Исследовательская работа "Кристаллы"

Отдел образования

администрации Балтайского муниципального района  

Муниципальное бюджетное образовательное учреждение –

средняя общеобразовательная школа с. Большие Озерки

Исследовательская работа

КРИСТАЛЛЫ

Автор:

Симакова Ольга Алексеевна

учащаяся 8 класса

МБОУ СОШ с. Большие Озерки,

ул. Молодежная, д.11, кв.1

Руководитель:

Усанкина Наталья Алексеевна

учитель химии

МБОУ СОШ с. Б-Озерки

Адрес ОУ:

412632, Саратовская обл.,

Балтайский р-он, с. Большие Озерки,

ул. Пионерская, д.8

2017-2018 уч. год

Содержание:

1.    Введение

2.    Классификации кристаллов

2.1. По происхождению (природные и искусственные кристаллы)

2.2. По размерам и формам

2.3. «Идеальные» и «реальные» кристаллы

2.4. Монокристаллы и поликристаллы

3.    Структура кристаллов. Свойства кристаллов

3.1. Кристаллическая решетка. Аллотропия

3.2. Симметричность

3.3. Анизотропия кристаллов

4.    Причины возникновения кристаллов. Кристаллизация – как физико-химический процесс

4.1. Охлаждение расплавов. Затравка

            4.2. Растворимость. Охлаждение пересыщенных растворов

            4.3. Испарение растворов

            4.4. Охлаждение жидкостей и паров

            5.    Практическая часть.

            5.1. Выращивание кристаллов соли

            5.2. Выращивание кристаллов сахара

            6.    Значение кристаллов

            6.1. Месторождения кристаллов

            6.2. Применение кристаллов в промышленности

            7.    Заключение

            8.    Используемая литература

   Цель: Изучение строения, свойств  кристаллов. Выращивание кристаллов.

Задачи: 1. Изучить классификацию кристаллов по разным признакам

                 2. Изучить зависимость свойств кристаллов от их строения

                 3. Изучить причины образования кристаллов

                 4. Вырастить кристаллы (из соли, сахара)

             5. Определить область применения природных и искусственных кристаллов

Актуальность выбранной темы: «Кристаллы встречаются нам повсюду. Мы ходим по кристаллам, строим из кристаллов, обрабатываем кристаллы на заводах, выращиваем кристаллы в лабораториях, издаем приборы и изделия из кристаллов, широко применяем кристаллы в технике и науке, едим кристаллы, лечимся кристаллами, находим кристаллы в живых организмах, проникаем в тайны строения кристаллов...  Что же такое кристаллы?» [2; c.9]

Практическая значимость: использование материалов работы на внеклассном мероприятии «Химия – страна чудес!»; формирование у сверстников представления о роли кристаллов в нашей жизни.

Методы, применяемые при выполнении работы:

1. Обзор литературы по данной теме
2. Изучение и применение различных способов выращивания кристаллов
3. Наблюдение
4. Описание процесса выращивания кристаллов и формирование исследовательской работы из полученной информации

1.Введение

Возможно, вы считаете, что кристалл — это редкий и красивый минерал или

драгоценный камень. Да, изумруды и бриллианты являются кристаллами, но не все кристаллы редки и красивы. Многие из самых обычных веществ вокруг нас являются кристаллами. Твердые тела, образующиеся в природных условиях: песок и гранит, поваренная соль и сахар, алмаз и изумруд, медь и железо – все это кристаллические тела.  

2. Хочу рассказать о классификации кристаллов по разным признакам.

2.1. Во-первых, по происхождению. Природные кристаллы получаются из природных растворов (воды океанов, морей, озер и рек) и расплавов (магма) в природе без участия человека, искусственные создаются в лабораториях и на заводах в необходимых для образования кристаллов условиях.

Приведу названия некоторых  из драгоценных камней: алмаз, аметист, рубин, сапфир, изумруд, топаз и т.д. Они бывают разных цветов, большинство – прозрачные, но самое главное, они обладают красивой правильной формой. Основные характеристики – красота и редкость.

