Исследовательская работа по теме "Выращивание кристаллов в домашних условиях"

Муниципальное бюджетное образовательное учреждение

Ярская средняя общеобразовательная школа №2

Исследовательский проект

по физике на тему:

“Выращивание кристаллов в домашних условиях”

Проект выполнила:

Наумова Ксения Дмитриевна

учащаяся 8 «А» класса

Руководитель:

Семакина Е.Н.

2022 год

Оглавление

Введение 3

1.Теория кристаллов 5

1.1 Что такое кристалл? 5

1.2 Формы кристаллов 6

1.3 Способы образования кристаллов 7

1.4 Применение кристаллов 7

2. Образование кристаллов 9

2.1 Образование кристаллов в природе. 9

2.2 Выращивание кристаллов в промышленности. 10

3. Экспериментальная часть 11

3.1 Выращивание кристаллов из поваренной соли. 11

3.2 Выращивание кристаллов из медного купороса 12

Заключение 12

Литература 13

Приложения 14

Введение

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.

На уроке физики при изучении темы «Агрегатные состояния вещества» я узнала, что кристаллы получают не только в промышленных и домашних условиях, их также можно встретить в природе. Например, снежинки, морозные узоры на стеклах окон и иней, украшающий зимой голые ветки деревьев.

Кристаллами являются алмазы, рубины, сапфиры и другие драгоценные камни. Но кристаллы также можно получить лабораторным путем. Эти опыты заставляют задумываться над тем, как устроены кристаллы и как они образуются, почему разные вещества дают кристаллы разной формы, а некоторые вовсе не образуют кристаллов, что надо сделать, чтобы кристаллы получились большими и красивыми. Провести такой опыт - самой вырастить кристалл в домашних условиях, решила я.

Актуальность исследования состоит в том, что выращивание кристаллов - увлекательное занятие, самое простое, доступное и недорогое для большинства юных открывателей. Объясняется интересом образования различных по форме и цвету кристаллов в любое время года.

Гипотеза: даже ребенок самостоятельно сможет вырастить кристалл из медного купороса в домашних условиях.

Целью данной работы является изучение процесса роста кристаллов
в природе, в промышленности и в домашних условиях, а также научиться выращивать кристаллы соли и медного купороса в домашних условиях.

Задачи исследования:

• более подробно узнать о видах кристаллов и методах их выращивания;

• узнать о значении кристаллов в жизни человека;

• подобрать доступное оборудование и сырье для производства кристаллов;

• вырастить кристаллы соли и медного купороса;

• познакомиться и использовать необходимые меры безопасности и защиты при проведении эксперимента;

• изучить условия образования кристаллов, их формы, цвета;

• проанализировать полученные результаты.

Объект исследования:

• соль и кристаллы соли;

• медный купорос;

Предмет исследования - процесс кристаллизации.

Использовались следующие методы исследования:

• Исследовательский (подбор материала в соответствии с тематикой проекта, используя научную литературу и интернет ресурсы);

• Аналитический – обобщение полученных опытов.

Выращивание кристаллов - это сложный технологический процесс, поэтому, чем дольше ждёшь, тем более впечатляющими будут результаты.

Практическое значение исследования в том, что оно может быть использовано на уроках физики, химии, географии, во внеклассных мероприятиях, в кружках и в моей будущей профессии.

1.Теория кристаллов

1.1 Что такое кристалл?

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.

Кристаллы — это твёрдые вещества, имеющие естественную внешнюю форму правильных симметричных многогранников, основанную на их внутренней структуре, то есть на одном из нескольких определённых регулярных расположений составляющих вещество частиц (атомов, молекул, ионов).

Все кристаллы делятся на две большие группы: идеальные и реальные. Идеальные кристаллы – математическая модель, которой пользуются ученные, чтобы описать свойства настоящих кристаллов. Реальные кристаллы – те, с которыми мы сталкиваемся в жизни. Они имеют различные примеси, шероховатые поверхности, могут иметь неправильную форму. Так же кристаллы делят на группы по их происхождению: природные (естественные) и искусственные (выращенные человеком). Природные кристаллы вырастают в недрах планеты в естественных для роста условиях. Искусственные кристаллы выращиваются в лабораториях или домашних условиях. Кристаллические тела могут быть монокристаллами и поликристаллами. Монокристаллом называют одиночный кристалл. («моно» - один) Поликристаллом называют совокупность сросшихся друг с другом хаотически ориентированных маленьких кристаллов. («поли» - много).

Точкой отсчета истории кристаллов может быть известие о существовании изумрудов в Индии за 2 тыс. лет до н. э., алмазов за 1000-500 лет до н. э., рубинов Цейлона за 600 лет до н. э.

