Исследовательская работа учащихся 7 класса "Эти удивительные кристаллы"

Региональный конкурс «ФАРМСТАРТ»

Исследовательская работа

«Эти удивительные кристаллы»

Работу выполнили:

обучающиеся 7-х классов

средней школы № 31города Ярославля

Андрианова Карина Андреевна,

Бехоев Имран Исаевич,

Дейс Виктория Михайловна,

Миронова Наталья Алексеевна,

Сафронова Виктория Евгеньевна,

Панченко Полина Сергеевна.

Руководитель:

Константинова Ольга Николаевна,

учитель химии средней школы № 31

города Ярославля.

Ярославль, 2016 год

Оглавление

Введение………………………………………………………..стр. 3 - 4

1.Теоретическая часть

1.1.Что такое кристалл? ………………………. ……………..стр. 4

1.2. История кристалла ………………………………………..стр. 4-5

1.3. Чем кристалл служит человеку? ………………………... стр. 5

1.4. Способы выращивания кристаллов……………………...стр. 5-6

1.5. Выращивание кристалла в домашних условиях……….. стр. 6

2.Эксперементальная часть

2.1. Опыты……………………………………………………...стр. 7-8

Заключение……………………………………………………. стр. 8

Список использованных источников и литературы…………стр.9

Приложения

Введение

Кристаллы, кристаллы, соцветья 
во мглу погруженной земли. 
Когда расцвели вы, на свете
другие цветы не цвели. 

(испанский ученый,

философ Мигель де Унамуно)

Кристалл. Что можно себе представить, услышав это слово? В народе говорят, что кристалл растёт. Почему же он может расти? Ведь это не растение. Чтобы это узнать мы провели свое исследование.

Кристаллы встречаются повсюду. Человек ходит по кристаллам, строит из кристаллов, обрабатывает кристаллы на заводах, выращивает в лабораторных и заводских условиях, создает приборы и изделия из кристаллов, широко применяет в технике и науке, ест кристаллы, лечится ими.

Особое место среди кристаллов занимают драгоценные камни, которые с древнейших времен привлекали внимание человека. Алмаз, рубин, сапфир, изумруд - они служили мерой богатства князей и императоров.

Кристаллы повсюду. Они разнообразны, красивы и загадочны.

Нам захотелось узнать как можно больше о кристаллах, как они образуются, какую форму, какой цвет они имеют, и самим вырастить кристаллы.

Целью нашей работы стало наблюдение за ростом кристаллов в лабораторных условиях.

Задачи работы:

1. изучить учебно-научную литературу по данной теме;

2. узнать о природе кристаллов и их свойствах;

3. проанализировать значение кристаллов в жизни человека;

4. освоить методику выращивания кристаллов;

5. вырастить кристаллы;

6. создать мультимедийную презентацию по теме проекта;

7. выпустить буклет «Удивительные кристаллы».

Объект исследования: кристаллы

Предмет исследования: процесс кристаллизации

Методы исследования:

1. работа с источниками информации,

2. наблюдение,

3. эксперимент,

4. фиксирование результатов.

Гипотеза: мы исходим из предположения, что все соли могут образовывать кристаллы из их водных растворов, их можно вырастить в домашних условиях. Если изменять условия кристаллизации, то можно получать кристаллы разной формы.

Практическая значимость исследования состоит в составлении презентации с фотографиями выращенных кристаллов, в выпуске буклета для тех, кто хотел бы повторить опыты. Результаты исследования могут быть использованы на уроках окружающего мира, химии, на занятиях по внеурочной деятельности, создания поделок и сувениров.

1.1 Что такое кристалл?

Кристалл (от греческого кρύσταλλος) - тело определенной геометрической формы, ограниченное естественными плоскими гранями.

Кристаллы – вещества, в которых мельчайшие частицы (атомы, ионы или молекулы) «упакованы» в определенном порядке. В результате при росте кристаллов на их поверхности самопроизвольно возникают плоские грани, а сами кристаллы принимают разнообразную геометрическую форму. Если рассмотреть с помощью лупы или микроскопа крупинки соли, то можно заметить, что они ограничены плоскими гранями. Наличие таких граней – признак нахождения в кристаллическом состоянии.

Кристаллами называют все природные правильные формы минералов и других твердых веществ. Минералы делят на две группы: самородки, встречающиеся в природе чистом виде, например золото, углерод (в виде графита и алмаза) и соединения — комбинацию двух и более элементов, например пирит — соединение серы с железом. Минералы в породе представлены и мелкими зернами, и крупными кристаллами. Минералы образуют красивые кристаллы, если растут медленно.