Бордовый рубин и лазоревый сапфир относятся к самым дорогим и красивым драгоценным камням.                                                  

Кварц – самый распространенный на земле минерал. Аметист, яшма, опал, халцедон – это разновидность кварца.  

        Кварц                                  Аметист                                               Опал                                                                                          

Алмаз  самый прекрасный из драгоценных камней. Ограненный алмаз – это бриллиант.  

    Природный алмаз                         Бриллианты                           Сокровища        

                                                                                             Алмазного фонда России

В числе сокровищ Алмазного фонда России хранится один из величайших и красивейших в мире алмазов «Шах». На полированной его поверхности выгравированы имена его владельцев, начиная с 1591 года.

Ушли в прошлое короны с огромными рубинами, бриллиантами, сапфирами.  Но любовь к камню не ушла в прошлое. Но природные драгоценные камни находят в природе очень редко. И люди научились растить кристаллы драгоценных камней. В любом ювелирном магазине можно купить кольца с рубином, брошки или серьги с сапфиром.

 У всех этих камней кроме красоты есть  и другие качества. Рубин и сапфир – это один и тот же минерал – корунд, оксид алюминия (Al2O3).

      Искусственный рубин                Искусственный сапфир                Наждак

Разница в цвете возникает из-за примесей в окиси алюминия. Есть у них и совсем скромный родственник: бурый, непрозрачный мелкий корунд – наждак, из которого делают наждачную бумагу и точильные круги или бруски. Корунд: рубин сапфир, наждак – один из самых твердых камней на Земле, второй после алмаза.

Кварц – кристалл, который явился причиной развития промышленности искусственных кристаллов. На Земле очень много кварца, и все же природный кварц не может обеспечить нужды техники.

Алмаз – это кристаллический углерод: он сложен и тех же атомов углерода, что и сажа, уголь, графит. Кристаллы алмаза отличаются от кристаллов графита по своей структуре. Но если все различие меду алмазом и графитом заключено только в расположение атомов, то нельзя ли чуть сдвинуть атомы, превратить один кристалл в другой. Превратить алмаз в графит можно еще проще. Алмаз легко сгорает, превращаясь в газообразный углерод, иногда в графит. Обратный процесс тоже применяется в промышленности для получения искусственных алмазов.  

2.2. Кристаллы различаются по размерам и формам.

В природе встречаются огромные кристаллы больше человеческого роста и кристаллы-лепестки тоньше бумаги, кристаллы-пласты в несколько метров толщиной и маленькие, узкие, острые, как иголки, кристаллы.

Кристаллы принимают формы геометрических фигур: кубов, призм, пирамид, параллелепипедов, стороны идеально плоские, ребра прямые.

Формы куба                  параллелепипеда                     конуса                          призмы

Но главный объединяющий их признак – правильность и симметричность их форм.

2.3. Кристаллы принимают форму правильных многогранников только при благоприятных условиях, когда ничего не мешает им при росте.

Кристаллы классифицируются на «идеальные» и «реальные». «Идеальный кристалл» - это кристалл, который образовался в условиях благоприятных для его роста, не подвергаясь внешним негативным воздействиям. «Реальный кристалл» - это кристалл, который получился в действительности.

2.4. Бывают кристаллы – «чудо природы», отличающиеся размерами, совершенной формой, красивым цветом, но самый обыкновенный булыжник или кусочек металла –

тоже кристалл, сложенный из поликристаллы. В природе чаще встречаются поликристаллы. Примерами поликристаллов являются: каменная соль,  кварц.

Все кристаллы, окружающие нас, не образовались когда-то раз и навсегда готовыми, кристаллы – растут. Если атомы кристаллов сохраняют правильную избранную форму по всему объему тела, то образуется «одиночный кристалл» - монокристалл.                       

3.   Кристаллы принимают правильную форму из-за того, что частицы, из которых они состоят (атомы, ионы, молекулы),  располагаются  в нем правильно, симметрично, закономерно. Во все стороны тянутся ровные бесконечные ряды частиц.

3.1. Эта правильная укладка частиц называется «кристаллической решеткой».             

В каждом веществе свой порядок расположения частиц. И от того, каков этот порядок, зависят свойства вещества. Одни и те же атомы, располагаясь по-разному, образуют вещества с разными свойствами, а значит – разные вещества.

