"Тайны кристаллов"

АННОТАЦИЯ

Шащенко Виталий

Красноярский край, Шарыповский район, село Березовское, МБОУ Березовская СОШ №1, 3 класс.

«Тайны кристаллов»

Руководитель Купряшова Нина Петровна, учитель начальных классов

Научный руководитель: нет.

Цель исследования: выращивание кристаллов разных   веществ в домашних условиях.

Методы исследования: работа с источниками информации; наблюдение; эксперимент; фиксирование результатов; анализ полученных результатов.

Основные результаты исследования (практические): выращены кристаллы различных веществ в домашних условиях из насыщенных растворов соли и медного купороса.

1.ВВЕДЕНИЕ

«Хлеб-соль!» - так на Руси встречали знатных гостей. Это традиционное пожелание добра, достатка, хорошего аппетита, выражение гостеприимства. Встреча гостей хлебом-солью имела ещё одно важное значение – соль была своеобразным оберегом, наши предки верили, что соль защищает от враждебных сил.

Соль важна для организма человека. В приготовлении пищи  - это важнейшая приправа. С малых лет мы знаем вкус соли, без которого пища кажется пресной. 

Современный человек, как и современная наука, стремится познать новое, заглянуть за пределы Вселенной, разгадать тайны микромира. Но, за великими целями забывается то, что находится рядом, без чего мы не можем обойтись, и используем каждый день. Актуальность работы заключается в том, чтобы находить интересное и необычное рядом, в том, что доступно для наблюдения и изучения, не требует особых усилий и затрат. Например, соль и медный купорос. Соль, которая есть на каждом столе, в каждом доме, известная и знакомая, непознанная и таинственная! Медный купорос, который применяют для профилактики и лечения болезней не только растений, но и людей!

Путешествуя нынешним летом с родителями по Республике Хакассия, мы отдыхали на озере «Шира». От родителей я узнал, что оно является соленым, и благодаря большому содержанию соли оно оказывает лечебное воздействие на организм человека. На уроках окружающего мира я узнал, что моя учительница побывала в тех же местах, на «Туимском провале». Раньше это была гора, а в ней шахта по добыче медной руды. Жаль, что мы не попали на Туимский провал. Так же я узнал, что медная руда и соль - это КРИСТАЛЛЫ! Удивительно: вроде как различные вещества, а объединены одним понятием?! Меня заинтересовало это магическое слово «кристалл». Я попросил маму найти мне книги про кристаллы.

Из книг я узнал, что кристаллы получают в лаборатории, но бывают они и 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. За сутки в лаборатории можно вырастить кристалл соли массой около 1 килограмма. Кристаллы широко применяются в науке, промышленности, оптике, электронике. Меня очень заинтересовала эта тема, и я решил вырастить кристалл соли в домашних условиях.

Так была выбрана тема исследования: «Тайны кристаллов». 

2.ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ

Цель исследования: выращивание кристаллов разных   веществ в домашних условиях

Задачи:

• изучить литературу по теме;
• познакомиться с ростом кристаллов в природе;

• исследовать способы выращивания кристаллов;

• освоить методику выращивания кристаллов;

• провести наблюдения за процессом кристаллизации;

• создать презентацию по теме проекта и  коллекцию кристаллов.

Объект исследования: кристаллы.

Предмет исследования: процесс кристаллизации.

Гипотеза: предполагаю, что вырастить  кристаллы в домашних условиях   возможно.

Методы исследования:

• работа с источниками информации;

• наблюдение;

• эксперимент;
• фиксирование результатов;
• анализ полученных результатов.

Практическое значение исследования состоит в том, что оно может быть использовано на уроках окружающего мира, во внеклассных мероприятиях,  занятиях кружка «Творческий»

Возникло еще много проблемных вопросов:

• Что такое кристаллы?
• Почему они растут?
• Зачем их выращивают?

        Сказки о кристаллах

Слово кристалл происходит от греческого крюсталлос - лед.

