Исследовательская работа на тему: "Выращивание кристаллов в домашних условиях".

МОУ «ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ШКОЛА № 9  г. САРАНСК»

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА

НА ТЕМУ:

«Выращивание кристаллов

в домашних условиях»

ВЫПОЛНИЛА:

ученица 8«Б» класса

         Бакшаева Яна

 РУКОВОДИТЕЛЬ:   

 Трофимова Анна Александровна

Саранск 2014 г.

Оглавление

Введение        3

1 Теория кристаллов        

1.1 Что такое кристалл?        

1.2 Формы кристаллов        

1.3 Способы образования кристаллов……………………………………………….

1.4 Применение кристаллов………………………………………………………….

2 Образование кристаллов        

2.1 Образование кристаллов в природе        

2.2 Выращивание кристаллов в промышленности        

2.3 Выращивание кристаллов в домашних условиях        

2.3.1 Приготовление раствора        

2.3.2 Фильтрация раствора        

2.3.3 Выращивание крупных одиночных кристаллов        

2.3.4 Выращивание сростков кристаллов (друз)        

3 Мои опыты        

3.1 Поваренная соль        

3.2 Кристаллы из сахара        

3.3 Медный купорос        

Заключение        

Список используемой литературы        

«Почти весь мир  кристалличен.

В мире царит кристалл и его                          

твердые, прямолинейные законы».

                                     А.Е. Ферсман.

Большинство окружающих нас твердых тел представляют собой вещества в кристаллическом состоянии.

Возможно, вы считаете, что кристалл - это редкий и красивый минерал или драгоценный камень. Отчасти вы правы. Изумруды и бриллианты являются кристаллами. Но не все кристаллы редки и красивы. Каждая отдельная частица соли или сахара - тоже кристалл!

На уроке физики при изучении темы «Агрегатные состояния вещества» я узнала, что кристаллы получают не только в промышленных и домашних условиях, их также можно встретить в природе. Например, снежинки, морозные узоры на стеклах окон и иней, украшающий зимой голые ветки деревьев.

Многие кристаллы - продукты жизнедеятельности организмов. Способностью наращивать на инородных телах, попавших в раковину, перламутр, обладают некоторые виды моллюсков. Через 5-10 лет образовывается жемчуг.

Кристаллами являются алмазы, рубины, сапфиры и другие драгоценные камни.  Но кристаллы также можно получить лабораторным путем. Например, за сутки в лаборатории можно вырастить кристалл соли массой около 1 килограмма. Эти опыты заставляют задумываться над тем, как устроены кристаллы и как они образуются, почему разные вещества дают кристаллы разной формы, а некоторые вовсе не образуют кристаллов, что надо сделать, чтобы кристаллы получились большими и красивыми. Провести такой опыт - самой вырастить кристалл в домашних условиях, решила я.

 Актуальность исследования состоит в том, что выращивание кристаллов - увлекательное занятие, самое простое, доступное и недорогое для большинства юных открывателей. Объясняется интересом образования различных по форме и цвету кристаллов в любое время года.

Целью данной работы является изучение процесса роста кристаллов
в природе, в промышленности и в домашних условиях, а также научиться выращивать кристаллы соли, сахара и медного купороса в домашних условиях.

Задачи исследования:

• более подробно узнать о видах кристаллов и методах их выращивания;
• узнать о значении кристаллов  в жизни человека;
• подобрать доступное оборудование и сырье для производства кристаллов;
• вырастить кристаллы соли, сахара и медного купороса;

• познакомиться и использовать необходимые меры безопасности и защиты при проведении эксперимента;
• изучить условия образования кристаллов, их формы, цвета;
• проанализировать полученные результаты.

Объект исследования:

• соль и кристаллы соли;
• медный купорос;
• сахар и кристаллы сахара.

Предмет исследования - процесс кристаллизации.

  Использовались следующие методы исследования:

• Исследовательский (подбор материала в соответствии с тематикой проекта, используя научную литературу и интернет ресурсы);
• Аналитический – обобщение полученных опытов.

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

Практическое значение исследования в том, что оно может быть использовано на уроках физики, химии, географии, во внеклассных мероприятиях, в кружках и в моей будущей профессии.

1 Теория кристаллов.

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.

Вы, конечно, обращали внимание на бесконечное разнообразие снежинок. Еще в 17 веке знаменитый астроном Иоганн Кеплер написал трактат «О шестиугольных снежинках», а спустя три столетия были изданы альбомы, в которых представлены коллекции увеличенных фотографий тысяч снежинок, причем ни одна из них не повторяет другую (рис 1).

Рисунок 1 - Разнообразие снежинок.

