Исследовательская работа"Выращивание кристаллов из растворов" 2009 г.

Исследовательская работа по физике:

«Выращивание кристаллов из растворов.

Исследование их свойств».

Выполнила ученица 10 «Б» класса

МОУ КСОШ №1  Ключевского района

Попова Екатерина Александровна

Село Ключи ул. Пролетарская дом 81

тел. 8-913-263-7013

Руководитель: Старкова Галина Викторовна

                                                                                    С. Ключи 2009 год                                                          

Оглавление

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

2. Мир кристаллов ………………..……..........................………..………6

2.1. Структура кристаллов и их отличительные особенности…….…...9

3.Эксперементальная часть ……………………………………..………12

3.1. Эксперимент № 1………………………………………….……...….13

3.2. Эксперимент № 2………………………………………….…..……..17

3.3 Эксперимент № 3……………………………………………….…….18

3.4. Эксперимент № 4………………………………………….…..……..20

4. Заключение……...………..…………………………………….………21

5. Источники литературы…………...…………………...……….………23

6. Приложение ………………….………...………………………………24

Введение

        В земле иногда находят камни такой формы, как будто их кто-то тщательно выпиливал. Это – многогранники с плоскими гранями, с прямыми ребрами. Правильные и совершенные формы этих камней, безукоризненная гладкость их граней поражают нас. Трудно поверить, что такие идеальные многогранники образовались сами, без помощи человека. Вот эти-то камни с природной, правильной, симметричной, многогранной формой и называются кристаллами.

        Кристаллы, залегающие в земной коре, бесконечно разнообразны. Размеры природных многогранников достигают подчас человеческого роста и более. Встречаются кристаллы- лепестки тоньше бумаги и кристаллы-пласты в несколько метров толщиной. Бывают кристаллы маленькие, узкие и острые, как иголки, и бывают громадные, как колонны. В некоторых местностях Испании такие кристаллические колонны ставят как столбы  для ворот. В музее горного института в Ленинграде хранится кристалл горного хрусталя (кварца) высотой около метра и весом более тонны, который много лет служил тумбой ворот одного из домов в городе Екатеринбурге (ныне Свердловске).

        Многие кристаллы идеально чисты и прозрачны, как вода. Недаром говорят: «прозрачный, как кристалл», «кристально чистый»…

        Если вам хочется больше узнать об объектах моей исследовательской работы, вы можете посетить, например, Минералогический музей.  Каких только причуд не увидишь там! Это правильные многогранники: кубы, призмы, пирамиды, параллелепипеды и другие, пленяющие сложностью и совершенством формы… столбики, таблички,  пластинки, звезды, иглы, лепестки, сростки, сложные сплетения…  Природные формы кристаллов правильны и симметричны, причудливо разнообразны…

Мне хочется, чтобы вместе со мной вы приобщились к миру кристаллов и разделили убеждение о том,  что этот мир красив и поэтичен.

Актуальность работы: работа интересная и познавательная. Кристаллы играли и играют до сих пор немаловажную роль в жизни человека. Они обладают оптическими и механическими свойствами, именно поэтому первые линзы, в том числе и для очков, изготавливались из них. Кристаллы до сих пор применяются для изготовления призм и линз оптических приборов. Кристаллы сыграли важную роль во многих технических новинках XX века.

Кроме того, кристаллы можно выращивать из растворов, расплава, а иногда и из газовой фазы. На кристаллизации основывается производство искусственных кристаллов технического и ювелирного назначения. Кристаллизация помогает выделить отдельные вещества из смесей. Например, из сильвинита KCI·NaCI получают хлорид калия при охлаждении насыщенного раствора. В результате охлаждения KCI кристаллизуется, а NaCI остается в растворе. Это процесс используется в производстве калийных удобрений. Это удивительное свойство кристаллических тел! [1]

Цель работы: вырастить кристаллы разнообразных веществ из растворов, при различных условиях внешней среды и сравнить их свойства, определить оптимальные условия для выращивания кристаллов.