В древности кристаллам приписывали всякие необыкновенные свойства. Считали, что кристалл аметиста предохраняет от пьянства и навевает счастливые сны, изумруд спасает мореплавателей от бурь, еще является символом любви и преданности, сапфир помогает при укусах скорпионов, алмаз бережет от болезней, топаз приносит счастье в ноябре, а гранат - в январе, и т. д. Человека, укушенного змеей, заставляли есть толченый изумруд. Древние обитатели Америки – инки - поклонялись как божеству большому кристаллу зеленого изумруда.

Рассматривая чудесные, сверкающие, переливающиеся многогранники кристаллов трудно было поверить, что кристаллы созданы природой, а не человеком.

Так родились народные сказания о кристаллах. В глубинах гор, рассказывали уральские искатели камня, - живет «Хозяйка Медной горы». Под землей у нее палаты каменные, а стены – из дорогих самоцветов. Деревья в горе каменные, каменные листья и сучки постукивают. На кустах – зеленые колокольцы малахитовые и в каждом - сурьмяная звездочка. Трава тоже каменная, а цветы из камней узорных, и пчелки золотые, как искорки, над теми цветами.

Не захочет Хозяйка показать человеку горные богатства – обманут, закружат его зеленые ящерки, уведет золото Змей – Великий Полоз. И лишь редким счастливцам сама Хозяйка поможет найти самоцветы. А когда случилось заплакать хозяйке – «она это руку подставила, а слезы кап-кап и на руке зернышками застывают. Полнехонька горсть… Камешки холодные, а рука, слышь-ко, горячая, как есть живая…».

Много таких легенд, рассказанных старыми уральскими мастерами и рудознадцами, собрал писатель П. Бажов в сборнике «Малахитовая шкатулка».

Не одну красивую сказку о кристаллах можно найти в народной поэзии.

Что же такое кристаллы?

Многие кристаллы идеально чисты и прозрачны, как вода. Не даром говорят: «прозрачный, как кристалл», «кристально чистый»…

Природные формы кристаллов правильны и симметричны, причудливо разнообразны…

Рассмотрим внимательно кристаллы разных веществ. Как отличить их друг от друга? По цвету? По блеску? Нет, это признаки ненадежные. К примеру, кристаллы кварца могут быть бесцветными (горный хрусталь), золотистыми, коричневыми, черными (дымчатый горный хрусталь, морион), сиреневыми, лиловыми (аметист) .Разные названия, но минерал один и тот же.

Прозрачно-золотистыми могут быть и кварц, и топаз, и турмалин, и циркон, и многие другие минералы.

У разных образцов одного и того же минерала цвета и оттенки могут быть совсем разными.

 Кристаллы разных веществ отличаются друг от друга своими формами.

У каждого вещества формы кристаллов характерны.

Формы кристаллов разных веществ могут быть очень похожими.

Отнюдь не всегда вырастает кристалл многогранником - это удается ему лишь при благоприятных условиях, когда ничто ни мешает ему при росте.

Кристаллы не надо специально искать. Наоборот, не найдешь таких же металлов и почти не встретишь таких камней, которые не были бы кристаллическими. Но в большинстве своем камни и металлы - это поликристаллы, т. е. сростки многих мелких кристаллических «зерен», и в этих сростках уже неразличимы многогранные формы отдельных монокристаллов.

Сажа, или копоть, - мягкий черный порошок, собирающийся на дне кастрюли или в печной трубе, выбрасываемый черными клубами дыма из труб, - это углерод.

Уголь, древесный или каменный, - это тоже углерод.

Графит, мягкий стерженек карандаша, оставляющий след на бумаге. В технике графит служит не только для карандашей: этот материал выдерживает очень высокие температуры, и поэтому из него делают огнеупорную посуду. Графит – кристалл, сложенный из атомов углерода.

Есть и другая форма кристаллов углерода – алмаз, самый дорогой и самый красивый из драгоценных камней. Граненый алмаз называют бриллиантом. Алмаз очень твердый, он тверже всех камней на Земле. Алмазом можно резать, шлифовать, сверлить любые твердые камни и металлы.

