Проект "В глубь кристалла"

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение Аксайского района

Большелогская средняя образовательная школа

Секция «Юный исследователь»

ПРОЕКТ

В глубь кристалла

Дульцева Анастасия Александровна

7Б класс,

Сливачева Юлия Игоревна

7Б класс

Кущенко Геннадий Васильевич,
учитель физики
МБОУ Большелогская СОШ

Большой Лог

2017

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 3

1. Теоретические сведения о кристаллах 5

2. Описание эксперимента по выращиванию кристаллов 9

3. Применение кристаллов 15

Вывод 17

Список используемой литературы (источников) 18

Введение

Полезно камни наблюдать,
Над ними можно размышлять,
Ценней же прочего - желанье
Законы жизни их понять.
Прочесть сокрытые в них тайны,
Что им присуще, что - случайно.
И поделиться, рассказать,
О том, что удалось узнать.

Из книг, научных статей мы узнали, что кристаллы получают в лаборатории, но бывают они и в природе. Например, снежинки, морозные узоры на стеклах окон и иней, украшающий зимой голые ветки деревьев. Кристаллы встречаются нам повсюду. Кристаллы широко применяются в науке, промышленности, оптике, электронике. Мы ходим по кристаллам, строим из кристаллов, обрабатываем кристаллы на заводах, выращиваем кристаллы в лабораториях и в заводских установках, создаем приборы и изделия из кристаллов, широко применяем кристаллы в технике и в науке, едим кристаллы, лечимся кристаллами, находим кристаллы в живых организмах, проникаем в тайны строения кристаллов, выходим на просторы космических дорог с помощью приборов из кристаллов и растим кристаллы в космических лабораториях.

Актуальность работы: Тема интересная и познавательная. Кристаллы играли и играют до сих пор немаловажную роль в жизни человека. Они обладают оптическими и механическими свойствами, именно поэтому первые линзы, в том числе и для очков, изготавливались из них. Кристаллы до сих пор применяются для изготовления призм и линз оптических приборов. Кристаллы сыграли важную роль во многих технических новинках XX века. Кроме того, кристаллы можно выращивать из раствора. Это удивительное свойство кристаллических тел! Кристаллы различны по строению, размерам, форме, качеству. Знать и изучать свойства твердых тел необходимо. Ведь это позволяет создавать новые вещества, улучшать уже существующие, находить новые области применения твердых тел в науке и технике. В акустике не обойтись без пьезокристаллов. В оптике твердые тела используют для изготовления линз, призм и других элементов оптических установок. Квантовая электроника широко использует в лазерах кристаллы рубина, сапфира и других веществ. Выращивание кристаллов превратилось в целую отрасль промышленности. Искусственные алмазы и другие сверхтвердые материалы позволяют во многих случаях отказаться от дорогих естественных алмазов. Новые конструкционные материалы, созданные на основе изучения и улучшения механических свойств и жаропрочности твердых тел, идут на изготовление корпусов космических ракет. Огромные возможности для науки и техники открыло создание полупроводниковых материалов и приборов, а так же использование жидких и фотонных кристаллов. Получение материалов с заданными механическими, магнитными, электрическими и другими свойствами – одно из основных направлений современной физики твердого тела. Примерно половина физиков мира работают сейчас в этой области науки. Нас очень заинтересовала эта тема, и мы решили вырастить кристаллы солей в домашних условиях. Учет вышеизложенных фактов определил тему нашего проекта: «В глубь кристалла».

Цель проекта: познакомится с разнообразием кристаллов, вырастить кристаллы разнообразных веществ из растворов и сравнить их свойства, определить условия для выращивания кристаллов, создание демонстрационного материала для изучения физических свойств кристаллических тел.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Вырастить кристаллы поваренной соли и сахара, медного купороса, гидрофосфата аммония, льда.

2. Исследовать особенности и скорость роста кристаллических тел.
3. Исследовать свойства кристаллических тел.
4. Проанализировать полученный результат эксперимента.

5. Рассмотреть применение кристаллов в науке и технике.

6. Создать фотогалерею выращенных кристаллов и презентацию.

В процессе работы мы использовали следующие методы познания:

1.Работа с научной и художественной литературой.

2. Проведение констатирующего эксперимента, с целью выяснения физических свойств и особенностей кристаллических тел.

