Индивидуальный проект по химии

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

Соленоозерная средняя школа № 12

Индивидуальный проект:

«Выращивание кристаллов»

ученицы 10 класса

Руководитель проекта:

учитель биологии и химии

Аргудаева Галина Егоровна

с. Соленоозерное

2024г

Оглавление

Введение……………………………………………………………….…………...3

Раздел 1. Теоретический материал……………………………………………….4

1.1Охлаждение насыщенного раствора………………………………………….4

1.2Постепенное удаление воды из насыщенного раствора…………………….5

1.3Быстрое удаление воды из насыщенного раствора………………………….6

1.4Методы выращивание кристаллов……………………………………………7

1.5Кристаллы и их применение…………………………………………………..8

Раздел 2. Практический материал………………………………………….…….10

Заключение………………………………………………………………………...15

Список литературы………………………………………………………………..16

Введение

Актуальность: Все камни - это кристаллы! Причём не только яркие и блестящие драгоценные камни (алмазы, рубины, сапфиры), но и обычные, из которых состоят горы, скалы, ущелья и пещеры. Существуют даже кристаллы, которые можно съесть! Это соль и сахар, которые имеются на каждой кухне. Кристаллы широко применяются в науке, промышленности, оптике, электронике.

Объект исследования: являются кристаллы.  
Предмет исследования: процесс кристаллизации.

Цель работы: научиться выращивать кристаллы из медного и железного купороса в домашних условиях

Задачи:

1.Узнать, что такое кристаллы.

2.Изучить процесс выращивания кристаллов.

3.Ознакомиться с мерами безопасности при работе с медным купоросом.

4.Вырастить кристалл из соли медного купороса.

5.Проанализировать полученные результаты.

Методы: наблюдение, эксперимент, описание

Тип проекта: исследовательский

Продукт: кристаллы

Практическая значимость: использовать на уроках химии, тематических классных часах, и для оформления кабинета химии

Гипотеза: я предполагаю, что вырастить кристаллы в домашних условиях возможно

Раздел 1.Теоретическая материал.

Кристаллы - это твердые тела, имеющие упорядоченную симметричную структуру. В переводе с греческого слово «кристалл»  означает «прозрачный лед». Сначала это называлось горным хрусталем. Горный хрусталь был ошибочно принят за лед, который замерз так сильно, что больше не таял. Главной особенностью кристалла считалась его прозрачность, поэтому позже все прозрачные твердые тела стали называть именно так. Все кристаллы делятся на две большие группы: идеальные и реальные. Идеальные кристаллы - это математическая модель, используемая учеными для описания свойств реальных кристаллов. Настоящие кристаллы -это те, с которыми мы сталкиваемся в жизни. Они имеют различные примеси, шероховатые поверхности и могут иметь неправильную форму. Также кристаллы делятся на группы по происхождению: природные и искусственные (выращенные человеком). Природные кристаллы растут в недрах планеты в естественных условиях для роста. Искусственные кристаллы выращивают в лабораториях или дома. Например, кристаллы соли можно выращивать в домашних условиях.

Жидкие кристаллы— вещества, которые ведут себя одновременно как жидкости и как твёрдые тела. Молекулы в жидких кристаллах, с одной стороны, довольно подвижны, с другой — расположены регулярно, образуя подобие кристаллической структуры (одномерной или двумерной). Часто уже при небольшом нагревании правильное расположение молекул нарушается, и жидкий кристалл становится обычной жидкостью. Напротив, при достаточно низких температурах жидкие кристаллы замерзают, превращаясь в твёрдые тела. Регулярное расположение молекул в жидких кристаллах обусловливает их особые оптические свойства. Свойствами жидких кристаллов можно управлять, подвергая их действию магнитного или электрического поля. Это используется в жидкокристаллических индикаторах часов, калькуляторов, компьютеров и последних моделей телевизоров. Соблюдая большие предосторожности, можно вырастить кристалл больших размеров — монокристалл.

1.1. Охлаждение насыщенного раствора

Охлаждение насыщенного раствора. С понижением температуры растворимость большинства веществ уменьшается, и они, как говорят, выпадают в осадок. Сначала в растворе и на стенках сосуда появляются крошечные кристаллы-зародыши. Когда охлаждение медленное, а в растворе нет твёрдых примесей (скажем, пыли), зародышей образуется немного, и постепенно они превращаются в красивые кристаллы правильной формы. При быстром охлаждении центров кристаллизации возникает много, сам процесс идёт активнее и правильных кристаллов при этом не получится. 2.Постепенное удаление воды из насыщенного раствора.

