Выращивание кристаллов

Районная научно-практическая конференция школьников Коченевского района

Секция БИОЛОГИИ, ГЕОГРАФИИ, ХИМИИ

Выращивание кристаллов

Булгакова Ирина,

МКОУ Кремлевская СОШ, 11 класс

Научный руководитель:

Баранова Елена Васильевна,

учитель химии и биологии первой квалификационной категории

Контактный телефон 89231358013

Р.п. Коченево, 2018

Оглавление

Введение……………………...…………………………..….………………………3

1. Основная часть………………………………………………………….…….......4

1.1 Что такое кристалл……………………………………………………………..5

1.2. Формы кристаллов и способы их образования……………………………..5

1.3. Применение кристаллов……………………………………………………..6

2. Исследовательская часть …………………………………………...……………6

2.1. Подготовка к выполнению эксперимента…………………………………..7

2.2. Выращивание кристаллов ……………………………………………………8

2.3. Результаты исследования……………………………………………………..9

3. Заключение……………………………………………………………….…….…9

Список использованных источников и литературы………………………………10

Приложения………………………………………………………………………….11

"Почти весь мир кристалличен.

В мире царит кристалл и его

твердые, прямолинейные законы"

Академик Ферсман А.Е.

Введение.

Актуальность темы

Этим летом я прочитала несколько статей о знаменитой Новоафонской пещере. Новоафонская пещера — одна из крупнейших пещер в Абхазии. Находится под склоном Иверской горы. Представляет собой огромную карстовую полость объёмом около 1 млн м³. Вблизи пещеры находится Новоафонский монастырь и храм Симона Кананита. Пещера была открыта для посетителей в 1975 году.  Меня поразили удивительной красоты натечные образования: сталактиты, сталагмиты и сталагматы. А еще в интернете увидела коллекцию «Энергия камней». Мне нравится рассматривать эти камни. Это - кристаллы, образованные природными силами. Но и сам человек может выращивать кристаллы. Мне стало очень интересно, как это можно сделать и я решила сама попробовать вырастить кристаллы.

Объектом моего исследования является изучение кристаллов и способов их выращивания.

Цель моего исследования: Вырастить кристаллы в домашних условиях.

Задачи:

• познакомиться с научно-популярной литературой по данной теме

• изучить технику выращивания кристаллов

• познакомиться с разновидностями кристаллов

• узнать, какое значение имеют кристаллы в жизни человека

Гипотеза исследования: образование кристаллов зависит от условий окружающей среды, в частности от температуры.

1. Основная часть

1.1. Что такое кристалл

Кристалл — это твердое состояние вещества. Он имеет определенную форму и определенное количество граней вследствие расположения своих атомов. Все кристаллы одного вещества имеют одинаковую форму, хоть и могут отличаться размерами.

В природе существуют сотни веществ, образующих кристаллы. Вода — одно из самых распространенных из них. Замерзающая вода превращается в кристаллы льда или снежинки.

Минеральные кристаллы тоже образуются в ходе определенных породообразующих процессов. Огромные количества горячих и расплавленных горных пород глубоко под землей в действительности представляют собой 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. Миллионы лет тому назад гранит был расплавленной массой минералов в жидком состоянии. В настоящее время в земной коре имеются массы расплавленных горных пород, которые медленно охлаждаются и образуют кристаллы различных видов.

Кристаллография – наука не новая. У её истоков стоит М. В. Ломоносов. Эта наука, занимается изучением кристаллов, их строения, формы, физических и химических свойств, зародилась в недрах минералогии, и долгое время была составной её частью. Все основные законы кристаллографии были открыты на минералах. Затем кристаллы стали предметом пристального изучения физиков, химиков, математиков и даже биологов. Она занимает самостоятельное место в науке, примыкает ко многим областям знания, обогащая их своими теоретическими и экспериментальными методами и заимствуя их методы для дальнейшего углублённого изучения кристаллов. В кристалле минерал предстаёт перед нами в наиболее совершенном виде, пробуждая чувство прекрасного.