Трудно поверить, что алмаз и графит сложены из одних и тех же атомов углерода. Графит мягкий, непрозрачный, черный. Алмаз – твердый, прозрачный, искрящийся всеми цветами радуги. Графит – огнеупорный, алмаз легко горит. Алмаз, графит и сажа состоят из одних и тех же атомов углерода, а разница лишь в том, каков порядок расположения этих атомов. Расставлены они одним строем – и возникает мягкий черный графит. Перестроятся по-другому – и получится твердый прозрачный алмаз.

Кристаллическая структура обнаружена даже в таких веществах, как человеческие кости, волосы, волокна шерсти, шелк, целлюлоза, глина и т.п.

Но как же в действительности образуются кристаллы?

Все кристаллы, окружающие нас, не образовались когда-то раз и навсегда готовыми, а выросли постепенно. В природе, в лаборатории, на заводе кристаллы растут из растворов, из расплавов, из паров, из твердых веществ.

Как же растут кристаллы в расплаве?

В массе застывающего расплава образуется сразу много кристаллических зародышей; все они одновременно вырастают в маленькие кристаллики. Пока эти кристаллики совсем малы, они растут свободно, каждый правильным многогранником. Но, увеличиваясь, кристаллы встречаются и начинают мешать друг другу. Как только два растущих кристалла встретятся друг с другом, рост обоих кристаллов в этом месте прекращается: ведь ни один из них не может отодвинуться. С других же сторон – там, где кристаллы еще не столкнулись с соседями, - они продолжают расти. Так получается, что кристалл вырастает в одну сторону больше, чем в другие: образуются не правильные многогранники, а кристаллические зерна, из которых сложены горные породы. Но внутреннее строение, правильность, периодичность, симметрия расположения атомов не изменились от того, что нарушилась форма. Если бы это же самое кристаллическое зерно росло не в тесноте, а так, чтобы ему ничто не мешало, то оно непременно приобрело бы форму правильного многогранника.

Как кристаллы растут из растворов

В данном объёме той или иной жидкости при постоянной температуре и  давлении

может раствориться   не  больше  определённого  количества  того  или  иного

кристаллического вещества. Полученный при этом раствор называют  насыщенным.

Кристалл,  помещённый  в  насыщенный  раствор,  не  будет   ни   расти,   ни

растворяться в нём. Если повысить температуру жидкости, то растворимость  её

повышается, поэтому  имеющееся  количество  растворённого  вещества  уже  не

будет насыщать раствор. Кристалл, помещённый в ненасыщенный раствор,  начнёт

в  нём  растворяться.  Если   насыщенный   раствор   охладить,   он   станет

пересыщенным. Пересыщенные растворы могут сохраняться  в  замкнутых  сосудах

долгое  время,  не  кристаллизуясь.  Однако  достаточно  попасть  в  раствор

малейшей    частицы    кристалла,    как    раствор    немедленно     начнёт

кристаллизоваться.

        Таким  образом,  пресыщение  раствора   является  необходимым,   но

достаточным условием  для  кристаллизации.  Чтобы  кристаллизация  началась,

нужно  внести  в  раствор  затравку  -  небольшой   кристалл   растворённого

вещества.

       Из раствора кристалл выращивают обычно таким образом.

  Вначале  в  воде  растворяют  достаточное   количество    кристаллического

вещества. При этом раствор подогревают до тех пор, пока  вещество  полностью

не растворится. Затем раствор медленно охлаждают, переводя его тем  самым  в

пересыщенное состояние. В пересыщенный раствор подмешивают затравку.

       Если,  в   течение   всего   времени   кристаллизации,   поддерживать

температуру и плотность раствора одинаковыми во всём объёме, то  в  процессе

роста кристалл примет правильную форму.

Как кристаллы растут из паров

Если зимой в морозную погоду внезапно распахнуть дверь или приоткрыть окно на улицу из сырого и очень жарко натопленного помещения, то в тех местах, куда врывается холодный воздух, начинает падать снег.

