Научно-исследовательский проект по химии "Удивительный мир кристаллов: совершенство изнутри"

Юго-Западное управление министерства образования и науки Самарской области

ОКРУЖНАЯ НАУЧНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ УЧАЩИХСЯ

СЕКЦИЯ «Химия»

Удивительный мир кристаллов:

 совершенство изнутри

Автор: Дубошина Елена

учащаяся 8 «Б» класса

ГБОУ СОШ с. Хворостянка

м.р. Хворостянский

Самарской области

Научный руководитель: Рязкова Наталья Александровна,

                                           учитель химии, I категории

г. Чапаевск, 2013 г.

Содержание:

1. Введение                                                                                            3 стр.
2. Глава 1. Общая информация о кристаллах                                    

           1.1. Кристаллическое и аморфное состояние твердого вещества                 5 стр.

             1.2. Форма кристаллов                                                                                       6 стр.

             1.3. Природные кристаллы                                                                                7 стр.

             1.4. Искусственные кристаллы                                                                         8 стр.  

3.       Глава 2. Образование кристаллов    

             2.1. Кристаллизация                                                                                             8 стр.    

             2.2. Методы выращивания кристаллов                                                              9  стр.

             2.3. Способы кристаллизации                                                                            10 стр.

4.       Глава 3. Исследовательская деятельность

              3.1. Получение кристаллов солей из насыщенных растворов

                   за счет изменения  температуры раствора                                                  11 стр.

              3.2. Получение кристаллов солей из насыщенных растворов методом

                  выпаривания (изотермическая кристаллизация)                                         13 стр.

              3.3. Получение кристаллов в результате  химической реакции                    16 стр.

5.       Глава 4. Влияние примесей на форму кристалла

            4.1. Хлорид натрия и глюкоза                                                                           19 стр.

             4.2. Хлорид натрия и желтая кровяная соль                                                     20 стр.

6.        Заключение                                                                                        20 стр.

7.        Список                                                                                                21 стр.

8.         Приложения                                                                                      22 стр.   

Введение.

Всякий кристалл, как и всё существующее в природе, претерпевает со временем ряд изменений, составляющих то, что условно называют «жизнью».

                         А.В. Шубников

     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 огранения 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, я решила восполнить пробел и изучить этот вопрос более подробно.

Гипотеза исследования:

    Читая дополнительную литературу, я узнала, что кристаллы могут появляться при использовании разных способов выращивания и при создании определенных для них условий. Значит, если изменять условия кристаллизации и растворять различные вещества, то можно получать кристаллы разной формы и цвета?

    Это я и решила проверить опытным путем. Поэтому, цель моей работы: изучение методики получения кристаллов и их исследование в лабораторных условиях.

Задачи:

0. изучить материал  о процессе кристаллизации, о способах и методах получения кристаллов, их форме, видах, свойствах и областях применения;
1. апробировать опытно-экспериментальным путем способы получения кристаллов
2. из растворов;
3. исследовать  форму полученных кристаллов;
4. исследовать влияние примесей на форму кристаллов.

Объект исследования: кристаллы веществ

Предмет исследования: процесс кристаллизации

Методы исследования:

•        эксперимент;

•        наблюдение;

•        анализ;

•        сравнение;

•        обобщение;

•        изучение специальной литературы;

•        работа с Интернет источниками.

Новизна работы состоит в том, что та позволила почувствовать себя в роли экспериментатора и самостоятельно получить образцы кристаллов.

      Эксперимент по выращиванию кристаллов различными способами я проводила в течение пяти месяцев. За это время хорошо освоила способы приготовления растворов, приемы фильтрования, выпаривания, научилась несколько операций выполнять одновременно. Все опыты проводились в школьной химической лаборатории. В работе использованы снимки, сделанные школьным цифровым микроскопом и фотоаппаратом.

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

    Данная работа может быть полезной для других. Здесь можно взять идеи по использованию самостоятельно выращенных кристаллов, продолжить изучение кристаллов при их нарастании и найти причины нетипичного поведения некоторых из них

     Прежде чем провести свои практические исследования, я должна  узнать, что такое процесс кристаллизации, какие при этом кристаллы образуются и как влияют различные условия на процесс образования кристаллов. Поэтому я обратилась к теоретическим источникам в этой области. Для этого я использовала научно-методическую литературу и Интернет.