Кристаллы - вещества, в которых мельчайшие частицы (атомы, ионы или молекулы) «упакованы» в определенном порядке. В результате при росте кристаллов на их поверхности самопроизвольно возникают плоские грани, а сами кристаллы принимают разнообразную геометрическую форму (рис 2 и рис 3):

   Рисунок 2 - Кристаллы пирита.                   Рисунок 3 - Кристаллы халькантита.

1.2  Формы кристаллов.

Кристаллы могут иметь всевозможные формы. Все известные в мире кристаллы могут быть разделены на 32 вида, которые в свою очередь могут быть сгруппированы в шесть видов. Кристаллы могут иметь форму различных призм, основанием которых могут быть правильный треугольник, квадрат, параллелограмм и шестиугольник (рис 4).

    Рисунок 4 – формы кристаллов.

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.

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.

Кристаллические решётки металлов часто имеют форму гранецентрированного (медь, золото) или объёмно-центрированного куба (железо), а также шестигранной призмы (цинк, магний). Приведем несколько примеров кристаллических решеток:

  Рисунок 5 – КР золота (Au)                          Рисунок 7 – КР железа (Fe)

Рисунок 6 – КР меди (Cu)                         Рисунок 8 – КР хлорида натрия (NaCl)

1.3  Способы образования кристаллов.

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.

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.

Наиболее распространёнными способами искусственного выращивания монокристаллов 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 монокристаллов 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.

1.4  Применение кристаллов.

Применения кристаллов в науке и технике так многочисленны и разнообразны. Приведу несколько примеров.

Алмаз.

       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.

     Рубин и сапфир относятся к самым красивым и самым дорогим из драгоценных камней - это один и тот же минерал корунд (оксид алюминия А12О3). Разница лишь в цвете, которая 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. На полупроводниковых заводах тончайшие схемы рисуют рубиновыми иглами. В текстильной и химической промышленности рубиновые нитеводители вытягивают нити из искусственных волокон, из капрона, из нейлона.

Новая жизнь рубина - это лазер или оптический квантовый генератор (ОКГ). В 1960 году был создан первый лазер на рубине. Оказалось, что кристалл рубина усиливает свет. Лазер светит ярче тысячи солнц. Мощный луч лазера громадный мощностью. Он легко прожигает листовой металл, сваривает металлические провода, прожигает металлические трубы, сверлит тончайшие отверстия в твердых сплавах, алмазе. В глазной хирургии применяется чаще всего неодиновые лазеры и лазеры на рубине.

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

Кварц.

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. Это - пьезоэлектрический эффект в кристаллах. Пьезоэлектрические кристаллы широко применяются для воспроизведения, записи и передачи звука.

2 Образование кристаллов.

2.1 Образование кристаллов в природе.

В природе кристаллы образуются при различных геологических процессах из растворов, расплавов, газовой или твердой фазы.

Значительная часть минеральных видов произошла путем кристаллизации из водных растворов. Примеры выпадения кристаллов из раствора - выпадение кристаллов солей в замкнутых водоемах; рост кристаллов на стенках трещин и полостей при гидротермальных процессах, на больших глубинах в условиях высоких давлений и температур; образование отдельных кристаллов вторичных минералов в зонах окисления рудных месторождений.

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. Например, горный гранит содержит кристаллы таких минералов, как кварц, полевой шпат и слюда.

Селенит - разновидность гипса, отличающаяся характерным параллельно-волокнистым строением. Свое название селенит получил за красивые желтовато-серебристые лунные переливы на его поверхности.

Кристаллизоваться могут не только водяные пары, но и пары других веществ. Например - на фумаролах образуются кристаллы из газов.

Перекристаллизация связана с таким явлением как метосамотоз - преобразование горной породы или минерала в другую горную породу или минерал под воздействием приноса или выноса вещества. Перекристаллизация - это процесс, при котором структура одних веществ разрушается, и образуются новые кристаллы с другой структурой. Например, известняк под действием высоких температур и давления становится мрамором.

2.2 Выращивание кристаллов в промышленности.

Начиная с XIX века появились технологии выращивания искусственных кристаллов. Некоторые из этих ювелирных камней настолько совершенны, что их крайне сложно отличить от натуральных. Синтетические кристаллы востребованы в промышленности и на рынке ювелирных изделий.

Первые успешные попытки синтеза драгоценных камней приходятся на конец XIX века. В 1877 году Эдмон Фреми и Шарль Фейль получили кристаллы рубина.

В 1902 году Огюст Вернейль смог синтезировать рубины методом плавления в пламени, положив начало промышленному синтезу ювелирных камней. Данный метод, с некоторыми изменениями, до сих пор остается одним из самых распространенных способов выращивания кристаллов ювелирного качества.

