Необычный мир кристаллов

Российская Федерация

Воронежская область

Калачеевский район

Муниципальное казенное общеобразовательное учреждение

Заброденская средняя общеобразовательная школа.

Исследовательская работа

 «Необычный мир кристаллов».

                                                                    Автор: Змаева Милена

                                                                                             учащаяся 8 «А» класса

                                                                    Руководитель: Гредасова Елена Петровна

                                                                                              учитель физики

с. Заброды

2012 год

Оглавление:

1. Введение.                                                                                             3
2. Литературный обзор

1. Многообразие твёрдых тел.                                                                        4

2. Типы кристаллических решёток и свойства кристаллов.                       4

3. Дефекты в кристаллах.                                                                                5

4. Применение кристаллов                                                                             6

5. Выращивание и применение искусственных кристаллов.                      7

6. Жидкие кристаллы и их применение.                                                       8

7. Практическая часть.                                                                                    9

III.        Заключение.                                                                                        11

IV. Список литературы                                                                                   12

Введение

       Изучая тему «Плавление и кристаллизация веществ» меня заинтересовал вопрос о кристаллах. Поэтому темой моей исследовательская работа стала «Необычный мир кристаллов».

        Человечество всегда использовало, и будет использовать твёрдые тела. Раньше эта область – физика твёрдого тела развивалась медленно. Сейчас же отношение к этой области физики изменилось, она стала очень перспективной и развивается стремительно. Все твёрдые тела находятся преимущественно в кристаллическом состоянии.

         Что такое кристаллическое состояние, какими свойствами обладает кристаллические тела, где применяются кристаллические тела с этими свойствами, и, наконец, как можно самому вырастить кристалл, всё это отражено в моей работе «Необычный мир кристаллов».  

          В настоящее время достаточно широко используются жидкие кристаллы. Изучая эту тему я расширяю свой кругозор, узнаю о различных свойствах кристалла и о их применении.

           Целью моей исследовательской работы является получение кристаллов поваренной соли и медного купороса. Выяснить, какие факторы влияют на рост кристаллов.

         Я предполагаю, что выращивание кристаллов будет быстрым и несложным процессом.

         Основной задачей исследовательской работы является получение информации о выращиваниях кристаллов и проведение эксперимента по выращиванию кристаллов поваренной соли и медного купороса. Проанализировать полученный результат и сравнить его с теоретическими знаниями.

Многообразие твёрдых тел.

Большинство окружающих нас твёрдых тел – вещества в твердом состоянии. Вещество называют твердым, если оно сохраняет свою форму и объём, т.е. внешние признаки. В физике под твердым телом подразумевается вещество, у которого имеется кристаллическое строение, т.е. «дальний порядок», в расположении его частиц.

Изучением многообразия кристаллов занимается наука кристаллография. Кристаллография – наука не новая. У её истоков стоит М.В. Ломоносов. Она всесторонне рассматривает кристаллические вещества, исследует их свойства и строение. В давние времена считалось, что кристаллы представляют собой редкость. Действительно, нахождение в природе крупных однородных кристаллов - явление нечастое. Однако мелкокристаллические вещества встречаются весьма часто. Так, например, почти все горные породы: гранит, песчаники, известняк - кристалличны. По мере совершенствования методов исследования кристалличными оказались вещества, до этого считавшиеся аморфными. Сейчас мы знаем, что даже некоторые части организма кристалличны, например, роговица глаза, витамины, миелиновая оболочка нервов - это кристаллы.

 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 …Снежинки, морозные узоры на стёклах окон и иней, украшающий зимой голые ветки деревьев, представляют собой кристаллы льда, выросшие из паров воды. Кристаллы могут зарождаться, стареть, разрушаться. Удивительно, но кристалл, когда растет на затравке (на зародыше), наследует дефекты этого самого зародыша. Этот факт похож на наследственность у человека и животных.  Кристалл чудодейственен своими свойствами, он выполняет самые разные функции. Эти свойства заложены в его  строении, которое имеет решетчатую трехмерную структуру.

Кристаллические тела

                              Монокристаллы                                Поликристаллы

                         (кварц, алмаз и др.)                     (металлы, сахар, поваренная соль и др)

Типы кристаллических решеток, являющихся основой кристалла.

1. Кубическая
2. Тетрагональная
3. Гексагональная
4. Ромбоэдрическая
5. Ромбическая
6. Моноклинная
7. Триклинная

Свойства кристаллов.

