ПРОЕКТНО - ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА «КРИСТАЛЛЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ»

ПРОЕКТНО - ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА

«КРИСТАЛЛЫ  И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ»

Состав исследовательской группы:

Ученики 11 класса: Зуева Юлия, Соколова Ирина, Чурсина Анастасия, Маликова Мария, Кислицин Никита, Алексеев Александр.

Ученики 9 класса: Стулин Александр.

Ученики 6 класса: Изотова Елизавета, Ермаков Дмитрий, Аверкина Анастасия, Сугак Данила, Безнос Кирилл, Антипов Олег

Руководитель: Алёхина Елена Анатольевна, учитель физики.

МКОУ «Шиловская СШ №16», с. Шилово, 2017 год

Сегодня мы хотим представить  вам нашу проектно-исследовательскую работу «Кристаллы и их применение». Выполнение этого проекта заняло у нас достаточно много времени – около полугода. Для повышения интереса к учебному предмету «физика» мы выбрали себе помощников – ученики 6 класса. Перед нами стояли следующие вопросы: Что такое кристалл? Какая форма у кристаллов? Где применяются кристаллы? Можно ли вырастить кристалл в домашних условиях? Какие кристаллы называют жидкими,  и почему к ним проявляется особый интерес? Какие кристаллы называют драгоценными? Для ответа на эти вопросы нас поделили на  четыре группы: теоретики, инженеры, ювелиры и экспериментаторы. Каждой группе было дано отдельное задание, и сегодня все отчитаются по проделанной работе.

Отчет группы теоретиков

Цели:

• проследить эволюцию взглядов на природу кристаллов;

• изучить строение и физическое свойства кристаллов, благодаря которым они нашли такое широкое применение.

Задачи:

• познакомиться с представлениями ученых о твердых кристаллах на протяжении нескольких столетий;
• рассмотреть особенности  пространственных решеток и их классификацию;
• изучить физические свойства кристаллов.

 -  Слово « кристаллос» у древних греков обозначало лед. Так же называется водно-прозрачный кварц, ошибочно считавшийся  тогда окаменевшим льдом. Впоследствии этот термин был распространен на все кристаллические тела.

Для образования кристаллов необходимо, чтобы ничто не мешало им свободно и всесторонне развиваться.

  -  Что касается отношения человека к кристаллам, то можно сказать, что он придает им большое значение, преклоняясь перед этим чудом природы.

 -   На экране вы видите закономерное расположение атома кристалла поваренной соли NaCl и кальцита CaCO3.

   Во всех без исключения кристаллических постройках из атомов, в структурах кристаллов можно выделить множество атомов наподобие узлов пространственной решетки.

-   Итак, кристаллами можно назвать все твердые тела, в которых слагающие их частицы расположены строго, закономерно, наподобие узлов пространственной решетки.

 Как известно, форма является вторичной по отношению к содержанию.

  -  В 1619 году Иоган Кеплер, обратил внимание на шестерную симметрию снежинок. Он объяснил ее тем, что кристаллы построены из мельчайших  одинаковых частиц, присоединенных  к друг к другу.

 -  Через 50 лет после Кеплера, в 1669 году датский геолог Николаус Стеной, сформулировал  понятие о формировании кристаллов: « Рост кристаллов происходит не  изнутри как у растений, но путем наложения на внешние плоскости кристалла». Ученый открыл основной закон геометрической кристаллографии - закон постоянства углов.

- Закон постоянства  углов  окончательно  утвердился  в науке  после  выхода в свет  “Кристаллографии”(1793г). Французского естествоиспытателя  Ж.Б. Роме де Лиля:“ Грани кристалла могут изменяться  по  своей форме и относительным размерам , но их взаимные наклоны постоянны и неизменны для каждого рода  кристаллов”  

Старательно  изучая кристаллы  и измеряя их характерные углы,  Роме де  Лиль не позволял себе углубиться в их внутреннее строение.  Гораздо смелее в  этом отношении  был его младший  современник и удачливый соперник  Рене Жюст  Гаюи.  В 1785г он предположил, что кристаллы построены  из молекул параллелепипедальной  формы; кристаллы  представляют собой  своеобразные кладки  из молекулярных «кирпичиков».

