Выращивание кристаллов в домашних условиях.

СЕКЦИЯ «Физика»

«Выращивание кристаллов

в домашних условиях»

Автор: Сахапов Илья

учащийся 7 «А» класса,

 МОУ «Лицей № 3

 им. П.А. Столыпина    

 г. Ртищево Саратовская область»

                                                              Руководитель: Шиляпова Елена Владимировна,

учитель физики

г.  Ртищево, 2012 г.

Содержание:

1. Введение (обоснование темы, цели и задачи исследования).
2. Основная часть.
3. Заключение, вывод.
4. Приложение.
5. Список используемой литературы.

1. ВВЕДЕНИЕ

Значимость работы.

Процесс выращивания кристаллов в домашних условиях это очень интересное и увлекательное занятие, позволяющее сознательно отнестись к закономерностям природы. Работа по выращиванию кристаллов сделала меня более наблюдательным, расширила мой кругозор, приобщила к науке, позволила удивляться. Переживание “чуда” выращивания принесло мне много положительных эмоций и ярких   впечатлений. Исследовательская работа приоткрыла мне дверь в загадочную страну кристаллов и минералов.

Актуальность выбранной темы.

Окружающий нас мир состоит из кристаллов, можно сказать, что мы живем в мире кристаллов. Жилые здания и промышленные сооружения, самолеты и ракеты, теплоходы и тепловозы, горные породы и минералы слагаются из кристаллов. Мы едим кристаллы, лечимся ими и частично состоим из кристаллов.

Кристаллы это вещества, в которых мельчайшие частицы “упакованы” в определенном порядке. В результате при росте кристаллов на их поверхности самопроизвольно возникают плоские грани, а сами кристаллы принимают разнообразную геометрическую форму. Интересно происхождение слова “крис-талл”. Много веков назад  в снегах Альп на территории современной Швейцарии нашли очень красивые бесцветные кристаллы, напоминающие чистый лед. Древние натуралисты так их и назвали – “кристаллос”, по-гречески лед. Полагали, что лед, находясь длительное время в горах, на сильном морозе, окаменевает и теряет способность таять. Аристотель писал, что “кристаллос рождается  из воды, когда она полностью утрачивает теплоту”. Еще в средних веках этот термин “кристалл” применялся исключительно к кварцу. Вместе с тем большая часть  природных минералов обладает кристаллическим строением. Первые минералоги интересовались  прежде всего, именно формой кристаллов, разнообразие которой поражает. Знаменитый русский кристаллограф Е.С.Федоров который теоретически вывел законы построения кристаллов, говорил: “Кристаллы блещут симметрией”.

Кристаллы действительно так хороши собой, что ими можно любоваться часами.

Многие ученые, внесшие большой вклад в развитие химии и минералогии, начинали свои первые опыты с выращивания кристаллов, пытаясь понять, как они образуются.

И я решил начать свою исследовательскую работу поставив цель: получить кристаллы различных веществ в домашних условиях.

Цель:    Вырастить кристаллы из насыщенных растворов соли и сахара

                и убедиться на опыте в том, что кристаллы данных веществ

                имеют правильную форму.

2. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ:

§ 1. Рост кристаллов.