Глава 1. ОБЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О КРИСТАЛЛАХ

1.1. Кристаллическое и аморфное состояние твердого вещества

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

   Кристаллы – твердые тела, атомы, ионы или молекулы которых образуют упорядоченную периодическую структуру (кристаллическую решетку). Причем 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, будто чувствуя друг друга, располагаются параллельно.

При этом между ними находятся миллиарды других атомов, так же четко взаимно расположенных. 3

     Если весь кусок 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. Грани кварца имеют форму неправильных шестиугольников, но углы между гранями всегда одни и те же – 120°.

    Закон постоянства углов, открытый в 1669 г. датчанином Николаем Стено, является

важнейшим законом науки о кристаллах — кристаллографии 5.

   Второй вид твердого состояния – аморфное состояние. Ам́орфные веществ́а не имеют упорядоченной структуры и в отличие от кристаллов не расщепляются с образованием кристаллических граней; как правило они изотропны, то есть не обнаруживают различных свойств в разных направлениях, 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, одинаковы

ми по всем направлениям. Аморфное состояние - неустойчивое состояние твердых тел, которые  стремятся со временем перейти в кристаллическую форму, хотя этот процесс может протекать достаточно долго.

1.2. Форма кристаллов

    Приглядевшись к кристаллам внимательнее, можно увидеть еще одну характерную для них особенность: кристаллы разных веществ отличаются друг от друга своими формами. Кубики кристаллов каменной соли не спутаешь с игольчатыми кристаллами азотнокислого калия. Однако формы кристаллов различных веществ могут быть очень похожими. А главное не в этом. Ведь не всегда кристалл вырастает многогранником - это удается ему лишь при благоприятных условиях, когда ничто не мешает ему при росте. Каков же самый характерный, самый основной признак кристалла? Ответ такой.  Самой характерной особенностью кристалла – является  его атомная структура, правильное симметричное, закономерное расположение атомов.

      Некоторые кристаллы имеют довольно простую форму, но их комбинации могут создавать очень сложные многогранники. 4 Атомы 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 макроорганизации кристаллических тел. Причем на форму монокристалла влияет не только форма элементарной атомной ячейки, но и те условия, в которых происходит рост кристалла.

1.3. Природные кристаллы

     Как же растут кристаллы в природе? Например, при застывании 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. Впрочем, величина кристалликов зависит еще и от многих других причин.

     Самый известный кристалл в природе – это кристалл поваренной соли. Свыше пятисот лет назад древнерусские солевары научились извлекать соль из соляных источников. Вода в соленых 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. Эти кристаллы плавают на поверхности озера и оседают на дне, на прибрежных камнях, на досках, на любом твердом предмете, попавшем в озеро. Даже рука, опущенная на несколько минут в озеро, покрывается тонким слоем соли. Сила кристаллизации соляных пластов столь велика, что, расширяясь, они выдавливаются из земли, становясь на ребро.

    Обыкновенная столовая соль, хлористый натрий, без которого человек не может обойтись, представляет собой очень мелкие кристаллики, в земле же соль встречается иногда в виде очень больших кристаллов - так называемой каменной соли.

    Особенно интересна кристаллизация подземных вод в пещерах. Капля за каплей просачиваются воды и падают со сводов пещеры вниз. Каждая капля при этом 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.

1.4. Искусственные кристаллы

     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. Электроника использует особо чистый кристаллический кремний, сапфир, рубин

и кварц, машиностроение — искусственные алмазы, корунд, рубин, нитевидный углерод. 3

Особый класс материалов составляют так называемые жидкие кристаллы. Эти уникальные вещества, сочетающие 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.

Глава 2. ОБРАЗОВАНИЕ КРИСТАЛЛОВ

2.1. Кристаллизация

КРИСТАЛЛИЗА́ЦИЯ - процесс образования кристаллов из паров, растворов, расплавов, из вещества 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. 6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, карандашные структуры и т. д.). В процессе кристаллизации неизбежно возникают различные дефекты.