- Кристаллические  тела могут  быть  монокристаллами и поликристаллами.

Монокристаллы – одиночные кристаллы.  Иногда  обладают геометрически правильной формой, но главный признак монокристалла – периодически  повторяющаяся внутренняя структура  во  всем его объеме.

Поликристалл – твердое тело, состоящее из большого  числа маленьких  кристалликов. В отличие от монокристаллов поликристаллы  изотропны, т.е. их свойства одинаковы во всех направлениях.

- Очень многие  вещества в кристаллическом состоянии могут существовать в 2-х или более фазовых разновидностях, отличающихся физическими свойствами. Это явление называется  полиморфизмом.

- Физические свойства кристаллических  тел  неодинаковы  в различных направлениях , но совпадают  в параллельных  направлениях -  анизотропия.

- Все невероятное разнообразие кристаллов  удалось классифицировать . Они разбиты на сингонии, т.е. группы с равными углами между  симметричными элементами:                          кубическая, тетрагональная, гексагональная, тригональная, ромбическая, моноклинная и триклинная сингонии.                

- Кристаллы могут иметь от четырех до нескольких сотен граней. Но при этом они обладают замечательным свойством – какими бы ни были размеры , формы и число граней одного и того же кристалла, все плоские грани пересекаются друг с другом.

- Кристаллы правильной геометрической формы встречаются редко.

Отче группы инженеров

   Цели:

• исследование области применения кристаллов;
• современные разработки и перспективы применения новейших технологий в будущем.

Задачи:

•  познакомиться с применением жидких кристаллов.

- Природные кристаллы всегда возбуждали  любопытство у людей. Их цвет , блеск, формы затрагивали  человеческое  чувство прекрасного и люди украшали ими себя и жилища .

Кристаллы сыграли важную роль в технических новинках 20 и 21 века.

- Нашу группу особенно заинтересовали жидкие кристаллы. Жидкий кристалл – это специфическое агрегатное состояние вещества , в котором одновременно сочетаются свойства кристалла и жидкости .

- Свойства жидких кристаллов:

1. не имеют жесткую кристаллическую решетку;
2. наличие порядка пространственной  ориентации молекул;
3. более сложное строение ориентационного порядка молекул, чем у кристаллов;
4. подобно обычной жидкости, жидкий кристалл обладает текучестью и принимает форму сосуда, в который помещен.

- В зависимости от вида упорядочения осей молекул кристаллы разделяются на : смектические, нематические и холестерические .

- Тонкие пленки жидких кристаллов, заключенные между стеклами нашли широкое применение в качестве индикаторных устройств.

Принцип работы жидкокристаллических мониторов.

- Плоскопанельные  TFT-дисплеи имеют два существенных недостатка  по сравнению с обычными ЭЛТ - мониторами.

1. если посмотреть на TFT-дисплей со стороны, под некоторым углом, то можно заметить потерю яркости и изменение цветов дисплея;
2. быстрые изменения изображения на экране - видеоролик или игра требуют такой производительности ,которая оказывается слишком большой для жидкокристаллических технологий, отсюда и появляются полосы на изображении.

- С технической точки зрения решение TN-Film является наиболее простым для реализации и решения ранее указанных проблем. Производители плоскопанельных дисплеев используют относительно старую технологию TFT. Специальная пленка наносится на верхнюю поверхность панели , при этом угол обзора увеличивается от 90 до 140 градусов  Однако плохая контрастность и низкое время реакции остаются неизмененными .

- IPS или «Yn-Plane Switching» изначально была разработана фирмой Hitachi.

Различие по отношению к обычным жидкокристаллическим дисплеям состоит в том, что молекулы жидких кристаллов выравниваются параллельно подложке и увеличивают угол зрения от 90 дот 170 градусов.

-  Новые возможности получили врачи: жидкокристаллический индикатор на коже больного человека быстро диагностирует скрытое воспаление и даже опухоль.

- Жидкие кристаллы используются в устройствах отображения информации.

- Создаются плоские телевизоры с тонким жидкокристаллическим экраном.

-  Знакомясь с маской электросварщика и очками для стереотелевидения, заметили, что в этих устройствах управлений жидкокристаллический фильтр покрывает сразу все поле зрения одного или обоих глаз.