Само слово «кристалл» берёт начало от греческого «кристаллос» - лёд. Кристаллическое состояние вещества – одно из фундаментальных свойств материи. Земная кора на 95% состоит из кристаллов. Преобладающее их количество прошло испытание временем, приспособилось к окружающим нас условиям, стало использоваться человеком. Кристаллы окружают нас всюду.

Чтобы понять, что такое кристалл, мало полюбоваться на красивые кристаллы кварца и топаза в Минералогическом музее, мало восхищаться зимой звездочками снега на темном фоне нашего рукава, мало наблюдать в сахарном песке сверкающие, как алмаз, маленькие кристаллы сахара, - надо самому растить кристаллы, изучать их жизнь.

Всем известно, что издавна люди научились выращивать искусственные кристаллы — рубины. И используют их для изготовления ювелирных украшений и в качестве опор для вращающихся деталей в часовом механизме. А еще выращивают самые твердые на свете кристаллы — алмазы.

Можно ли искусственные кристаллы отличить от природных? Вот вопрос. Ну, например, искусственный алмаз до сих  пор уступает природному по качеству, в том числе и по блеску. Искусственные алмазы не вызывают ювелирной радости, но для использования в технике они вполне подходят, выступают в этом смысле на равных с природными. Опять же, нахрапистые ростовики (так называют химиков, выращивающих искусственные кристаллы) научились выращивать тончайшие кристаллические иглы, обладающие чрезвычайно высокой прочностью.

Выращивание кристаллов мы отнесли к поделкам из природного материала. Почему? А кто будет утверждать, что соль это не природный материал?

1.2. Формы кристаллов и способы их образования

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.

Кристаллы могут иметь форму различных призм, основанием которых могут быть правильный треугольник, квадрат, параллелограмм и шестиугольник.

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.

Наиболее распространёнными способами искусственного выращивания кристаллов 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 кристаллов 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.

1.3. Применение кристаллов

Кристаллы обладают удивительной красотой, поэтому с древности применяются для изготовления ювелирных изделий. Но не только. Применение кристаллов в науке и технике многочисленны и разнообразны, они сыграли важную роль во многих технических новинках 20 в. Приведу несколько примеров.

Алмаз. (Приложение 1)

Самый твердый и самый редкий из природных минералов - алмаз. Благодаря своей исключительной твердости алмаз играет громадную роль в технике. Алмазными пилами распиливают камни. Колоссальное значение имеет алмаз при бурении горных пород, в горных работах. В граверных инструментах, делительных машинах, аппаратах для испытания твердости, сверлах для камня и металла вставлены алмазные острия. Алмазным порошком шлифуют и полируют твердые камни, закаленную сталь, твердые и сверхтвердые сплавы. Сам алмаз можно резать, шлифовать и гравировать тоже только алмазом. Наиболее ответственные детали двигателей в автомобильном и авиационном производстве обрабатывают алмазными резцами и сверлами.

Корунды. (Приложение 2)

Рубин и сапфир относятся к самым красивым и самым дорогим из драгоценных камней. Кроваво-красный рубин и лазорево-синий сапфир - это один и тот же минерал - корунд, оксид алюминия Аl₂О₃. Разница в цвете возникла из-за очень малых примесей.

Скромный, невзрачный бурый корунд, непрозрачный, мелкий - наждак, которым чистят металл, из которого делают наждачную шкурку. Корунд со всеми его разновидностями - это один из самых твердых камней на Земле, самый твердый после алмаза. Корундом можно сверлить, шлифовать, полировать, точить камень и металл. Из корунда и наждака делают точильные круги и бруски, шлифовальные порошки.

Вся часовая промышленность работает на искусственных рубинах, также они используются в текстильной и химической промышленности.

Новая жизнь рубина - это лазер или оптический квантовый генератор (ОКГ). В 1960г. был создан первый лазер на рубине. Оказалось, что кристалл рубина усиливает свет. Лазер светит ярче тысячи солнц. В глазной хирургии применяется чаще всего лазеры на рубине.