1.2. Постепенное удаление воды из насыщенного раствора

В этом случае чем медленнее удаляется вода, тем лучше получаются кристаллы. Можно оставить открытый сосуд с раствором при комнатной температуре на длительный срок — вода при этом будет испаряться медленно (особенно если сверху положить лист бумаги или прикрыть марлей). Растущий кристалл можно либо подвесить в насыщенном растворе на тонкой прочной нитке, либо положить на дно сосуда. В последнем случае кристалл периодически надо поворачивать на другой бок. По мере испарения воды в сосуд следует подливать свежий раствор.

1.3. Быстрое удаление воды из насыщенного раствора

В этом случае кристаллы получаются правильной формы, с острыми гранями, но мелкими (раствор находился в широком сосуде рядом с нагревателем).

1.4. Методы выращивание кристаллов

Для изучения свойств тех или иных кристаллов необходимо приготавливать (выращивать) хорошие образцы – часто в форме монокристаллов самой высокой, насколько возможно, степени совершенства и химической чистоты. В качестве исходных необходимо использовать материалы высокой химической чистоты. Помимо обычных химических методов очищения, многие металлы и полупроводники могут быть очищены методом зонной плавки. Кристаллы можно выращивать, медленно выпаривая растворитель из раствора, охлаждая расплав или конденсируя пары. Кристаллы выращиваются из расплава по методу Бриджмена или Чохральского. 

При использовании метода Чохральского небольшой кристалл-затравка, укрепленный на вертикальной проволоке или стержне, погружается в расплав и затем медленно выводится из него. При соответствующем контроле за температурой и скоростью вытягивания из затравочного кристалла может вырасти крупный монокристалл. По методу Бриджмена расплав находится в вертикально закрепленном тигле с остроконечным дном. При медленном опускании тигля из горячей зоны в более холодную на его остром дне образуется кристалл-зародыш, который в ходе дальнейшего опускания тигля может вырасти в крупный монокристалл. Метод молекулярной эпитаксии (ММЭ) позволяет последовательно слой за слоем наращивать полупроводниковые чипы на подходящей кристаллической подложке. В каждом слое (толщина которого может не превышать диаметра одного атома) точно повторяется кристаллическая структура подложки. Нагревая ионный кристалл в парах его металлического компонента или какого-либо другого металла, в него можно ввести избыток этого металла. Во многих случаях такие легированные кристаллы обнаруживают новые интересные свойства, обусловленные именно этими внедренными на атомном уровне металлическими компонентами. Например, при нагревании хлорида натрия в парах натрия кристалл из прозрачного становится желто-коричневым; в этом случае говорят, что в кристалле появились центры окраски. В ряде случаев атомы металла, введенные в кристалл при его нагревании в металлических парах, могут коагулировать в небольшие металлические кристаллы, внедренные в исходный ионный кристалл [4,с. 112].

Выращивать кристаллы в лаборатории удаётся благодаря процессу образования кристаллов из паров, растворов. Кристаллизация начинается при достижении некоторого предельного условия, например, переохлаждения жидкости или пересыщения пара, когда практически мгновенно возникает множество мелких кристалликов - центров кристаллизации. Кристаллики растут, присоединяя атомы или молекулы из жидкости или пара. Рост граней кристалла происходит послойно, края незавершенных атомных слоев при росте движутся вдоль грани.

1.5. Кристаллы и их применение

Использование кристаллов в науке и технике очень разнообразно. Вот лишь несколько примеров. В качестве украшения используется самый твердый и редкий минерал – алмаз. Кроме того, из-за своей исключительной твердости многие режущие инструменты покрыты смесью алмазного порошка и клея. Алмазный порошок используется для шлифовки и полировки твердых камней, закаленной стали, твердых и сверхтвердых сплавов. Рубин и сапфир - одни из самых красивых и дорогих драгоценных камней. Но у них есть и другое применение. Все часы работают на искусственных рубинах. Рубины используются влазерах, потому что их кристалл усиливает свет. Кристаллы кремния являются частью полупроводниковых диодов, которые присутствуют в каждом компьютере и мобильном телефоне. Поляроидные пленки используются в поляроидных очках, так как они гасят блики отраженного света. Это важно для полярников, которым приходится смотреть на слепящий снег, а также для водителей автотранспорта.

Каменная соль давно вошла в жизнь человека. Мы называем ее в быту просто солью, в технике - поваренной или пищевой солью.  В древности страны, куда ее завозили, платили цену, равную золоту: за килограмм соли – килограмм золотого песка.