Для реализации поставленной цели я поставила перед собой следующие задачи:

1. Приобщиться к миру кристаллов.

2. Вырастить кристаллы из растворов различных веществ, при разнообразных условиях и сравнить их свойства.

3. Изучить свойства кристаллов.

4.Определить роль кристаллов в современном мире.

Объект исследования: способы и условия выращивания кристаллов из растворов.

Предмет: кристаллы медного купороса, поваренной соли, алюмокалиевых квасцов, вода из озера Шакуртуз.

Методы исследования: изучение свойств на основе экспериментов.

2. Мир кристаллов.

Слово "кристалл" происходит от греческого "крюсталлос" - лед. С давних пор обратили люди внимание на сходство кристаллов горного хрусталя и кристаллов льда: и те, и другие - бесцветные, прозрачные шестигранные "карандашики" с острыми пирамидками на концах. Не мудрено, что в древности и в средние века полагали, что кристаллы горного хрусталя и льда - это одно и тоже, только лед замерзает у нас на глазах, а горный хрусталь - лишь при особо сильном морозе.

        В древности кристаллам приписывали всякие необыкновенные свойства. Считали, что кристалл аметист предохраняет от пьянства и навевает счастливые сны, изумруд спасает мореплавателей от бурь, сапфир помогает при укусах скорпионов, алмаз бережет от болезней, топаз приносит счастье в ноябре, а гранат - в январе, и т.д. Человека, украшенного змеей, заставляли  есть толченый изумруд. Древние обитатели Америки - инки - поклонялись как божеству большому кристаллу зеленого изумруда. Драгоценные камни служили мерой богатства князей и императоров. Но тяжелой ценой доставались эти сокровища. Сотни и тысячи нищих, полуголодных тружеников погибали, добывая самоцветы. История драгоценного камня в странах капитала - это повесть об угнетении, эксплуатации и голоде,  об обманах и убийствах.

Вот одна из таких историй. Громадный алмаз «Регент» (самые большие в мире алмазы известные каждый под своим название, например «Орлов», «Шах», «Коинур», «Африканская звезда», «Регент») был найден негром невольником, работавшим на алмазных рудниках в южной Африке. В каторжных условиях жили невольники в этих рудниках: они были заключенными, и стража охраняла их, чтобы не один алмаз не ушел из рук хозяев. А если невольнику разрешали в свободный день выйти за пределы рудника, то его не только обыскивали с головы до ног, но даже заставляли принять касторку, чтобы он не смог спрятать алмаз, проглотив его. Невольник, нашедший Регент, все же скрыл свою находку от надсмотрщика: глубоко разрезав себе ногу, он спрятал сокровище в рану под повязкой. Он открыл свою тайну одному матросу, умоляя помочь ему бежать. Матрос устроил ему побег, а на корабле, отняв у него алмаз, столкнул невольника в море. Сам матрос продал камень за бесценок и, быстро промотав деньги, с отчаяния повесился. Переходя из рук в руки, алмаз этот попал в сокровищницу королей Франции. Впоследствии Наполеон первый носил его на рукоятке своей шпаги, суеверно считая, что этот алмаз приносит ему счастье. В середине 19 века, когда французское правительство продавало часть своих коронных сокровищ с аукциона, «Регент» был оценен в 6 миллионов франков.

В музеях московского Кремля можно любоваться богатой коллекцией камней, некогда принадлежавших царской семье и небольшой кучке богачей.

И наземные послы, посетившие Россию в 17 веке, писали, что ими овладел «тихий ужас» при виде роскошных нарядов царской семьи, сплошь унизанных драгоценными камнями. Известно, что шляпа князя Потемкина-Таврического так была усеяна бриллиантами и из-за этого столь тяжела, что владелец не мог носить ее на голове; адъютант нес шляпу в руках за князем. На одном из платьев императрицы Елизаветы было нашито столько драгоценных камней, что императрица не выдержала их тяжести, упала на балу в обморок.

