Исследовательская работа "Выращивание кристаллов в домашних условиях"

ВЫРАЩИВАНИЕ КРИСТАЛЛОВ В ДОМАШНИХ УСЛОВИЯХ

Паспорт проекта

Оглавление

1.Введение……………………………………………………………………….3
2. Теоретические основы и анализ информационных источников

1. Что такое кристалл ....................................................................................5

2. Формы кристаллов……………………………………………………….5

3. Виды кристаллов

4. Применение кристаллов………………………………………………...6

3. Экспериментальная часть
3.1 Выращивание кристаллов в искусственных условиях…………………....8

3.2 Инвентарь для проведения эксперимента………………………………….8

3.3 Техника безопасности при проведении эксперимента…………………….9
3.4 Этапы выращивания кристаллов ………………………………………….10

3.5 Результаты эксперимента…………………………………………………..11
4. Заключение…………………………………………………………………….12
5. Библиографический список литературы…….………………………………13
6.Приложения……………………………………………………………………14

1.Введение

Однажды мама солила огурцы, а банку с оставшимся рассолом из растворенной соли оставила на подоконнике и забыла про неё. Через пару дней я заметил, что вода испарилась, а на стенках ёмкости появился белый налет. Я заинтересовался, как так получилось, ведь вода в банке изначально была прозрачная. Оказалось, как сказала мама, начался процесс кристаллизации. А так как я люблю экспериментировать, наблюдать, познавать что-то новое, увлекаюсь инженерными технологиями, то появилось множество вопросов по этой теме. Решено было самостоятельно изучить, провести опыты и найти ответы на вопросы: что такое кристаллизация и как образуются кристаллы, можно ли вырастить кристаллы дома? Так появилась тема для моей исследовательской работы: «Выращивание кристаллов в домашних условиях».

Актуальность исследования состоит в том, что процесс кристаллизации веществ можно наблюдать как в природе, так и в деятельности человека. Знания и навыки, полученные в ходе работы над данной темой помогут не только доказать или опровергнуть идею возможности выращивания кристаллов в домашних условиях, расширить кругозор, но и, возможно даже определиться с выбором будущей профессии.

Цель исследования: вырастить кристаллы, используя различные вещества, в домашних условиях.

Задачи исследования:

• провести анализ источников по теме проекта;

• изучить процесс выращивания кристаллов;

• познакомиться с мерами безопасности при проведении опытов;

• рассмотреть кристаллы соли под электронным микроскопом Levenhuk D2L;

• проанализировать полученные результаты исследования.

Объект исследования: кристаллы соли (поваренной, медного купороса, железного купороса).

Предмет исследования: процесс кристаллизации.

Методы исследования: работа с источниками информации, наблюдение, эксперимент, анализ, фиксирование результатов.

Гипотеза исследования: правда ли, что из соли можно вырастить кристалл в домашних условиях?

2. Теоретические основы и анализ информационных источников

2.1 Что такое кристалл

Разнообразие кристаллов настолько же велико, насколько велико разнообразие человеческих лиц. Слово «кристалл» в переводе с греческого первоначально означало «лёд», а в дальнейшем «горный хрусталь».¹ Удивительное сходство кристаллов льда и горного хрусталя было подмечено уже очень давно. В древности и в средние века думали, что кристаллы горного хрусталя и кристаллы льда – одно и то же, только лёд замерзает у нас на глазах, а горный хрусталь – лишь при особенно сильном морозе. Предполагали, что лёд становится хрусталём через тысячу лет, а хрусталь становится алмазом через тысячу веков.

Одними из самых интересных и необычных кристаллов являются снежинки. Снежинки — это кристаллы льда в форме игл, призм, шестиугольников, пластинок и др. Когда молекулы воды кристаллизуются, они могут образовывать только трех или шестиугольные фигуры. Вот в этом и заключается основная причина шестиугольной формы снежинок. Толстый лед на реке составлен из шестиугольных столбиков, похожих на карандаши. И иголочки снежинок, и «карандашики» - это кристаллы замёрзшей воды. Из кристаллов состоят очень многие другие тела: в глине, каучуке, саже, костях, волосах, иглах дикобраза, клыках мамонта, в волокнах шерсти, шелка, целлюлозы обнаружено кристаллическое строение.

Раньше кристаллы считали редкостью. Конечно, великаны многогранники встречаются не часто. Но кристаллы меньших размеров окружают нас повсюду. Песок состоит из окатанных кристаллов кварца, а мрамор – из кристаллов кальцита. Почти все минералы на земле состоят из кристаллов. Установлено, что все металлы и почти все камни – кристаллы. На земле нет некристаллических металлов.

