Кристалл и кристаллизация

Проект на тему: Кристалл и кристаллизация.

Выполнил: Бойков Д., ученик 10 класса

2021 год

Актуальность выбранной темы.

• Кристалл издревле и сейчас привлекает внимание людей. Их цвет, блеск и форма затрагивали человеческое чувство прекрасного, и люди украшали ими себя и жилище. Появились понятия: «жидкий кристалл», «биологический кристалл», «фотонный кристалл».
• Что такое кристаллы? Какими свойствами они обладают? Как растут кристаллы? Как и где они применяются в настоящее время и каковы перспективы их применения в будущем? Вот эти вопросы заинтересовали меня, и я хочу найти на них ответы.

Цель исследования:

•   вырастить кристаллы поваренной соли, убедиться на опыте в том, что кристаллы данного вещества имеют правильную форму.
• Задачи:
• 1. Собрать материал о кристаллах, их свойствах и применении, используя различные источники информации, в том числе Интернет.
• 2. Провести опыты по выращиванию кристаллов поваренной соли.
• 3. Систематизировать материал о кристаллах
•  
• Объект исследования:
• Насыщенный раствор поваренной соли.
•  
• Предмет исследования:
• Выращивание кристаллов из поваренной соли.
•  
• Гипотеза: Если кристаллизация идет медленно, получается один большой кристалл (монокристалл), если быстро – множество мелких кристаллов (поликристалл).

Методы:

1. Работа с научной литературой и интернетом по теме «Кристаллы и их применение».

2. Работа с научной литературой и интернетом по теме «Выращивание кристаллов».

3. Практическая работа “Выращивание кристаллов поваренной соли”.

4. Наблюдение роста кристаллов.

5. Фотографирование полученных кристаллов.

Теоретическая значимость работы.

• Процесс выращивания кристаллов в домашних условиях это очень интересное и увлекательное занятие, позволяющее ответственно отнестись к закономерностям природы. Работа по выращиванию кристаллов сделала меня более наблюдательным, расширила мой кругозор, приобщила к науке. Переживание “чуда” выращивания принесло мне много положительных эмоций и ярких впечатлений.

Реализация результатов исследовательской работы на практике.

• Применение кристаллов в промышленности, медицине и других отраслях современной жизни широко описано в научной литературе.

Введение.

• Большинство окружающих нас твердых тел представляют собой вещества в кристаллическом состоянии. К ним относятся строительные и конструкционные материалы: различные марки стали, всевозможные металлические сплавы, минералы и т. д. Специальная область физики-физика твердого тела - занимается изучением строения и свойств твердых тел. Эта область физики является ведущей во всех физических исследованиях. Она составляет фундамент современной техники.
• В любой отрасли техники используются свойства твердого тела: механические, тепловые, электрические, оптические и т. д. Все большее применение в технике находят кристаллы.  Вы, наверное, знаете о заслугах советских ученых - академиков, лауреатов Ленинской и Нобелевской премий А. М. Прохорова и Н Г Басова в создании квантовых генераторов. Действие современных оптических квантовых генераторов - лазеров - основано на использовании свойств монокристаллов (рубина и др.) Как устроен кристалл? Почему многие кристаллы обладают удивительными свойствами? Каковы особенности структуры кристаллов, которые отличают их от аморфных тел? Ответы на эти и аналогичные вопросы вы сможете найти в моей работе.

Кристаллические и аморфные тела.

• В природе тела находятся в различном состоянии, большинство из них-в твердом. К ним относятся строительные и конструкционные материалы: различные марки стали, всевозможные металлические сплавы, минералы и т. д. Специальная область физики-физика твердого тела - занимается изучением строения и свойств твердых тел. Эта область физики является ведущей во всех физических исследованиях. Она составляет фундамент современной техники. В любой отрасли техники используются свойства твердого тела: механические, тепловые, электрические, оптические и т. д. Все большее применение в технике находят кристаллы. Каждый может легко разделить тела на твердые и жидкие. Однако это деление будет только по внешним признакам. Для того чтобы выяснить, какими же свойствами обладают твердые тела, будем их нагревать. Одни тела начнут гореть (дерево, уголь) - это органические вещества. Другие будут размягчаться (смола) даже при невысоких температурах - это аморфные. Третьи будут изменять свое состояние при нагревании. Это и есть кристаллические тела. Такое поведение кристаллических тел при нагревании объясняется их внутренним строением.
• Твёрдое тело состоит из миллиарда частиц, которые взаимодействуют между собой. Это обусловливает появление определённого порядка в системе и особых свойств всего количества микрочастиц. Так, коллективные свойства электронов определяют электропроводность твёрдых тел, а способность тела поглощать тепло - теплоёмкость - зависит от характера коллективных колебаний атомов при тепловом движении. Коллективные свойства объясняют все основные закономерности поведения твёрдых тел.
• Структура твёрдых тел многообразна. Тем не менее, их можно разделить на два больших класса: кристаллы и аморфные тела.

