Выращивание кристаллов

Муниципальное бюджетное  общеобразовательное учреждение

Сметанинская средняя школа

Проект по химии

 «Выращивание кристаллов в домашних условиях»

Сметанино 2017 г.

Содержание

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

Общая информация о кристаллах………………………………………………..4                                  

1. Кристаллическое и аморфное состояние твердого вещества………………..4                  

2.Форма и виды кристаллов  ………………………………………………….....5                                                                      

3. Кристаллизация в природе и её значение ………………………………… ...6                                                                              

4. Искусственные кристаллы  и их значение   ……………………………….....8

Образование кристаллов.  Кристаллизация и её способы  …………………....9

Исследовательская деятельность……………………………………………….10

Заключение ………………………………………………………………………11

Список          литературы  и    Интернет-ресурсов     ………………………….12

Введение

                                             "Почти весь мир кристалличен.

                                             В мире царит кристалл и его твердые, прямолинейные законы"

                                                                                                               Академик Ферсман А.Е.

Издавна внимание человека привлекают изумительные по совершенству творения неживой природы — кристаллы. О них мы знаем с глубокой древности, но лишь в XVII-XVIII вв., когда были открыты основные законы огранки  кристаллов, начала формироваться наука о кристаллах - кристаллография. Долгое время объектами исследования  были природные минералы. В дальнейшем с развитием  химии начала формироваться кристаллохимия, позволившая объяснить многие явления в кристаллах. Развитие теории образования кристаллов, особенностей их возникновения и роста стимулировало разработки методов синтеза искусственных кристаллов. Кварцы, корунды, алмазы, сапфиры и другие искусственные кристаллы успешны в технологии изготовления не только  ювелирной промышленности, но и при создании современных приборов и техники. Кристаллография создала целый ряд специальных методик и способов, имеющих большое практическое значение и распространение.

Изучение кристаллов в школе в рамках школьной программы почти не предусмотрено. Поскольку тема очень интересная и актуальная, мы решили изучить этот вопрос более подробно.

Гипотеза исследования: кристаллы можно вырастить в домашних условиях, используя лабораторные методы. Если изменять условия кристаллизации и растворять различные вещества, то можно получать кристаллы разной формы и цвета.

Это мы и решили проверить опытным путем.

Цель работы: изучить  способы выращивания кристаллов, освоить лабораторные методы выращивания кристаллов, пригодные для использования в условиях школьного кабинета химии.

Задачи:

• изучить материал  о кристаллическом состоянии вещества, процессе кристаллизации, форме, видах, свойствах кристаллов;
• выяснить, какое значение имеет кристаллизация в природе;
• изучить области применения кристаллов;
• апробировать лабораторные методы выращивания  кристаллов из растворов в условиях школьной лаборатории;

Объект исследования: кристаллы веществ

Методы исследования:

•        эксперимент;

•        наблюдение;

•        сравнение;

•        обобщение;

Эксперимент по выращиванию кристаллов мы  проводили в течение двух месяцев, что позволило освоить способы приготовления растворов, приемы фильтрования. Все опыты проводились в условиях кабинета химии. В работе использованы снимки, сделанные  фотоаппаратом.

Прежде чем провести свои практические исследования, мы должна были узнать, что такое процесс кристаллизации, какие существуют методы получения  кристаллов  и как влияют различные условия на процесс образования кристаллов. Поэтому мы обратилась к теоретическим источникам в этой области. Для этого мы  использовали научно-методическую литературу и Интернет.

ОБЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О КРИСТАЛЛАХ

1.  Кристаллическое и аморфное состояния твердого вещества

Твердые тела могут существовать в двух  различных состояниях, отличающихся своим внутренним строением и свойствами. Это кристаллическое и аморфное состояние твердых тел.

Кристаллы (от греч.κρύσταλλος, первоначально — лёд, в дальнейшем — горный хрусталь, кристалл) — твёрдые тела, в которых образующие их частицы (атомы, молекулы, ионы) расположены закономерно, образуя трёхмерно-периодическую пространственную укладку — кристаллическую решётку. Этот пространственный порядок сохраняется на огромных «по атомным масштабам» расстояниях. Атомы, находящиеся на противоположных гранях монокристалла, могут быть удалены на десятки сантиметров, и в то же время они располагаются параллельно.

Часто твёрдые вещества образуют (в зависимости от условий) более чем одну форму кристаллической решётки; такие формы называются полиморфными модификациями. Например, среди простых веществ известны графит и алмаз, которые являются гексагональной и кубической модификациями углерода.

Если весь образец вещества представляет собой один кристалл, то такое тело называется монокристаллом или просто кристаллом. В других случаях тело представляет собой множество мелких кристалликов, причудливо сросшихся между собой, например, кусок рафинада. Такие тела называют поликристаллическими.