Рисунок 6. Схема аппарата Вернейля  и монокристалл корунда, полученный этим методом.

Порошковая шихта, состоящая из оксида алюминия с добавлением 2% оксида хрома, помещается в печь. Под ударами молотка шихта попадает вниз, контактирует с кислородом и водородом, достигая в пламени температуры 2000оС. Капли расплавленного материала падают на стержень, на котором образуется шарик кристалла, медленно приобретающий грушевидную форму.

Особое место среди кристаллов занимают драгоценные камни, которые с древнейших времен привлекают внимание человека. 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. Например, фианиты - их название происходит от сокращения ФИАН - Физический институт Академии наук, где они впервые были получены. Фианиты - искусственные кристаллы, которые внешне очень похожи на бриллианты (рис.7).

               Рисунок 7 - Фианит.

2.3 Выращивание кристаллов в домашних условиях.

2.3.1 Приготовление раствора.

Необходимо приготовить раствор из слегка тёплой (не горячей!) воды. Воду лучше брать дистиллированную. Литровую банку на половину объёма наполняют водой и небольшим количеством соли (сахара или медного купороса), которую постоянно перемешивают. Добавляем ещё соль (сахар, медный купорос) и снова перемешиваем. Повторяем этот этап до тех пор, пока вещество  не будет растворяться,  и станет оседать на дно сосуда. Получился насыщенный раствор. Готовый раствор необходимо профильтровать и перелить во вторую банку, в которой будет происходить рост кристаллов. Банку накрыть листком бумаги, чтобы не попадали инородные тела, и ждать появления первых кристалликов.

2.3.2 Фильтрация раствора

Конечно же, для фильтрации раствора лучше всего использовать хороший, лабораторный фильтр из фильтровальной бумаги и стеклянную воронку. Если готового фильтра нет, то его можно сделать из обычной промокашки.

В своих опытах, в домашних условиях, я использовала вату. Вату плотно вставляют в горлышко воронки и затем фильтруют раствор. Естественно, чем плотнее вата, тем медленнее и качественнее происходит фильтрация. В результате чего я получила насыщенный, чистый раствор соли (сахара, медного купороса).

2.3.3 Выращивание крупных одиночных кристаллов

Для того чтобы кристалл вырос крупным и геометрически ровным, т. е. имел природную форму, необходимо довольно много времени. Обычно кристалл вырастает на 0,1-0,8мм в сутки. Таким образом, можно сказать, что за месяц - полтора можно вырастить довольно крупный кристалл.

Выращивание крупного одиночного кристалла - очень длительный и сложный процесс, требующий терпения и осторожности.

Для начала потребуется затравка - маленький кристаллик, который и будет центром кристаллизации. Обычно кристаллик, используемый как затравка, представляет собой уменьшенную копию выращиваемого кристалла.

Для того чтобы получить затравку, используется очень простой метод: готовится максимально концентрированный раствор соли (сахара или медного купороса), переливается в стакан с вертикальными стенками и накрывается листком бумаги. Через несколько дней на дне стакана появляются первые кристаллики, имеющие разную форму. Из этих кристалликов отбираются те, которые имеют более правильную форму.

Раствор, в который собираются погрузить затравку, желательно приготовить заранее и оставить на пару дней для выпадения первых кристалликов (чтобы быть уверенным, что затравка не растворится). Раствор фильтруют от выпавших кристалликов, переливают в чистый стакан и погружают туда затравку. Стакан накрывают бумагой и оставляют на полке. Уже через неделю можно заметить, что кристалл заметно подрос. Чем дольше он будет оставаться в растворе, тем крупнее он станет.

2.3.4 Выращивание сростков кристаллов (друз)

Выращивание сростков кристаллов - это один из самых быстрых способов выращивания кристаллов. Если выращивание одиночных кристаллов занимает много времени и рассчитано на постепенный, правильный рост кристаллов, то выращивание друзы гораздо легче, потому что оно ориентируется на быстрое, хаотическое выпадение кристаллов.

Для начала нам потребуется приготовить перенасыщенный раствор соли (сахара, медного купороса) в горячей воде. После охлаждения раствора в него вносят затравку - подвешенный на ниточке кристаллик. Уже через 5-10 часов можно увидеть большое количество кристалликов на нитке, на затравке, на дне стакана. Раствор оставляют в покое в течение 3-5 дней, затем вынимают нитку с кристаллом, раствор нагревают, добавляют воды и снова делают максимально концентрированным. После охлаждения в него вновь вносят нитку с уже подросшим кристаллом и оставляют на 3-5 дней. Эту процедуру повторяют до тех пор, пока кристалл не достигнет необходимого размера.

