Проектно-исследовательская работа по химии "Выращивание кристаллов"

Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение

средняя школа №59 "Перспектива" г. Липецка

Проектная работа

на тему:

«Выращивание кристаллов»

Выполнили: ученица 9 класса «Г»

Васина Алина

Руководитель: Манаенкова Зоя Алексеевна

г. Липецк, май 2020

Содержание

Введение _______________________________________________________________ 3

I. Теоретическая часть

1. Теория кристаллов_____________________________________________________­­ 4

1.1. Что такое кристалл?__________________________________________________ 4

1.2. Структура кристалла_________________________________________________ 4

1.3. Физические характеристики кристаллов________________________________ 5

2. Образование кристаллов_______________________________________________ 5

2.1. Формирование кристаллов в естественных условиях _____________________ 5

2.2. Выращивание кристаллов _____________________________________________ 6

II. Практическая часть_____________________________________________________ 7

Выводы_________________________________________________________________ 7

Заключение______________________________________________________________ 7

Список литературы_______________________________________________________ 8

Введение

Кристаллы представляют собой твердые вещества, которые имеют упорядоченную структуру в виде кристаллической решетки. Мы сталкиваемся с этими веществами ежедневно – многие твердые тела, которые используются в повседневной жизни, по сути, являются кристаллами. Физико-химические свойства кристаллов дают возможность человеку широко применять их в оптике (для изготовления призм и различных оптических приборов), в строительстве, при изготовлении различного высокотехнологичного оборудования.

Удивительное свойство кристаллов – это возможность выращивать их из соляного раствора. Именно это свойство будет рассмотрено в данной работе.

Цель проекта: на практике изучить технологию получения кристаллов в домашних условиях, провести исследование по выращиванию кристаллов поваренной соли.

Задачи:

- собрать теоретический материал, посвященный кристаллам и процессу кристаллизации в различных условиях;

- подобрать подходящую методику образования кристаллов поваренной соли;

- провести опытно-экспериментальную работу, используя выбранную методику;

- проанализировать полученный результат и сделать выводы.

Объект исследования: кристаллы

Предмет исследования: процесс кристаллизации вещества

Гипотеза исследования: кристалл можно в домашних условиях вырастить из солевого раствора при обеспечении определённых условий.

Методы:

- сбор теоретических материалов;

- проведение опытно-экспериментального исследования процесса кристаллизации поваренной соли;

- анализ полученных результатов.

1. Теоретическая часть

1. Теория кристаллов

   1. Что такое кристалл?

Кристаллы – это твёрдые тела, имеющие естественную форму правильных многогранников. Эта форма является следствием упорядоченного расположения атомов, образующих трёхмерно-периодическую пространственную укладку — кристаллическую решетку. Каждому химическому веществу, находящемуся при данных термодинамических условиях (температуре, давлении) в кристаллическом состоянии, соответствует определённая кристаллическая атомная структура. Кристаллы обладают той или иной симметрией атомной структуры, соответствующей ей макроскопической симметрией внешней формы, а также анизотропией физических свойств.

Кристалл, выросший в неравновесных условиях и не имеющий правильной огранки или потерявший её в результате той или иной обработки, сохраняет основной признак кристаллического состояния — решётчатую атомную структуру и все определяемые ею свойства.

Большинство природных или технических твёрдых материалов являются поликристаллическими, они состоят из множества отдельных, беспорядочно ориентированных, мелких кристаллических зёрен, иногда называемых кристаллитами. Таковы, например, многие горные породы, технические металлы и сплавы. Одиночные кристаллы (природные или синтетические) называются монокристаллами.

1. Структура кристалла.

В кристаллическом веществе частицы располагаются в стройном порядке и занимают определенное положение в узлах пространственной решетки. Вещество в кристаллическом состоянии обычно занимает несколько меньший объем, чем в аморфном виде, и имеет больший удельный вес.

Следует различать понятия кристаллическая решётка и структура кристалла. Структура кристалла – это физическая реальность, конкретное расположение в пространстве различных атомов. Кристаллическая решётка – это геометрический образ структуры, отражающий лишь симметрию расположения частиц кристалла. Для более полного описания структуры кристаллов используют понятие базис. 

Базисом кристаллической структуры называют совокупность определённым образом расположенных в пространстве различных атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку. Т.е. перечисляются все полностью принадлежащие одной элементарной ячейке атомы, вместе с их координатами в этой ячейке. Таким образом, если элементарная ячейка определяет размер и форму «элементарных кирпичиков», из которых построен кристалл, то базис определяет «материал» этих кирпичиков. Другими словами, базис это тот «элементарный блок вещества», периодическим повторением которого в пространстве воспроизводится весь рассматриваемый кристалл.

1. Физические характеристики кристаллов

Кристаллы одного и того же вещества могут отличаться друг от друга своей величиной, числом граней, ребер и формой граней. Это зависит от условий образования кристалла. Неизменными  остаются углы между соответственными гранями растущего кристалла. Эта особенность кристаллов известна как закон постоянства гранных углов.

Все кристаллы имеют ряд общих основных свойств.
Однородность строения — одинаковость узора взаимного расположения атомов во всех частях объема его кристаллической решетки.
Анизотропность — различие физических свойств кристаллов (теплопроводность, твердость, упругость и другие) по параллельным и непараллельным направлениям кристаллической решетки. Свойства кристаллов одинаковы по параллельным направлениям, но неодинаковы по непараллельным.
Способность самоограняться, т.е. принимать форму правильного многогранника при свободном росте кристаллов.
Симметричность — возможность совмещения кристалла или его частей определенными симметрическими преобразованиями, соответствующими симметрии их пространственных решеток.