3. Целенаправленное, длительное наблюдение за процессом роста кристаллов, с отражением результата в дневнике наблюдений.

4.Анализ полученных результатов.

1.Теоретические сведения о кристаллах

Интересно происхождения слова «кристалл» (оно звучит почти одинаково на всех европейских языках). Много веков назад среди вечных снегов в Альпах, на территории современной Швейцарии, нашли очень красивые, совершенно бесцветные кристаллы, очень напоминающие чистый лед. Древние натуралисты так их и назвали – «кристаллос» (то есть – лед); это слово происходит от греческого «криос» – холод, мороз. В то время учёные предположили, что лед, находясь, длительное время в горах, на сильном морозе, окаменевает и теряет способность таять. Один из самых авторитетных античных философов Аристотель писал, что «кристаллос рождается из воды, когда она полностью утрачивает теплоту». Римский поэт Клавдиан в 390 году то же самое описал стихами:

Ярой альпийской зимой лед превращается в камень.
Солнце не в силах затем камень такой растопить.

Так что же такое кристалл? Слово кристалл для нас связано с чудом, сказкой. Снегурочка, Серебряное копытце, хозяйка Медной горы, три царевны подземного царства, олицетворяющие богатство земных недр и люди, которые добывают, обрабатывают, создают из кристаллических тел уникальные произведения искусства. Удивителен и многообразен мир кристаллов! Их красотой восхищаются не только ученые, но и писатели, поэты, художники. Кристаллические тела с давних пор оказывали заметное воздействие на основные сферы интересов человека: эмоциональную (религия, искусство), идеологическую (религия), интеллектуальную (наука, искусство). Определение «кристалл» дано во многих энциклопедиях и справочниках. Например, по словарю С.М. Ожегова: «кристалл – это твердое тело, имеющее упорядоченное, симметричное строение». А вот в справочнике «Элементарной физики» кристаллу дается более полное определение: «кристалл – это однородное анизотропное тело, в котором частицы (ионы, атомы, молекулы) расположены в пространстве правильно построенными цепочками, плоскими сетками и трехмерными решетками; эти частицы совершают колебания относительно положения равновесия». Твердым телам или кристаллам, присуще периодически повторяемое в пространстве расположение атомов, ионов, молекул. Иначе говоря, кристаллическая решетка. У кристаллических твердых тел существует четыре вида пространственных решеток:

Ионная решетка. В узлах этой решетки в определенном порядке чередуются ионы противоположных знаков, удерживающиеся в положении устойчивого равновесия электростатическими силами. Например, такая пространственная решетка у соли (NaCl). Атомная решетка. В узлах этой решетки находятся нейтральные атомы, взаимодействия между которыми происходит через общие для каждых двух соседних атомов электронные пары (ковалентная связь). Примером служит алмаз и графит.

Молекулярная решетка. В узлах данной решетки расположены нейтральные молекулы, удерживающие молекулярными силами притяжения. Например, такую кристаллическую решетку имеют: H2, N2, O2, CO2, HO2 .

Металлическая решетка. В узлах этой решетки находятся положительные ионы, взаимодействие между, которыми осуществляется через общественные, свободные электроны.

В каждой пространственной решетке можно выделить структурный элемент минимального размера, который называется элементарной ячейкой. Вся кристаллическая решетка может быть построена путем параллельного переноса (трансляции) элементарной ячейки по некоторым направлениям. Теоретически доказано, что всего может существовать 230 различных пространственных кристаллических структур. Большинство из них (но не все) обнаружены в природе или созданы искусственно.

По своим физическим свойствам и молекулярной структуре твердые тела разделяются на два класса – аморфные и кристаллические тела, обладающие кристаллической решеткой.

Свойства кристаллов:

• Кристаллические тела могут быть монокристаллами и поликристаллами. Поликристаллические тела состоят из многих сросшихся между собой хаотически ориентированных маленьких кристалликов, которые называются кристаллитами. Большие монокристаллы редко встречаются в природе и технике. Чаще всего кристаллические твердые тела, в том числе и те, которые получаются искусственно, являются поликристаллами.

