"Кристаллы вокруг нас"

III Республиканская научно-практическая конференция исследовательских и проектных работ «Гагаринские чтения-2019»

Исследовательская работа

«Кристаллы вокруг нас»

Выполнила: Касаткина Алёна

МБОУ «Ново-Выселская средняя

общеобразовательная школа»

ученица 10 класса

Руководитель: Матюшкова Е.И.

учитель физики

2019 г.

Содержание

Введение

Словно волшебный скульптор,

Светлые грани кристаллов

Лепит бесцветный раствор.

Н.А.Морозов

Большинство окружающих нас твердых тел представляют собой вещества в кристаллическом состоянии. 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. Действие современных оптических квантовых генераторов - лазеров - основано на использовании свойств монокристаллов (рубина и др.) [7]

Кристалл издревле и сейчас привлекают внимание людей. Их цвет, форма, блеск затрагивают человеческие чувства прекрасного и люди украшали ими себя и жилище.

Современная промышленность не может обойтись без них. Они используются в часах, транзисторных приемниках, вычислительных машинах, лазерах и многом другом. Природа уже не может удовлетворить спрос развивающейся техники, и вот на специальных фабриках выращивают искусственные кристаллы: маленькие, почти незаметные, и большие — массой в несколько килограммов.

Люди научились получать искусственно очень многие драгоценные камни. Например, подшипники, для часов и других точных приборов уже давно делают из искусственных рубинов. Получают искусственно и прекрасные кристаллы, которые в природе вообще не существуют - фианит. Фианиты на глаз трудно отличить от алмазов - так красиво они играют на свету. Появились понятия: «жидкий кристалл», «биологический кристалл», «фотонный кристалл» [18] .

Так 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 постарался найти на них ответы.

Моя работа является исследовательской, так как при её реализации используются знания нескольких учебных предметов: физики, химии, биологии, информатики. В результате деятельности мною была создана презентация «Кристаллы вокруг нас», которую можно использовать на уроках физики и химии в качестве наглядного пособия, и выращенные кристаллы из медного купороса и соли для ванной, поваренной соли.

Цель:

Определить основные области применения искусственных кристаллов и проверить опытным путём возможность роста кристаллов поваренной соли и медного купороса без применения специальной техники.

Объектом кристалл.

Предмет: процесс выращивания кристаллов..

Гипотеза: мы предположили, что кристаллы могут появляться при создании определенных условий; значит, если изменить условия кристаллизации и растворить различные вещества, то можно получить кристаллы разной формы и цвета в домашних условиях.

Задачи проекта:

• изучить строение кристаллических тел;

• подобрать дома оборудование и сырье для производства кристаллов;

• вырастить кристаллы в домашних условиях;

• изучить условия образования кристаллов, их формы, цвета;

• проанализировать полученные результаты.

Методы исследования:

-исследования публицистических и научных источников, работа с литературой;

- практическая работа;

- наблюдение;

-сбор данных и их анализ;

-обобщение информации.

1. Теоретическая часть

1.1 Понятие о кристаллах

КРИСТАЛЛЫ — вещества, в которых мельчайшие частицы "упакованы" в определенном порядке. Кристалл от греческого krystallos, первоначально - лёд, в дальнейшем - горный хрусталь или кристалл, твёрдые тела, имеющие естественную форму правильных многогранников []. Эта форма - следствие упорядоченного расположения атомов, образующих трёхмерно-периодическую пространственную укладку - кристаллическую решётку. Каждому химическому веществу, находящемуся при данных термодинамических условиях (температуре или давлении) в кристаллическом состоянии соответствует определённая кристаллическая атомная структура кристаллов, обладающей той или иной симметрией атомной структуры, соответствующей ей макроскопической симметрией внешней формы. 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. Кристаллы образуются и растут чаще всего из жидкой фазы - раствора или расплава; возможно получение кристаллов из газовой фазы или при фазовом превращении в твёрдой фазе. В природе встречаются кристаллы различных размеров - от громадных до сотен килограмм: кристаллы кварца, горного хрусталя, флюорита, полевого шпата; до мелких кристаллов алмаза и др. Для научных и технических целей разнообразные кристаллы выращивают или синтезируют в лабораториях и на заводах, можно получить кристаллы и таких сложных природных веществ, как белки и даже вирусы [16] (приложение 1).