Сапфир прозрачен, поэтому из него делают пластины для оптических приборов. Основная масса кристаллов сапфира идет в полупроводниковую промышленность.

Кварц. (Приложение 3)

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 другие детали оптических приборов.

Особенно удивительны электрические свойства кварца. Если сжимать или растягивать кристалл кварца, на его гранях возникают электрические заряды. Этот эффект широко применяются для воспроизведения, записи и передачи звука.

Перечень применения кристаллов достаточно длинен и непрерывно растет.

2. Исследовательская часть

2.1. Подготовка к выполнению эксперимента

Выращивание кристаллов поистине увлекательное занятие и, пожалуй, самое простое, доступное и недорогое для большинства начинающих химиков, максимально безопасное с точки зрения техники безопасности, что немаловажно для тех, кто проводит эксперименты дома. Тщательная подготовка и выполнение оттачивают навыки в умении аккуратно обращаться с веществами и правильно организовывать план своей работы.

Что необходимо знать и учитывать:

• кристаллы водорастворимых веществ очень чувствительны к сильным перепадам температур;

• для выращивания кристаллов используют только свежеприготовленные растворы

• чтобы кристаллы росли как можно правильно, кристаллизация должна идти медленно, на бесцветных веществах, чьи кристаллы должны быть прозрачны как стекло, скорость роста проявляется заметнее – при быстром росте кристаллы мутнеют

• любая примесь в растворе может стать включением в кристалле или быть источником дефекта

• чтобы не было наростов на нити, нить должна быть тонкой без волосков, и должна быть опущена с затравкой в раствор на 5-7^оС теплее комнатной температуры. Такая нить успевает пропитаться раствором и «сливается» с системой в единое целое.

Требуемое оборудование и техника безопасности.

• посуда – большие плоскодонные стаканы, банки;

• водяная баня (в домашних условиях это может быть старая кастрюля и электроплита);

• тонкие, прочные суровые нитки (на таких меньше кристаллических наростов);

• фильтровальная бумага (ею может быть любая не проклеенная тонкая бумага, промокашка, салфетки, туалетная бумага) или стерильно чистая хлопковая вата;

• дополнительные мелочи, которые требуются при выполнении, будут указаны далее в тексте (воронки, стеклянные, деревянные или пластиковые палочки и т.п.);

- Медный купорос опасное вещество, поэтому при работе с ним нужно использовать защитную одежду: резиновые перчатки, очки. После работы руки и лицо необходимо вымыть с мылом.

2.2. Выращивание кристаллов

Опыт №1

Чтобы вырастить кристаллы, сначала приготовим насыщенный раствор медного купороса: в очень горячую, но не кипящую, воду насыпаем соль до тех пор, пока она не перестанет растворяться. Полученный раствор отфильтровываем.

Подвешиваем на палочке ниточку с затравкой (маленьким кристалликом), чтобы она погрузилась в раствор, но не касалась дна. Нитку, находящуюся выше груза, смазываем вазелином.

Ставим раствор охлаждаться в три разных места с разными условиями: на батарею (температура около 35 градусов), на столе при комнатной температуре (около 23 градусов) и в кладовой шкаф под подоконником (температура около 10 градусов). Чем медленнее он будет остывать, тем крупнее получаются кристаллы. Сверху стакан с раствором закроем бумагой, чтобы не попадали частички пыли. Уже на следующий день нитка обросла кристаллами. Далее нужно только следить за уровнем раствора в банке: кристалл должен все время находиться в растворе.

Кристаллы вырастают за неделю, но их можно выращивать и дольше. Можно корректировать их рост, удаляя некрасивые наросты. Это делают ножом, легкими движениями соскабливая лишнее. Или помещая в новый раствор. Образование граней можно прекратить, если смазать их вазелином. Когда кристаллы примут вид, который мы хотим, их вынимают из раствора, дают высохнуть и покрывают бесцветным лаком. Если этого не сделать, уже через несколько дней они разрушатся.