В интернете можно найти много инструкций по поводу того, как выращивать кристаллы из различных химических веществ. Я решила проверить все самостоятельно, и в качестве основы взяла обычную поваренную соль, сахар которые можно найти на любой кухне и медный купорос, использующийся в садоводстве.

3 Мои опыты.

3.1 опыт №1  Выращивание кристаллов из поваренной соли.

Растворяем в воде соль до тех пор, пока она не будет растворяться,  и станет оседать на дно стакана. Мы получили насыщенный раствор соли. Переливаем его в чистую ёмкость. Выбираем любой понравившийся более крупный кристаллик поваренной соли,  привязываем за нитку и подвешиваем, чтобы он не касался стенок стакана. Уже через пару дней можно заметить значительный для кристаллика рост. С каждым днём он будет увеличиваться.

Результат: мы получили кристалл поваренной соли.

 Вывод: 

1. Поваренная соль состоит из кристаллов.

2. При соприкосновении кристаллов соли с водой, они растворяются.

3. Быстрее всего кристаллы  соли могут образовываться в насыщенном растворе поваренной  соли.

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

5. В домашних условиях  можно вырастить кристаллы при необходимых условиях: наличие насыщенного солевого раствора и ниточки с затравкой.

3.2 опыт №2  Выращивание кристаллов из сахара.

Растворяем в воде сахар до тех пор, пока на дне стакана останется нерастворимый осадок, значит раствор готов. Чтобы получить цветные кристаллы можно капнуть немного пищевого красителя. Через пару дней начнут расти кристаллы. Ждем еще несколько дней и любуемся получившимися кристаллами.

Результат: мы получили цветные кристаллы сахара.

Вывод: 

1. Сахар состоит из кристаллов.

2. При соприкосновении кристаллов сахара с водой, они растворяются.

3. По мере того как вода испаряется, сахар снова  образует кристаллы.

3.3 опыт №3  Выращивание кристаллов из медного купороса.

Берем банку с водой, добавляем медный купорос, тщательно перемешиваем до тех пор, пока он будет растворяться.  Ёмкость с водой лучше всего постепенно подогревать для  более быстрого растворения химиката.   В процессе вода начнет менять цвет - от светло - голубого,  до тёмно синего. После этого в стеклянную банку  опускаем «затравку». Это обычная ниточка, привязанная на карандаш. И уже через пару дней мы видим, что на ниточку наросло множество маленьких кристалликов синего цвета.

Результат: мы получили кристалл медного купороса.

Заключение.

Выращивание кристаллов - очень интересный и увлекательный процесс. В результате проведенных исследований  гипотеза полностью подтверждается: нам удалось вырастить  кристаллы поваренной соли, сахара и медного купороса в домашних условиях.

При выполнении опытов я сталкивалась с некоторыми трудностями, которые в короткие сроки устраняла. В результате чего, я пришла к выводу, что, во-первых, чем насыщеннее раствор, тем быстрее вероятность образования кристалла. Чем лучше отфильтрован раствор, тем больше вероятность образования монокристалла, т.к. примеси, оставшиеся в растворе, служат дополнительными центрами кристаллизации. Если раствор охлаждать недостаточно медленно, то это приведет к образованию друзы (сростка кристаллов), т.к. его молекулы не успеют построить правильный кристалл. А при слишком резком охлаждении образуется аморфное (стеклообразное) состояние вещества.

Результаты моих исследований представлены в данной таблице.

Итак, выводы по работе: 

• при благоприятных условиях поваренная соль, сахар, медный купорос принимают форму кристаллов;
• кристаллы различных веществ имеют разную форму;
• на форму кристаллов  оказывает влияние температура;
• кристаллы различных веществ имеют различные свойства (одни кристаллы окрашиваются, другие - бесцветны; одни кристаллы растут хорошо, другие плохо);
• быстрее и легче кристалл растёт тогда, когда в насыщенный раствор помещается кристалл - «затравка».

Исследовательская работа мне очень понравилась. В ходе ее выполнения, я познакомилась со способами выращивания кристаллов. Узнала много интересного, познавательного. Но самое главное -  самостоятельно вырастила кристаллы соли, сахара и медного купороса в домашних условиях. Убедились на практике в том, что форма кристаллов бывает довольно разнообразной и это зависит от кристаллической решетки вещества.

Список используемой литературы.

1. http://course-crystal.narod.ru/p31aa1.html: Мир кристаллов (дистанционный курс по физике)
2. М.П. Шасколинская. Кристаллы.: Москва. - Наука. Физико-математическая литература, 1995г.
3. Ресурсы интернет.