Чтобы начался рост кристалла, необходимо, прежде всего, возникновение центра кристаллизации. Как же он появляется? В совершенно прозрачном растворе, расплаве или в парах вещества протекает бурная «жизнь»: каждое мгновение частицы (ионы или молекулы) сталкиваются, и иногда при этом появляются мельчайшие зародыши будущего кристалла. Они недолговечны и, едва возникнув, разрушаются. Но однажды два-три зародыша, случайно столкнувшись, приобретают структуру элементарной ячейки — мельчайшего кристаллика вещества. Это скопление частиц уже не разрушается и начинает расти. Так появляется центр кристаллизации. В его роли могут выступать и попавшие в раствор пылинки, дефекты поверхности сосуда, в котором находится раствор, либо внесённый извне! кристаллик растворённого  вещества. Это может быть и кристаллик другого! вещества (при условии, что он обладает сходной кристаллической структурой). Не все центры кристаллизации в конечном счёте превращаются в кристаллы вещества. Крупные кристаллы! продолжают расти, а более мелкие растворяются. Совершенство формы и красота плоских граней кристаллов наводят на мысль, что эти «каменные цветы» растут слоями. Очень часто это действительно так, причём рост каждого слоя частиц начинается от центра грани кристалла. Большое увеличение позволяет увидеть ступеньки, размеры которых уменьшаются при переходе от этажа к этажу, как кольца в детской игрушке — пирамидке. Что произойдёт, если какая-то частица вещества случайно попадёт на грань мельчайшего кристалла, находящегося в пересыщенном растворе, расплаве или газе? Образовавшийся бугорок может положить начало новому слою, и весьма вероятно, что другие частицы устремятся именно сюда, обеспечивая формирование слоя и рост кристалла. Кристалл растёт быстрее, если частицы попадают на его поверхность не поодиночке, а целыми скоплениями, «толпами». Такие скопления затем разрастаются по горизонтали, покрывая поверхность кристалла, и в нём появляется новый слой частиц... Растущий кристалл никогда не бывает идеальным, в нём обязательно присутствует некий структурный дефект, неисчезающая ступенька, к которой пристраиваются частицы из раствора, газа или расплава. Что такое дефекты кристаллического строения вещества? Если в узле кристаллической решётки один атом или ион по каким-либо причинам исчезнет, то вместо него возникнет точечный дефект по имени вакансия — «дырка» в структуре вещества. Соседний атом может переместиться и занять вакансию, оставив вместо себя другую «дырку». Таким образом вакансии перемещаются (мигрируют). Представим себе, что к концу сеанса в кинотеатре нетерпеливый зритель, чьё место было близко от двери, вышел из зала. Кресло освободилось (возникла вакансия), и все прочие зрители стали перебегать с места на место, поближе к выходу. Когда наконец зажёгся свет, пустые места оказались в центре зала (или даже у стены напротив выхода). Точно так же атомы и вакансии мигрируют в противоположных направлениях. Чем выше температура, тем больше вероятность и скорость миграции дефектов (тем сильнее зрители спешат домой, если кинофильм неинтересный). Если же зрительный зал переполнен (например, на премьере нашумевшего боевика), любители кино, проникшие на сеанс всеми правдами и неправдами, сядут на пол в проходах между рядами — словом, где придётся. Это напоминает другой тип точечного дефекта кристалла, который называется «внедрённый междоузельный атом».

§ 2. Выращивание кристаллов в лабораториях. 

Человек, вооруженный современной техникой, может в лабораториях и на заводах создать условия, которыми располагала природа, и, строго регулируя их, выращивать кристаллы нужных размеров и качества. В окружающем нас мире часто можно наблюдать образование кристаллов непосредственно из газовой среды, из растворов и из расплава. В тихую морозную ночь при ясном небе, в ярком свете луны или фонаря, мы иногда видим поблескивающие искорками медленно опускающиеся чешуйки инея. Это пластинчатые кристаллики льда, образующиеся тут же около нас из влажного и остывшего воздуха. На заводах химических реактивов при остывании насыщенных солями растворов выпадают массы мелких кристаллов в виде игл, тонких листиков или хорошо ограненных зерен. Если в тигле расплавить цинк или олово, то при застывании образуется плотный скрытокристаллический слиток. В центре тигля появится углубление — раковина усадки. На ее стенках обычно хорошо видны очертания отдельных кристаллов. Так образуются мелкие кристаллы, кристаллические агрегаты; но как вырастить крупные однородные, при годные для использования в технике кристаллы? Поздней осенью, когда начинаются заморозки, иногда можно наблюдать, как лужи покрываются длинны ми саблевидными кристаллами льда длиной до 10— 20 см. Значит, при медленном охлаждении в спокойной неподвижной среде могут иногда образоваться достаточно крупные и, видимо, однородные кристаллы. В ряде случаев также просто кристаллы выращиваются и в технике, но к простым решениям часто приходится идти сложным путем.

П.1.выращивание кристаллов из расплава.

На примере замерзшей лужи мы видим, что прямой кристаллизацией расплава (вода — расплавленный лед) можно достаточно быстро получить крупные кристаллы. Выращивание кристаллов из газа или растворов протекает значительно медленнее, поэтому кристаллы веществ, которые плавятся без разложения, выращивают из расплава. За истекшие годы предложено и используется в лабораториях и в промышленности много способов получения кристаллов из расплава. Каждый из этих способов имеет свои достоинства, недостатки и применим для выращивания кристаллов определенной группы веществ. Здесь мы ограничимся описанием немногих основных способов, получивших наибольшее распространение и способов ближайшего будущего, которые еще только разрабатываются.[1]

П.2.метод вытягивания кристаллов.