Один из самых авторитетных античных философов Аристотель писал, что «кристаллос рождается из воды, когда она полностью утрачивает теплоту». Римский поэт Клавдиан в 390 то же самое описал стихами:

Ярой альпийской зимой лед превращается в камень.

Солнце не в силах затем камень такой растопить.

Аналогичный вывод сделали в древности в Китае и Японии – лед и горный хрусталь обозначали там одним и тем же словом. И даже в 19 в. поэты нередко соединяли воедино эти образы:

Едва прозрачный лед, над озером тускнея,

Кристаллом покрывал недвижные струи. (А.С. Пушкин. К Овидию)

1.2 История кристалла

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», по-гречески – лед; это слово происходит от греческого «криос» – холод, мороз. Полагали, что лед, находясь длительное время в горах, на сильном морозе, окаменевает и теряет способность таять. Первоначально главную особенность кристалла видели в его прозрачности, и это слово употребляли в применении ко всем прозрачным природным твердым телам. Позднее стали изготавливать стекло, не уступавшее в блеске и прозрачности природным веществам. Предметы из такого стекла тоже называли «кристальными». Еще и сегодня стекло особой прозрачности называется хрустальным, «магический» шар гадалок – хрустальным шаром. Кристаллы многих минералов и драгоценных камней были известны и описаны ещё несколько тысячелетий назад. Кристаллы кварца из императорской короны, сохранившиеся с 768 года нашей эры, находятся в сокровищнице японских императоров в Нара. Одна из наиболее ранних зарисовок кристаллов содержится в китайской фармакопее одиннадцатого века нашей эры. В конце эпохи средневековья, в пятнадцатом веке, слово «кристалл» стало употребляться в более общем смысле.

1.3 Чем кристалл служит человеку?

Применения кристаллов в науке и технике так многочисленны и разнообразны, что их трудно перечислить. Перечень видов применения кристаллов уже достаточно длинен и непрерывно растет.

Твердые и жидкие кристаллы используют в технике: при производстве телевизоров, компьютеров, микроволновых печей и других электронных приборов благодаря их электрическим и оптическим свойствам.

Алмаз, рубин, сапфир, гранат и кварц — это не только красивые драгоценные и полудрагоценные камни, которые используются для ювелирных украшений. Алмаз применяют при производстве инструментов для распиливания сверхпрочных материалов. Лазер делается с использованием рубина и граната. Вся часовая промышленность работает на искусственных рубинах. Из прозрачного кварца делают линзы, призмы и др. детали оптических приборов.

1.4 Способы выращивания кристаллов

1. Из расплавов

Выращивание кристаллов из расплава - наиболее распространенный способ. В настоящее время более половины технически важных кристаллов выращивают из расплава. Этим методом выращивают элементарные полупроводники и металлы, оксиды, галогениды и другие вещества. В ряде случаев из расплава выращиваются кристаллы, в состав которых входит пять и более компонентов. Веществами, наиболее подходящими для выращивания из расплава, являются те, которые плавятся без разложения и характеризуются низкой химической активностью.

2. Из растворов солей

Кристаллизация из растворов -  рост кристаллов осуществляется при температурах ниже температуры плавления, поэтому в выращенных такими методами кристаллах отсутствуют дефекты.

Для осуществления процесса кристаллизации в растворе необходимо создать перенасыщение. По способам его создания различают два основных метода кристаллизации:

1) охлаждение горячих насыщенных растворов;

2) удаление части растворителя путем выпаривания.

Растворимость большинства веществ уменьшается с понижением температуры. Поэтому при охлаждении горячих растворов возникает перенасыщение, обусловливающее выделение кристаллов.

3. Из газовой среды

Кристаллизация из паровой (газовой) фазы широко используется для выращивания как массивных кристаллов, так и тонких (поликристаллических или аморфных) покрытий, нитевидных и пластинчатых кристаллов. В методах выращивания, основанных на физической конденсации кристаллизуемого вещества, вещество поступает к растущему кристаллу в виде собственного пара, состоящего из молекул их ассоциаций — димеров, тримеров и т.д.