2.2. Методы выращивания кристаллов 

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

Выращивание монокристаллов из расплава

Наиболее распространенные способы выращивания монокристаллов. В настоящее

время более половины технически важных кристаллов выращивают из расплава. Этими

методами выращивают элементарные полупроводники и металлы, оксиды, галогениды и другие вещества. В ряде случаев из расплава выращиваются монокристаллы, в состав которых входит пять и более компонентов. Веществами, наиболее подходящими для выращивания из расплава, являются те, которые плавятся без разложения, не имеют полиморфных переходов и характеризуются низкой химической активностью.

Кристаллизация из паровой (газовой) фазы

Широко используется для выращивания как массивных кристаллов, так и эпитакси-

альных пленок, тонких (поликристаллических или аморфных) покрытий, нитевидных и

пластинчатых кристаллов. В методах выращивания, основанных на физической конденса-

ции кристаллизуемого вещества, вещество поступает к растущему кристаллу в виде соб-

ственного пара, состоящего из молекул их ассоциаций — димеров, тримеров и т.д.

Кристаллизация из растворов

      Под кристаллизацией из растворов подразумевается рост кристалла соединения, химический состав которого заметно отличается от химического состава исходной жидкой фазы.

    Кристаллизацию из растворов применяют при выращивании веществ, разлагающихся

при температурах ниже температуры плавления или имеющих несколько полиморфных

модификаций.  Рост кристаллов осуществляется при температурах ниже температуры

плавления, поэтому в выращенных такими методами кристаллах отсутствуют дефекты,

характерные для кристаллов, выращенных из расплава.

     При выращивании кристаллов из низкотемпературных водных растворов проводят

кристаллизацию путем изменения температуры раствора, пересыщение создается за счет

снижения температуры в зоне растущего кристалла.

      Кристаллизация при химической реакции основана на выделении твердых продуктов в

процессе взаимодействия растворенных компонентов. Такой способ кристаллизации воз-

можен лишь в том случае, если растворимость получаемого кристалла будет ниже раство-

римости исходных компонентов. Обычно химические реакции в растворе протекают с

достаточно большой скоростью, создаются высокие пересыщения и происходит массовое

выделение мелких кристаллов. Ограничение скорости достигается либо использованием

слабо растворенных исходных продуктов, либо регулированием скорости поступления

веществ в зону реакции.

2.3.Способы кристаллизации

   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. Этот способ также получил название политермической или изогидрической кристаллизации, поскольку при его осуществлении количество растворителя (например, воды) остается постоянным.

   Перевод исходного раствора, в пересыщенное состояние можно осуществить и за счет частичного удаления растворителя при выпаривании раствора. Такой способ получил название изотермической кристаллизации, так как выпаривание насыщенного раствора происходит при постоянной температуре его кипения.7

      Выбор того или иного метода кристаллизации зависит, в первую очередь, от характера изменения растворимости вещества при различной температуре. Для солей, растворимость которых резко уменьшается с понижением температуры, целесообразной является изогидрическая кристаллизация. В этом случае даже при сравнительно небольшом охлаждении раствора из него будет выделяться значительное количество соли. Именно изогидрической кристаллизацией получают большинство солей с резко выраженной прямой растворимостью (NaNO3, К2Сr2О7, NH4C1, CuS04-5H20 и др.). В тех случаях, когда растворимость соли почти не меняется при изменении температуры, кристаллизация охлаждением становится неэффективной и применяется изотермическая кристаллизация. Кривая растворимости, например NaCl, показывает, что при охлаждении насыщенного раствора из него выпадает лишь очень небольшое количество соли, поэтому кристаллизация NaCI проводится всегда выпариванием. (Приложение №1)

       Изотермическая кристаллизация применяется также для солей с обратной растворимостью, например для Na2S04, растворимость которого, начиная с 32,4° С, уменьшается с повышением температуры. Для кристаллизации солей с резко выраженной обратной растворимостью иногда используют просто нагревание раствора до высоких температур. Так, например, получают безводный кристаллический сульфит натрия Nа2S0з и сульфат марганца MnS04.