Законы построения всех кристаллов теоретически вывели русский кристаллограф Евграф Степанович Федоров и немецкий кристаллограф Артур Шёнфлис (приложение 2). Замечательно, что Федоров сделал это за 20 лет до того, как в1912г. на опыте с помощью рентгеновских лучей было доказано, что действительно атомы в кристаллах располагаются правильным строением и что законы их расположения именно таковы, как было гениально предугадано русским ученым Федоровым [5]

1.2. Виды кристаллов и их применение

Кристаллизация - процесс образования кристаллов из раствора, расплава, а иногда и из газовой фазы. На нем основывается производство искусственных кристаллов технического и ювелирного назначения. В наибольших масштабах производится искусственный кварц.

Синтетический кварц получают из природного - низкосортного, мелкокристаллического, в основном из речного песка с концентрированным раствором соды.

Монокристалл кварца растет со скоростью порядка 1мм в сутки и достигает нескольких килограммов. Подобным же образом выращивают другие искусственные минералы: корунд, карборунд, криолит, фианит, слюды и т. д.

Кристаллогидраты - это кристаллы, включающие молекулы воды. Многие соли, а также кислоты и основания выпадают из водных растворов в виде кристаллов. Типичными кристаллогидратами являются многие природные минералы например: гипс, карналлит. Кристаллизационная вода обычно может быть удалена нагреванием, при этом разложение кристаллогидратов часто идет ступенчато: Медный купорос (синий) выше 105ºC переходит в (голубой) или в (белый), полное обезвоживание происходит выше 250ºC. Однако некоторые соединения, устойчивы только в форме кристаллогидрата и не могут быть обезвожены [7].

По типу химической связи между образующими кристалл частицами или структурными фрагментами различают ковалентные (алмаз), ионные (NаCI), молекулярные (CO2) и металлические кристаллы. Ковалентные кристаллы сильно преломляют свет, обладают повышенной твердостью и, как правило, плохо проводят тепло и электричество. Кристаллы с металлической связью пластичны, непрозрачны, хорошо проводят электрический ток. Грани любого кристалла всегда плоские, ребра между гранями прямолинейные. Существует 32 класса симметрии кристаллических многогранников, которые группируются в соответствие с наличием в них определенных элементов симметрии в семь сингоний: триклинную, моноклинную, ромбическую, тетрогональную, гексоральную, тригональную, кубическую. Если во время роста кристалла изменяются условия или в кристалл попадают примеси, то в результате этих взаимодействий идеальная структура кристалла нарушится, и в нем появятся различные дефекты. От количества и типа дефектов в кристалле зависят многие его свойства: прочность, пластичность, окраска. В технике часто в кристаллы вводят небольшие количества определенных примесей, чтобы изменить в нужную сторону те или иные свойства кристалла [20].

Кристаллы растут. Для образования кристалла необходимо, чтобы миллионы частиц выделились из раствора и расположились по точному правильному узору, но организуются ли они все сразу, большими массами, попадая в нужные положения, приспосабливаясь друг к другу, или откладываются по очереди таким же образом, как мы сами конструируем модель. При образовании кристалла выделяется большое количество энергии, очевидно, это происходит на гранях, т. е. сами, где осаждаются частицы вещества. Кроме того, скорость выращивания кристаллов зависит еще и от количества соли в растворе. Раствор в котором выращивают кристаллы должен быть насыщенным. Когда кристаллический зародыш уже образовался и начинает расти, часть растворенного материалы переходит из раствора на кристалл и концентрация раствора вблизи кристалла падает, он становится ненасыщенным.