1.5 Выращивание кристалла в домашних условиях

Выращивание кристаллов — процесс очень интересный, но бывает достаточно длительным. Когда выращивают кристалл, разбирают все строительные блоки (молекулы) на отдельные элементы в воде и дают им возможность естественно занять соответствующую позицию повторяющейся структуре, когда вода испарится.

Кристаллизация - это процесс образования кристаллов. Начинается кристаллизация при определённой концентрации вещества в растворе.

Основные этапы выращивания кристаллов

Этап 1. Растворить соль, из которой будет расти кристалл, в подогретой воде (подогреть нужно для того, чтобы соль растворилось немного больше, чем может раствориться при комнатной температуре). Растворять соль нужно до тех пор, пока не появится уверенность, что соль уже больше не растворяется (раствор насыщен!). Рекомендуется использовать дистиллированную воду, т. е. не содержащую примесей других солей.

Этап 2. Насыщенный раствор нужно перелить в другую ёмкость, где можно производить выращивание кристаллов (с учётом того, что он будет увеличиваться). На этом этапе нужно следить, чтобы раствор не особо остывал.

Этап 3. Привязать на нитку кристаллик соли, нитку можно привязать, например, к карандашу и положить его на края стакана (ёмкости), где налит насыщенный раствор (этап 2). Кристаллик опустить в насыщенный раствор.

Этап 4. Перенести ёмкость с насыщенным раствором и кристалликом в место, где нет сквозняков, вибрации и сильного света (выращивание кристаллов требует соблюдение этих условий).

Этап 5. Накрыть чем-нибудь сверху ёмкость с кристалликом (например бумагой) от попадания пыли и мусора.

Важно помнить:

1) кристаллик нельзя при росте без особой причины вынимать из раствора;

2) не допускать попадание мусора в насыщенный раствор, наиболее предпочтительно использовать дистиллированную воду;

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

2. Экспериментальная часть

Опыт 1. Выращивание кристалла из медного купороса (CuSO₄ * 5H₂О).

1. На начальном этапе готовим перенасыщенный раствор. Наливаем в банку или стакан примерно 300 мл воды. Начинаем добавлять медный купорос. Насыпаем столовую ложку, размешиваем. Соль растворяется. Добавляем еще ложку, снова размешиваем. Делаем так до тех пор, пока соль не начнет оседать на дне. Раствор получился перенасыщенным. Поместим банку в кастрюлю с водой и поставим кастрюлю на огонь. Необходимо добиться полного растворения соли в воде.

Пока раствор остывает, приготовим «затравку». Затравкой может быть крупный кристалл медного купороса, бусинка или пуговица. Закрепляем затравку на нитке.

Затравку на нитке нужно поместить внутрь банки с раствором. При этом затравка не должна касаться стенок сосуда или его дна. Поэтому привяжем нитку к палочке или карандашу посередине. Положим карандаш поперек горлышка банки.

Оставляем конструкцию в покое и ждем, пока начнут образовываться кристаллы. Кристаллы медного купороса растут несколько быстрее, чем соляные или сахарные. Когда кристалл достигнет желаемого размера, извлекаем его из раствора, обрезаем нитку.

2. Что необходимо помнить:

Чем насыщеннее раствор, тем быстрее пойдет кристаллизация. Через несколько дней можно аккуратно вынуть кристалл из раствора, а сам раствор заменить на более насыщенный.

Храните кристалл вдали от маленьких детей. Ведь кристаллы из медного купороса настолько красивы, что детям обязательно захочется попробовать их на вкус. (См. приложение № 1).

Опыт 2.Выращивание кристалла из набора для творчества «Волшебные кристаллы».

Дигидроортофосфат аммония (NH₄H₂PO₄₎ — неорганическое соединение, кислая соль аммония и ортофосфорной кислоты, бесцветные кристаллы, растворимые в воде.

Сульфат алюминия-калия — неорганическое соединение, двойная соль алюминия, калия и серной кислоты, белые гигроскопичные кристаллы, хорошо растворимые в воде. Образуют кристаллогидрат  - алюмокалиевые квасцы.

Оборудование:
- специальный контейнер;
- каменное основание для кристалла;
- перчатки; 
- палочка для размешивания.

Создание основы кристалла. Растворить в горячей воде порошок для выращивания кристаллов и залить полученным раствором каменное основание. Затем засыпать затравочные кристаллы.

Наблюдения.