• Кристалл  — это твердое вещество, все мельчайшие частицы которого (молекулы, атомы или ионы) находятся в строго определенном, повторяющемся порядке.

• В природе тела находятся в различном состоянии, большинство из них-в твердом.

• Кристаллы применяются:
• 1. Для изготовления украшений.
• 2.  В технике( жидко- кристаллические  экраны, алмазный диск для болгарки, наждачная бумага).
• 3. В медицине.

Кристаллические тела бывают монокристаллами и поликристаллами.

• Монокристаллы   - одиночные кристаллы (кварц, слюда) Идеальная форма кристалла имеет вид многогранника.
• Симметрия кристаллов и другие их свойства, о которых я буду говорить далее, привели к важной догадке о закономерностях в расположении частиц, составляющих кристалл.
• Поликристаллы  - это твёрдые тела, состоящие из большого числа кристаллов, беспорядочно ориентированных друг относительно друга (сталь, чугун …)
• Поликристаллы тоже имеют правильную форму и ровные грани, температура плавления у них имеет постоянное значение для каждого вещества. Но в отличии от монокристаллов, поликристаллы изотропны, т.е. физические свойства одинаковые по всем направлениям. Это объясняется тем, что кристаллы внутри располагаются беспорядочно, и каждый в отдельности обладает анизотропией, а в целом кристалл изотропен.
• Кроме кристаллических тел существуют - аморфные тела.
• Аморфные тела  -  это твёрдые тела, где сохраняется только ближний порядок в расположении атомов. ( смола, стекло, канифоль, сахарный леденец).

Кристаллы в природе.

• Реальный кри­сталл — это огромная совокупность одинаковых структурных элементов (молекул, атомов, ионов), которые во всех трех измерениях расположены в стро­гом порядке, образуя кристаллическую решетку.
• Часть атомной структуры кристалла, параллельными переносами которой в трех измерениях можно построить всю кристаллическую решетку называют элементарной ячейкой . Как правило, элементарная ячейка имеет форму прямоугольного параллелепипеда. Длину ребра этого элементарного параллелепипеда называют периодом кристаллической решетки.
• Одним из первых, кто выдвинул идею существования кристалличе­ской решётки, был Ньютон. Его современник, нидерландский физик Христиан Гюйгенс, увидел в этом причину правильной формы кристаллов.

Мир камня

• Всю историю своего существования люди пытались обрести чудо, например, получить из свинца золото или превратить горный хрусталь в бриллианты.
• Как известно, драгоценные настоящие природные камни (кристаллы) - это твердые соли различных металлов, молекулы которых организованы в упорядоченную структуру, так называемую кристаллическую решетку. В природе кристаллы образовывались в течение миллионов лет, в глубине земной коры, при высоких температурах (до 2000 °С) и под колоссальным давлением сотни тысяч атмосфер. Мест, где складывались такие условия, крайне мало, чем и объясняется редкость драгоценных камней. Поэтому, ученые решили создать аналог природных минералов. Им в лабораторных условиях необходимо было воспроизвести природные явления, причем в ускоренном варианте. Однако, получить столь высокие температуры и давление стало возможным лишь в начале прошлого века.
• В 1902 году французскому инженеру Вернейлю после многочисленных неудачных попыток удалось синтезировать небольшой кристалл рубина весом 6 г. Фактически он стал самым первым искусственным драгоценным камнем, идентичным природному. Именно благодаря синтетическим рубинам стал возможен ряд открытий. Например, на основе рубина был изобретен лазер, позволивший точно измерить расстояние от Земли до Луны. Позже оказалось, что с помощью технологии синтеза рубинов, возможно, получать и другие ценные кристаллы - сапфиры и гранаты.

Что нужно знать!