Такая необходимость может возникнуть у космонавтов в условиях их работы в космосе при чрезвычайно ярком солнечном освещении. Жидкие кристаллы используются в очках для космонавтов .

   - Так же, жидкие кристаллы  в виде пленки наносят на транзисторы, интегральные схемы и печатные платы электронных схем.

Отчет группы ювелиров

Цели:

• выяснить, почему человек издавна обращает внимание на некоторые кристаллы и называет их драгоценными, за какие свойства и качества.

Задачи:

•  проследить историю применения человеком ювелирных камней, их происхождение.

- Все драгоценные камни,  за редким исключением, принадлежат миру минералов. Минералы могут возникать разными способами. Одни образуются из огненно-жидких расплавов или газов в недрах земли или из вулканической лавы, извергнутой на ее поверхность. Другие выпадают из водных растворов или растут с помощью живых организмов вблизи земной поверхности. И наконец, новые минералы образуются путем перекристаллизации уже существующих под влиянием больших давлений и высоких температур.

Химический состав минералов выражают формулой, примеси при этом не учитывают, даже если они вызывают появление цветовых оттенков, вплоть до полного изменения цвета. Почти все минералы кристаллизуются в определенных формах, то есть представляют собой однородные по  составу тела с регулярным расположением атомов в решетках. Кристаллы характеризуются строгими геометрическими формами и ограничены преимущественно плоскими гладкими поверхностями. В  большинстве своем кристаллы мелки , но встречаются  и гигантские экземпляры. Внутренняя структура кристалла показывает его физические свойства: внешний вид, способность к раскалыванию, тип излома, твердость, оптические явления.

К кристаллам принадлежат и ювелирные камни, из  которых изготавливают украшения.

  - Самоцветы - это термин, заимствованный у уральских старателей и введённый в 20-е года хх века А.Е.Ферсманом в советскую литературу для обозначения драгоценных камней, включая бесцветные.

 Часто применяемый в более широком смысле, этот термин охватывает как драгоценные, так и поделочные камни.

 По классификации академика Ферсмана, самоцветами являются все прозрачные камни, независимо от отнесения их к категориям драгоценных или поделочных. Непрозрачные же минералы и породы относятся к так называемой группе «цветных камней».

 В отличие от минералов, единой классификации самоцветов не существует. Этот термин применяется ко всем минералам и органогенным камням, которые на практике используются в ювелирном деле для изготовления украшений.

-  Природные самоцветы – это крупная и важная для различных видов народного хозяйства группа полезных ископаемых. До революции в России выделяли драгоценные камни (самоцветы) – прозрачные минералы, которые шли преимущественно в огранку, цветные камни – красиво окрашенные минералы или породы, хорошо принимающие полировку и используемые в декоративных ювелирных целях. Чёткого различия между  этими группами не было, до настоящего времени нет единых общепринятых для всего мира названий  как для всей этой группе полезных ископаемых, так и для её составляющих.

-  Поделочные камни обычно представлены моно- и полиминеральными агрегатами с красивом цветом или рисунком, непрозрачными или просвечивающимися в тонких сколах.

 - Они хорошо полируются, благодаря достаточно однородной мелкозернистой, тонковолокнистой или скрытокристаллической структуре. Существует много разновидностей поделочных камней: яшма, флюорит, цветной мрамор и др.

От физико-механических свойств поделочных камней (от твёрдости и вязкости) зависит способ обработки и характер использования сырья.

 - Карат - единица массы, с древнейших времен используется в торговле драгоценными камнями и в ювелирном деле. Предполагают, что слово «карат» от «куара» - местного названия африканского кораллового дерева, семена которого использовались как гирьки для взвешивания золотого песка, но более вероятно, что оно связано с греческим названием (кератион) семян широко распространенного в Средиземноморье рожкового дерева, которые практически одинаковы по весу и в древности служили гирьками при взвешивании драгоценных камней. Масса одной такой «гирьки» была в среднем около 200 мг, она-то и считалась равной карату.