Способность к самоогранению выражается в том, что любой обломок или выточенный из кристалла шарик в соответствующей для его роста среде с течением времени покрывается характерными для данного кристалла гранями. Эта особенность связана с кристаллической структурой. Стеклянный же шарик, например, такой особенностью не обладает.
Аморфными или минералоидами называют твердые тела, характеризующиеся беспорядочным, хаотичным (как в жидкости) расположением слагающих его частиц (атомов, ионов, молекул), например, стекла, смолы, пластмассы и пр. Аморфное вещество отличается изотропностью свойств, отсутствием четко выраженной температуры плавления и естественной геометрической формы.

1. Процесс образования кристаллов.

1. Формирование кристаллов в естественных условиях.

Формирование кристаллов является ярким примером образования структур в неравновесных условиях.

Минеральные кристаллы образуются в ходе определенных породообразующих процессов. 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. 

Важной проблемой при изучении образования кристаллов является проблема отбора структуры в различных условиях ее формирования.

Скорость формирования кристаллов при выделении вещества из раствора или расплава зависит от большого числа факторов. Одним из наиболее общих условий при сопоставлении разных веществ является степень симметрии кристаллов и степень симметрии самих частиц, из которых он образуется. Чем симметричнее расположены частицы в кристалле, тем большее число различных относительных положений частиц отвечает правильному положению их в кристалле.

1. Выращивание кристаллов

В лабораториях кристаллы выращивают из растворов, из расплавов, из паров и из твердых веществ. Для этого есть много интересных способов. Рост больших очень однородных и чистых кристаллов может измеряться месяцами.

Искусственные кристаллы ничем не отличаются по своим свойствам от естественных кристаллов. В специально оборудованных лабораториях — настоящих фабриках кристаллов — выращивают, например, большие совершенно чистые кристаллы виннокислого калия-натрия (сегнетовой соли), дигидрофосфата аммония и других веществ, кристаллы которых имеют широкое применение в радиотехнике. Целые цехи заводов заняты выращиванием искусственных кристаллов каменной соли, хлористого калия, фтористого лития и других веществ, применяющихся в оптической промышленности. В электрических печах из расплавов выращивают большие кристаллы металлов — свинца, олова, никеля, сурьмы, меди, висмута, цинка и т. п.

Всем известны вишнево-красные рубины и васильково-синие сапфиры, самые дорогие из драгоценных камней после алмаза и изумруда. Хотя по виду они совсем различны, но это один и тот же минерал — корунд. Химический состав рубина и сапфира и их физические свойства одинаковы, различие только в цвете, который зависит от ничтожных химических примесей. Корунд — это один из самых твердых минералов: по твердости он уступает только алмазу. Поэтому его ценят не только как камень для украшений, но главным образом как материал для тех частей точных приборов, которые не должны быстро стираться, стачиваться.

1. Практическая часть

Выбор материала для эксперимента

Для проведения опыта я взяла поваренную соль (NaCl), т.к. в соответствии с предварительно собранной информацией, для роста кристаллов этой соли не нужны особые условия, при этом они растут достаточно быстро.

Ход опыта:

1. В стакан была налита горячая (но не кипящая) вода.

2. Небольшими партиями я начала насыпать в стакан поваренную соль до тех пор, пока она не перестала растворяться в жидкости.

3. Полученный соляной раствор был процежен через марлю. Это позволило удалить все ненужные.

4. Раствор был остужен.

5. На поверхности стакана я закрепила грубую нить с небольшой бусиной диаметром около 3 мм. Конструкцию я расположила таким образом, чтобы бусина была погружена в раствор, но не касалась дна и стенок сосуда.

6. Поставила стакан с раствором в темное место, куда не проникают солнечные лучи и отсутствует сильное движение воздуха (нет ветра и сквозняков).

Результат: через 7 дней сформировался кристалл поваренной соли диаметром около 25 мм.

 Выводы: 

• Поваренная соль состоит из кристаллов.

• При соприкосновении кристаллов соли с водой, они растворяются.

• Кристаллы  соли могут образовываться в насыщенном растворе поваренной  соли.

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

• В домашних условиях можно вырастить кристаллы при необходимых условиях: наличие насыщенного солевого раствора и ниточки с затравкой, помещение емкости с затравкой и раствором в темное место, защищенное от сквозняков.

Заключение

В результате проведенных исследований  гипотеза полностью подтверждается: нам удалось вырастить  кристаллы поваренной соли в домашних условиях. При благоприятных условиях поваренная соль принимает форму кристаллов.

Список используемой литературы:

1. Бабак Н.И. Журнал «ЖРФМ», 1995, № 1-6, стр. 114-143.

2. Белов Н.В. Энциклопедия драгоценных камней и кристаллов.- Минск: «Харвест», 2009 г. – 159 с.

3. «Большая Советская энциклопедия» (БСЭ) – электронный ресурс (https://gufo.me/dict/bse)

4. Геология Земли. Электронный ресурс (http://www.geologiazemli.ru/articles/112)

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

6. Журнал для любознательных «Юный эрудит», №10 (октябрь), 2009 г.

7. Индустриальная библиотека. Электронный ресурс. http://industrylib.ru/свойства-кристаллов/

8. Шаскольская М.П.. Кристаллы. - М.: Наука, 1978 г. – 208 с.

7