифовать и гравировать только самим же алмазом. Наиболее ответственные детали двигателей в автомобильном и авиационном производстве обрабатывают алмазными резцами и свёрлами.    Рубин и сапфир относятся к самым красивым и самым дорогим из драгоценных камней. У всех 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. Разница в цвете возникла из-за очень малых примесей в окиси алюминия: ничтожная добавка хрома превращает бесцветный корунд в кроваво-красный рубин, окись ти­тана - в сапфир. Есть корунды и других цветов. Есть у них ещё со­всем скромный, невзрачный брат: бурый, непрозрачный, мелкий ко­рунд - наждак, которым чистят металл, из которого делают наждач­ную шкурку. Корунд со всеми его разновидностями - это один из самых твердых, после алмаза, камней на Земле. Ко­рундом можно сверлить, шлифовать, полировать, точить камень и металл. Из корунда и наждака делают точильные круги и бруски, шлифовальные порошки.

В ся 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.

Новая жизнь рубина - это лазер или, как его называют в науке, оптический квантовый генератор (ОКГ), чудесный прибор наших дней. В 1960г. был создан первый лазер на рубине. Оказалось, что кристалл рубина усиливает свет. Лазер светит ярче тысячи солнц.

Мощный луч лазера легко прожига­ет листовой металл, сваривает металлические провода, прожигает металлические трубы, сверлит тончайшие отверстия в твердых спла­вах, алмазе. Эти функции выполняет твердый лазер, где использует­ся рубин, гранат с неодитом.

В глазной хирургии применяется чаще всего неодиновые лазеры и лазеры на рубине.

Появились и новые лазерные кристаллы: флюорит, гранаты, арсенид галлия.

Гранат также используется в абразивной промышленности. Из гранатов изготовляют шлифовальные порошки, точильные круги, шкурки. Они иногда заменяют в приборостроении рубин.

Сапфир прозрачен, поэтому из него делают пластины для опти­ческих приборов. Основная масса кристаллов сапфира идет в полупроводниковую промышленность.

Искусственное «горное солнце» - аппарат, широко применяемый в медицине. При включении данный аппарат излучает ультрафиолетовый свет, эти лучи являются целебными. В данном аппарате лампа сделана из кварцевого стекла. Кварцевая лампа используется не только в медицине, но и в органической химии, минералогии, помогает отличить фальшивые марки, денежные купюры от настоящих.

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

 В технике также нашел своё применение поликристаллический материал поляроид.

Поляроид - это тонкая прозрачная пленка, сплошь заполненная крохотными прозрачными игольчатыми кристалликами вещества, двупреломляющего и поляризующего свет. Все кристаллики распо­ложены параллельно друг другу, поэтому все они одинаково поляри­зуют свет, проходящий через пленку.

Поляроидные пленки применяются в поляроидных очках. По­ляроиды гасят блики отраженного света, пропуская весь остальной свет. Они незаменимы для полярников, которым постоянно прихо­дится смотреть на ослепительное отражение солнечных лучей от за­леденевшего снежного поля.

Кристаллы сыграли важную роль во многих технических новинках 20 в.  Полупроводниковые приборы, революционизировавшие электронику, изготавливаются из кристаллических веществ, главным образом кремния и германия. При этом важную роль играют примеси, которые вводятся в кристаллическую решетку. Полупроводниковые диоды используются в компьютерах и системах связи, транзисторы заменили электронные лампы в радиотехнике, а солнечные батареи, помещаемые на наружной поверхности космических летательных аппаратов, преобразуют солнечную энергию в электрическую.

Для научных и технических целей разнообразные кристаллы выращивают или синтезируют в лабораториях и на заводах, можно получить кристаллы и таких сложных природных веществ, как белки и даже вирусы.

3.4. Жидкие кристаллы

Ж идкий кристалл - это особое состояние вещества, промежуточное между жидким и твердым состояниями. В жидкости молекулы могут свободно вращаться и перемещаться в любых направлениях. В жидком кристалле имеется некоторая степень геометрической упорядоченности в расположении молекул, но допускается и некоторая свобода перемещения.