Для изготовления трехгранных призм спектографов, позволяющих вести исследования в ультрафиолетовой части спектра, выращиваются крупные бочкообразные кристаллы поваренной соли. Способ выращивания таких кристаллов разработан С. Киропулосом. Она состоит из вертикальной цилиндрической электропечи, в которую помещен большой тигель с расплавом чистой соли. В расплаве устанавливается постоянная температура на 50—60° выше температуры плавления соли. Сверху в расплав медленно, чтобы она успела прогреться, опускают затравку, вырезанную из кристалла той же соли. После соприкосновения затравки с расплавом и частичного оплавления ее держатель охлаждается струей воздуха, проходящей по трубке внутри его. Затравка и примыкающий к ней слой расплава охлаждаются, и кристалл начинает расти в виде сферы или шляпки перевернутого гриба. Когда ширина разросшейся сферы станет достаточно большой, специальный механизм начнет медленно поднимать затравку с нарастающим на нее бочкообразным кристаллом, не давая ему соприкоснуться со стенками. Выращенный кристалл быстро переносят в другую печь, нагретую вначале почти до температуры плавления соли, где кристалл медленно охлаждается до комнатной температуры. Кристалл весом 15—20 кг удается вырастить за 10—15 часов. Этим способом, помимо поваренной соли, выращивают кристаллы хлористого калия и других солей с температурой плавления до 1000°.

§ 3. Как вырастить кристалл в домашних условиях.

Для выращивания кристалла на дому подойдут далеко не все вещества. Можно вырастить кристалл из обычной соли, но для выращивания кристаллов соли нужна идеально чистая соль, что делает выращивание кристаллов соли на дому делом сложным, но всё таки их вырастить возможно, правда это будет долго, и кристаллы получатся со множеством дефектов. Намного проще, легче и быстрее выращивать кристаллы из медного купороса, тем более, что они получатся не прозрачными, а глубокого синего цвета, однако после того, как будет выращен кристалл медного купороса, его надо будет протереть подсолнечным маслом, т. к. при взаимодействии с кислородом кристалл медного купороса сменит свой глубокий синий цвет на грязно-голубой.

Возьмем насыщенный раствор и нагреем его. Сосуд с полученным ненасыщенным раствором накроем стеклом и дадим раствору спокойно охладиться до температуры более низкой, чем температура насыщения. При этом осадок может и не выпасть, и мы получим пересыщенный раствор. Дело в том, что для образования кристалла необходима "затравка". Ею может служить маленький кристаллик того же вещества или просто пылинка. Иногда достаточно просто качнуть сосуд с пересыщенным раствором или снять прикрывающее его стекло, как начинается мгновенная кристаллизация. При этом обычно образуется множество мелких кристалликов. Для того, чтобы вырастить крупный кристалл, необходимо ограничить число "затравок". Лучше всего ввести искусственную "затравку", роль которой может исполнять один из кристалликов, полученных ранее.

Чтобы это получилось надо как можно качественнее профильтровать раствор (2-3раза)!

Таким образом, для выращивания кристалла(ов) нужного вещества надо:

1. Сделать насыщенный раствор этого вещества из горячей воды;
2. Профильтровать раствор через фильтровальную бумагу;
3. Дать раствору остыть до выпадения из него кристалликов;
4. Из получившихся «затравок» выбрать или наибольший, или наиболее правильный по форме кристаллик;
5. Снова сделать насыщенный раствор и опустить туда выбранный кристаллик, привязанный на ниточке;
6. На следующий день вновь сделать насыщенный раствор и опустить туда кристалл и выполнять эту операцию, покуда кристалл не вы растит нужного размера.

В своей инструкции я описал метод выращивания кристаллов уменьшением температуры раствора. Есть ещё способ испарения раствора, но он по моему мнению не очень эффективен, т. к. вода испаряется непосредственно у поверхности раствора, образуя плёнку, и процесс испарения воды сам по себе долгий и по этому способ выращивания кристаллов испарением насыщенного раствора тоже медленный. В домашних условиях можно вырастить великолепную ёлку из медного купороса. Для изготовления «заснеженной» елочки необходимо из медной проволоки диаметром 1—2 изготовить ее каркас. Провод необходимо обмотать нитками (если взять провод в хлопчатобумажной изоляции, то никакой дополнительной обмотки не требуется). Количество раствора в кристаллизаторе и его начальную температуру выбирают с учетом размеров каркаса и массы вещества, которую нужно на нем осадить. На маленькую елочку достаточно осадить около 400г вещества (1 литр раствора). Горячий раствор отфильтровывается через фильтровальную бумагу. Приготовленный каркас надо смочить в растворе и высушить. При этом на хлопчато-бумажной обмотке образуются множество кристалликов, которые в последствии играют роль «затравок». За сутки мы получаем замечательную ёлку.