В природе кристаллы образуются тремя путями: из расплава, из раствора и из паров. Примером кристаллизации из расплава является образование льда из воды. Примером образования кристаллов из растворов, могут служить сотни миллионов тонн соли, выпавшей из морской воды.

2.2 Формы кристаллов

Уникальность кристаллов заключается в их особой форме и гранях, которые они образуют. Если внимательно присмотреться к кристаллам соли и сахара, то разницу можно увидеть даже без микроскопа. Все кристаллические решетки представляют собой различные геометрические фигуры: треугольники, прямоугольники, квадраты, ромбы и т.д., причем форма зависит от типа молекул и атомов каждого вещества.

Процесс образования кристалла называется кристаллизация.² В природе кристаллы довольно часто образуются в момент охлаждения жидкости и ее последующего затвердевания: определенные молекулы жидкости собираются вместе в виде особой решетки, которая неоднократно повторяется. Все кристаллы растут, но каждый из них растет со своей скоростью и в определенном направлении. Во время роста любого кристалла на его поверхности самопроизвольно образуются плоские грани, а сам кристалл принимает какую-либо геометрическую форму. Это означает, что грани кристалла растут в строго определенном направлении. Из-за этого кристаллы могут иметь различные формы и размеры. Все кристаллы одного вещества имеют одинаковую форму, хоть и могут отличаться размерами.

Приложение 1

2.3 Виды кристаллов

Идеальная форма кристалла имеет вид многогранника. Такой кристалл ограничен плоскими гранями, прямыми ребрами и обладает симметрией. В кристаллах можно найти различные элементы симметрии. Кристаллические тела делятся на два вида - монокристаллы и поликристаллы.³

Поликристаллы состоят из отдельных мелких кристалликов (кристаллитов), а монокристалл – это крупный одиночный кристалл. 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.

Большинство кристаллических тел являются поликристаллическими, то есть состоят из множества мелких кристалликов, иногда видных только при сильном увеличении. Поликристаллами являются все металлы.

Приложение 2

Применение кристаллов

Кристаллы находят довольно широкое применение в технике и быту. Мы встречаемся с ними повсюду и даже не подозреваем об этом. Лед-это кристалл. На кухне - едим кристаллы, например, соль или сахар. Земная кора на 95% состоит из кристаллов. Кристаллы используют в промышленности, технике, производстве, медицине. Кристаллы используют для изготовления украшений и ювелирных изделий.

Так, благодаря высочайшей твердости алмазы, природные и искусственные, используются в промышленности для изготовления высокопрочных режущих инструментов, специальных опорных элементов для особо точных хронометров и других приборов. Алмазным порошком шлифуют и полируют твердые камни, закаленную сталь, твердые и сверхтвердые сплавы. А ограненные алмазы (бриллианты) считаются одними из самых дорогих драгоценных камней. ⁴

Рубины также являются драгоценными камнями. Они, как и алмазы, широко применяются в часовой промышленности, на фабриках по изготовлению химического волокна. Рубины используют в лазерах, так как его кристалл усиливает свет.

Наши дома из кристаллов – панели многих многоэтажек сделаны из бетона (искусственного камня) в состав которого входит щебень из кристаллического сланца.

Сапфир относятся к самым красивым и дорогим из драгоценных камней. Но у него есть и другие применения. Сапфир прозрачен, поэтому из него делают пластины для оптических приборов.

Кристаллы используются в устройствах для записи и воспроизведения звука. Кристаллы кремния и германия входят в состав полупроводниковых диодов, которые есть в каждом компьютере и мобильном телефоне.

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.⁵

Приложение 3

3. Экспериментальная часть

3.1 Выращивание кристаллов в искусственных условиях

Самые популярные вещества, из которых выращивают кристаллы дома – это поваренная соль, железный купорос и медный купорос. Изучив литературу, я узнал, что медный купорос – это соль (соль - с химической точки зрения) голубого цвета, приобрести ее можно в магазине для садоводства и применяется она не только в садоводстве, но и в медицине, в строительстве и даже в пищевой промышленности. Железный купорос- тоже соль. Вещество обладает антисептическими свойствами, поэтому используют железный купорос на садовых участках с целью побелки и опрыскивания деревьев от грибковых инфекций, мхов и лишайников, произрастающих на ветках и стволе. Кроме этого, сульфат железа помогает лечить раны на коре.⁶ Но самым интересным для меня оказалось то, что каждая отдельная частица этой соли- это кристалл.