  Основными свойствами кристаллов считаются следующие свойства:

1. Постоянная температура плавления.
2. У каждого вещества температура плавления своя.
3. Анизотропия – зависимость физических свойств от направления внутри кристалла (является существенным свойством монокристаллов)
4. Изотропия – одинаковые физические свойства по всем направлениям.

Описывая  строение  кристаллов,  мы   пользовались   их   идеальными

моделями. Отличие реальных кристаллов и идеальных заключается  в  том,  что

реальные кристаллы не обладают правильной кристаллической решеткой, а  имеют

целый ряд нарушений в  расположении  атомов,  называемых  дефектами.

Дефекты в кристаллах

Дефекты в кристаллах  (от лат. defectus — недостаток, изъян) нарушения периодичности кристаллической структуры в реальных монокристаллах. В идеализированных структурах кристаллов атомы занимают строго определённые положения, образуя правильные трёхмерные решётки (кристаллические решётки). В реальных кристаллах (природных и искусственно выращенных) наблюдаются обычно различные отступления от правильного расположения атомов или ионов (или их групп). Такие нарушения могут быть либо атомарного масштаба, либо макроскопических размеров, заметные даже невооружённым глазом.

Дефекты в кристаллах образуются в процессе их роста, под влиянием тепловых, механических и электрических воздействий, а также при облучении нейтронами, электронами, рентгеновскими лучами, ультрафиолетовым излучением (радиационные дефекты) и т.п.

Различают точечные дефекты (нульмерные), линейные (одномерные), дефекты, образующие в кристалле поверхности (двумерные), и объёмные дефекты (трёхмерные). У одномерного дефекта в одном направлении размер значительно больше, чем расстояние между соседними одноимёнными атомами (параметр решётки), а в двух других направлениях — того же порядка. У двумерного дефекта в двух направлениях размеры больше, чем расстояние между ближайшими атомами, и т.д.

 Точечные дефекты. Часть атомов или ионов может отсутствовать на местах, соответствующих идеальной схеме решётки. Такие дефектные места называются вакансиями.               В кристаллах могут присутствовать чужеродные (примесные) атомы или ионы, замещая основные частицы, образующие кристалл, или внедряясь между ними. Точечными дефектами в кристаллах являются также собственные атомы или ионы, сместившиеся из нормальных положений (межузельные атомы и ионы), а также центры окраски — комбинации вакансий с электронами проводимости, с примесными атомами и электронами проводимости либо с дырками. Центры окраски могут быть вызваны облучением кристаллов.

Атомы в кристаллах располагаются на равном расстоянии друг от друга рядами, вытянутыми вдоль определённых кристаллографических направлений. Если один атом сместится из своего положения под ударом налетевшей частицы, вызванной облучением, он может, в свою очередь, сместить соседний атом и т.д. Таким образом, смещённым окажется целый ряд атомов, причём на каком-то отрезке ряда атомов один атом окажется лишним. Такое нарушение в расположении атомов или ионов вдоль определённых направлений с появлением лишнего атома или иона на отдельном участке ряда называется краудионом. Облучение выводит из положения равновесия атомы или ионы и в др. направлениях, причём движение передаётся по эстафете всё более далеко отстоящим атомам. По мере удаления от места столкновения налетевшей частицы с атомом кристалла передача импульса оказывается локализованной (сфокусированной) вдоль наиболее плотно упакованных направлений. Такая эстафетная передача импульса налетевшей частицы ионам или атомам кристалла с постоянной фокусировкой импульса вдоль плотно упакованных атомных рядов называется фокусоном.

 Двумерные дефекты. Такими дефектами в кристаллах являются границы между участками кристалла, повёрнутыми на разные (малые) углы по отношению друг к другу. Многие из поверхностных дефектов представляют собой ряды и сетки дислокаций, а совокупность таких сеток образует в поликристаллах границы зёрен; на этих границах собираются примесные атомы и инородные частицы.

Объёмные дефекты. К ним относятся скопления вакансий, образующие поры и каналы; частицы, оседающие на различных дефектах (декорирующие), например пузырьки газов, пузырьки маточного раствора; скопления примесей в виде секторов (песочных часов) и зон роста.

В кристаллах дефекты вызывают упругие искажения структуры, обусловливающие, в свою очередь, появление внутренних механических напряжений. Например, точечные дефекты, взаимодействуя с дислокациями, упрочняют или разупрочняют кристаллы. Дефекты в кристаллах влияют на спектры поглощения, спектры люминесценции, рассеяние света в кристалле и т.д., изменяют электропроводность, теплопроводность, сегнетоэлектрические свойства, магнитные свойства и т.п. Подвижность дислокаций определяет пластичность кристаллов, скопления дислокаций вызывают появление внутренних напряжений и разрушение кристаллов. Дислокации являются местами скопления примесей. Дислокации препятствуют процессам намагничивания и электрической поляризации благодаря взаимодействию с границами доменов. Объёмные дефекты снижают пластичность, влияют на прочность, на электрические, оптические и магнитные свойства кристалла так же, как и дислокации.