Консистенция жидких кристаллов может быть разной - от легкотекучей жидкой до пастообразной. Жидкие кристаллы имеют необычные оптические свойства, что используется в технике. Жидкие кристаллы образуются из молекул, имеющих разную геометрическую форму. На этом основаны многочисленные применения жидких кристаллов.

Расположение молекул в жидких кристаллах изменяется под действием таких факторов, как температура, давление, электрические и магнитные поля. Изменения же расположения молекул приводят к изменению оптических свойств, таких, как цвет, прозрачность и способность к вращению плоскости поляризации проходящего света. На всем этом основаны многочисленные применения жидких кристаллов. Например, зависимость цвета от температуры используется для медицинской диагностики. Нанося на тело пациента некоторые жидкокристаллические материалы, врач может легко выявлять затронутые болезнью ткани по изменению цвета в тех местах, где эти ткани выделяют повышенные количества тепла. Температурная зависимость цвета позволяет также контролировать качество изделий без их разрушения. Если металлическое изделие нагревать, то его внутренний дефект изменит распределение температуры на поверхности. Эти дефекты выявляются по изменению цвета нанесенного на поверхность жидкокристаллического материала. Тонкие пленки жидких кристаллов, заключенные между стеклами или листками пластмассы, нашли широкое применение в качестве индикаторных устройств. Жидкие кристаллы широко применяются в производстве наручных часов и небольших калькуляторов. Немецкие инженеры разработали новую эффективную смазку на основе жидких кристаллов. Благодаря ей, подшипники механизмов могут работать практически без трения и износа. Жидкие кристаллы используются в жидкокристаллических дисплеях экранах телевизоров, мобильных телефонов или сенсорных экранов.

IV. Технология выращивания кристаллов.

В природе кристаллы образуются при различных геологических процессах из растворов, расплавов, газовой или твердой фазы. Значительная часть минеральных видов произошла путем кристаллизации из водных растворов.

Огромные количества горячих и расплавленных горных пород глубоко под землей в действительности представляют из себя растворы минералов. Когда массы этих жидких или расплавленных горных пород выталкиваются к поверхности земли, они начинают остывать. Минералы превращаются в кристаллы, когда переходят из состояния горячей жидкости в холодную твердую форму. Например, горный гранит содержит кристаллы таких минералов, как кварц, полевой шпат и слюда. Первым кристаллом, полученным в лаборатории, был рубин. Дмитрий Иванович Менделеев в 1890 году писал Ферми: «получил прозрачные рубины, кри­сталлизующиеся в ромбоэдрах и не отличающиеся по своей твердости, цвету, величине и другим свойствам от природных…».

Для выращивания кристаллов из раствора используют следующие методы:

Метод испарения. Выращивание происходит при комнатной температуре. Раствор готовят слабо недосыщенный. Температура насыщения должна быть на 1–2 °С ниже комнатной. Раствор фильтруется, сразу разливается по небольшим ёмкостям большой площади и небольшой высоты (1–3 см), закрывают крышкой, оставив небольшую щель. Через некоторое время вода испаряется, раствор становится перенасыщенным и на дне появляются кристаллы.

Метод охлаждения. Насыщенный или недосыщенный раствор нужно перевести в пересыщенный путём понижения температуры. Раствор, насыщенный при температуре 30–35 °С, после некоторого перегрева выливают в сосуд и плотно закрывают. После охлаждения до комнатной температуры раствор сильно пересыщен и в нём возникают кристаллы. Они разрастаются до тех пор, пока весь избыток растворённого вещества не выделится из раствора.

Метод перепада температур. Кристалл выращивают в кристаллизаторе. В одной части сосуда с раствором поддерживают более высокую температуру. В неё помещают подпитывающие кристаллы. Там, где температура ниже, помещают затравочный кристалл. Раствор, попадая из тёплой зоны в холодную, становится пересыщенным. Для выращивания кристаллов таким методом требуется время от нескольких суток до несколько недель.