Опыт №2

Возьмем лимонную кислоту. Растворять кислоту можно в воде комнатной температуры. Также приготовим насыщенный раствор, отфильтруем и поставим в разные условия. Когда кристаллы примут вид, который мы хотим, их вынимают из раствора, дают высохнуть и покрывают бесцветным лаком. Если этого не сделать, уже через несколько дней они разрушатся. В одном сосуде мы каждый день доставали кристалл, и в итоге он вырос как поликристалл, то есть скопление сросшихся между собой монокристаллов. Во в тором сосуде вырос красивый монокристалл ( Приложение 4)

Опыт №3

Аналогичные действия проведем с поваренной солью

2.3. Результаты исследования

В результате проведенных опытов мы установили:

1. При разных температурах образование кристаллов происходит по-разному. При более высокой температуре остывание раствора происходит постепенно и кристалл образуется более крупный и более правильной формы. Это объясняется тем, что раствор быстрее испаряется, и частички вещества осаждаются на кристалл. При низких температурах кристаллы образуются неправильной, игольчатой формы, с множеством острых углов. Это подтвердилось в трех сериях опыта.

2. Разные вещества образуют кристаллы с разной скоростью. Кристаллы медного купороса образовались уже на следующий день, а кристаллы соли пришлось ждать неделю.

3. Также различные вещества образуют кристаллы разной формы. Кристаллы медного купороса ромбической формы. А у соли в форме прямоугольника, причем у морской соли кристаллы крупнее.

4. При замене раствора кристалл может поменять свою форму, достраивая грани. А если новый раствор имеет меньшую концентрацию, то кристалл может и вовсе раствориться.

3. Заключение

Изучение кристаллов позволило мне не только научиться работать с литературой, но и узнать, как можно самим вырастить кристаллы в домашних условиях.

На мой взгляд, цель работы достигнута. Проведенные исследования позволяют мне считать выдвинутую гипотезу верной. Температура окружающей среды влияет на рост и форму кристаллов.

Кристаллы растут потому, что частицы вещества, находящегося в растворе, притягиваются кристаллом с различной силой в разных направлениях: в одном направлении они притягиваются сильнее, в другом слабее. Поэтому в одном направлении устремляется больше частиц вещества и грань кристалла растет быстрее, в другом, наоборот медленнее, в результате чего и получается та или иная форма кристалла.

Хотелось бы сделать следующее обобщение:

Кристаллы – это красиво, можно сказать чудо какое-то, они притягивают к себе; говорят же "кристальной души человек" о том, в ком  чистая душа. Кристальная – значит, сияющая светом, как алмаз… И если говорить о кристаллах с философским настроем, то можно сказать, что это материал, который является промежуточным звеном между живой и неживой материей. Кристаллы могут зарождаться, стареть, разрушаться.

Список использованных источников и литературы

1. Аликберова Л.Ю. Занимательная химия: Книга для учащихся, учителей и родителей. М.: АСТ-ПРЕСС. 1999.

2. Девяткин В.В. Химия для любознательных или о чём не узнаешь на уроке. Ярославль: Академия Холдинг. 2000.

3. Леенсон И.А. Занимательная химия. М.: Дрофа. 1996.

4. Большая детская энциклопедия: Химия / сост. К. Люцис. М.: Русское энциклопедическое товарищество. 2000.

5. http://www.kristallikov.net/page6.html

6. http://chemistry-chemists.com/N1_2014/ChemistryAndChemists_1_2014-P10-1.html

7. http://crestalls.ucoz.ru/index/vyrashhivanie_kristallov_v_domashnikh_uslovijakh/0-13

8. http://about-crystall.ru/

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Алмаз

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

КОРУНДЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ 3 Кварцы

Титаниум кварц

горный хрусталь

ПРИЛОЖЕНИЕ 4 Кристаллы вырашенные в домашних условиях

Поликристалл лимонной кислоты

Монокристалл лимонной кислоты

ПРИЛОЖЕНИЕ 5 Образцы кристаллов лимонной кислоты выращенные

различных температурных условиях

Кристаллы поваренной соли (NaCl)

ПРИЛОЖЕНИЕ 6 Поликристаллы

Поликристалл медного купороса

19