В 1773 г. в зимний вечер в одном из богатых домов Санкт-Петербурга происходила ассамблея (вечер-бал). В помещении скопилось очень много народа, и стало так жарко и душно, что присутствующие начали падать в обморок. Форточек в окнах тогда еще не делали. Поэтому одному из присутствующих пришлось шпагой выбить стекло в окне. От ворвавшегося морозного воздуха во всем помещении пошел хлопьями густой снег.

А причина была в том, что от дыхания собравшихся в зале людей скопилось множество водяных паров; когда через выбитое окно внезапно ворвался холодный воздух, эти пары очень быстро охладились и затвердели, образовав кристаллики снега.

Поэтому же на сильном морозе «пар идет изо рта». Это кристаллизуются белым инеем пары, выдыхаемые человеком. Ресницы, усы, бороды людей на морозе покрываются инеем: это – тоже налет снежных кристаллов.

Облака на небе – это не что иное, как скопления таких ледяных кристалликов или же капель воды, образовавшихся из паров воды, поднимающихся с земли.

Когда солнце затянуто тонкой пеленой высоких перистых облаков, на небе нередко можно увидеть так называемое «гало» - световые дуги, кольца, венцы и даже несколько солнц. Иногда полыхает на небе огромный светящийся столб, и даже несколько столбов, похожих на кресты или на рыцарские мечи. Суеверный ужас рождали эти «небесные знамения» в старину.

Когда кристаллики замерзшей воды в облаках вырастают, они становятся тяжелее и в конце концов падают на землю: идет снег.

В узорных звездочках всегда по шесть лучей, но нельзя найти двух совершенно одинаковых звездочек. Это зависит от того, как образуются и растут снежинки. Звездочки снежинок бывают всего красивее и правильнее, когда воздух сухой и ветра нет. Если подует теплый влажный ветер, на краях снежных звездочек, как мельчайшие бусинки, нарастают водяные капли. Во влажном воздухе снежинки закругляются  с краев, теряют свою форму, слипаются в снежные хлопья. Своей формой снежинка рассказывает свою историю: где она образовалась, как росла, через какие слои воздуха пролетала, прежде чем плавно спуститься на землю.

Кристаллизоваться могут не только водяные пары, но и пары других веществ. Образование кристаллов из паров можно постоянно видеть в громадных «природных лабораториях» - вулканах. Из временно бездействующих и совсем потухших вулканов непрерывно выходят струйки дыма: это те вещества, которые достигли поверхности земли в виде паров, а не расплавов или растворов. Выделяясь из кратеров вулканов или из трещин вблизи вулканов, пары оседают на стенках и на земле, сгущаясь, затвердевая и закристаллизовываясь. Так образуются кристаллические корочки и налеты самородной серы, каменной соли и других минералов.

Так же кристаллизуются на стенках металлургических печей пары, выделяющиеся из расплавленного металла.

Ну а теперь перейдем к практической части моей работы: Как я выращивал кристаллы. Прежде всего я составил план своей работы: 

1.Растворить вещество, из которого будет расти кристалл, в подогретой воде.

2. Насыщенный раствор перелить в другую посуду через фильтр

3. Привязать на нитку затравку и опустить в насыщенный раствор

4. Перенести посуду с насыщенным раствором в место, где нет сквозняков, вибрации и сильного света

5. Накрыть сверху бумагой и наблюдать за процессом кристаллизации.

Описание эксперимента:

Взял стакан горячей воды и всыпал в него синий порошок медного купороса столько, сколько сможет раствориться порошка. Перемешал воду, тогда порошок растворяется быстрее. Когда порошок совсем перестал растворяться и начал оседать на дно, слил образовавшийся раствор в другой стакан так, чтобы на дно стакана с раствором не попало ни одной крупинки порошка. Раствор «насытился», и больше он не может поглотить ни крупинки вещества. Такой раствор называется насыщенным.