V. Практическая часть. Выращивание кристаллов в домашних условиях.

Кристаллизация – процесс образования кристаллов из раствора, расплава, а иногда и из газовой фазы. Чтобы вырастить кристаллы в домашней лаборатории, я применила методику испарения насыщенного раствора открытым способом. Это самый простой способ. По мере испарения в сосуд подливается новая порция насыщенного раствора. Для проведения эксперимента я выращивала кристаллы из соли, сахара, медного купороса, железного купороса.

Приборы для приготовления кристалла: кастрюля, марля, стеклянная банка, нить. Вещества: соль, медный купорос, железный купорос, сахар.

Ход эксперимента

Приготовление раствора

Необходимо приготовить раствор из тёплой воды. Банку на половину объёма наполняют водой и небольшим количеством соли (морской соли, сахара, железного или медного купороса), которую постоянно перемешивают. Добавляем ещё вещества и снова перемешиваем. Повторяем этот этап до тех пор, пока вещество не будет растворяться, и станет оседать на дно сосуда. Получился насыщенный раствор. Готовый раствор необходимо профильтровать и перелить во вторую банку, в которой будет происходить рост кристаллов. Банку накрыть листком бумаги или крышкой, чтобы не попадали инородные тела (которые могут стать ядром кристаллизации), ждать появление первых кристалликов.

Фильтрация раствора

В своих опытах, в качестве фильтров, я использовала ватные диски. Диски плотно вставляют в горлышко воронки и затем фильтруют раствор.

Выращивание кристаллов.

Взяла понравившийся крупный кристаллик поваренной соли (сахара). Сделала из него «затравку». Обвязав затравку ниткой, опустила в стакан с концентрированным раствором поваренной соли на несколько дней. Через несколько часов после приготовления раствора на ниточке начинают появляться кристаллы. После этого опустила кристаллы в новый раствор поваренной соли и в течение двух недель не забывала обновлять его каждые два дня. Через две недели можно получить крупные кристаллы поваренной соли.

Для медного и железного купороса затравку готовила следующим образом: оставила раствор на два дня. За это время на дно банки выпали кристаллы. Выбрала из них самый крупный. Он и стал затравкой для данного химического вещества.

VI. Анализ полученных результатов.

Таким образом, я установила, что можно вырастить кристаллы в домашних условиях.

Мне удалось вырастить поликристаллы, вырастить монокристалл у меня не получилось (над этим я продолжаю работать). Я заметила, что выращенные мной кристаллы имеют разную устойчивость. Самый неустойчивый оказался кристалл железного купороса. Через несколько дней он потерял цвет и твёрдость. На воздухе он превратился в белый порошок. Ознакомившись с дополнительной литературой, я узнала: железный купорос – искусственный аналог минерала мелантерит, являющийся водным сульфатом железа. Кристалл железного купороса быстро выветривается. Входящая в состав вода быстро испаряется, и кристалл распадается, превращаясь в порошок. Если кристалл хранить в закрытой ёмкости, без доступа воздуха, он сохраняется дольше, но всё равно со временем распадётся.

Кристалл медного купороса более устойчив. Медный купорос – искусственный аналог минерала халькантит, кристаллогидрат сульфата меди. Кристалл устойчив на воздухе, растворим в воде. Но со временем вода, входящая в кристалл испаряется, и кристалл превращается в порошок голубого цвета. Самыми устойчивыми оказались кристаллы соли и сахара. Они растворимы в воде, на воздухе не распадаются.

В процессе выращивания кристаллов необходимо следить за концентрацией раствора, если вовремя не поменять раствор, то кристалл может раствориться.

По итогам выполнения исследовательской работы я сделала для себя следующие выводы:

1. При благоприятных условиях некоторые твердые тела принимают форму кристаллов.

2. Кристаллы растут из растворов, когда испаряется вода.

3. Рост кристаллов зависит от концентрации раствора.