3.2 Инвентарь для проведения эксперимента

Для проведения эксперимента необходимо подготовить материал и оборудование:

1. Соль пищевая поваренная, медный купорос, железный купорос.

2. Стеклянная емкость. Нельзя использовать железную тару т.к. некоторые соли могут вступать в реакцию с железом, в следствии чего опыт не удастся.

3. Ложка пластиковая.

4. Вода. Для растворения веществ лучше использовать дистиллированную воду (её можно купить в аптеке). Вместо дистиллированной можно использовать растаявший снег (если зима на дворе).

5. Место кристаллизации – «затравка» (нить, камень, пуговица, любая поверхность на которой можно вырастить кристаллы). Нить должна быть суровая, желательно без ворсинок.

6. Вата или фильтровальная бумага (для фильтрации раствора).

7. Конус для фильтрации, или его можно изготовить из горловины и верхней части пластиковой бутылки.

8. Предохранительные принадлежности - резиновые перчатки, дыхательные маски (респираторы, защищающие от газа и пыли) и специальные очки для защиты глаз.

9. Электронный микроскоп Levenhuk D2L.

Приложение 4

3.2 Техника безопасности при проведении эксперимента

При проведении эксперимента в домашних условиях необходимо соблюдать технику безопасности:

1. Проводить опыты по выращиванию кристаллов только в присутствии взрослых

2. Соли и инвентарь, применяемые для выращивания кристаллов, нельзя использовать для приготовления и приема пищи

3. Не принимать пищу во время проведения опытов

4. Избегать попадания солей в рот и глаза, но если это произошло тщательно промыть рот и глаза большим количеством воды из под крана

5. При проведении опытов лучше всего использовать резиновые перчатки, так как соли могут вызывать раздражение на руках, а некоторые даже являются токсичными

6. Растворы солей не следует вдыхать/нюхать никакими способами

7. После проведения опытов обязательно вымыть руки и от возможных остатков солей.

3.4 Этапы выращивания кристаллов из солей

1. Подготовка раствора. Налить в стакан не очень горячей воды, постепенно растворять соль, из которой будет расти кристалл в воде (поваренная соль, медный купорос, железный купорос). Растворять маленькими порциями (по 1 ложке), добавляя следующую порцию только после полного растворения предыдущей порции до момента, когда соль перестанет растворяться

2. Фильтрация раствора - взять чистую банку (не холодную), на банку поместить конус с фильтром и раствор из одной банки (в которой растворяли соль) перелить через фильтр в новую банку. Все кристаллики, оставшиеся от растворения соли, остаются в фильтре.

3. Подготовка к кристаллизации. Очищенный раствор поставить в прохладное место и поместить в него затравку. Затравка – маленький кристаллик соли, который будет дальше расти. Существует несколько способов выращивания затравки: (нить) – кристаллик можно привязать или приклеить кристаллик к нити. Затем нить опустить в раствор (желательно чтобы кристалл был в самом центре раствора).

4. Кристаллизация. После помещения в раствор одного из вышеперечисленных «мест кристаллизации», следует поставить банку с раствором в прохладное место и накрыть банку чем-либо (например, салфеткой), так чтобы был небольшой зазор. Вода постепенно испаряется из-за чего кристаллы (затравки) начинают расти.

5. Извлечение кристаллов. Достать кристаллы аккуратно, не повредить их т.к. кристаллы солей обладают низкой твердостью и могут легко ломаться.⁷

(Приложение 5)

Важно помнить!

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

2. Не допускать попадание мусора в насыщенные раствор, наиболее предпочтительно использовать дистиллированную воду.

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

3.5 Результаты эксперимента

Через 2 суток после начала опыта я заметил, что кристаллы начали расти. На нитке - затравке с поваренной солью появился налет, больше похожий на осадок или пыль. В сосудах с медным и железным купоросом «затравка» растворилась- кристаллы не приросли, однако появился мутный осадок на дне. Маленькие кристаллики начали формироваться на пятый день. Я внимательно следил, чтобы раствора в банке хватило, для того, чтобы закрыть им кристаллы. Периодически я доставал кристаллы из емкости и рассматривал их при помощи цифрового микроскопа Levenhuk D2L: определял вид, изучал грани, углы и формы кристаллов. Также следил за размером, изменением цвета, изучал хрупкость кристаллов и данные заносил в таблицы.

Приложения 6,7,8

4. Заключение

В ходе исследовательской работы я нашел ответы на поставленные вопросы. Моя гипотеза подтвердилась-я самостоятельно вырастил 3 поликристалла из разных видов солей: поваренной соли, медного купороса и железного купороса в домашних условиях.