Из атомов углерода состоят:

Сажа – мягкий черный порошок;

Уголь древесный или каменный;

Графит – мягкий черный непрозрачный,  - стержень карандаша, оставляющий след на бумаге;

Алмаз – самый дорогой и самый красивый и драгоценных камней.

Разница меду ними лишь в том, что атомы углерода, из которых сложены все эти вещества, расставлены разным строем. Расставлены одним строем – алмаз, перестроятся по-другому – графит. Структура кристалла определяет его форму. 

3.2. Большинство кристаллов не те прекрасные многогранники в ювелирных магазинах, а крохотные невидимые глазом зернышки. Но внутреннее строение у них такое же красивое и симметричное. Основной особенностью структуры кристалла является симметрия.

Пример кристалла – каменная соль (хлористый натрий) – обладает очень простой структурой и очень точной симметрией: ионы натрия чередуются с ионами хлора.

Изделиям из стекла можно придать форму многогранника искусственно огранкой (граненные стеклянные бусы), а кристаллы из соли сами принимают правильные формы. Они растут в форме многогранника.

Самый простой пример кристалла – это снежинка. Форма ее правильна и симметрична. Разнообразны формы снежинок, но нет ни одной пары одинаковых. Но симметрия всегда одинакова: только шесть лучей. Такова атомная структура снега.

3.3.  Причиной правильной многогранной формы кристалла является свойство кристалла – анизотропия – неодинаковость физических свойств в разных направлениях.

Слоистый кристаллический минерал слюду легко можно расщепить пальцами в одном направлении на тоненькие прозрачные листочки, но трудно разрезать даже ножом поперек, потому что прочность кристалла по разным направлениям различна. Этим свойством слюды раньше пользовались, когда не умели производить стекло. Листы слюды вставляли в окна вместо стекла. И другие физические свойства: электропроводность, упругость, твердость в разных направлениях одного и того же кристалла будут отличаться.

Рассмотрим структуру графита: между шестью атомами углерода в параллельных плоскостях расстояния меньше, чем между этими плоскостями, а значит, эти параллельные плоскости связаны друг с другом слабее, чем атомы в шестиугольнике и легко отслаиваются, оставляя след на бумаге. И другие физические свойства: электропроводность, упругость, твердость в разных направлениях одного и того же кристалла будут отличаться.

Твердость кристалла тоже зависит от направления. Поцарапать каким-нибудь острым предметом одну грань алмаза проще, чем другую и царапины получаются разные. На одной грани алмаза твердость в 13 раз больше, чем на другой. Этим свойством пользуются ювелиры, когда гранят алмазы. (На знаменитом алмазе «Шах» вырезаны имена владельцев этого алмаза.)

Анизотропна и скорость роста кристалла. Если бы скорость роста не зависела от направления,  и была бы во всех направлениях одинакова, то кристалл рос бы во все стороны одинаково и мог бы иметь форму шара. Но он вырастает многогранником.

Кристаллы неправильной формы в природе встречаются чаще, чем правильные многогранники. От действия воды, ветров, морозов многогранные кристаллы превращаются в округлые камешки, растрескиваются, рассыпаются, кристаллики мешают друг другу расти, и приобретают неправильные формы. И все-таки свойства все этих неказистых кристаллов и великолепных красавцев многогранников одинаковы, потому что свойства не зависят от формы кристалла, а от его структуры.

4. В природе, в лабораториях, на заводах кристаллы растут из расплавов, растворов, из паров, из твердых веществ.

4.1. Застывшая магма – это процесс роста кристаллов из расплавов. В массе застывающего расплава образуется сразу много кристаллических зародышей, из них образуется поликристалл: например, камень.  Если зародышу не мешают соседние кристаллы и пространство вокруг свободно, и расплав остывает не весь сразу, а в малом его участке, то возможно образование природного естественного кристалла достаточной величины - монокристалла. Очень редко все условия роста кристаллов в природе соблюдаются, поэтому и редки случаи нахождения крупных драгоценных камней. Подобные кристаллы очень дороги, находятся в музеях, они имеют имена и являются не только финансовой составляющей страны, но и ее духовным наследием.