• Чтобы вырастить кристалл, полезно знать, какие процессы управляют его ростом; почему разные вещества дают кристаллы различной формы, а некоторые вовсе не образуют кристаллов; что надо сделать, чтобы кристаллы получились большими и красивыми. Если кристаллизация идёт очень медленно, получается один большой кристалл, если быстро - множество мелких кристаллов. Вещества, состоящие из одного кристалла, называют монокристаллическими (пример - алмаз), а из множества мелких - поликристаллическими (таковы металлы и многие другие вещества). Выращивание кристаллов производят разными способами.

Практическая часть.

• Выращивание кристалла из поваренной соли.
• Техника безопасности.
• 1.При работе с сыпучими веществами нельзя: их вдыхать, брать в рот.
• 2.Руки нужно защищать перчатками, а глаза очками.
• 3.После работы обязательно вымыть руки с мылом.

• В стакан горячей воды насыпаем поваренную соль.

Высыпаем столько соли, сколько может раствориться; воду помешиваем, чтобы быстрее проходило растворение. Когда соль перестанет растворяться и начнет оседать на дно, сольем раствор в другой стакан, а затем профильтруем его через фильтровальную бумагу или чистую тряпочку. В полученном растворе количество соли как раз соответствует его растворимости при данной температуре; раствор получается насыщенным: он больше не может «поглотить» ни крупинки вещества. При остывании раствор становится перенасыщенным. При остывании раствор не может долго существовать: лишнее вещество выделяется из него и оседает на дно стакана.

Полученный концентрированный раствор перельем в банку или химический стакан; туда же с помощью проволочной перемычки подвесим на нитке кристаллическую "затравку" - маленький кристаллик той же соли - так, чтобы он был погружен в раствор. На этой "затравке" и предстоит расти будущему экспонату коллекции кристаллов.

25.04.2021

25.04.2021

29.04.2021

29.04.2021

Выращивание кристаллов медного купороса

• Выращивание кристаллов медного купороса - производится также, как выращивание кристаллов поваренной соли. Синий ромбовидный кристалл медного купороса выращиваются точно таким же способом: сначала готовится насыщенный раствор соли, затем в этот раствор опускается понравившийся кристалл соли.

Заключение.

• В результате проделанной работы я овладел методикой приготовления насыщенного раствора кристаллического вещества и научился выращивать кристаллы поваренной соли. Производя наблюдения за процессом роста кристаллических тел, я заметил несколько интересных явлений и объяснил некоторые из них. Перечислю эти явления.
• Явление  кристаллизации  - превращения жидкого вещества в твердое, которое начинается на поверхности насыщенного раствора. Испарение  - парообразование с поверхности жидкости, явление, благодаря которому насыщенный раствор становится перенасыщенным, и начинается образование кристаллов. Это же явление может разрушить выращенный кристалл медного купороса, так как в них содержаться молекулы воды. Чтобы сохранить кристалл, его нужно покрыть слоем прозрачного вещества, после высыхания которого образуется непроницаемая для влаги пленка. Это может быть лак .

• Выращивая кристалл на подвешенной на нити затравке, необходимо периодически доливать в кристаллизатор заранее приготовленный насыщенный раствор. Небрежное отношение к приготовлению насыщенного раствора   может повлечь  растворение кристалла.  Добавленный в сосуд ненасыщенный раствор, стремясь к насыщению, недостающее количество кристаллического вещества восполняет за счет подвешенного для доращивания кристалла.
• Силы  поверхностного натяжения  обеспечивают образование капилляров на стенках сосуда выше поверхности насыщенного раствора. Жидкость, поднимаясь по капиллярам, может вытечь из сосуда. Чтобы предотвратить  капиллярные явления , необходимо разрушать капилляры, периодически осуществляя чистку кристаллизатора, или смазать стенки сосуда вазелином или жиром.

Литература:

Энциклопедия для детей т.4 М. Аванта . 1995 г.

Материалы 3 научно практической конференции “Школа-наука-вуз” Вязьма 2005г

«Исследовательская деятельность учащихся» П.В.Цыганкова Смоленск. 2005г

“ Замечательные минералы” В.И.Соболевский. М.Просвещение 1983г

“ Рассказы о самоцветах” Детгиз 1957г

“ Древо познания” Универсальный иллюстрированный справочник

для всей семьи.

• “ Я познаю мир” Универсальный иллюстрированный справочник

для всей семьи.

• Большая книга эксперимента для школьников – М, Росмен, 2001
• Журнал «Квант» № 5 – М, 1998
• Журнал «Физика в школе» №2 – М, 2003

11.«Физика. Строение вещества». А. Е. Гуревич. 2001 год

12. Интернет-ресурсы.