4. На форму кристаллов соли оказывает влияние температура (изменяется форма кристаллов и число граней кристаллов).

5. Быстрота роста кристаллов зависит от относительной влажности (при повышенной влажности испарение замедляется).

6. Скорость роста кристаллов зависит от рода вещества (быстрее всего росли кристаллы железного купороса).

7. Кристаллы различных веществ имеют разную форму и разный цвет.

8. Кристаллы разных веществ имеют разную устойчивость (самый неустойчивый кристалл железного купороса, самые устойчивые – соли и сахара).

Если кристаллизация идёт очень медленно, получается один большой кристалл, а если быстро — то множество мелких кристаллов.

Я заметила, увеличение скорости роста кристаллов с повышением температуры. Объясняется это тем, что с повышением температуры раствора одновременно возрастает и концентрация соли в насыщенном растворе. Емкость же с кристаллом лучше поставить в прохладное и сухое место, так как при высокой влажности, скорость испарения воды уменьшается, и образование кристаллов будет идти медленнее.

Важно соблюдать следующие меры предосторожности:

1. Кристаллик нельзя при росте без особой причины вынимать из раствора.

2. Не допускать попадание мусора в насыщенный раствор.

3. Нужно следить за уровнем насыщенного раствора, периодически (раз в неделю или две) обновлять при испарении раствор.

Я заметила, что выращенные мной кристаллы имеют разную устойчивость. Самый неустойчивый оказался кристалл железного купороса. Через несколько дней он потерял цвет и твёрдость. На воздухе он превратился в белый порошок.

VII. Заключение.

Кристаллы – одни из самых красивых и загадочных творений природы. Изучением многообразия кристаллов занимается наука кристаллография. Она всесторонне рассматривает кристаллические вещества, исследует их свойства и строение. В давние времена считалось, что кристаллы представляют собой редкость. Действительно, нахождение в природе крупных однородных кристаллов - явление нечастое. Однако мелкокристаллические вещества встречаются весьма часто. Так, например, почти все горные породы: гранит, песчаники, известняк - кристалличны. Даже некоторые части организма кристалличны, например, роговица глаза, витамины, оболочка нервов.

Размеры, цвета и формы кристаллов иногда просто поражают своей необычностью. Это и снежинки зимой, и драгоценные камни в ювелирных изделиях. Мы строим дома из кристаллов, также едим кристаллы, лечимся ими, но, что самое главное – мы сами частично состоим из кристаллов.

VIII. Литература:

1.Физика твердого тела. Лабораторный практикум (методы получения Твёрдых тел и исследования их структуры) / под ред. Прооф. Хохлова. -М.: Высшая школа, 2001, т.1. 2. Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н. Н. Сотский. Физика: учебник для 10 класса общеобразовательных учреждений/ 12-е изд. – М.: Просвещение, 2004. – 366 с. 3. Кабардин О.Ф., Кабардина С.И. и др. Факультативный курс физики.- М.,1974

Интернет- ресурсы:

1.Кристаллы // Википедия - Электронный ресурс:

http://ru.wikipedia.org/wiki/

2. Физика твёрдого тела // Википедия - Электронный ресурс: http://ru.wikipedia.org/wiki/

3. Жидкие кристаллы, история открытия жидких кристаллов, структура, типы и их применение - Электронный ресурс:

http://articles.excelion.ru/science/fizika/52788977.html

4.Выращивание кристаллов в домашних условиях. Как вырастить кристалл // Занимательная химия - Электронный ресурс: http://www.kristallikov.net/page6.html

Картинки: http:// yandex.ru/imaqes/search

IX. Приложение (фото автора)

Выращивание кристаллов соли.

Кристалл соли через 2 недели

Выращивание кристаллов сахара.

Выращивание кристаллов медного купороса.

На стенках банки хорошо виден процесс кристаллизации медного купороса сразу после приготовления насыщенного раствора.

Кристалл медного купороса через 2 недели

Выращивание кристаллов железного купороса

Кристаллы для «затравки»

Кристалл железного купороса через 2 недели

17