1.2 Формы кристаллов

Кристаллы могут иметь всевозможные формы. Все известные в мире кристаллы могут быть разделены на 32 вида, которые в свою очередь могут быть сгруппированы в шесть видов. Кристаллы могут иметь форму различных призм, основанием которых могут быть правильный треугольник, квадрат, параллелограмм и шестиугольник (рис 1).

Кристаллы могут иметь и разные размеры. Некоторые минералы образуют кристаллы, которые разглядеть можно только с помощью микроскопа. Другие же образуют кристаллы, вес которых составляет несколько сотен фунтов.

Кристаллическими считаются вещества, атомы которых расположены регулярно, так, что образуют правильную трёхмерную решётку, называемую кристаллической. Кристаллам ряда химических элементов и их соединений присущи замечательные механические, электрические, магнитные и оптические свойства.

1.3 Способы образования кристаллов.

Существует три способа образования кристаллов: кристаллизация из расплава, из раствора и из газовой фазы.

Примером кристаллизации из расплава может служить образование льда из воды (ведь вода - это расплавленный лёд), а также образования вулканических пород.

Пример кристаллизации из раствора в природе - выпадение сотен миллионов тонн соли из морской воды.

При охлаждении газа (или пара) электрические силы притяжения объединяют атомы или молекулы в кристаллическое твёрдое вещество - так образуются снежинки.

Большинство кристаллических тел являются поликристаллами, т.к. в обычных условиях вырастить монокристаллы достаточно сложно, этому мешают всевозможные примеси. Современная техника нуждается в кристаллах высокой степени чистоты, поэтому перед наукой встал вопрос о разработке эффективных методов искусственного выращивания монокристаллов различных химических элементов и их соединений.

Наиболее распространёнными способами искусственного выращивания монокристаллов являются кристаллизация из раствора и из расплава. В первом случае кристаллы растут из насыщенного раствора при медленном испарении растворителя или при медленном понижении температуры.

Если твёрдое вещество нагреть, оно перейдёт в жидкое состояние - расплав. Трудности выращивания монокристаллов из расплавов связаны с высокой температурой плавления. Например, для получения кристалла рубина нужно расплавить порошок оксида алюминия, а для этого его нужно нагреть до температуры 2030 °С.

1.4 Применение кристаллов

Применение кристаллов в науке и технике очень разнообразны. Например, каменная соль давно вошла в жизнь человека. Мы называем ее в быту просто солью. Невозможно представить, как бы мы без нее обходились. В древности страны куда, только ее не завозили, платили цену, равную золоту: за килограмм соли - килограмм золотого песка.

Самый твердый и редкий из природных минералов – алмаз (фото 2) -используется как украшение. Так же из-за его исключительной твердости многие режущие инструменты покрывают смесью алмазного порошка и клейкого вещества. Алмазным порошком шлифуют и полируют твердые камни, закаленную сталь, твердые и сверхтвердые сплавы.

Рубин (фото 3) и сапфир (фото 4) относятся к самым красивым и дорогим из драгоценных камней. Но у них есть и другие применения. Вся часовая промышленность работает на искусственных рубинах. Рубины используют в лазерах, так как его кристалл усиливает свет. Лазер светит ярче тысячи солнц! Сапфир прозрачен, поэтому из него делают пластины для оптических приборов.

Кристаллы кремния и германия (фото 5) входят в состав полупроводниковых диодов, которые есть в каждом компьютере и мобильном телефоне.

Так же в технике нашел свое применение материал поляроид – тонкая прозрачная пленка, заполненная крохотными игольчатыми кристаллами. Поляроидные пленки используют в поляроидных очках, так как они гасят блики отраженного света. Это важно для полярников, которым приходится смотреть на ослепительный снег, а так - же для водителей автотранспорта.

2. Образование кристаллов

2.1 Образование кристаллов в природе

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. Примеры выпадения кристаллов из раствора - выпадение кристаллов солей в замкнутых водоемах; рост кристаллов на стенках трещин и полостей при гидротермальных процессах, на больших глубинах в условиях высоких давлений и температур; образование отдельных кристаллов вторичных минералов в зонах окисления рудных месторождений.

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. Они охлаждаются очень медленно. 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.

2.2 Выращивание кристаллов в промышленности

Начиная с XIX века появились технологии выращивания искусственных кристаллов. Некоторые из этих ювелирных камней настолько совершенны, что их крайне сложно отличить от натуральных. Синтетические кристаллы востребованы в промышленности и на рынке ювелирных изделий.

Первые успешные попытки синтеза драгоценных камней приходятся на конец XIX века. В 1877 году Эдмон Фреми и Шарль Фейль получили кристаллы рубина.