В разных центрах ювелирного дела долго использовались свои меры массы. Так, лондонский карат равнялся 205,3 мг, а флорентийский 197,2 мг. Отсюда, вероятно, и расхождения в массе исторических алмазов, встречающиеся в литературе.
В 1907 году Международном комитетом мер и весов на конференции в Париже был введен метрический карат (1 кар), равный точно 200 мг, или 0,2 г.
Доли карата выражаются в виде простых или десятичных дробей (с точностью до второго знака после запятой). При взвешивании самых мелких алмазов используется также единица массы 0,01 кар, называемая «пункт» (пойнт).
Не следует путать карат как единицу массы камней и карат как меру чистоты (пробности) золота, используемую в ювелирном деле. Во втором случае карат служит не единицей массы, а характеризует качество золотого сплава. Чем больше число каратов, тем выше содержание чистого золота в ювелирном изделии, а масса его может быть при этом какой угодно.
Грамм — единица массы, используемая в торговле ювелирными камнями для менее дорогих и крупных камней, особенно для драгоценных необработанных камней.
Для взвешивания жемчуга используют гран (от латинского - зерно) равный одной четверти карата, т.е. 50 мг. Сейчас гран все больше вытесняется каратом.
В торговле драгоценными камнями обычно указывается цена 1 карата. Чтобы вычислить полную цену камня, надо умножить цену карата на массу камня в каратах. Цена карата прогрессивно возрастает с увеличением размера камней. Если, скажем, бриллиант-каратник (массой 1 карат) стоит определенную цену, то двух-каратник (при том же качестве) оценивается не вдвое дороже, а значительно выше.
Во всех случаях цена камня больше всего зависит от его качества — чистоты, прозрачности, густоты цвета, красоты тона, скрытых и явных пороков, качества и стиля огранки. Поэтому сводить все к «арифметике» в ювелирном деле нельзя.

Отчет группы экспериментаторов.

Цель:

• выращивание кристаллов и наблюдение за процессом их роста.

Задачи: 

• рассмотреть способы выращивания кристаллов и выбрать способ, наиболее приемлемый для выращивания кристаллов в домашних условиях.

 -  Почти любое вещество может при известных условиях дать кристаллы. Кристаллы можно получить из раствора или из расплава данного вещества, а также из его паров.

 Известно, что растворимость веществ зависит от температуры. Обычно с повышением температуры растворимость увеличивается, а с понижением – уменьшается. Мы знаем, что одни вещества растворяются хорошо, другие – плохо. При растворении веществ образуются насыщенные и ненасыщенные растворы.

   Насыщенный раствор – это раствор, который содержит максимальное количества растворяемого вещества при данной температуре.

  Ненасыщенный раствор – это раствор, который содержит меньше растворяемого вещества, чем насыщенный при данной температуре.

  - Итак, допустим мы приготовили насыщенный раствор, например, сахара при температуре 300С и начинаем охлаждать его до 200С. При  300С мы смогли растворить в 100г воды 223г сахара, при 200С растворяется 205г. Тогда при охлаждении от 300С до 200С 18г окажутся «лишними» и, как говорят, выпадут из раствора. Итак, один из возможных способов получения кристаллов состоит в охлаждении насыщенного раствора.

  - Можно поступить иначе. Приготовим насыщенный раствор соли и оставим его в открытом стакане. Через некоторое время мы обнаружим появление кристалликов. Почему они образовались? Внимательное наблюдение покажет, что одновременно с образованием кристаллов произошло ещё одно изменение – уменьшилось количество воды. Вода испарилась, и в растворе оказалось «лишнее» вещество. Итак, другой возможный способ образования кристаллов – это испарение раствора.

- Как же происходит образование кристаллов из раствора? Глазом не удается обнаружить самые   начальные  моменты роста. Сначала немногие из беспорядочно движущихся  молекул или атомов растворенного  вещества собираются в том порядке , который нужен для образования кристаллической решетки. Такую группу атомов или молекул называют зародышем. Опыт показывает, что зародыши чаще образуются при наличии в растворе каких – либо центров кристаллизации. Ими  могут  служить загрязнения на стенках посуды с раствором, пылинки, мелкие кристаллики растворенного вещества. Быстрее и легче кристаллизация начинается тогда , когда в насыщенный раствор помещается маленький  кристалл- затравка.

