Научная работа по теме "Выращивание кристаллов"

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение
Средняя общеобразовательная школа № 40

“МОЙ ПЕРЫЙ ДОКЛАД”

Тема:    Выращивание кристаллов

Выполнил ученик:

3а класса МБОУ СОШ № 40

Косяков Андрей

Руководитель:

Ахмедьянова Л.М.

Сатка 2014 год

Содержание

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

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

  1.1 Что такое кристалл…………………………………………………………4

  1.2.  Формы кристаллов и способы их образования………………………..6

  1.3.  Применение кристаллов………………………………………………….7

2. Исследовательская часть …………………………………………...…………9

  2.1. Подготовка к выполнению эксперимента……………………………….9

   2.2. Выращивание кристаллов ……………………………………………….11

   2.3. Результаты исследования…………………………………………………13

3. Заключение……………………………………………………………….….15

Список используемой литературы……………………………………………16

           "Почти весь мир кристалличен.

В мире царит кристалл и его

 твердые, прямолинейные законы"

                                                              Академик Ферсман А.Е. 

Введение

Этим летом с семьей я побывал в знаменитой Новоафонской пещере. Меня поразили удивительной красоты натечные образования: сталактиты, сталагмиты и сталагматы.  А еще мы с мамой собирали коллекцию «Энергия камней» издательства DeAGOSTINI. Мне нравится рассматривать эти камни. Мама сказала, что все это - кристаллы, образованные природными силами. Но и сам человек может выращивать кристаллы. Мне стало очень интересно, как это можно сделать и я решил сам попробовать вырастить кристалл.

Объектом  моего исследования является изучение кристаллов и  способов их выращивания.  

 Цель моего исследования: Вырастить кристаллы  в домашних условиях.

 Задачи:

• познакомиться с научно-популярной литературой по данной теме
• изучить технику выращивания кристаллов
• познакомиться с разновидностями кристаллов
• узнать, какое значение имеют кристаллы в жизни человека

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

1. Основная часть

1.1. Что такое кристалл

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

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

Минеральные кристаллы тоже образуются в ходе определенных породообразующих процессов. Огромные количества горячих и расплавленных горных пород глубоко под землей в действительности представляют собой  растворы минералов. Когда массы этих жидких или расплавленных горных пород выталкиваются к поверхности земли, они начинают остывать.

Они охлаждаются очень медленно. Минералы превращаются в кристаллы, когда переходят из состояния горячей жидкости в холодную твердую форму. Например, горный гранит содержит кристаллы таких минералов, как кварц, полевой шпат и слюда. Миллионы лет тому назад гранит был расплавленной массой минералов в жидком состоянии. В настоящее время в земной коре имеются массы расплавленных горных пород, которые медленно охлаждаются и образуют кристаллы различных видов.

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

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

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

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

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

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

1.2.  Формы кристаллов и способы их образования

Кристаллы могут иметь и разные размеры. Некоторые минералы образуют кристаллы, которые разглядеть можно только с помощью микроскопа. Другие же образуют кристаллы, вес которых составляет несколько сотен фунтов.

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

Существует три способа образования кристаллов: кристаллизация из расплава, из раствора и из газовой фазы. Примером кристаллизации из расплава может служить образование льда из воды (ведь вода – это расплавленный лёд), а также образования вулканических пород. Пример кристаллизации из раствора в природе – выпадение сотен миллионов тонн соли из морской воды. При охлаждении газа (или пара) электрические силы притяжения объединяют атомы или молекулы в кристаллическое твёрдое вещество – так образуются снежинки.

Наиболее распространёнными способами искусственного выращивания кристаллов являются кристаллизация из раствора и из расплава. В первом случае кристаллы растут из насыщенного раствора при медленном испарении растворителя или при медленном понижении температуры.

Если твёрдое вещество нагреть, оно перейдёт в жидкое состояние – расплав. Трудности выращивания кристаллов из расплавов связаны с высокой температурой плавления. Например, для получения кристалла рубина нужно расплавить порошок оксида алюминия, а для этого его нужно нагреть до температуры 2030 °С.