Предупреждение! Прежде, чем мы перейдем к выращиванию кристаллов в домашних условиях не лишним будет напомнить о необходимости соблюдать технику безопасности:

• не используйте при проведении опыта пищевую посуду, а то можно и отравиться;

• не используйте неизвестные или просроченные вещества;

• после завершения опытов тщательно проветрите помещение и вымойте руки с мылом;

• при проведении опыта используйте перчатки, защитные очки и фартук;

• при попадании реактивов на кожу или в глаза немедленно промойте их проточной водой!

• берегите реактивы от детей! Будьте предельно осторожны и аккуратны!

\

Раздел 2.Практический материал

3.1. Исследование растворимости некоторых солей в воде.

Как показывает практика, наиболее распространёнными среди солей, из которых можно вырастить кристалл  являются: хлорид натрия NaCl, медный купорос CuSO4·5H2O, квасцы (алюмокалиевые KAl(SO4)2·12H2O, хромокалиевые KCr(SO4)2·12H2O). Менее распространены, но также используемы: сегнетова соль KNaC4H4O6·4H2O, бихромат K2Cr2O7 и хромат K2CrO4 калия, сульфат железа (II) FeSO4·7H2O, перхлорат натрия NaClO4, красная кровяная K3[Fe(CN)6] и жёлтая кровяная K4[Fe(CN)6] соли, соединения тяжелых металлов, органические соединения (гидрофталат калия KHC8O4H4, сахар C12H22O11, салициловая кислота C7H6O3, тиомочевина CS(NH2)2, различные соли органических кислот и т.п.) [приложение 3]. Однако, экспериментировать можно также с любыми другими соединениями и растворителем, заменяя воду на легколетучие спирт и эфир. Но, поскольку, самым распространённым растворителем является вода, в экспериментах была использована она, и разговор будет идти, в основном, о соединениях в ней растворимых [3, с. 132].

Для начала я исследовала растворимость некоторых солей в граммах на 100 грамм воды [приложение 1] и определил, из растворов каких солей буду выращивать кристаллы.

3.2. Выращивание монокристаллов.

Авторы многих книг по выращиванию кристаллов свои методики основывают на:

• приготовлении пересыщенных растворов (самая распространённая) с дальнейшей кристаллизацией в открытом (закрытом: термостат) сосуде;

• испарении насыщенного раствора открытым (закрытым: эксикатор) способом.

   Я использовала первый “открытый” вариант. Это не поможет полностью защитить раствор от пыли (даже накрывая фильтровальной бумагой), но этот эксперимент был не длительным. К тому же примеси будут в кристаллах по любому (другие ионы из нечистого вещества или воды и т. п.), мы можем только их слегка уменьшить.

   Для своей работы я взяла четыре соли: синий медный купорос, зеленый сульфат никеля, оранжевый бихромат аммония и белый хлорид натрия.

Самыми подходящими и простыми из всех изученных мною в различных источниках оказались два метода выращивания кристаллов: метод кристаллизации при изменении температуры и метод кристаллизации при испарении растворителя. 

   Раствор приготовила из слегка тёплой (не горячей!) воды. Воду лучше брать дистиллированную, но я взяла кипячёную. Химический стакан на половину объёма наполнил водой и небольшими количествами (~по 10гр) добавлял соль. После каждой новой порции соли раствор тщательно перемешивал. После того, как вещество перестаёт растворяться, добавил последние 10гр вещества и перемешал. Уже готовый раствор отфильтровал во второй химический стакан, в котором и происходил рост кристалла [приложение 4].

В первом опыте я исследовала, как условия выращивания влияют на рост кристаллов.

   Когда я приготовила насыщенные растворы всех четырех солей, то стаканы с растворами прикрыла картонными крышками и хорошо укутали, чтобы они остывали очень медленно. Поставила в   ящик, и оставили возле батареи на сутки. Отдельно один стакан оставила без укутывания и поставила просто на шкаф.

   Через сутки на дне стаканов, которые стояли в ящике, выпали довольно крупные кристаллы. Их было много, и все они были очень красивые. Кристаллы бихромата аммония были прямоугольные, кристаллы медного купороса  и хлорида натрия – как кубики, отличались только цветом и размерами,  а кристаллы сульфата никеля – прямоугольные. В стакане, который я не укутывала, выпали очень мелкие кристаллы, похожие на песок.

     В следующем опыте я попытался из полученных кристаллов вырастить более крупные.  Для этого отобрала по три кристалла разной формы и размера из каждой соли и подвесили их на капроновых нитях, приклеив скотчем к карандашам. Нити укрепила так, чтобы кристаллы оказались в насыщенных растворах. Такие кристаллики, которые затем разращиваются до более крупных размеров, называются затравкой.