Применение кристаллов.

Изучив все эти дефекты человек, научился применять их с пользой для себя. Знание условий образования дефектов и способов их устранения играет большую роль при использовании кристаллов на практике.

Полупроводниковые приборы, революционизировавшие электронику, изготавливаются из кристаллических веществ, главным образом кремния и германия. При этом важную роль играют легирующие примеси, которые вводятся в кристаллическую решетку. Полупроводниковые диоды используются в компьютерах и системах связи, транзисторы заменили электронные лампы в радиотехнике, а солнечные батареи, помещаемые на наружной поверхности космических летательных аппаратов, преобразуют солнечную энергию в электрическую. Полупроводники широко применяются также в преобразователях переменного тока в постоянный ток.  Кристаллы используются также в некоторых мазерах для усиления волн СВЧ-диапазона и в лазерах для усиления световых волн. Кристаллы, обладающие пьезоэлектрическими свойствами, применяются в радиоприемниках и радиопередатчиках, в головках звукоснимателей и в гидролокаторах.

В технике для управления световыми пучками используют кристаллы, обладающие электрооптическими свойствами. В радиоэлектронике кристаллы рубина, сапфира применяют в качестве опорных элементов в часах и точных приборах. Рубин и сапфир относятся к самым красивым и самым дорогим из драгоценных камней. 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. На полупроводниковых заводах тончайшие схемы рисуют рубиновыми иглами. Новая жизнь рубина - это лазер или, как его называют в науке, оптический квантовый генератор (ОКГ). Основная масса кристаллов сапфира идет в полупроводниковую промышленность.

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.

Выращивание  и применение искусственных кристаллов.

С давних пор человек мечтал синтезировать камни, столь же драгоценные, как и встречающиеся в природных условиях. До 20 в. такие попытки были безуспешны. Но в 1902 удалось получить рубины и сапфиры, обладающие свойствами природных камней. Позднее, в конце 1940-х годов были синтезированы изумруды, а в 1955 фирма «Дженерал электрик» и Физический институт АН СССР сообщили об изготовлении искусственных алмазов. Популярная книга Шубникова "Образование кристаллов" вышла в 1947 году. Эта научная практика выросла из минералогии, науки о кристаллах и аморфных телах. Выращивание кристаллов стало возможным благодаря изучению данных минералогии о кристаллообразовании в природных условиях. Изучая природу кристаллов, определяли состав, из которого они выросли и условия их роста. И теперь эти процессы имитируют, получая кристаллы с заданными свойствами. В деле получения кристаллов принимают участие химики и физики. Если первые разрабатывают технологию роста, то вторые определяют их свойства. Искусственные кристаллы до сих  пор уступают природным 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. Химики, выращивающие искусственные кристаллы научились выращивать тончайшие кристаллические иглы, обладающие чрезвычайно высокой прочностью. Это достигается манипулированием химизмом среды,  температурой, давлением, воздействием некоторых других дополнительных условий. Многие технологические потребности в кристаллах явились стимулом к исследованию методов выращивания кристаллов с заранее заданными химическими, физическими и электрическими свойствами. Труды исследователей не пропали даром, и были найдены способы выращивания больших кристаллов сотен веществ, многие из которых не имеют природного аналога. В лаборатории кристаллы выращиваются в тщательно контролируемых условиях, обеспечивающих нужные свойства, но в принципе лабораторные кристаллы образуются так же, как и в природе - из раствора, расплава или из паров. Так, пьезоэлектрические кристаллы сегнетовой соли выращиваются из водного раствора при атмосферном давлении. Большие кристаллы оптического кварца выращиваются тоже из раствора, но при температурах 350-450°C и давлении 140 МПа. Рубины синтезируют при атмосферном давлении из порошка оксида алюминия, расплавляемого при температуре 2050°C. Кристаллы карбида кремния, применяемые в качестве абразива, получают из паров в электропечи.

Жидкие кристаллы.

Жидкие кристаллы (ЖК)— это вещества, которые ведут себя одновременно как жидкости и как твёрдые тела. Молекулы в жидких кристаллах, с одной стороны, довольно подвижны, с другой — расположены регулярно, образуя подобие кристаллической структуры (одномерной или двумерной).