Кристаллическое состояние характеризуется наличием четко выделяемых естественных граней, образующих между собой определенные углы. Кристаллы могут иметь от четырех до нескольких сотен граней. Но при этом они обладают замечательным свойством – какими бы ни были размеры, форма и число граней одного и того же кристалла, все плоские грани пересекаются друг с другом под определенными углами. Углы между соответственными гранями всегда одинаковыми. Кристаллы каменной соли, например, могут иметь форму куба, параллелепипеда, призмы или тела более сложной формы, но всегда их грани пересекаются под прямыми углами.

Второй вид твердого состояния – аморфное состояние. Аморфные вещества не имеют упорядоченной структуры и в отличие от кристаллов не расщепляются с образованием кристаллических граней; как правило не имеют определённой точки плавления.

Некоторые вещества могут находиться в любом из этих двух состояний. Например, если расплавить кристаллический кварц (температура плавления около 1700° С), то при охлаждении он образует плавленый кварц, с другими физическими свойствами, одинаковыми по всем направлениям. Аморфное состояние - неустойчивое состояние твердых тел, которые  стремятся со временем перейти в кристаллическую форму, хотя этот процесс может протекать достаточно долго.

2. Форма  и виды кристаллов

Приглядевшись к кристаллам внимательнее, можно увидеть  характерную для них особенность: кристаллы разных веществ отличаются друг от друга своими формами. Кубики кристаллов каменной соли не спутаешь с игольчатыми кристаллами нитрата калия. Однако формы кристаллов различных веществ могут быть очень похожими. Некоторые кристаллы имеют довольно простую форму, но их комбинации могут создавать очень сложные многогранники.

Частицы, образующие кристалл могут выстраиваться в достаточно причудливые структуры, напоминающие тетраэдры, параллелепипеды, икосаэдры и прочие геометрические фигуры. В науке о кристаллах — кристаллографии — в зависимости от симметрии расположения атомов выделяют 6 кристаллических групп, которые распадаются на 32 класса.

В результате получается несколько сотен различных форм кристаллических тел. Причем на форму монокристалла влияют и те условия, в которых происходит рост кристалла.

Различают идеальный и реальный кристаллы. Идеальный кристалл является математическим объектом, имеющим полную, свойственную ему симметрию, идеализированно ровные гладкие грани. Реальный кристалл всегда содержит различные дефекты внутренней структуры решетки, искажения и неровности на гранях и имеет пониженную симметрию многогранника вследствие специфики условий роста, неоднородности питающей среды, повреждений и деформаций. Реальный кристалл не обязательно обладает кристаллографическими гранями и правильной формой, но у него сохраняется главное свойство — закономерное положение атомов в кристаллической решётке.

3. Кристаллизация в природе и её значение.

По способам образования различают натуральные кристаллы, которые образуются в результате естественных процессов в природе и искусственные кристаллы, выращенные человеком.

Кристаллизация в природе – распространенное явление. Застывание магмы - это процесс роста кристаллов из расплавов. Магма представляет собой смесь многих веществ, у которых различны температуры кристаллизации. Чем медленнее застывает магма, тем больше успевают вырасти кристаллические зерна составляющих ее минералов.

Примером природной кристаллизации из растворов является кристаллизация поваренной соли. Свыше пятисот лет назад древнерусские солевары научились извлекать соль из соляных источников. Вода в соляных источниках горько-соленая, в ней растворено много различных солей. Летом, когда под лучами палящего солнца вода озер быстро испаряется, из нее начинают выпадать кристаллы солей. Даже рука, опущенная на несколько минут в озеро, покрывается тонким слоем соли. Обыкновенная столовая соль - хлорид натрия. Это вещество представляет собой очень мелкие кристаллики, в земле же соль встречается иногда в виде очень больших кристаллов - так называемой каменной соли. Сила кристаллизации соляных пластов столь велика, что, расширяясь, они выдавливаются из земли, становясь на ребро.

Ещё один случай природной кристаллизации -  кристаллизация подземных вод в пещерах. Капля за каплей просачивается вода через породу, растворяя по пути вещества, образующие эту породу. Каждая капля, падая вниз, частично испаряется и оставляет на потолке пещеры вещество, которое было в ней растворено. Так постепенно образуется на потолке пещеры маленький бугорок, вырастающий затем в сосульку. Эти сосульки сложены из кристалликов. Навстречу им начинают расти вверх такие же длинные столбы сосулек со дна пещеры. Иногда сосульки, растущие сверху (сталактиты) и снизу (сталагмиты), встречаются, срастаются вместе и образуют колонны. Так возникают в подземных пещерах узорчатые, витые гирлянды, причудливые колоннады.