Утром я увидел, что все кристаллы растворились или сильно уменьшились. Только игольчатый кристалл сульфата меди вырос раза в четыре и уже с трудом помещался в стакане. Поэтому я перенесла его в другую, большую банку. Но что-то я не рассчитала, и он тоже растворился.

   Я  повторила опыт. Все растворы профильтровали, чтобы убрать примеси, которые  могли быть растворены. Например, при промышленном получении кристаллов используют специально очищенные вещества и растворитель. Потому что примеси могут стать центрами кристаллизации и дадут начало паразитическим кристаллам. А мне  нужно, чтобы лишнее вещество при охлаждении раствора осаждалось только на затравке, чтобы рос только  один кристалл. Избыток вещества осаждается и на стенках банки выше раствора. Это называется ползучестью. Чтобы бороться с ползучестью, я стенки банки выше раствора смазал парафином от свечки.

  Но повторные опыты дали те же результаты – затравки растворялись.

 Я  снова обратилась к книгам и нашел, что растворение затравки – одна из главных трудностей при выращивании крупных кристаллов [1, с 104]. Так часто бывает и в лабораторных и промышленных условиях. Оказывается, чтобы найти нужные условия для выращивания крупных кристаллов, могут уйти годы труда.

3.3. Выращивание сростков кристаллов (друз)

   Это - один из самых быстрых способов выращивания кристаллов. Если выращивание одиночных кристаллов занимает много времени и рассчитано на постепенный, правильный рост кристаллов, то выращивание друзы гораздо легче, потому что оно ориентируется на быстрое, хаотическое выпадение кристаллов.   Для начала нам потребовалось приготовить перенасыщенный раствор соли в ГОРЯЧЕЙ воде. После охлаждения раствора в него вносят затравку - подвешенный на ниточке кристаллик. Уже через 5-10 часов можно увидеть большое количества кристалликов на нитке, на затравке, на дне стакана. Раствор оставляют в покое в течении 3-5 дней, затем вынимают нитку с кристаллом, раствор нагревают, добавляют воды и снова делают максимально концентрированным. После охлаждения в него вновь вносят нитку с уже подросшим кристаллом и оставляют на 3-5 дней.   Эту процедуру повторяют до тех пор, пока кристалл не достигнет необходимого размера[6].

Действительно, этим способом оказалось легко и быстро вырастить кристаллы всех четырех солей.

Заключение

Заинтересовавшись процессом выращивания кристаллов, я изучила большое количество литературы, рассказывающей историю кристаллографии, описывающей методы выращивания кристаллов, а ,проделав опыты по их выращиванию, пришла к следующим выводам:

• Форма кристаллов одной и той же соли зависит от многих факторов:  

• Если начальная концентрация сильно высокая, то вырастет друза (сросшиеся кристаллы).  

• В течение всего времени роста кристалла желательно поддерживать одну и ту же температуру, т. к. даже незначительные перепады способны повлиять на его форму. 

• Чем медленнее охлаждается раствор, тем крупнее образуются кристаллы.

• Если раствор будет недостаточно чистым или в него попадёт пыль, то это может существенно повлиять на форму кристалла.   

Для получения одного крупного кристалла условия кристаллизации были подобраны неправильно. Вырастить крупный кристалл в обычных условиях за короткое время сложно.

Вывод:

- при благоприятных условиях поваренная соль, медный и железный купорос принимают форму кристаллов;

- кристаллы различных веществ имеют разную форму;

- на форму кристаллов оказывает влияние температура;

- кристаллы различных веществ имеют различные свойства (одни кристаллы окрашиваются, другие – бесцветны; одни кристаллы растут хорошо, другие – плохо).

- быстрее и легче кристалл растёт тогда, когда в насыщенный раствор помещается кристалл- «затравка».

Заключение:

Мой эксперимент показал, что кристаллы можно вырастить самому в домашних условиях. Кристаллы медного и железного купороса, лимонной кислоты и сахара Мой эксперимент показал, что кристаллы можно вырастить самому в домашних условиях. Кристаллы медного и железного купороса, лимонной кислоты и сахара растут быстрее, а кристаллы соли медленнее. В результате проведенных исследований гипотеза полностью подтверждается. растут быстрее, а кристаллы соли медленнее. В результате проведенных исследований гипотеза полностью подтверждается.

Список литературы

https://nsportal.ru/ap/library/nauchno-tekhnicheskoe-tvorchestvo/2021/07/29/issledovatelskaya-rabota-metody

Приложения.