Взял кусочек соли медного купороса (затравку) привязал за нитку, намотал нитку на карандаш и опустил кусочек в стакан, так чтобы он не касался дна. Поставил стакан с раствором на батарею. Таким образам, вода будет испарятся и раствор станет пересыщенным. Такой пересыщенный раствор не может долго существовать, поэтому лишнее вещество выделяется из раствора и оседает на находящийся там кусочек медного купороса и на дно стакана. Этот осадок состоит из кристаллов.

Наблюдая, каждый день, за затравкой в стакане я увидел, что он увеличивается в размерах, т.е. растет.

Точно такие же опыты я провел с железным купоросом и солью. Таким образом, вырастил кристаллы железного купороса и соли. Можно так же вырастить кристаллы сахара, питьевой соды, слоеные кристаллы (например, на кристалл медного купороса нарастить кристалл железного купороса).

Пересыщенные растворы могут образовываться и иначе. Оставить чистый закрытый сосуд остывать. Остыв, раствор станет пересыщенным.

Крупную соль можно перекристаллизовать в мелкую столовую соль. Растворить соль в воде, профильтровать раствор через фильтровую бумагу или чистую тряпочку и выпарить этот раствор на медленном огне. Из раствора осядут очень мелкие кристаллики.

Кристаллы получаются такие красивые и разноцветные, что мне захотелось сделать какую-нибудь красивую вещь из них. Я скрутил из проволоки скорпиона (по гороскопу я скорпион), обмотал его шерстяной нитью, окунул его в раствор с медным купоросом и вытащив обсушил. Таким образом, я получил затравку. После того как моя затравка высохла я опустил его опять же на нитки в насыщенный раствор медного купороса и стал ожидать. Кристаллы стали расти на моем скорпионе. Он получился красивый синего цвета, весь в кристаллах и тяжелый. Вот такой:

Точно так же я поступил и с еловой шишкой. Сделал украшение на елочку, скоро ведь новый год.

Результаты моего труда вы видите перед собой.

Какие проблемы и трудности возникли у меня в результате работы:

• первый кристалл, который мы достали из раствора, покрылся белым налетом. После неудачи мы стали осторожнее

• Кристаллы очень хрупкие, одно неосторожное движение и вся работа рассыпалась на полу.

• трудность в поиске информации в сети интернет, пока мне не хватает знаний. Помогли родители.

• создание презентации с родителями.

Зачем растят кристаллы

Зачем же создают еще и искусственные кристаллы, если и так почти все твердые тела вокруг нас имеют кристаллическое строение?

Прежде всего затем, что природные кристаллы не всегда достаточно крупны, часто в них имеются нежелательные примеси. При искусственном выращивании можно получить кристаллы крупнее и чище, чем в природе.

Есть и такие кристаллы, которые в природе редки и ценятся дорого, а в технике очень нужны. Поэтому разработаны лабораторные и заводские методы выращивания кристаллов алмаза, кварца, корунда. В лабораториях выращивают большие кристаллы, необходимые для техники и науки, искусственные драгоценные камни, кристаллические материалы для точных приборов; там создают и те кристаллы, которые изучают кристаллографы, физики, химики, металловеды, минералоги, открывая в них новые замечательные явления и свойства. А самое главное – искусственно выращивая кристаллы, создают вещества, каких вообще нет в природе, множество новых веществ.

Гигантскими фабриками искусственных кристаллов являются все химические заводы, где вырабатывают различные соли, соду, химические удобрения и многие другие кристаллы, сахарные заводы, где варят кристаллический сахар, фармацевтические заводы, где синтезируют кристаллы лекарственных веществ, и прежде всего все металлургические заводы, где выплавляют металлы.

3.ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ВЫВОД

1. Кристалл можно вырастить, используя насыщенный раствор, например, соли, медного купороса        или        железного        купороса;
2. В зависимости от того при какой температуре растёт кристалл, его форма будет разной, так же чем ниже температура тем процесс кристаллизации протекает медленнее;
3. Кристалл медного купороса растёт быстрее, чем кристалл соли;
4. Можно создавать декоративные украшения, используя рост кристаллов.

4. ЛИТЕРАТУРА

1.