• Монокристалл – отдельный однородный кристалл, имеющий непрерывную кристаллическую решетку и иногда имеющий анизотропию физических свойств. Внешняя форма монокристалла обусловлена его атомно-кристаллической решеткой и условиями кристаллизации. Медленно выращенный монокристалл почти всегда приобретает хорошо выраженную естественную огранку. При ещё большей скорости кристаллизации вместо монокристалла образуются однородные поликристаллы, состоящие из множества мелких монокристаллов.

• Поликристалл – агрегат мелких кристаллов какого либо вещества, иногда называемых из за неправильной формы кристаллами или кристаллическими зернами. Он отличается от монокристалла тем, что состоит из множества разноориентированных мелких монокристаллов. Свойства поликристалла обусловлены свойствами, состоянием его кристаллических зерен, их среднего размера, строением межзеренных границ.

• Анизотропность – выражается в неодинаковости физических свойств кристалла(твёрдость, прочность, теплопроводность, электропроводность, скорость распространения света, скорость химических реакций на кристалл какого либо растворителя).

• Однородность – выражается в том, что любые элементарные объёмы кристаллического вещества, одинаково ориентированные в пространстве, абсолютно одинаковы по всем своим свойствам: имеют один и тот же цвет, массу, твердость , и т.д.. Таким образом кристаллы есть однородное, но в тоже время анизотропное тело.

• Способность к самоогранению – выражается в том, что любой обломок кристалла в соответствующей для его роста среде, с течением времени покрывается гранями. Кристаллические решетки металлов часто имеют форму шестигранной призмы (цинк, магний), гранецентрированного куба (медь, золото) или объемно центрированного куба (железо).

• Постоянная температура плавления - выражается в том, что при нагревании кристалла температура повышается до определённого предела. При дальнейшем нагревании вещество начинает плавится, а температура некоторое время остается постоянной, также всё тепло идет на разрушение кристаллической решетки.

2. Эксперимент по выращиванию кристаллов различных веществ.

Кристаллы правильной геометрической формы встречаются в природе редко. Совместное действие таких неблагоприятных факторов, как вода, ветер, колебания температуры, тесное окружение соседними твердыми телами, не позволяют растущему кристаллу приобрести характерную для него форму. Но такой кристалл можно вырастить в искус­ственных условиях. Выращивание кристаллов физико-химический процесс. Растворимость веществ можно отнести к физическим явлениям, так как происходит разрушение кристаллической решётки. Другой физический процесс – диффузия, когда происходит самопроизвольное перемешивание веществ. Однако зачастую мы наблюдаем и химические процессы: гидролиз и сольватацию. Существуют два простых способа выращивания кристаллов из пересыщенного раствора: путем охлаждения насыщенного раствора или путем его выпаривания. Первым этапом при любом из двух способов является приготовление насыщенного раствора. Растворимость любых веществ зависит от температуры. Обычно с повышением температуры растворимость увеличивается, а с понижением температуры — уменьшается. При охлаждении насыщенного раствора в нем будет находиться избыточное количество вещества. При отсутствии центров кристаллизации это вещество может оставаться в растворе, то есть раствор будет пересыщенным. С появлением центров кристаллизации избыток вещества выделяется из раствора, и выпадает в виде кристаллов, число которых тем больше, чем большее число центров кристаллизации содержащихся в растворе. Центрами кристаллизации могут служить пылинки, мелкие кристаллики, кусочки керамической плитки. Если дать выпавшим кристалликам подрасти в течение суток, то среди них найдутся чистые и совершенные по форме экземпляры.

Чтобы вырастить кристалл нам понадобится:

1. Составные компоненты: вода, соль (сахар), другие химические реактивы, краситель.

2. Приборы – сосуд для выращивания, основа(кусочек плитки, суровая нитка и др.).

Этапы эксперимента

• Разогреть 200 мл воды

• Добавить химический реактив (соль, сахар)

• Перемешать до полного растворения, добавить еще реактива и перемешать, чтобы получить раствор более насыщенным

• Залить раствор в сосуд так, чтобы оставшаяся соль не попала в него

• Выбрать кристалл соли побольше и аккуратно положить в сосуд

• Закрыть раствор крышкой, оставить кристалл расти в комнате

• Следить за кристаллом, вести наблюдательные записи, делать выводы!