Кристаллическими считаются вещества, атомы которых расположены регулярно, так что образуют правильную трёхмерную решётку, называемую кристаллической. Кристаллам ряда химических элементов и их соединений присущи замечательные механические, электрические, магнитные и оптические свойства.

Кристаллы могут иметь форму различных призм, основанием которых могут быть правильный треугольник, квадрат, параллелограмм и шестиугольник [5] (приложение 3).

Большинство кристаллических тел являются поликристаллами, т. к. в обычных условиях вырастить монокристаллы достаточно сложно, этому мешают всевозможные примеси. Современная техника нуждается в кристаллах высокой степени чистоты, поэтому перед наукой встал вопрос о разработке эффективных методов искусственного выращивания монокристаллов различных химических элементов и их соединений.

Выращивание кристаллов - это сложный технологический процесс, поэтому, чем дольше ждёшь, тем более впечатляющими будут результаты.

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 [8].

В 1902 году французскому инженеру Вернейлю после многочисленных неудачных попыток удалось синтезировать небольшой кристалл рубина весом 6 г.

До сих пор в мире рубины, сапфиры и гранаты пользуются большим спросом. Сапфировые стекла, например, необходимы для производства иллюминаторов космических кораблей, головок самонаводящихся ракет, мобильных телефонов и часов.
Большой популярностью пользуются и искусственно выращенные алмазы. Повышенная твердость алмазов определяет их использование в промышленности. Алмазы применяют на операциях резки, полирования, шлифования и сверления.

Американские ученые научились выращивать гигантские алмазы совершенной формы. Это позволит расширить сферу применения алмазов в промышленности.

Так же в промышленности используют искусственные кристаллы кварца и кремния.

А в ювелирном деле первым научились использовать искусственный изумруд. Он ценится исключительно из-за своей редкости, а также небольших объемов производства. Не менее ценным для ювелиров стал гранат зеленого и розового цветов [13].

В 1968 году российские физики получили прозрачный кристалл, не имеющий природного близнеца, и назвали его фианитом в честь своего Физического института Академии наук (ФИАН). Целью синтеза фианита было получение кристалла для применения в лазерах. Правда, превзойти гранат по своим "лазерным" свойствам фианит не смог, но его необычную красоту, многоцветность и дешевизну по достоинству оценили ювелиры. До 98% фианитов производится для их нужд. А для хирургии выпускается скальпель с фианитом.

2.Практическая часть

2.1. Технология выращивания кристаллов в домашних условиях

Приготовление насыщенного раствора вещества.

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 один из следующих порошков:

медный купорос, поваренную соль.

Высыпаем столько порошка, сколько может раствориться; воду помешиваем, чтобы быстрее проходило растворение. Когда порошок 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 вещества 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 стакан; туда же с помощью проволочной перемычки (можно также сделать перемычку из стержня шариковой ручки) 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 [6,12].

Выращивание кристаллических тел.

Выращивание кристаллов поваренной соли - процесс, не требующий наличия каких-то особых химических препаратов. Кристаллы соли, которые есть у нас дома - поваренная соль или пищевая соль, или каменная соль (всё одно и то же). Кристаллы поваренной соли NaCl представляют собой бесцветные прозрачные кубики.

Стакан с насыщенным раствором поваренной соли и нитка с "затравкой" для роста кристаллов. Через трое суток после начала опыта нитка, опущенная в насыщенный раствор, превратилась в "ожерелье" из кристаллов хлорида натрия. Для сравнения была взята соль для ванной.

То же самое было проделано с солью для ванной. Через неделю на нити наблюдалось напыление из кристаллов. Дальше кристаллы увеличивались незначительно. Они имели бирюзовый цвет, прямоугольную форму.

Выращивание кристаллов медного купороса - производится также, как выращивание кристаллов поваренной соли. Через трое суток после начала опыта на нитке появился кристалл медного купороса, похожий на драгоценный камень (приложение 4).

3.Наблюдение физических процессов в эксперименте

Испарение.