В 1902 году Огюст Вернейль смог синтезировать рубины методом плавления в пламени, положив начало промышленному синтезу ювелирных камней. Данный метод, с некоторыми изменениями, до сих пор остается одним из самых распространенных способов выращивания кристаллов ювелирного качества.

Схема аппарата Вернейля (рис. 6). Порошковая шихта, состоящая из оксида алюминия с добавлением 2% оксида хрома, помещается в печь. Под ударами молотка шихта попадает вниз, контактирует с кислородом и водородом, достигая в пламени температуры 2000^оС. Капли расплавленного материала падают на стержень, на котором образуется шарик кристалла, медленно приобретающий грушевидную форму.

Особое место среди кристаллов занимают драгоценные камни, которые с древнейших времен привлекают внимание человека. Люди научились получать искусственно очень многие драгоценные камни. Например, подшипники для часов и других точных приборов уже давно делают из искусственных рубинов. Получают искусственно и прекрасные кристаллы, которые в природе вообще не существуют. Например, фианиты - их название происходит от сокращения ФИАН - Физический институт Академии наук, где они впервые были получены. Фианиты - искусственные кристаллы, которые внешне очень похожи на бриллианты (рис.7).

3. Экспериментальная часть

3.1 Выращивание кристаллов из поваренной соли.

Растворяем в воде соль до тех пор, пока она не будет растворяться, и станет оседать на дно стакана. Мы получили насыщенный раствор соли. Переливаем его в чистую ёмкость. Выбираем любой понравившийся более крупный кристаллик поваренной соли, привязываем за нитку и подвешиваем, чтобы он не касался стенок стакана. Уже через пару дней можно заметить значительный для кристаллика рост. С каждым днём он будет увеличиваться.

Результат: мы получили кристалл поваренной соли (рис. 8).

 Вывод: 

1. Поваренная соль состоит из кристаллов.

2. При соприкосновении кристаллов соли с водой, они растворяются.

3.Быстрее всего кристаллы соли могут образовываться в насыщенном растворе поваренной соли.

4. По мере того как вода испаряется, соль снова образует кристаллы.

5.В домашних условиях можно вырастить кристаллы при необходимых условиях: наличие насыщенного солевого раствора и ниточки с затравкой.

3.2 Выращивание кристаллов из медного купороса

Берем банку с водой, добавляем медный купорос, тщательно перемешиваем до тех пор, пока он будет растворяться.  Ёмкость с водой лучше всего постепенно подогревать для более быстрого растворения химиката.   В процессе вода начнет менять цвет - от светло - голубого, до тёмно-синего. После этого в стеклянную банку опускаем «затравку». Это обычная ниточка, привязанная на карандаш. И уже через пару дней мы видим, что на ниточку наросло множество маленьких кристалликов синего цвета.

Результат: мы получили кристалл медного купороса (рис. 9).

Заключение

Выращивание кристаллов - очень интересный и увлекательный процесс. В результате проведенных исследований гипотеза полностью подтверждается: нам удалось вырастить кристаллы поваренной соли и медного купороса в домашних условиях.

При выполнении опытов я сталкивалась с некоторыми трудностями, которые в короткие сроки устраняла. В результате чего, я пришла к выводу, что, во-первых, чем насыщеннее раствор, тем быстрее вероятность образования кристалла. Чем лучше отфильтрован раствор, тем больше вероятность образования монокристалла, т.к. примеси, оставшиеся в растворе, служат дополнительными центрами кристаллизации.

Итак, выводы по работе: 

• при благоприятных условиях поваренная соль, медный 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».

Исследовательская работа мне очень понравилась. В ходе ее выполнения, я познакомилась со способами выращивания кристаллов. Узнала много интересного, познавательного. Но самое главное - самостоятельно вырастила кристаллы соли и медного купороса в домашних условиях. Убедились на практике в том, что форма кристаллов бывает довольно разнообразной и это зависит от кристаллической решетки вещества.

Литература

1. Большая детская энциклопедия: Химия, сост. К. Люцис. М. : Русское энциклопедическое товарищество. 2000.

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

3. https://mschistota.ru/sredstva/mednyj-kuporos.html

4.https://grbnt.ru/prochee/mednyj-kuporos-vred-dlya-cheloveka-simptomy-otravleniya-medyu-posledstviya-i-oslozhneniya.html

5. https://school-science.ru/3/11/32860

6.https://school-science.ru/3/8/31707

Приложения

Рисунок 1. Формы кристаллов.

Рисунок 2. Алмаз Рисунок 3. Рубин Рисунок 4. Сапфир

Рисунок 5. Германий

Рисунок 6. Схема аппарата Вернейля

Рисунок 7. Фианит.

Рисунок 8. Кристалл поваренной

соли.

Рисунок 9. Кристаллы медного купороса