В числе сокровищ алмазного фонда России хранится один из величайших и красивейших алмазов в мире, «Шах». На полированной поверхности этого чудесного камня замысловатой персидской вязью выгравированы имена его владельцев, начиная с 1591 года. Алмаз был прислан персидским шахом русскому царю Николаю первому в качестве выкупа за убийство российского посла Александра Сергеевича Грибоедова, автора гениальной комедии «Горе от ума». Ныне алмаз «Шах» соседствует с алмазами из Якутии.

Урал, Алтай, Сибирь и другие области необъятной нашей страны таят в своих недрах прекрасные алмазы, темно-синие сапфиры, нежно-голубые аквамарины, зеленые изумруды, золотистые, голубые и фиолетово красные топазы, лиловые аметисты, переливчатые жемчуга… нет возможности даже перечислить их. Непревзойденный знаток драгоценного и цветного камня академик А. Е. Ферсман писал в одной из своих последних книг хотел бы, чтобы камень в руках человека был не забавой и роскошью, а прекрасным материалом, которому человек сумеет вернуть его место, материалом, среди которого прекраснее и веселее жить… В нем человек будет видеть поглощение непревзойденных красок и нетленности самой природы, к которым может прикоснуться только горящий огнем вдохновения художник. [2]

2.2 Структура кристаллов и их отличительные особенности

Мир кристаллов – удивительный мир многогранников, привлекающих совершенством и красотой геометрических форм. Это – кристаллы обычной поваренной соли и драгоценные камни, кварц, слюда, кристаллы многих горных пород. Но красота и правильность внешней огранки не обязательное свойство кристаллов.

Главное, что их внутреннее строение подчиняется строгим законам симметрии. Так,  любой кусок металла состоит из маленьких кристалликов, и в каждом атомы расположены в пространстве строго периодически. [6]

Одним из первых, кто выдвинул идею существования кристаллической решетки, был Ньютон. «Нельзя ли предположить, -  писал он, - что при образовании… кристалла частицы… установились в строй и в ряды?» Его современник, Христиан Гюйгенс, увидел в этом причину правильной формы кристаллов. [8] Принцип построения кристаллической решетки можно представить следующим образом. Отдельные атомы группируются в идентичные элементарные блоки по принципу плотной упаковки или минимума энергии. Получившиеся блоки объединяются, образуя общую геометрическую конструкцию -  кристаллическую решетку.

Существует всего семь основных блоков, которыми можно заполнить трехмерное пространство (без пропусков) и из которых могут быть сконструированы все кристаллы (таблица 1, приложение).

Простейший строительный блок (куб) допускает три способа размещения атомов: по углам (простая кубическая решетка), в центре куба (кубически центрированная решетка) и в центре граней (гранецентрированная решетка). Простая кубическая решетка характерна для соли NaCI (рис. 1а, приложение). Электронные оболочки атомов, образующих такую решетку, касаются друг друга, заполняя лишь 52 процента пространства. Кубическая центрированная решетка, характерная для железа и натрия, заполняет 68 процентов пространства (рис. 1б, приложение).

Наиболее плотная упаковка (74 процента пространства) достигается при гранецентрированной решетке, которая характерна для серебра, золота, никеля, меди, алюминия (рис. 1в, приложение). Такое же наиболее плотное заполнение возможно при гексагональной решетке, характерной для цинка и инертных газов (рис. 1г, приложение). Некоторые вещества, имеющие одинаковы химический состав, отличаются по физическим свойствам из-за различия структуры их кристаллических решеток. Полиморфизм – существование различных кристаллических структур у одного и ого же вещества. Алмаз, графит и фуллерен – три разновидности углерода, имеющие разную кристаллическую структуру (рис. 2, приложение). Кристаллические тела могу быть монокристаллическими и поликристаллическими. Монокристалл  - твердое тело, частицы которого образуют единую кристаллическую решетку. Определенный порядок в расположении частиц распределяется на весь объем монокристалла. Его внешняя форма является правильной, углы между внешними гранями оказываются постоянными. К монокристаллам относятся природные кристаллы (кварц, алмаз, турмалин), крупинки соли, сахара, соды. Поликристалл – твердое тело, состоящее из беспорядочно ориентированных монокристаллов. Примерами поликристаллов являются сахар-рафинад, а так же такие металлические изделия как вилки, ложки. [4]