При выращивании кристаллических тел объем раствора в сосуде с течением времени уменьшается, так как с поверхности жидкости испаряется вода. Поэтому необходимо доливать в кристаллизатор насыщенный раствор вещества, остывший до комнатной температуры.

В кристалле медного купороса есть вода. Наши наблюдения и опыты показывали, что испарение воды происходит и с поверхности выращенного кристалла. Извлеченные из раствора кристаллы невозможно сохранять в воздухе длительное время именно по причине испарения воды, входящей в состав кристаллического тела.

На поверхности кристалла сначала появляются бледно-голубые штрихи, затем весь кристалл становится бледно-голубого цвета и при прикосновении разваливается. Если полученный порошок прокалить (обезводить), то он станет белого цвета (приложение 5).

Чтобы сохранить кристалл, в структуру которого входят молекулы воды, необходимо предотвратить процесс испарения. Для этого его нужно покрыть слоем прозрачного вещества, после высыхания которого образуется непроницаемая для влаги пленка. Это может быть лак или клей.

Образование скелетных кристаллов на поверхности раствора

Для того, чтобы ускорить процесс приготовления насыщенного раствора, мы в горячую воду (60-70 ⁰С) добавляли порошок медного купороса столько, сколько могло бы в ней раствориться. Если на дне сосуда с горячим раствором остается нерастворенное вещество, значит раствор насыщенный. Чем выше температура воды, тем больше в ней раствориться кристаллического вещества. При охлаждении полученный раствор становится пересыщенным, и начинается кристаллизация. На поверхности раствора образуются еле заметные практически плоские скелетные кристаллики. Этот процесс начинается именно в поверхностном слое раствора, потому что в данной области из-за активного испарения воды образуется избыточная концентрация кристаллического вещества.

Поверхностное натяжение

Скелетные кристаллы становятся кристаллами-затравками для множества будущих кристалликов медного купороса. Не смотря на то, что плотность этих кристаллов больше плотности воды, некоторое время, разрастаясь, они находятся на поверхности раствора. Удерживают их силы поверхностного натяжения, которые обусловлены особой структурой приповерхностного слоя жидкости.

Молекулы жидкости взаимно притягиваются. Каждая отдельная молекула внутри жидкости притягивается окружающими ее молекулами. А молекулы, находящиеся на поверхности жидкости, испытывают притяжение только нижних молекул. Поэтому расстояние между молекулами жидкости в приповерхностном слое меньше, чем расстояние между молекулами внутри жидкости. Следовательно, молекулы на поверхности жидкости обладают большей потенциальной энергией, поскольку потенциальная энергия это энергия взаимодействия, которая тем больше, чем меньше расстояние между частицами. Молекулы жидкости из поверхностного слоя стремятся проникнуть внутрь жидкости, потому что в физике каждое тело стремиться перейти в состояние, которое соответствует минимуму потенциальной энергии. Этим и объясняется возникновение сил поверхностного натяжения, удерживающих на поверхности насыщенного раствора скелетные кристаллы. Эти кристаллы со временем вырастают, и действующая на них сила тяжести становится больше сил поверхностного натяжения, поэтому они опускаются на дно сосуда [1,6].

Смачиваемость и капиллярные явления

При выращивании кристаллов на внутренних стенках кристаллизатора выше поверхности жидкости образуется налет из мелких крупиц кристаллического вещества, растворенного в воде. С течением времени этот налет становится толще, достигает верхних краев сосуда, разрастаясь в верхней части внешней стороны стенок сосуда. Если не предпринимать никаких мер, то у кристаллизатора на столе появится лужа из насыщенного раствора, который может полностью вытечь из сосуда. Эти явления объясняются тем, что стекло смачивается находящейся в сосуде жидкостью, то есть взаимное притяжение между молекулами стекла и молекулами жидкости больше, чем взаимное притяжение между молекулами жидкости. Поэтому поверхность жидкости у стенок сосуда искривляется: край жидкости немного поднимается на стенку сосуда.