Кроме того, камни образуются и в организме человека: желчные камни в печени, камни в почках и мочевом пузыре, мельчайшие отложения в сосудистой оболочке глаза.

Некоторые живые организмы представляют собой настоящие “фабрики” кристаллов. Кораллы, например, образуют целые острова, сложенные из микроскопических мелких кристалликов углекислой извести.

Драгоценный камень жемчуг тоже построен из мелких кристаллов, которые вырабатывает моллюск жемчужница. Если в раковину жемчужницы попадает песчинка или камешек, то моллюск начинает откладывать перламутр вокруг пришельца. Слой за слоем нарастает на песчинке перламутр, образующий шарики жемчуга.

4. Искусственные кристаллы и их значение

Для многих отраслей науки и техники требуются кристаллы очень высокой химической чистоты с совершенной кристаллической структурой. Кристаллы, встречающиеся в природе, этим требованиям не удовлетворяют, так как они растут в условиях, весьма далеких от идеальных. Кроме того, потребность во многих кристаллах превышает запасы в природных месторождениях. Из более чем 3000 минералов, существующих в природе, искусственно удалось получить уже больше половины.

 Искусственные кристаллы пробовали выращивать еще в XVI веке, но научились этому делу только в середине XX столетия. Кристаллы соли, сахара и квасцов в счет, конечно, не идут, поскольку водорастворимые химические соединения умеют превращаться в причудливые горы и леса с незапамятных времен. Сегодня растят не только то, что необходимо для промышленного применения, но и просто красивые камни для украшений, типа фианитов и изумрудов. Значение сверхчистых кристаллических материалов в нашей жизни огромно.

Огромное значение имеют искусственные алмазы, благодаря своей исключительной твердости, в технике. Алмазными пилами распиливают камни.      Колоссальное значение имеет алмаз при бурении горных пород, в горных работах. Сам алмаз можно резать, шлифовать и гравировать тоже только алмазом. Наиболее ответственные детали двигателей в автомобильном и авиационном производстве обрабатывают алмазными резцами и сверлами.

Рубин и сапфир относятся к самым красивым и самым дорогим из драгоценных камней. У всех этих камней есть и другие качества, более скромные, но полезные. Кроваво-красный рубин и лазарево-синий сапфир - это родные братья, это вообще один и тот же минерал - корунд, окись алюминия А12О3. Разница в цвете возникла из-за очень малых примесей в окиси алюминия: ничтожная добавка хрома превращает бесцветный корунд в кроваво-красный рубин, окись титана - в сапфир. Есть корунды и других цветов. Есть у них ещё совсем скромный, невзрачный брат: бурый, непрозрачный, мелкий корунд - наждак, которым чистят металл.

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. Сапфир прозрачен, поэтому из него делают пластины для оптических приборов.

Горный хрусталь, т.е. прозрачные кристаллы кварца. Поэтому из прозрачного кварца делают линзы, призмы и др. 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.

Электроника использует особо чистый кристаллический кремний, сапфир, рубин и кварц, машиностроение — искусственные алмазы, корунд, рубин, нитевидный углерод.

Особый класс материалов составляют так называемые жидкие кристаллы. Эти уникальные вещества сочетают в себе подвижность жидкости и анизотропию твердого тела. По сути кристаллами не являются и выглядят, как обычная мутная жидкость, если их налить в стакан. Но в виде тонкого слоя, заключенного между двумя стеклянными пластинами с токопроводящим покрытием, они превращаются в тот самый ЖК-дисплей, без которого не обходятся сегодня ни сотовые телефоны, ни персональные компьютеры.

ОБРАЗОВАНИЕ КРИСТАЛЛОВ. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ И ЕЕ СПОСОБЫ

Кристаллизация - процесс образования кристаллов из вещества, находящегося  в другом кристаллическом или аморфном состоянии. Кристаллизация начинается при достижении некоторого предельного условия, например, переохлаждения жидкости или пересыщения пара, когда практически мгновенно возникает множество мелких кристалликов — центров кристаллизации. Кристаллики растут, присоединяя атомы или молекулы из жидкости или пара. Рост граней кристалла происходит послойно, края незавершенных атомных слоев (ступени) при росте движутся вдоль грани. Зависимость скорости роста от условий кристаллизации приводит к разнообразию форм роста и структуры кристаллов (многогранные, пластинчатые, игольчатые, скелетные, дендритные и другие формы). В процессе кристаллизации неизбежно возникают различные дефекты.

Основными методами получения совершенных кристаллов большого диаметра являются методы выращивания из расплава, из растворов и из паровой (газовой) фазы.

Кристаллизация из растворов -  рост кристаллов осуществляется при температурах ниже температуры плавления, поэтому в выращенных такими методами кристаллах отсутствуют дефекты, характерные для кристаллов, выращенных из расплава.