Современная кристаллофизика дает полную геометрическую картину строения реальных кристаллов (этот раздел науки часто называют кристаллографией). Однако почему именно так вырастает тот или иной кристалл, чаще всего объяснить не удается. При росте кристалла атомы находятся в непрерывном тепловом движении и, перебирая разные возможности, как-то находят свое место в кристалле, отвечающее минимуму потенциальной энергии. Общие закономерности, связанные с характером химической связи в решетках, тем не менее, имеются.

Простейший тип связи – ионная связь. В узлах кристаллической решетки расположены заряженные ионы и электростатическое (кулоновское) взаимодействие связывает частицы в единый кристалл. Таковы, например кристаллы поваренной соли. Другой тип связи – ковалентная, (гомеополярная) химическая связь, то есть связь такого же типа, как и во многих молекулах. При ее образовании электроны внешних оболочек атомов уже принадлежат обоим атомам. Так, например, устроена решетка алмаза. Очень важен тип связи – металлическая связь. Она преобладает в металлах с хорошей электропроводностью, где имеется много свободных электронов. [6]

3. Экспериментальная часть (выращивание кристаллов из растворов)

Кристаллы выращивают из насыщенных (перенасыщенных) растворов веществ на «затравке». Затравкой или центром кристаллизации может являться кристаллик данного вещества или любой другой центр кристаллизации (волокно). Выращивание кристаллов – это искусство. Поэтому получается не все сразу. Немного настойчивости, упорства, аккуратности, и можно стать обладателем красивых кристаллов.

В своем экспериментальном задании я попытаюсь выявить наиболее благоприятные условия для роста кристаллов.

3.1. Эксперимент №1

Цель: выяснить, как растет кристалл в зависимости от концентрации и температуры раствора CuSO4.

Для проведения эксперимента я взяла 3 чистых сосуда, сделала раствор: 60 грамм медного купороса и 70 миллилитров нагретой до 40 градусов воды, и раствор того же вещества с меньшей концентрацией: 40 грамм соли на 70 миллилитров нагретой воды. Профильтровав раствор через фильтровальную бумагу, получила раствор, в котором количество вещества как раз соответствует растворимости при данной температуре; раствор «насытился» и больше он не может поглотить ни крупинки вещества, такой раствор называется насыщенным. Дав раствору остыть, опустила в него «затравки» (кристаллики, полученные из медного купороса заранее) на нити не большой длины. Далее, в течение 6 дней я наблюдала за ростом кристаллов. Все полученные мною данные занесла в таблицу 2 и таблицу 3. После этого я проанализировала результаты и выявленные мною закономерности, потом по ним составили диаграмму 1 (приложение).

Таблица 2. Зависимость роста кристаллов от концентрации и температуры окружающей среды.

 Раствор CuSO4. Концентрация – 70 мл воды на 60 г CuSO4  (насыщенный раствор)

Таблица 3. Зависимость роста кристаллов от концентрации и температуры окружающей среды.( Приложение фото1, 2, 3).