Проведение эксперимента:

В кастрюлю наливается вода и ставится на огонь, но до кипения не доводится: раствор  должен получиться  горячим, но только не кипятком. После нагревания  кастрюли с водой, в нее засыпается маленькими порциями соль, раствор при этом нужно постоянно помешивать. Добавляется новая порция соли тогда, когда предыдущая уже целиком растворилась. Концентрация раствора должна быть такой, чтобы  в нем перестали растворяться песчинки соли. Теперь концентрат можно считать готовым. Его следует перелить в стеклянную банку и дать ему отстояться около суток. Это нужно сделать, чтобы маленькие не растворившиеся частички соли выпали на дно. На второй день  в банке можно увидеть множество маленьких кристалликов. Нужно выбрать самый больший из них и достать его, а после этого привязать кристалл на нитку или прикрепить на проволоку. Так получится затравка, наличие которой важно перед тем, как вырастить кристалл поваренной соли. Потом раствор надо перелить в пустую емкость, но так, чтобы  не попали мелкие кристаллы. Когда это не будет сделано, частички кристаллов соли начнут забирать вещество из раствора на свой рост. Как центр кристаллизации выбирается самый большой из кристаллов из уже полностью отстоявшегося соляного раствора. Можно в качестве центра кристаллизации использовать кусок керамической плитки. При быстром охлаждении солевого раствора кристалл вырастает за минимальное время, но его  форма при этом будет геометрически неправильной, а вот кристаллы, выращенные при постепенном понижении температуры заберут больше времени, но зато поразят своей совершенной красотой. Не стоит также  взбалтывать банку с растущим кристаллом, как и нельзя доставать его, пока процесс по вашему мнению окончательно не завершится. В ходе нашего эксперимента мы вырастили кристаллы из растворов соли, сахара, медного купороса, гидрофосфата аммония, льда.

Особенно интересно было следить за ростом кристаллов льда. Температура окружающего воздуха -17 градусов. В неглубокую тарелку мы налили воды. Тарелку поставили в снег. Через некоторое время температура воды стала равной 0°С. Теряя тепло, вода при 0°С в тарелке начала замерзать. На поверхности воды появились прозрачные, вытянутые в длину игольчатые кристаллы льда. Появившись по отдельности, они быстро соединились в группы. Образовалась твёрдая корочка льда на поверхности воды. Потом мы на небольшое чистое стёклышко поместила большую каплю воды. Охладили стёклышко, прижав его к снегу. Замерзая, капля воды дала кристаллы в виде разнообразных звёздочек. При рассмотрении в лупу кристаллы льда имеют форму удлиненных шестиугольных призм. Увеличиваясь и разрастаясь, ледяные иголки встречаются одна с другой, ветвятся. Так образуются узоры мороза на стеклах окон. Ветвистые кристаллы ученые называют дендритами, т.е. древообразными. Для образования дендритов необходимо быстрое охлаждение. 

А кристаллы из гидрофосфата аммония мы вырастили к наступающему новому году в виде разноцветной новогодней елки!

Мы внимательно рассмотрели с помощью лупы выращенные нами кристаллы и пришли к следующим выводам:

1. Кристаллы разных веществ отличаются друг от друга своими формами.

Эти твердые тела - поликристаллы. Они состоят из множества кристаллов беспорядочно ориентированных относительно друг друга.

1. Отдельные части кристалла повторяют друг друга, образуя красивую симметричную фигуру.

2. Грани ровные. Углы между отдельными гранями кристаллов одинаковы.

3. Цвет кристаллов различен, это зависит от примесей.

Применение кристаллов

Применения кристаллов в науке и технике так многочисленны и разнообразны.

Самый твердый и самый редкий из природных минералов - алмаз. Благодаря своей исключительной твердости алмаз играет громадную роль в технике. Примерно 80% применяемых в технике алмазов идет на заточку инструментов и резцов "сверхтвердых сплавов". Алмазы служат опорными камнями (подшипниками) в хронометрах высшего класса для морских судов и в других особо точных навигационных приборах. На алмазных подшипниках не обнаруживается никаких следов износа даже после 25 миллионов оборотов.

Рубин и сапфир относятся к самым красивым и самым дорогим из драгоценных камней. Сапфир прозрачен, поэтому из него делают пластины для оптических приборов. Основная масса кристаллов сапфира идет в полупроводниковую промышленность. А 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, капрона, нейлона. В 1960 году был создан первый лазер на рубине.