    При добавлении к раствору вещества, понижающего растворимость выделяемой соли, можно вызвать пересыщение раствора и кристаллизацию. Подобный метод кристаллизации получил название высаливания. 7

      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; получение безводного сульфата натрия добавлением к его растворам NaCI; высаливание поваренной солью хлористого бария из гидросульфидных щелоков и др.

Высаливающее вещество лучше вводить в раствор в виде насыщенного раствора, так как при добавлении твердого высаливателя на нем может осаждаться кристаллизующаяся соль, что вызовет замедление или даже прекращение растворения осадителя. В некоторых случаях для выделения соли к раствору добавляют вещества, понижающие растворимость кристаллизуемой соли. Так, для высаливания сульфата натрия из водного раствора можно использовать аммиак, метиловый или этиловый спирты и др. Аналогично кристаллизуют железный купорос из травильных растворов при добавлении ацетона.

     Кристаллизация в результате химической реакции, в том числе в результате химического осаждения. Пересыщение можно создать за счет проведения химических реакций. Образующееся в результате вещество выделяется в виде кристаллической фазы из раствора. 7

Глава 3. ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ

3.1. Получение кристаллов солей из насыщенных растворов за счет изменения

температуры раствора

    Изучив методику получения кристаллов я поняла, что, наиболее самым доступным методом в лабораторных условиях является кристаллизация из насыщенных растворов солей путем их охлаждения (изогидрическая или политермическая кристаллизация).

    Какую соль лучше взять? И как вырастить кристалл правильной формы? Чтобы ответить на эти вопросы я изучила таблицы растворимости различных солей в 100 граммах воды при различной температуре (Приложение №1) и выбрала соли, которые возьму для приготовления  растворов. Затем  изучила методику приготовления насыщенного раствора (Приложение№2) и в течение 2-х недель наблюдала  за ростом кристаллов при охлаждении растворов. Результаты проделанной работы я зафиксировала в таблице.

Таблица  

      Благодаря данному эксперименту я анализирую и делаю заключение, что самая высокая скорость роста игольчатых  кристаллов у азотнокислого калия. Небольшие кристаллики медного купороса и алюмокалиевых квасцов мы обнаружили уже на вторые сутки, чуть меньше размером были кристаллы дихромата калия. Кристаллы поваренной соли образовались, но очень маленьких размеров(Приложение №3).

Вывод:  Скорость выращивания кристаллов  зависит от количества соли в растворе. Раствор, в котором выращивают кристаллы, должен быть насыщенным.

     При быстром охлаждении центров кристаллизации возникает много сам процесс идёт активнее. Правильных кристаллов при этом  получилось очень мало, ведь множество быстро растущих кристалликов мешают друг другу. Чтобы получить кристалл правильной формы я вновь приготовила насыщенный раствор медного купороса и провела эксперимент, используя другой способ – постепенным удалением воды из насыщенного раствора. И в этом случае, чем медленнее удаляется вода, тем лучше получится кристалл.

 Я оставила открытый сосуд с раствором при комнатной температуре еще на 2 недели. Вода при этом  испарялась медленно,  сверху я положила лист бумаги, который  защитил раствор от пыли. Растущий кристалл я подвесила в насыщенном растворе на тонкой прочной нитке. По мере испарения воды в сосуд я  подливала свежий раствор. В итоге у меня получился замечательный кристалл правильной формы.

Выращивание кристаллов – процесс интересный, занимательный, но требующий бережного и осторожного отношения к своей работе.

3.2. Получение кристаллов солей из насыщенных растворов методом выпаривания (изотермическая кристаллизация)

Этим методом выпаривания мною были получены и исследованы с помощью цифрового микроскопа кристаллы поваренной соли NaCl, медного купороса CuSO4·5H2O, дихромата калия К2Сr2O7, хлорида меди (II) CuCl2·2H2O, перманганата калия KМnO4. 

Для приготовления препарата кристаллов я использовала следующую методику:

1) Готовим в химическом стаканчике при нагревании насыщенный раствор исследуемой соли.

2) Тщательно очищаем предметное стекло от пыли и отпечатков пальцев.

3) Наносим на предметное стекло пипеткой раствор соли и немного нагреваем  в пламени спиртовки до  появления первых кристаллов.