Раствор CuSO4. Концентрация: 40гр. соли на 70 мл. воды (насыщенный раствор)

Вывод: Наличие «затравки» в полученных растворах позволила вырастить кристаллы достаточно быстро. Растворы различались между собой концентрацией растворенного в них вещества. И так как все сосуды были открыты, то насыщенный раствор CuSO4 испарялся, но из него испарялась только вода, а растворенные вещества оставались. А так как испарение зависит от температуры, то быстрее всего испарение происходила в 3 сосуде (температура 30 градусов). В результате испарения в растворе оказывалось лишнее вещество. Он превращался в перенасыщенный, и из него образовывались кристаллы. Первое время эти кристаллы оседали на затравке, а затем на дне и стенках сосуда, и даже на поверхности воды. Теоретически можно предположить, что самый большой кристалл должен был вырасти при температуре 30 градусов и повышенной концентрации, но так как рост кристаллов явление, зависящее от многих факторов (тряски, толчков, чистоты сосудов, в котором находится, колебаний температур окружающей среды, от примесей в растворе, от скорости кристаллизации, от степени переохлаждения или перенасыщения и даже от положения «затравки» в процессе роста кристалла и многих других причин), по нашим экспериментальным данным наиболее благоприятные условия для роста кристалла были для раствора меньшей концентрации, находящейся при температуре 10 градусов.

3.2. Эксперимент № 2.

Раствор поваренной соли. 1 раствор: 70 мл воды, температура которой 40 градусов,  на 40 г соли.

 2 раствор: CuSO4 40 г на 70 мл воды, при температуре 40 градусов.

В полученные растворы опустили «затравку» из поваренной соли и CuSO4 соответственно. Они находились при температуре 10 градусов. Наблюдение за ростом кристаллов продолжалось в течение 5 дней.

Таблица 4. Зависимость роста  и размера кристаллов от вида соли.

Вывод: Общее всех кристаллических тел и наших в том числе – наличие кристаллической решетки. Почти все физические свойства – анизотропны – это приводит к зависимости физических свойств монокристаллов от направления в них. Анизотропна и скорость роста кристалла, поэтому они вырастают в форме многогранников. Если бы скорость роста кристаллов не зависела от направления, была бы во всех направлениях одинаковой, то кристалл рос бы во все стороны одинаково и мог бы иметь только форму шара. Именно потому, что растет он в разные стороны с разными скоростями, и вырастает он многогранником.

Таким образом, можно сделать вывод, что скорость роста кристаллов медного купороса больше, чем скорость роста кристаллов поваренной соли. Анизотропия кристаллического вещества – следствие его правильного внутреннего строения. А внешняя симметричная, многогранная форма образуется из-за анизотропии скоростей роста.

3.3. Эксперимент №3.

Соль из озера Шакуртуз. Крупная соль с Каипского озера: 40 г на 70 мл горячей воды. Поваренная соль: 40 г на 70 мл горячей воды. Таблица 5.

Зависимость роста и развития кристалла от вида и размера кристаллов соли.

Вывод: размеры выращенных кристаллов из растворов зависят от величины кристаллов соли, растворенных в воде. То есть, чем крупнее соль, из которой пучен раствор, тем больше кристалл вырастает в нем.

3.4. Эксперимент № 4.

Цель: Наблюдение за ростом кристаллов алюмокалиевых квасцов.

 Подготовили водный раствор алюмокалиевых квасцов, растворив в горячей воде порошок алюмокалиевых квасцов, количество порошка определялось растворимостью данного порошка,  и опустили в него небольшой кристаллик – «затравку». Сначала он немного растворился, а затем принялся расти. Получили прозрачные, великолепно ограненные кристаллики  алюмокалиевых квасцов, осажденных на нити. Полученная «нитка бус» могла бы соперничать с искусственно ограненными бусами, но, к сожалению, кристаллы, выращенные из водных растворов, обычно очень быстро тускнеют и разрушаются. В этом трудность их применения в технике. Проведенный эксперимент позволяет сделать вывод, что количество осажденных на нити кристаллов зависит от температуры, в которой находится раствор (прямопропорциональная зависимость).