Жидкие кристаллы открыл в 1888 г. австрийский ботаник Ф. Рейнитцер. Он обратил внимание, что у кристаллов холестерилбензоата и холестерилацетата было две точки плавления и, соответственно, два разных жидких состояния — мутное и прозрачное. Однако учёные не обратили особого внимания на необычные свойства этих жидкостей. Долгое время физики и химики в принципе не признавали жидких кристаллов, потому что их существование разрушало теорию о трёх состояниях вещества: твёрдом, жидком и газообразном. Учёные относили жидкие кристаллы то к коллоидным растворам, то к эмульсиям. Научное доказательство было предоставлено профессором университета Карлсруэ Отто Леманном (нем. Otto Lehmann) после многолетних исследований, но даже после появления в 1904 году написанной им книги «Жидкие кристаллы», открытию не нашлось применения.

В 1963 г. американец Дж. Фергюсон (англ. James Fergason) использовал важнейшее свойство жидких кристаллов — изменять цвет под воздействием температуры — для обнаружения не видимых простым глазом тепловых полей. После того как ему выдали патент на изобретение (U.S. Patent 3114836 (англ.) интерес к жидким кристаллам резко возрос. В 1965 г. в США собралась первая международная конференция, посвящённая жидким кристаллам. В 1968 г. американские учёные создали принципиально новые индикаторы для систем отображения информации. Принцип их действия основан на том, что молекулы жидких кристаллов, поворачиваясь в электрическом поле, по-разному отражают и пропускают свет. Под воздействием напряжения, которое подавали на проводники, впаянные в экран, на нём возникало изображение, состоящее из микроскопических точек. И всё же только после 1973 г., когда группа английских химиков под руководством Джорджа Грея синтезировала жидкие кристаллы из относительно дешёвого и доступного сырья, эти вещества получили широкое распространение в разнообразных устройствах.

Часто уже при небольшом нагревании правильное расположение молекул в жидких кристаллах нарушается, и жидкий кристалл становится обычной жидкостью. Напротив, при достаточно низких температурах они замерзают, превращаясь в твёрдые тела. Регулярное расположение молекул в жидких кристаллах обусловливает их особые оптические свойства. Их свойствами можно управлять, подвергая действию магнитного или электрического поля. Наиболее характерным свойством ЖК является их способность изменять ориентацию молекул под воздействием электрических полей, что открывает широкие возможности для применения их в промышленности. По типу ЖК обычно разделяют на две большие группы: нематики и смектики.

Одно из важных направлений использования жидких кристаллов — термография. Подбирая состав жидкокристаллического вещества, создают индикаторы для разных диапазонов температуры и для различных конструкций. Например, жидкие кристаллы в виде плёнки наносят на транзисторы, интегральные схемы и печатные платы электронных схем. Неисправные элементы — сильно нагретые или холодные, неработающие — сразу заметны по ярким цветовым пятнам. Новые возможности получили врачи: жидкокристаллический индикатор на коже больного быстро диагностирует скрытое воспаление и даже опухоль.

С помощью жидких кристаллов обнаруживают пары́ вредных химических соединений и опасные для здоровья человека гамма- и ультрафиолетовое излучения. На основе жидких кристаллов созданы измерители давления, детекторы ультразвука. Но самая многообещающая область применения жидкокристаллических веществ — информационная техника. От первых индикаторов, знакомых всем по электронным часам, до цветных телевизоров с жидкокристаллическим экраном размером с почтовую открытку прошло лишь несколько лет. Такие телевизоры дают изображение весьма высокого качества, потребляя ничтожное количество энергии от малогабаритного аккумулятора или батарейки.

Практическая часть

В процессе изучения темы «Плавление и Кристаллизация» в курсе физики мне стал интересен процесс кристаллизации. Я захотела получить дополнительную информацию о кристаллизации и начала искать литературу по этой теме. Прочитав много информации, я нашла различные способы выращивания кристаллов в домашних условиях. Мне захотелось самой попробовать вырастить кристалл.

        Я рассмотрела  несколько способов.  Например, охлаждая насыщенный раствор. С понижением температуры растворимость веществ уменьшается, и соли выпадают в осадок. Другим способом выращивания кристаллов является постепенное удаление воды из насыщенного раствора.  И в этом случае, чем медленнее удаляется вода, тем лучше получается результат. Я решила применить второй способ.

Выполнения работы

К практической части я преступила 14 декабря 2011 года. Я тщательно вымыла банки и приготовила насыщенный раствор медного купороса и поваренной соли. Для этого я растворяла соль, из которой будет расти кристалл, в подогретой воде. Растворяла соль до тех пор, пока не убедилась, что соль уже не растворяется. В этом случае раствор можно считать насыщенным.