Есть и такие кристаллы, которые ценятся дорого, а в технике  нужны. Поэтому разработаны методы выращивания кристаллов с помощью «затравок». Затравкой называется любой обломок кристалла, который предназначен для выращивания его до более крупных размеров. Готовят расплав, остужают его до комнатной температуры, «заражают» расплав какой-нибудь затравкой и в расплаве начинается кристаллизация. Так выплавляют металлы из руды в заводской печи. Чем медленнее растет кристалл, тем более совершенным и однородным он вырастает. Монокристаллы прочнее, т.к. в поликристаллах разрушение идет по границе между кристалликами, из которых он состоит.

4.2. Кристаллы образуются из растворов: из перенасыщенного раствора путем его охлаждения и из насыщенного раствора путем его испарения.

Количество вещества, которое может раствориться в 100 граммах воды, называют растворимостью этого вещества в воде. Если помещать вещество и дальше, то оно перестанет растворяться и будет оседать на дно. Растворимость веществ зависит от температуры. В горячей воде растворимость веществ повышается.

Нагревая раствор, и растворяя в нем, например, сахар, количество которого окажется больше, чем, если бы вода была комнатной температуры, мы получаем пересыщенный раствор. Охлаждаясь, то лишнее количество сахара, которое мы растворили, нагревая раствор, выкристаллизовывается  из раствора.

4.3. Перенасыщенные растворы могут образовываться из  растворов, если некоторое количество воды испариться, а растворенное вещество останется. Через некоторое время насыщенный раствор будет перенасыщенным, и из него будут выделяться кристаллы.

4.4. Причина образования кристаллов – переохлаждение жидкостей. Пример этому – образование инея на воротнике от теплого воздуха, выдыхаемого человеком. Пар кристаллизуется от очень сильного мороза и выпадает белым инеем. Облака на небе – это скопление таких ледяных кристалликов, т.е. капель воды, образовавшихся из паров воды, перемещающихся с земли. Когда кристаллики замерзшей воды в облаках вырастают, они становятся тяжелее, и они падают на землю: идет снег.

5.   Я решила вырастить кристаллы соли и сахара.

5.1. В неостывший пересыщенный раствор необходимо поместить симметричную фигурку, сделанную из прутиков или из пластмассы. Фигурку ниткой закрепила на карандаше, который поперек поместила на банку. Раствор охлаждался медленно, при комнатной температуре. Уже на следующий день на фигурке я обнаружила выпавшие кристаллы соли, которых с каждым днем было все больше. И вот они уже редким слоем покрыли всю фигурку, которая находилась в растворе. Но следующие несколько дней меня разочаровали: кристаллы перестали расти, или росли так медленно, что я не замечала их роста. И я решила приготовить новый пересыщенный раствор: ведь кристалл растет только из близлежащих участков пересыщенного раствора. Вырастая, кристалл «высасывает» все лишнее вещество вокруг себя, потому он оказывается просто насыщенным. Я решила не перемешивать раствор, чтобы не повредить кристалл, а осторожно поместила кристалл в новый пересыщенный раствор. Банку я не закрывала, чтобы раствор еще и испарялся. Результат был заметен через несколько дней: кристалл заметно вырос. Весь процесс выращивания кристаллов из раствора соли занял 1 месяц, в течение которого я еще несколько раз готовила новые растворы. Лишняя соль выделялась на каркас, так, что его не стало видно, а лишь красивые белые звезды стали результатом моего эксперимента.

              5.2. Мне понравилось выращивать кристаллы, и я решила вырастить кристалл из сахара. Необходимо в 200 мл горячей воды растворить 5 ложек сахара до полного растворения. Деревянную палочку я поместила в сироп, затем посыпала сахарным песком так, чтобы песок прилип к палочке как можно равномернее, и оставила подсыхать. На следующий день я нагрела этот же раствор, чтобы выпавшие за ночь кристаллы сахара снова растворились, а слегка теплый раствор слабо подсинила чернилами, закрепила палочку в листе бумаги и поместила заготовку в раствор, чтобы лист бумаги являлся крышкой для банки и держал заготовку, не давая ей коснуться дна. Банку с заготовкой поставила в такое место, чтобы раствор не беспокоить и оставила на две недели при комнатной температуре. Через две недели вырос вот такой кристалл сахара.  