Другим замечательным минералом, применяемым в технике, является кварц. Кремень, аметист, яшма, опал, халцедон, горный хрусталь — все это разновидности кварца. Например, чистые бездефектные кристаллы горного хрусталя идут на изготовление призм, спектрографов, поляризующих пластинок. Пьезоэлектрический эффект в кристал­лах широко применяются для вос­произведения, записи и передачи звука. Существуют и пьезоэлектрические методы измерения давления крови в кровеносных сосудах человека и давления соков в стеблях и стволах растений. Пьезоэлектропластинками измеряют, например, давление в стволе артиллерийского орудия при выстреле, давление в момент взрыва бомбы, мгновенные давления в цилиндрах двигате­лей при взрыве в них горячих газов.

В технике также нашел своё применение поликристаллический материал поляроид. Поляроид - это тонкая прозрачная пленка, сплошь заполненная крохотными прозрачными игольчатыми кристалликами вещества. 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. Поляроидные стекла помогут предотвратить столкновения встречных автомобилей, которые очень часто случаются из-за того, что огни встречной машины ослепляют шофера, и он не видит этой машины.

Большинство полупроводниковых электронных приборов изготовлено из кристаллов германия или кремния. Крупные монокристаллы этих веществ выращивают из раствора, расплава или газовой фазы. Например, выращенный из раствора маленький кристалл германия помещают в насыщенный водный раствор, который начинают выпаривать. Из-за того, что соли осаждаются на кристалле, он увеличивается. Кристаллы, выращенные в трех фазах, достигают огромных размеров: 30-40 см в длину и 5-10 см в диаметре. Из «этих монокристаллов – гигантов» германия или кремния вырезают множество пластинок шириной в доли миллиметра, которые протравливают и полируют. Кремниевые пластинки используются для создания интегральных схем. Современный уровень технологии позволяет на пластине кремния площадью несколько квадратных миллиметров разместить десятки тысяч электронных элементов. (10) Полупроводниковые диоды используются в компьютерах и системах связи, транзисторы заменили электронные лампы в радиотехнике, а солнечные батареи, помещаемые на поверхности космических летательных аппаратов, преобразуют солнечную энергию в электрическую.

Вывод

Таким образом, мы создали демонстрационный материал по изучению темы: «Свойства кристаллов» для учащихся общеобразовательных организаций. Его можно применять на уроках: физики, природоведения ,географии и биологии, а так же тот материал может быть показан на классных часах и при проведении внеурочных занятий при организации проектной деятельности учащихся направленной на формирование исследовательского стиля мышления учащихся, что способствует повышению интереса детей к изучаемому материалу, через иллюстрирование и использование современных педагогических технологий.

Список литературы

1. Шаскольская М.П. Кристаллы. Книга/М.П. Шаскольская – М.: Наука, 1985. 2. Китайгородский А.И. Кристаллы. Книга/ А.И. Китайгородский – М: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1984. – 208с. 3. Журнал «Квант» Клия О.М. «Как вырастить кристалл». 1970 № 5. - 42-44с. 4.Разумовский В.Г. Физика и научно-технический прогресс: книга для учителя/ В.Г. Разумовский, Э.М. Браверманн, Н.Е. Важеевская и другие – М.: Просвещение, 1988. – 176с.

5. Ольгин О. Опыты без взрывов: книга для учителя/ О. Ольгин 6.Мякишев Г.Я. Физика. 10 класс: учебник для общеобразовательных учреждений/ Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.Н. Сотский. – М.: Просвещение, 2009.- 366с.

7. Детская энциклопедия. Для старшего и среднего возраста. Том 3. – М.: Педагогика, 1973.- 544с. 8.Неорганическая химия. Энциклопедия школьника. – М.: Советская Энциклопедия,1975. – 384с.

9.Касьянов В.А Физика. 10 класс: учебник для общеобразовательных учреждений/В.А. Касьянов – М.: Просвещение, 2009.- 366с

10. Детская энциклопедия. Для старшего и среднего возраста. Том 1. – М.: Педагогика, 1971.- 448с.

11. Элизабет А. Вуд Кристаллы. Пособие для учителей и учеников/ Элизабет А. Вуд -

По заказу Комиссии по преподаванию кристаллографии при Международном Союзе Кристаллографов, 1972.

12. Информационные ресурсы Интернета