Разлила насыщенный раствор в 4 банки. 3 банки с раствором медного купороса и 1 банка насыщенный раствор соли. В первой банке с медным купоросом основанием для роста кристалла была медная проволока. Основанием для роста второй и третьей банки была шерстяная нить. В насыщенный раствор поваренной соли опустила шерстяную нить. Нити закрепила к крышкам, и опустили в насыщенный раствор. Ёмкости перенесла в лаборантскую кабинета физики. Это предотвращало ёмкости от сквозняков, вибрации и сильного света. Эти условия могут повлиять на рост кристаллов. В таком состоянии ёмкости остались на несколько дней. Кристалл поваренной соли начал расти, практически через несколько дней. Через 2 недели на нитях, опущенных в медный купорос, появились зародыши. На проволоке ничего не обнаружено.

 Из дополнительных источников я прочитала, что никто не видел, как образуется  зародыш  кристалла  в  растворе  или расплаве. Можно высказать предположение, что беспорядочно  движущиеся  атомы или  молекулы  случайно  могут  расположиться   в   таком   порядке,   какой соответствует  кристаллической  решетке.  Если  раствор   не   насыщен   или  температура  расплава   выше   температуры   кристаллизации,   то   зародыши образуются и тут же  растворяются  или  разрушаются  тепловым  движением.  В перенасыщенном растворе или в  расплаве,  охлажденном  до  температуры  ниже температуры кристаллизации, скорость роста зародыша превышает  скорость  его разрушения.                 

Такое,  казалось  бы  разумное  предположение   не   согласуется   с результатами практики. Как показывают  расчеты,  зародыш  будет  устойчив  и сможет расти, если число молекул  на  его  поверхности  много  меньше  числа внутренних  молекул.  Теоретическая  оценка  ребра  такого   зародыша   дает величину около  1*10-8  м,  т.  е.  равную  нескольким  десяткам  межатомных расстояний. В объеме  этого  минимального  устойчивого  зародыша  содержится несколько тысяч атомов. Ясно, что вероятность столкновения  такого  большого числа атомов ничтожно мала. Однако допустим, что  зародыш  каким-то  образом все же образовался, и выясним, какие условия необходимы для того,  чтобы  он не растворился, а начал расти.

  Прошло ещё 10 дней. Кристаллы медного купороса начали свой рост. Рост кристалла во второй банке составлял в ширину 0,1 мм, в длину 1 мм. Рост кристалла в третьей банке составлял в ширину 2 см, в длину 4.5 см.. Прошёл месяц. Рост кристалла во второй банке составлял в длину 1.5 см, а в ширину 2 см. Две грани кристалла во второй банке были смазаны вазелином, рост в высоту замедляется, тех граней, которые смазаны, в ширину продолжается нормальный рост. Рост кристалла в третьей банке составляет в длину 4 см, в ширину 3,7 см.      Рост кристалла поваренной соли составляет в длину 12,5 см, в ширину 1 см. А также на дне банки и на конце нити образовались увеличенные кристаллики соли, у которых можно разглядеть грани. Далее представлена таблица и диаграмма роста кристаллов.

Заключение.

При проведении данной работы я смогла вырастить кристаллы медного купороса и поваренной соли, цель работы была достигнута. Процесс роста кристаллов оказался достаточно длительным, что не подтвердило мою гипотезу. Однако гипотеза о несложности процесса была подтверждена. В процессе сбора и получения информации о выращивании кристаллов я узнала много нового и интересного. Оказывается, если кристаллизация идёт очень медленно, то получается один большой кристалл (кристалл медного купороса), а если быстро – то множество мелких (кристалл соли). Также, на рост кристалла влияют внешние условия (описанные в выполнении работы)  и концентрация раствора.  Рост кристалла продолжается до тех пор пока он полностью погружён в перенасыщенный раствор соли. В ходе работы я узнала, что кристалл медного купороса принято называть кристаллогидрат и формула этого кристалла CuSO4 * 5H2O . Теоретические знания были подтверждены практическим результатом.

Список литературы:

1. Кабардин О.Ф. Физика.: справочные материалы. -М.: Просвещение, 1991г

2.Шубников А.В. Паров В.Ф.Зарождение и рост кристаллов. М.: Наука, 1969г

3. Ежемесячный журнал об индустрии «Энергия промышленного роста», №11, ноябрь 2006г; http://www.epr-magazine.ru/industrial_history/technologies/cristal/

4. http://www.sense-life.com/hands/kristall.php

5. http://kristallikov.net/page6.html