- В целом ряде случаев кристаллы образуются из расплавленной массы - из расплава. В природе это совершается в огромных масштабах: из огненной магмы возникли базальты, граниты и многие другие горные породы. По мере охлаждения частицы замедляют свое хаотическое   движение. При достижении определенной, достаточно низкой температуры скорость частиц уже столь мала, что некоторые из них под действием сил притяжения начинают пристраиваться одна к другой, образуя кристаллические зародыши.

- Кристаллы могут образовываться также непосредственно из пара или газа. При охлаждении  газа электрические силы притяжения объединяют  атомы или  молекулы в  кристаллическое вещество. Так образуются снежинки; воздух ,содержащий влагу, охлаждается, и прямо из него вырастают снежинки той или иной формы.

Технология получения рубина и сапфира.

- Рубин и сапфир – минералы, которые хотя и различаются по внешнему виду,  обладают идентичной кристаллической структурой и свойствами.

Рубин и сапфир в основном состоят из окиси алюминия Al2O3 ,кристаллическую форму которой называют корундом.

- Я вам расскажу о методе получения рубина – метод Огюста Вернейля.

Технология Вернейля заключается в применении вертикальной горелки с подачей глинозема в пламя через ток кислорода. Порошок встряхивается в токе под действием вибратора.

В холодной части пламени помещен керамический штифт, на котором собираются капли жидкого глинозема.

Пламя окружается изолятором, защищающим растущую Булю от «сквозняков».

- В начальной стадии роста Були порошок затвердевает и образует конус из материала невысокой плотности.

Затем конус перемещают в горячую зону пламени, и его вершина начинает плавиться.

- В этот момент образуется несколько кристаллов.

На ранней  стадии роста кристалла необходимо следить за температурой пламени. Очень важно, чтобы подача порошка была равномерной.

- Вернейль в течение 2 часов выращивал Були весом 2.5-3 г или 12-14 карат.

Були были округлой формы, и некоторые из них имели диаметр 5-6 мм.

- Используя эту технологию, получают кристаллы размером 4*4*1,2 см.

Технология выращивания кристаллов в домашних условиях.

- Для выращивания кристалла понадобится:

• химическое вещество (медный купорос);
• старый эмалированный ковшик;
• стеклянная полулитровая банка;
• чайная ложка;
• нитка;
• карандаш;
• мерный стаканчик;
• небольшой камушек;
• ножницы;
• салфетки.

  - 1.С помощью мерного стаканчика налили из-под крана в эмалированный ковшик  300 мл воды и поставили разогревать на плиту. Нагрели воду до температуры 70° С.

2.Перелили воду в полулитровую банку, высыпали туда все химическое вещество (медный купорос).

3.Привязали камушек к нитке. Второй конец нитки привязали к карандашу. Длину нити выбрали такую, чтобы камушек был немного ниже середины уровня раствора.

   4.Когда раствор немного остыл, опустили в него камушек на нитке, положили карандаш на горлышко. Накрыли банку салфеткой и оставили на сутки в укромном месте (при комнатной температуре).

Наблюдение за ростом кристалла.

В различных кристаллах одного и того же веществ форма граней, их взаимные расстояния и их число могут изменяться, но углы остаются постоянными. Тем самым мы убедились в законе постоянства углов

Мы исследовали самые крупные кристаллы на теплопроводность. Так как они анизотропные, то и теплопроводность в различных направлениях различна.

Выводы:

1)Все физические свойства кристаллов зависят от их строения - их пространственной решетки.

 2)Наряду с твердотельными кристаллами в настоящее время широко применяются жидкие кристаллы, а в скором будущем мы будем  пользоваться приборами, построенными на фотонных кристаллах.

3)К кристаллам относятся и ювелирные камни, из которых изготавливают украшения

4) Мы отобрали наиболее приемлемый способ для выращивания кристаллов в домашних условиях и вырастили кристаллы поваренной соли и медного купороса.

 Список используемой литературы:

1. Сонин А.Ф. – «Кентавры природы».
2. Браун Г., Уолкен Дж. – «Жидкие кристаллы и биологические структуры».
3. Титов В.В., Севостьянов В.П., Кузьмин Н.Г., Семенов А.М. – «Жидкокристаллические дисплеи: строение, синтез, свойства жидких кристаллов "Микровидеосистемы"».
4. http://www.xumuk.ru 
5. Лымарева Н.А. – «Проектная деятельность учащихся».