Вследствие испарения воды из раствора на стенках сосуда образуются мелкие кристаллики вещества. Это происходит много раз, в результате чего и зарастают стенки сосудов (приложение 6).

Анизатропия кристаллов.

Силы взаимодействия между атомами в кристаллах по разным направлениям неодинаковы. Поэтому механические, тепловые, электрические и оптические свойства кристаллов по разным направлениям оказываются различными. Это свойство кристаллов называется анизотропией.

В кристаллической решетке различно число частиц ,приходящихся на одинаковые по длине, но разные по направлению отрезки(рис. 6), т.е.плотность расположения частиц кристаллической решетки по разным направлениям не одинакова ,что и приводит к различию свойств кристалла вдоль этих направлений.

Простейший пример анизотропии кристаллов –неодинаковая их механическая прочность по разным направлениям ..Кристаллы легче всего раскалываются с образованием кусков, ограниченных плоскими гранями, пересекающимися под определенными углами..

Спайность-это проявление анизотропии прочности кристаллов: силы сцепления между атомами в некоторых симметрично расположенных плоскостях очень малы, и кристаллы раскалываются по этим плоскостям [11,19].

2.3 Результаты эксперимента

Кристаллы солей можно вырастить искусственным путем в лаборатории или дома. Мы подтвердили поставленную гипотезу экспериментально.

1. Форма кристалла определяется формой ее кристаллической решетки.

2. Примеси в растворе соли влияют на форму кристалла и цвет.

3. Выращивание кристалла – процесс занимательный, но требующий бережного и осторожного отношения к своей работе.

4. Трудность, с которой мы сталкивались постоянно – это разрушение кристаллов.

Заключение.

Проведен анализ литературных данных по кристаллическому состоянию веществ, на основании которого пришли к выводу, что мир кристаллов разнообразен.

Освоена методика выращивания кристаллов, и они были получены из поваренной соли, медного купароса, соли для ванной, как сравнение.

Форма кристаллов правильная, ромбовидная (поваренная соль, соль для ванны), многогранник (медный купорос)

Цвет выращенных кристаллов соответствует цвету веществ, которые были использованы для приготовления растворов.

Полученные кристаллы подтвердили опытным путем справедливость выдвинутой гипотезы о возможности выращивания кристаллов в домашних условиях.

Выращенные кристаллы можно использовать как иллюстративный материал на уроках физики, для изготовления из них различной бижутерии и новогодних игрушек.

Список литературы.

1. Боярская Ю.С. Деформирование кристаллов при испытании на микротвердость. –Кишинёв: Штминца,1972

2. Буховцев О.Ф., Климантович Ю.Л. Физика -9 .– М.,1988

3. Енохович А.С. Справочник по физике.-М.: Просвещение, 1978

4. Кабардин О.Ф., Кабардина С.И. и др. Факультативный курс физики.- М.,1974

5. Ландау Л.Д.и др. Физика для всех. Молекулы.. –М., 1984

6. Физика твердого тела. Лабораторный практикум (методы получения Твёрдых тел и исследования их структуры) / под ред. Прооф. Хохлова. -М.: Высшая школа, 2001, т.1

7. Павлов П.В., Хохлов А.Ф. Физика твёрдого тела.- М.: Высшая школа, 2000

8. Чупрунов Е.В., Хохлов А.Ф., Фадеев М.А. Кристаллография. –М.: Изд-во физ.-мат. литературы, 2000 Штейнберг А.С. Репортаж из мира сплавов. –М., 1989

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

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

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

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

14.“Рассказы о самоцветах” Детгиз 1957г

15.“Древо познания” Универсальный иллюстрированный справочник

для всей семьи.

16.“Я познаю мир” Универсальный иллюстрированный справочник

для всей семьи.

17.Большая книга эксперимента для школьников – М, Росмен, 2001

18.Журнал «Квант» № 5 – М, 1998

19.Журнал «Физика в школе» №2 – М, 2003

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

21. Интернет-ресурсы.