§ 4. Исследование по выращиванию кристаллов в домашних условиях.

В своём проекте я исследовал зависимость роста кристалла от условий выращивания. Условия можно ставить различные. В своих экспериментах я провёл три опыта. В каждом из них я выращивал по два кристалла, поставив их соответственно в разные условия.

• В первом опыте я выбрал одинаковые затравки, но разную температуру растворителя.
• Во втором опыте я взял одинаковые затравки, но растворы разной насыщенности.
• В третьем опыте я взял затравки с разной площадью, а растворы одинаковой насыщенности и температуры.

Ожидалось, в первом опыте, в кристаллизаторе с большей температурой вырастет более большой кристалл. На самом деле получился иной эффект:

• в горячем кристаллизаторе вырос не монокристалл, а «груша» из наросших друг на друге кристаллов
• в кристаллизаторе с меньшей температурой вырос более менее правильный кристалл.

       Чтобы подтвердить результат опыта, он проводился два раза.

Вывод: чем больше температура раствора, тем больше центров кристаллизации, а значит вырастить быстро большой кристалл, таким образом, невозможно.

Во втором опыте, как и ожидалось, в ненасыщенном растворе затравка растворилась, а в насыщенном растворе затравка выросла.

В третьем опыте с разными «затравками» разность их размеров в начале составляла 1см. и в конце стала около 0,4см.

Вывод: таким образом, меньший вырос на 1,6см., а больший на 1,3см.

Значит скорость роста кристаллов замедляется с увеличением площади кристаллизации.

Из этого можно сделать вывод, что лучше выращивать кристаллы из раствора умеренной температуры, следя за насыщенностью и чистотой раствора.

Из картинок видно, что элементарная ячейка кристаллической решетки медного купороса относится к тригональной сингонии

§ 5. Почему не растут кристаллы?

У некоторых людей, выращивающих кристаллы, они не растут. Почему?

1. Возможно, вы не профильтровали.
2. Если вы выращиваете кристаллы медного купороса, раствор получается очень синим и не видно осадка (обычно это знак насыщенного раствора), то у вас может получиться ненасыщенный раствор. Не расстраивайтесь и сделайте вторую попытку, медный купорос не очень дорогой.
3. Возможно у вас плохое вещество (признак этого может быть мутный раствор после двух фильтрацый), особо не расстраивайтесь, что-нибудь вырастет, но особо не обольщайтесь.

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В процессе работы мною были проведены опыты по исследованию условий выращивания кристаллов и было замечено, что скорость выращивания кристаллов зависит от :

• Температуры кристаллизатора.
• От близости насыщенного раствора к состоянию перенасыщенности.
• От рода вещества.

Для того, чтобы вырастить красивый кристалл надо :

• Постоянно менять раствор на насыщенный.
• Следить за чистотой раствора (на дне сосуда в, котором выращивается кристалл, тоже образуются кристаллы, и один из них может прирасти к затравке, образовав дефект).
• При замене раствора температура должна быть чуть выше комнатной. Это надо, чтобы предотвратить образование дефектов.

Нельзя вырастить красивый и ровный кристалл быстро, для этого надо пожертвовать временем.

Кристаллы может вырастить любой, но чистый монокристалл вырастить не получится. Для этого понадобятся специальные приборы.

5. ПРИЛОЖЕНИЕ.

Преобразование кристалла поваренной соли:

6. СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРА:

1.А.А.Штернберг. «Кристаллы в природе и технике»

Москва, 1961г.

2.  А.Варламов. «Выращивание кристаллов».

3.  «Квант» N5 1972г.

4. «Малая детская энциклопедия. Химия»

Москва. 2001г..

5.М.П.Головей, Г.Ф.Добржанский. «Игрушки из кристаллов»

6.У.Вустер. «Применение тензоров и теории групп для описания физических свойств кристаллов».

     7.«Физика» N12 16-30июня 2006г.

8. Ч.Киттель. «Введение в физику твердого тела».