4. Заключение

Я считаю, что Товий Егорович Ловиц, член Российской Академии наук, был прав, когда писал, что «образование кристаллов, есть неоспоримо самое привлекательное и удивительное, но притом доселе еще неизъяснимое действие природы». [2]

В обычной школьной лаборатории невозможно вырастить большие однородные кристаллы, ведь в комнате температура никогда не остается постоянной, в течение дня она неизбежно колеблется, по крайней мере, на 3 – 4 градуса, а то и больше. А при изменении температуры меняется растворимость вещества и растворы оказываются то недосыщенными то пересыщенными, кристаллы в них-то растут, то растворяются. Поэтому большие однородные кристаллы необходимо растить в термостатах, то есть, в установках, в которых, автоматически поддерживается заданная температура. Проведя исследование, я убедилась, что из растворов можно вырастить кристаллы всех тех веществ, которые легко растворяются в воде. Таковы квасцы, медный купорос, поваренная соль. Я узнала, что особенно важны в промышленности растворимые в воде кристаллы, широко применяемые в радиотехники и промышленности. Дигидрофосфат калия, дигидрофосфат аммония, сегнетова соль и многие родственные им кристаллы – так называемые водорастворимые сегнетоэлектрические кристаллы.

 Итак, по данным моих экспериментов, наиболее простым для выращивания в домашних условиях является сульфат меди. Почему не поваренная соль? а потому, что кристаллы поваренной соли, не так красивы и очаровательны как медный купорос. К тому же сульфат меди можно купить в любой аптеке, в то время как никель двухлористый придется поискать. Так же важен и тот факт, что при виде синего кристалла размером хотя бы с ноготь, дети начинают с любопытством его рассматривать. Становится ясно, что чем необычнее форма и цвет кристалла, тем больше внимания он притягивает. И я убедилась в этом после того как показала полученные мною кристаллы ученикам младших классов. Они были настолько удивлены и зачарованы увиденным, что почти все через неделю принесли по одному маленькому кристаллику соли (фото 4, 5, 6). Это усилило мое ощущение того, что я не зря проделала свою работу.

5. Источники литературы

[1] – Атомы блуждают по кристаллу – Б. С. Бокштейн – Наука, 1984 год.

[2] – Кристаллы – М. П. Шаскольская – Наука 1985 год.

[3] – Мир вокруг нас – Планета Земля – А. Л. Бочавер – Астрель 2002 год.

[4] – Физика 10 класс – В. А. Касьянов – Дрофа, 2004 год.

[5] – Физика в школе – Научно-методический журнал - №2, 1 – 80, 2006 год.

[6] - Энциклопедический словарь юного физика – В. А. Чуянов – Педагогика, 1997 год.

[7] – Энциклопедический словарь юного химика - В. А. Крицман, В. В. Станцо – Педагогика, 1990 год.

[8] – Энциклопедия для детей – физика – Аванта плюс, 2005 год.

5. Приложение

Рисунок 1. Типы кристаллических решеток. А) Кубическая; б) Кубическая центрированная; в) Гранецентрированная; д) Гексагональная.

Рисунок 2. Различные кристаллические состояния углерода. (а – алмаз, б – графит, в – фуллерен)

Таблица 1. Типы кристаллических решеток

Фото 1. Кристалл медного купороса, выращенный при температуре 21 градус. Раствор: 70 мл. воды на 60 г. соли                                                        

Фото 2. Кристалл медного купороса, выращенный при температуре 30 градусов. Раствор: 70 мл. воды на 60 г. соли.

         Фото 3. Кристалл медного купороса, выращенный при температуре 10 градусов. Раствор: 70мл. воды на 60 г. соли.

Диаграмма 1. Зависимость размера кристалла от температуры окружающей среды и концентрации раствора.

Фото 4. Кристалл медного купороса, выращенный учениками младших классов.

Фото 5. Кристаллы поваренной соли, выращенные учениками младших классов.