Рассматривая препараты, я наблюдала процесс роста кристаллов, изучали форму

кристаллов солей под разным увеличением с помощью микроскопа и осуществляла фотосъёмку. Вот результаты эксперимента:

1)Поваренная соль NaCl

Бесцветные кристаллы поваренной соли имеют форму куба (рис.1). Многие кристаллы имеют внутри полости, заполненные раствором, из которого соль выкристаллизовалась (рис.2). Чем крупнее кристаллы, тем больше в них жидкости (рис.3). Поэтому даже совершенно сухая с виду поваренная соль, особенно крупная, трещит и «разбрызгивается», если её бросить на

горячую сковороду: вскипающая вода «взрывает» кристаллы. Одновременно с кубическими кристаллами мы обнаружили кристаллы, имеющие форму пирамид.(Рис.4)

Рис.1                                                                            Рис.2    

Рис.3                                                                      Рис.4

2)Медный купорос CuSO4·5H2O

Медный купорос образует прекрасно оформленные кристаллы в форме косых па-

раллелепипедов красивого ярко-синего цвета (рис 5). Мы наблюдали также сростки кристаллов

медного купороса – друзы (рис 6).

Рис. 5                                                                          Рис.6

3)Дихромата калия К2Сr2O7

Кристаллы дихромата калия  имеют форму ромба или вытянутых призм с ярко оранжевой окраской.(рис 7,8)

Рис.7                                                                              Рис.8

4)Хлорид меди (II) CuCl2·2H2O

Кристаллы хлорида меди (II) имеют красивую игольчатую форму, напоминающую

траву или хвою (рис 9). Кристаллы растут пучками: из одной точки растет сразу множество кристаллов (рис10).

Рис. 9                                                                         Рис. 10

5)Перманганат калия KМnO4

Кристаллы обычной марганцовки тоже имеют игольчатую форму (рис.11). Но в отличие от

кристаллов хлорида меди (II) они одиночные (рис.12).

Рис.11                                                                             Рис.12

3.3. Получение кристаллов в результате  химической реакции

  1) Кристаллы малорастворимых веществ можно получить в результате реакций обмена. Наблюдение под микроскопом формы кристаллов веществ, образующихся при реакциях, позволяет обычно быстро и уверенно сделать заключение о присутствии тех или иных

ионов в анализируемом растворе.

Для приготовления препарата кристаллов использовали следующую методику:

1) наносим на предметное стекло по одной капле реагентов;

2) помещаем предметное стекло под микроскоп;

3) соединяем капли с помощью стеклянной палочки.

1)Кристаллы гипса CaSO4·2H2O

Одну каплю свежеприготовленного раствора хлорида кальция я поместила на предметное стекло. Рядом поместила одну каплю раствора H2SO4 (1:4). Соединила стеклянной палочкой обе капли. Рассмотрела приготовленный препарат под микроскопом: кристаллы гипса образовали красивые пучки игл. Эта реакция используется для обнаружения в растворе ионов кальция Ca2+.

     Рис 12                                                                      Рис. 13           

2)Кристаллы фосфата магния-аммония MgNH4PO4·6H2O

Поместила 1 каплю раствора хлорида магния MgCl2 на предметное стекло. К ней

прибавила 1 каплю раствора хлорида аммония NH4Cl, затем 1 каплю концентрированного

(25%) раствора аммиака и 1 каплю раствора гидрофосфата натрия Na2HPO4. Рассмотрела

приготовленный препарат под микроскопом.

Кристаллы образовавшегося фосфата магния-аммония, срастаясь между собой

приобрели причудливую форму, похожую на

Рис. 14                                                                  листья папоротника.

2) Для получения сверхчистых монокристаллов простых веществ используют метод иодного рафинирования. В основу образования кристаллов меди положены процессы гидролиза, реакций обмена и замещения.

Кристаллы простого вещества – меди.