6.    Кристаллы в природе

6.1. В природе соль кристаллизуется из соляных озер. В Астраханской области озеро Баскунчак является источником каменной соли. Летом вода озера быстро испаряется, из нее начинают выпадать кристаллы соли, которые плавают на поверхности, оседают на дне, на твердых предметах, попавших в озеро.

Залив Каспийского моря Кара-Богаз-Гол является гигантской природной фабрикой кристаллов. В его водах растворены соли, содержащие бром, калий, натрий, магний. Главной из них является глауберова соль – сырье для стекольного производства, получения каустической соды.

Высыхают соляные источники, отложившаяся на их дне соль образует залежи «ископаемой»  соли. В песчаных пустынях встречаются горные хребты, на склонах которых ни одной травинки, ни одного кустика.

В Африканской пустыне Сахара нашли развалины древнего города, дома которого построены из глыб каменной соли. Кроме песка и соли в пустыне ничего нет, из песка дом не построишь, а дождей в Сахаре не бывает,  пришлось строить дома из  кристаллов соли. В других областях Африки, наоборот каменной соли так мало, что кристаллические брусочки каменной соли до наших дней употреблялись вместо денег.

Человек научился образовывать облака. В облако забрасывают с самолета или выстреливают с земли из пушки пылинки вещества, похожего структурой со структурой льда, начинают быстро расти кристаллы, становятся тяжелыми, падают на землю снежинками или каплями дождя. Так человек борется с лесными пожарами или освобождает от туманов аэродромы, вызывая дождь.

6.2. Многие кристаллы обладают достойными физическими качествами.

Кварц  прозрачен не только для видимого света, но и для невидимого ультрафиолетового. Поэтому из прозрачного кварца делают линзы, призмы и другие детали оптических приборов. Кварц обладает электрическими свойствами. При механическом воздействии на кристалл на его гранях возникает электрические заряды. Это пьезоэлектрический эффект в кристалле.  «Пьезо» в переводе с греческого – электричество, возникшее от давления. В первом эхолоте – приборе для измерения глубины моря используют этот эффект горного хрусталя (кварца), из которого были сделаны детали эхолота. Пьезоэлектрические пластинки из кристаллов обеспечивают работу радиостанций, измеряют давление крови в кровеносных сосудах человека, давление в момент взрыва бомбы, шумы в сердце человека, позволяют выслушивать автомобильный мотор. Пьезоэлектрические кристаллы широко применяют для воспроизведения, записи и передачи звука.

Широкое применение в технике находит алмаз. Несмотря на свою твердость, алмаз очень хрупкий, его легко можно разбить при ударе молотком. А вот распилить, отшлифовать, огранить или просто поцарапать  - очень трудно. Алмазными пилами распиливают камни: стальной диск, на краях которых сделаны надрезы, в которые втирают мелкий порошок алмазов, смешанный с клейким веществом.

В заводских установках вырастают кристаллы до 4-5 пудов весом.

Монокристаллы алюминия, цинка, свинца, железа применяют в атомной технике, в авиации целая деталь является монокристаллом, эта деталь по времени служит дольше в 6 раз, чем аналогичная из поликристалла.          

7. Заключение.

 Если красивое слово «кристалл», связанное с чем-то редким и драгоценным вам стало понятнее поле прочтения моей работы, если у вас возник интерес к свойствам кристаллов и вы стали замечать кристаллы в повседневной жизни, то задача моей работы выполнена.

Используемая литература:

1. Учебник по химии общеобразовательной средней школы ФГОС для 8 класса под ред. Габриелян О.С.

2. Шаскольская М.П. Кристаллы Москва, «Наука», 1978

3. Китайгородский А.И. Кристаллы, Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1950

4. Милашев В.А. Алмаз. Легенды и действительность, Ленинград «Недра», 1981, 160 стр.

5. интернет-ресурс