1.3.  Применение кристаллов

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

Алмаз.

       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. Кроваво-красный рубин и лазорево-синий сапфир - это один и тот же минерал - корунд, оксид алюминия Аl2О3. Разница в цвете возникла из-за очень малых примесей.

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

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

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

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

Кварц.

Кремень, аметист, яшма, опал, халцедон — все это разновидности кварца. Мелкие зернышки кварца образуют песок. А самая красивая, самая чудесная разновидность кварца - это и есть горный хрусталь, т.е. прозрачные кристаллы кварца. Поэтому из прозрачного кварца делают линзы, призмы и другие детали оптических приборов.

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

Поляроид.

       В технике также нашел своё применение поликристаллический материал поляроид.

Поляроид - это тонкая прозрачная пленка, сплошь заполненная крохотными прозрачными игольчатыми кристалликами вещества. Поляроиды гасят блики отраженного света, пропуская весь остальной свет. Поляроидные пленки применяются в поляроидных очках. Они незаменимы для полярников, которым постоянно приходится смотреть на ослепительное отражение солнечных лучей от заледеневшего снежного поля.

       Поляроидные стекла помогут предотвратить столкновения встречных автомобилей, которые очень часто случаются из-за того, что огни встречной машины ослепляют шофера, и он не видит этой машины.

Перечень  применения кристаллов  достаточно длинен и непрерывно растет.

2. Исследовательская часть

  2.1. Подготовка к выполнению эксперимента

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

        Что необходимо знать и учитывать:

• кристаллы водорастворимых веществ очень чувствительны к сильным перепадам температур;
• для выращивания кристаллов используют только свежеприготовленные растворы
• чтобы кристаллы росли как можно правильно, кристаллизация должна идти медленно, на бесцветных веществах, чьи кристаллы должны быть прозрачны как стекло,  скорость роста проявляется заметнее – при быстром росте кристаллы мутнеют
• любая примесь в растворе может стать включением в кристалле или быть источником дефекта
• чтобы не было наростов на нити, нить должна быть тонкой без волосков, и должна быть опущена с затравкой в раствор на 5-7оС теплее комнатной температуры. Такая нить успевает пропитаться раствором и «сливается» с системой в единое целое.

                Требуемое оборудование и техника безопасности.

• посуда – большие  плоскодонные стаканы, банки;
• водяная баня (в домашних условиях это может быть старая кастрюля и электроплита);
• тонкие, прочные суровые нитки (на таких меньше кристаллических наростов);
• фильтровальная бумага (ею может быть любая не проклеенная тонкая бумага, промокашка, салфетки, туалетная бумага) или стерильно чистая хлопковая вата;
• дополнительные мелочи, которые требуются при выполнении, будут указаны далее в тексте (воронки, стеклянные, деревянные или пластиковые палочки и т.п.);

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

2.2. Выращивание кристаллов

Опыт №1

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

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

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

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

Опыт №2

Возьмем столовую соль. Также приготовим насыщенный раствор, отфильтруем и поставим в разные условия.

Опыт №3

Аналогичные действия проведем с морской солью.

2.3. Результаты исследования

В результате проведенных опытов мы установили:

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

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

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

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

          3. Заключение

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

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

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

Хотелось бы сделать следующее обобщение:

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

          Список используемой литературы

1. Аликберова Л.Ю. Занимательная химия: Книга для учащихся, учителей и родителей. М.: АСТ-ПРЕСС. 1999.
2. Девяткин В.В. Химия для любознательных или о чём не узнаешь на уроке. Ярославль: Академия Холдинг. 2000.
3. Леенсон И.А. Занимательная химия. М.: Дрофа. 1996.
4. Большая детская энциклопедия: Химия / сост. К. Люцис. М.: Русское энциклопедическое товарищество. 2000.
5. http://www.kristallikov.net/page6.html
6. http://chemistry-chemists.com/N1_2014/ChemistryAndChemists_1_2014-P10-1.html
7. http://crestalls.ucoz.ru/index/vyrashhivanie_kristallov_v_domashnikh_uslovijakh/0-13
8. http://about-crystall.ru/