В ходе исследования провел сравнительный анализ полученных кристаллов по различным свойствам. Я проверил кристаллы на прочность, и сделал вывод, что самым твердый - это кристалл из поваренной соли, выращенный из медного купороса кристалл более ломкий, а из железного купороса изначально был твердым, но после соприкосновения с воздухом (через сутки) стал хрупким и частично потерял форму.

По моим наблюдениям размер кристаллов тоже отличается. В связи с тем, что кристаллы из медного и железного купороса не сформировались на «затравке» они получились больше. Кристаллы поваренной соли приросли к «затравке», поэтому мне удалось сформировать композицию в виде снежинки.

Цвет у кристаллов тоже отличается: из поваренной соли - белый, из медного купороса – голубой, а вот кристалл из железного купороса изначально имел зеленый цвет, а через сутки стал белым, так как произошел процесс окисления с кислородом.⁸

В своем исследовании я рассмотрел строение кристаллов при помощи электронного микроскопа Levenhuk D2L, что позволило сделать ряд выводов. Кристаллы отличаются по форме – прямые углы и прямоугольная форма явно выражены у кристалла из поваренной соли. Кристаллы из медного купороса имеют в большем преимуществе острые и тупые углы и треугольные, трапециевидные формы. У железного купороса- прямые, острые и тупые углы граней кристалла и треугольные, трапециевидные, квадратные формы.

Грани кристалла поваренной соли – гладкие, а железного и медного купороса – гладкие, но имеют слои.

По прозрачности выделяется кристалл из медного купороса, среднюю прозрачность имеет кристалл из железного купороса, из пищевой соли – матовый, почти непрозрачный.

Кристаллы не только загадочные и очень красивые, но каждый из них уникален по своим свойствам, размерам и особенностям строения. Они играют огромную роль в жизни человека. Выращивание кристаллов - процесс занимательный, но требующий бережного и осторожного отношения. Тема оказалась очень интересной, и если её изучать глубже, то она будет интересна каждому. Приобретенные знания, умения и навыки обязательно пригодятся мне в дальнейшей учёбе и в выборе будущей профессии, которую я хочу посвятить изучению и исследованию кристаллов.

1. Список используемой литературы

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

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

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

4. Китайгородский А.И «Кристаллы» 1950г.

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

6. 6. http://facty.by/zemlya/item/219-interesnye-fakty-o-kristallakh

7. Журнал «Галилео. Наука опытным путём», №7, 2011 г.

Интернет- ресурсы:

1. http://ru.wikipedia.org/wiki/кристаллы : Википедия

2. http://course-crystal.narod.ru/p31aa1.html: Мир кристаллов (дистанционный курс по физике)

3. http://www.geologiazemli.ru/articles

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

5. http://www.kristallov.net/mineraly.html

6. http://mirkristallov.com

1. Приложение

Приложение 1

Рис.1 Формы кристаллов

Приложение 2

Рис 2. Пример монокристалла Рис 3. Пример поликристалла

Приложение 3

Рис. 4 Применение кристаллов в жизни человека

Приложение 4

Фото 5 Подготовка инвентаря для проведения исследования

Приложение 5

Фото 6 Этап насыщения раствора солями медного купороса, железного купороса, поваренной соли

Фото 7 Фильтрация раствора Фото 8 Применение «затравки» для роста кристалла

Фото 9 Процесс кристализации Фото 10 Изучение кристаллов

Приложение 6

Фото 11 кристалл из поваренной соли Фото 12 кристалл из медного купороса

Фото 13 кристалл из железного купороса

Приложение 7

Фото 14 грани кристалла из поваренной соли под микроскопом

Фото 15 грани кристалл аиз железного купороса под микроскопом

Фото 16 грани кристалла из железного купороса под микроскопом

Приложение 8

Сравнительная таблица наблюдения за ростом кристаллов

Приложение 9

Сравнительная таблица изучения кристаллов при помощи электронного микроскопа

1^ https://ru.wikipedia.org/

2^ https://www.mt.com/ru/ru/home/applications/L1_AutoChem_Applications/L2_Crystallization.html

3^ Biribby wordpress.com

4^ Большая иллюстрированная энциклопедия эрудита «Издательство МАХАОН» 2006г.

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

6^ Алексинский В. Н «Занимательные опыты по химии" 2005г.

7^ Журнал «Галилео. Наука опытным путём», №7, 2011 г.

8^ http://ru.wikipedia.org/wiki/Сульфат%20железа(II)