Для осуществления процесса кристаллизации в растворе необходимо создать пересыщение. По способам его создания различают два основных метода кристаллизации: 1) охлаждение горячих насыщенных растворов и 2) удаление части растворителя путем выпаривания.

Растворимость большинства веществ уменьшается с понижением температуры. Поэтому при охлаждении горячих растворов возникает пересыщение, обусловливающее выделение кристаллов.

В тех случаях, когда растворимость соли почти не меняется при изменении температуры, кристаллизация охлаждением становится неэффективной и применяется изотермическая кристаллизация.

 При добавлении к раствору вещества, понижающего растворимость выделяемой соли, можно вызвать пересыщение раствора и кристаллизацию. Подобный метод кристаллизации получил название высаливания. Вещества, добавляемые в раствор, обычно имеют одинаковый ион с кристаллизуемой солью. Характерными примерами процессов высаливания являются: кристаллизация железного купороса из травильных растворов при добавлении в них концентрированной серной кислоты, высаливание NaCI из рассолов за счет введения в них хлористого магния или хлористого кальция.

 ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ

 ПОЛУЧЕНИЕ КРИСТАЛЛОВ СОЛЕЙ ИЗ НАСЫЩЕННЫХ РАСТВОРОВ

 Изучив методику получения кристаллов,  мы поняли, что самым доступным методом в домашних условиях является кристаллизация из насыщенных растворов солей путем их охлаждения

Для опытов  мы решили взять обыкновенную поваренную соль и медный купорос,

Выращивание кристаллов поваренной соли

 Приготовили насыщенный раствор. Для этого в стакан налила 100 мл дистиллированной воды, нагрела её до 600С. Добавили 40г поваренной соли  и перемешали раствор до тех пор, пока соль не перестала растворяться в воде. Получили насыщенный раствор, профильтровали его и перелили в другую ёмкость.

Через сутки на дне стакана образуются кристаллы соли. Раствор слили, кристаллы осторожно отделили друг от друга, выбрали из них самые крупные и правильные.         Приготовили новый насыщенный раствор и разлили его в несколько сосудов. Крупные кристаллы поваренной соли привязали на нитки, на карандаше и опустили в сосуды с насыщенным раствором так, чтобы они не касались стенок. Накрыли фильтровальной бумагой емкости с кристалликами, чтобы защитить от попадания пыли.

Кристаллы поваренной соли образовались, но довольно маленьких размеров размеров.

Выращивание сростков кристаллов медного купороса CuSO4·5H2O.

Налили в сосуд на 500 мл горячей вскипячённой воды. Присыпали туда соль,  кристаллы медного купороса и тщательно размешали. Сделали раствор пересыщенным (так, чтобы в нем больше нельзя было растворить соли), профильтровали его. Опустили в раствор медную проволоку.  Затем поставили сосуд с проволокой остывать, и уже через несколько часов  увидели наросшие на проволоку  кристаллики. Через 2 дня вынули из раствора обросшую кристалликами проволоку. Медный купорос образует прекрасно оформленные кристаллы в форме косых параллелепипедов красивого ярко-синего цвета.  Мы наблюдали также сростки кристаллов   медного купороса – друзы .

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Работая над проектом, мы  сделали следующие выводы:

1. Кристаллическое состояние веществ является одним из самых распространенных в окружающем нас мире. Кристаллы – твердые тела, атомы, ионы или молекулы которых образуют упорядоченную периодическую структуру (кристаллическую решетку).
2. Процесс кристаллизации осуществляется  методами: 1)выращивание монокристаллов из расплава; 2) кристаллизация из растворов; 3)кристаллизация из паровой (газовой) фазы; 4) кристаллизация в результате химической реакции.
3. Самым доступным методом получения кристаллов  является кристаллизация из растворов. При выращивании кристаллов из растворов движущей силой процесса является пересыщение.

Нам  удалось вырастить в условиях школьной лаборатории монокристаллы поваренной соли и сростки кристаллов медного купороса (см приложение).

Все проделанные  опыты просты в исполнении, результативны и не требуют больших затрат времени.

Проведенная работа позволила удовлетворить наш практический интерес к химии кристаллов, расширила научные познания в данной области и позволила совершенствовать практические умения и навыки.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ И ИНТЕРНЕТ-РЕСУРСОВ:

1. Леенсон И.А. Занимательная химия. 1 часть. М.: Дрофа, 1996
2. О. Ольгин, “Опыты без взрывов”, М.; “Химия”, 1995 г.;
3. Шаскольская М. П.; «Кристаллы», М.: Наука, 1985 г.;
4. http://chemistry-chemists.com/Video1/Crystals-b.html
5. http://himiklab.org.ua/cryst_cu.shtml
6. http://ru.wikipedia.org/wiki
7. http://course-crystal.narod.ru/p31aa1.html