     В чистый стакан  насыпала медный купорос очень тонким слоем, чтобы он покрыл дно и утрамбовывала. Сверху насыпала хлорид натрия, он должен превышать количество медного купороса в 3-5 раз (чем больше, тем лучше). Слой также утрамбовала. Поверх слоёв уложила круг из фильтровальной бумаги так, чтобы он вплотную прикасался к стенкам стакана. На фильтр высыпала железные предметы (кнопки). Теперь удерживая фильтр стеклянной палочкой, налила медленно и тоненькой струйкой концентрированный раствор хлорида натрия. Раствор не должен перевернуть фильтр или перемешать слои! Чтобы все слои хорошо пропитались и воздух вышел, аккуратно вдоль стенки опустила тонкую упругую проволоку, давая лишний канал раствору до дна. Стакан закрыла фильтровальной бумагой и оставила стоять при комнатной температуре.

Спустя пару суток (а иногда это видно в первые минуты) слои солей окрасился в зелёный цвет, это, очевидно, связано с образованием в слоях хлорида меди (II) CuCl2. После того, как “зелень” дойдёт до фильтра, начнут появляться в слое хлорида натрия розовые нити-дендриты (не сформировавшиеся кристаллы) меди, которые иногда приобретают удивительный вид папоротниковых и еловых веточек.  

Если дать им разрастись, то вскоре мы получим обещанные ярко-розовые кристаллы меди, имеющие вид призм и октаэдров (рис.15, 16). 11

Рис.15                                                                          Рис. 16

Глава 4. ВЛИЯНИЕ ПРИМЕСЕЙ НА ФОРМУ КРИСТАЛЛА

     Для многих веществ форма кристаллов зависит от того, в каких условиях эти кристаллы были получены. Например, давно известно, что некоторые примеси могут изменить форму кристаллов хлорида натрия. Мы исследовали форму кристаллов поваренной

соли, содержащей примеси глюкозы и желтой кровяной соли.

      Почему хлорид натрия в присутствии небольшого количества примесей изменяет свою излюбленную кубическую форму? В кубическом кристалле все грани растут с одинаковой скоростью. Но некоторые вещества образуют с хлоридом натрия непрочные соединения, которые изменяют условия роста кристаллов. Поэтому получается необычная для данного вещества кристаллическая форма.

4.1. Хлорид натрия и глюкоза

  Я смешала в 30 г воды хлорид натрия с небольшим количеством глюкозы. Приготовила насыщенный раствор и рассмотрела его под микроскопом. Из раствора, содержащего хлорид натрия и глюкозу, наряду с кубическими кристаллами, выпадают красивые кристаллы в форме пирамид. (рис. 17,18). 

4.2. Хлорид натрия и желтая кровяная соль

Чтобы изучить влияние желтой кровяной соли на хлорид натрия, я свернула прямоугольный кусочек фильтровальной бумаги в цилиндр диаметром

2-3 см и высотой 5-6 см. В чашку Петри насыпала хлорид натрия (почти доверху), добавила немного желтой кровяной соли K4[Fe(CN)6] (четверть чайной ложки), перемешала и долила дистиллированной воды, чтобы она хорошо смочила соль. Поставила бумажный цилиндр вертикально в чашку Петри. С поверхности бумаги раствор постепенно испарялся, а на его место из чашки поднимались свежие порции (за счет капиллярного эффекта). По мере испарения раствора добавила в чашку воду. Постепенно на поверхности бумаги начали расти кристаллы соли, которые приняли форму веточек. Через два дня бумажный цилиндр стал похож на белый коралл! К сожалению, такая конструкция очень не прочная – от слабого сотрясения она осыпается. Таким образом, добавка желтой кровяной  соли благоприятствует формированию волокнистых кристаллов хлорида натрия. Без нее поваренная соль просто образует корку на поверхности бумаги.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

      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).

Атомы могут выстраиваться в достаточно причудливые структуры, напоминающие

тетраэдры, параллелепипеды, октаэдры и прочие геометрические фигуры. Мир ристалл-

лов удивительно разнообразен и красив.

         Процесс кристаллизации осуществляется тремя методами: из расплава, из растворов, из газа.  Самым доступным методом получения кристаллов и наиболее пригодным для исследования кристаллов под микроскопом является кристаллизация из растворов. При выращивании кристаллов из растворов движущей силой процесса является пересыщение.