Кристалл рос где-то около двух недель, его рост зависел от температуры в комнате температура была примерно +18 и рос он 2 недели. По инструкции я поставила его в темное место и старалась не трогать, чтобы не помешать росту. В процессе испарения воды из раствора по стенкам воды ползли вверх губчатые узоры их нужно было убирать, чтобы они не залезли на кристалл, но к нашему кристаллу они не дорастали и убирать их не приходилось. После того как кристалл достаточно вырос из воды, мы вылили её. И теперь чтобы кристалл не пострадал надо избегать контакта с водой.

(См. приложение № 2).

Опыт 3.Выращивание кристаллов из поваренной соли.

Банку заполняем горячей водой и добавляем в нее соль до тех пор, пока кристаллики не перестанут растворяться. Роль затравки может сыграть обычная нитка или камушек. Нитку закрепляем на карандаше и кладем поперек горлышка. Ставим банку на подоконник. Через 6 дней на нитке появляются первые кристаллы соли. Через неделю кристаллы достигают размеров 2-3 мм. С каждым днем их становится все больше и больше. Они имеют форму кубика. (См. приложение № 3).

Заключение

Кристаллы – это красиво, можно сказать чудо, они притягивают к себе, говорят "кристальной души человек" о том, в ком чистая душа, кристальная – значит сияющая светом.

Тема нашей исследовательской работы актуальна, и если в неё вникать глубже, то она будет интересна каждому, даст ответы на многие вопросы. Кристаллическое состояние вещества – это та ступенька, которая объединила неорганический мир с миром живой материи. Будущее новейших технологий принадлежит кристаллам.

Выращивание искусственных кристаллов очень увлекательный и важный для современной жизни процесс. Мы узнали много способов выращивания кристаллов. В дальнейшем мы бы хотели вырастить кристаллы разных цветов.

Выводы:

1.Кристаллы растут быстрее в насыщенном растворе.

2. Кристаллы следует закрывать от воздействия внешних сил.

3. Кристаллы очень хрупкие (менее 3 по шкале Мооса).

Список использованной литературы и источников

1. Кристаллы [текст] //Детская энциклопедия т.3. Вещество и энергия / Науч. ред. тома И. В. Петрянов. – М: Педагогика, 1973 – с. 239-244

2. Кристаллы [текст] //Что такое? Кто такой? В з-х т. Т.2-4-е изд., переработка и доп. – М: Педагогика – Пресс, 1995 – с. 160-161

3. Кристаллы и аморфные тела [текст] //Мир химии / М. М. Колтун – М: Просвещение 2009- с. 108-115 – (Твой кругозор) На стр. 112 – Жидкие кристаллы

4. Что такое кристаллы? [текст] // Все обо все: Популярная энциклопедия для детей / А. Ликум – М: «Ключ – С»: «Слово»: АСТ, 1994- с. 64-66

5. Кристаллы. Кристаллические решётки [текст]

// Химия: Справочник школьника / сост. М. Кременчугская, С. Васильев;

Под ред. И. Пышнограевой. – М: «Слово»: «Ключ – С», 1995- с. 190-192

6, Афонькин С. Ю. Минералы и драгоценные камни [текст] / С. Ю. Афонькин – Спб.:Бкк, 2010. – 96с. :пл. – (Узнай мир. Природа)

7. Ювелирная работа [текст] // Юный эрудит – 2009. - №10 – с. 30-33

8. Школьный физический эксперимент: Молекулярная физика. Рост кристаллов. [Видеозапись]: собрание демонстрационных опытов для средней общеобразовательной школы. / Д. Разумный – М: СГУ, 2001. – 1 вк.

9. Выращивание кристаллов в домашних условиях. Как вырастить кристалл // Занимательная химия [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.kristallikov.net/page6.html

Приложение 1.

Выращивание кристаллов из медного купороса (сульфата меди (II))

Приложение 2.

Выращивание кристалла из набора для творчества «Волшебные кристаллы».

Приложение 3.

Выращивание кристаллов из поваренной соли.

Приложение 4.

Выращивание силикатных кристаллов.

Силикаты - соединения кремниевой кислоты в виде минералов и горных пород.

Инструкция к опыту «Волшебный сад»

В стаканчик с раствором 6 %-го раствора канцелярского клея (жидкого стекла) высыпать навеску солей разных цветов: кальция, никеля, меди, хрома.

Время проведения опыта 20 -60 минут.

Результаты опыта. Через 30 минут в стакане появились «заросли», напоминающие водоросли.

Приложение 5.

Перечень солей, используемых для выращивания кристаллов.

14