Кристаллизацию из растворов можно осуществлять за счет изменения температуры

раствора, за счет изменения состава раствора, а также использовать кристаллизацию при

химической реакции. Все три способа кристаллизации из растворов можно использовать

для получения микропрепаратов кристаллов. Кристаллы солей, полученные репрессией ионизации, имеют более совершенную форму, чем при получении из насыщенного раствора.

На форму монокристалла влияет не только форма элементарной атомной ячейки,

но и те условия, в которых происходит рост кристалла. Особенно сильно меняется форма

кристаллов под влиянием примесей, находящихся в исследуемом растворе.

Все проделанные нами опыты просты в исполнении, результативны и не требуют

больших затрат времени. Использование цифрового микроскопа при изучении кристаллов

позволило мне не только наблюдать объекты исследования, но и изучать их в динамике, а

также сохранять фотоизображения в цифровом формате.

    Эта тема нам была очень интересна. Мир кристаллов оказался удивителен и разнообразен. В результате у меня возникли и другие вопросы, которые требуют дальнейшего более глубокого изучения. Поэтому я планирую и дальше заниматься изучением данной темы.

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. Журнал «Вокруг света» статья «Феномен: Кристаллические премудрости», №3 2004 год

4. Журнал «Наука и жизнь» статья «Из чего все состоит» М. Каганова, №10, 2003 г.

5. Попов Г. М., Шафрановский И. И., Кристаллография, 5 изд., М., 1972.г.

6. Большая Советская энциклопедия, издательство «Советская энциклопедия» , 1990 г.

7. Матусевич Л.Н. Кристаллизация из растворов в химической промышленности. М. Химия.1968.

8. Шаскольская М. П.; «Кристаллы», М.: Наука, 1985 г.;

9. Шаскольская М. П.; «Очерки о свойствах кристаллов», М.: Наука, 1978 г.;

10. Журнал Химиков-Энтузиастов «Химия и Химики»  № 7 2010  

         http://chemistry-chemists.com/Video1/Crystals-b.html

11. Журнале «Химия и жизнь» №3 1972 статья «Вырастим кристаллы меди»

         http://himiklab.org.ua/cryst_cu.shtml

Приложение №1

Приложение №2

Методика приготовления маточного раствора.

Помните!

Для выращивания кристаллов используют только свежеприготовленные растворы!!! 

Для приготовления маточного раствора требуется чистый, хорошо вымытый термостойкий стакан на 1л. В него наливают горячую кипячёную воду или, что лучше, дистиллированную 700-800 мл. В стакан засыпают вещество небольшими порциями (1 порция = 1 столовая ложка без горки), каждый раз перемешивая и добиваясь полного растворения. Когда раствор “насытится” – вещество будет оставаться на дне, – добавляют ещё две порции и оставляют раствор при комнатной температуре на сутки. Чтобы в раствор не попала пыль, его накрывают листом фильтровальной бумаги и оставляют в той части помещения, где сохраняется постоянная температура, где в дальнейшем вы будете продолжать опыт. Если проходит отопительный сезон, то можно оставить стакан и около батареи, но помните, что растворимость у вещества теперь будет другая. И стоит измениться температуре, как возникнет быстрая избыточная кристаллизация.

Помните: чтобы кристаллы росли как можно правильно, а у бесцветного вещества они были прозрачными, кристаллизация должна идти медленно, иначе кристалл мутнеет!!!

Примечание: В том случае, если обнаружены примеси, раствор подогревают на 200C (поставьте стакан с раствором в таз с тёплой водой на 1-2 часа) и фильтруют на воронке, внутрь которой помещают фильтр или (что быстрее и лучше) кусочек ваты, затем повторяют охлаждение до комнатной температуры. Этот раствор будет необходим нам в большом количестве, поэтому вы должны иметь посуду для его хранения и по необходимости готовить дополнительно. Хранить его можно в колбе с притёртой пробкой, на дне должны оставаться кристаллы.

Приложение №3

Фотоматериалы «Получение кристаллов солей из насыщенных растворов

за счет изменения температуры раствора»

   1. Приготовление насыщенных растворов

2. Наблюдения за ростом кристаллов

3. Коллекция кристаллов:

Азотнокислого калия                                                  Хлорида меди

Алюмокалиевых квасцов                                              Дихромата калия