Выращивание кристаллов в домашних условиях

Омский Научный центр Сибирского отделения Российской академии наук

Региональная общественная организация «Омский совет ректоров»

Омское региональное отделение Всероссийской общественной организации

«Русское географическое общество»

Детская областная общественная организация

«Научное общество учащихся «Поиск»

БОУ г. Омска «Лицей №25»

XLV

Межрегиональная научно-практическая конференция

школьников и учащейся молодежи

Тема: «Выращивание кристаллов в домашних условиях»

Учебно-исследовательская работа

Научное направление: химия

                                                                                      Выполнили:

                                                                                      Ученицы 6 класса

                                                                                      БОУ г. Омска «Лицей № 25»

                                                                         Баранова Ольга Павловна,

                                                                                      Иванова Екатерина Максимовна,

                                                                                      Научный руководитель: 

                                                                                      учитель химии

                                                                                      БОУ г. Омска «Лицей № 25»

                                                                                      Щербакова Юлия Геннадьевна

Омск - 2013

С О Д Е Р Ж А Н И Е

Введение………………………………………………………………3

Теоретическая часть

1. Теория кристаллов………………………………………………..4-5

1.1. Что такое кристалл?………………………………………………4

1.2. Происхождение слова «кристалл»……………………………….5

2. Образование кристаллов………………………………….…….6-10

2.1. Образование кристаллов в природе……………………………..6

2.2. Выращивание кристаллов в промышленности…………….…7-8

2.3. Выращивание кристаллов в домашних условиях………...….8-10

Экспериментальная часть

3. Выращивание кристаллов в домашних условиях…………….11-14

3.1. Выращивание кристалла медного купороса…………………....11

3.2. Выращивание кристалла металлической меди………………...12

3.3. Выращивание кристалла поваренной соли…………………….13

3.4. Выращивание кристалла аметиста…………………………..…14

Заключение…………………………………………………………....15

Литература…………………………………………………………….16

Приложения 1-4……………………………………………………17-20

В В Е Д Е Н И Е

          Нас окружает мир кристаллов. 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 образуется жемчуг. Кристаллами являются алмазы, рубины, сапфиры и другие драгоценные камни. Кристаллы широко применяются в науке, промышленности, оптике, электронике.

          Нас очень заинтересовала эта тема, и мы решил вырастить кристаллы солей в домашних условиях. Многие видные ученые, внесшие большой вклад в развитие химии, минералогии, других наук, начинали свои первые опыты именно с выращивания кристаллов. Помимо чисто внешних эффектов, эти опыты заставляют задумываться на тем, как устроены кристаллы и как они образуются, почему разные вещества дают кристаллы разной формы, а некоторые вовсе не образуют кристаллов, что надо сделать, чтобы кристаллы получились большими и красивыми. Провести такой опыт – самим вырастить кристаллы, решили и мы.

          Цель работы: на основании знаний процесса кристаллизации в природе, в промышленности вырастить кристаллы  в домашних условиях.
         Задачи:

1. Изучить специальную литературу по теме.
2. Вырастить кристалл медного купороса.
3. Вырастить кристалл металлической меди.
4. Вырастить кристалл поваренной соли.
5. Вырастить кристалл аметиста.
6. Сделать выводы об условиях роста кристаллов.

Т Е О Р Е Т И Ч Е С К А Я   Ч А С Т Ь

1. Теория кристаллов

1.1. Что такое кристалл?

          Кристалл – это твердое состояние вещества. Он имеет определенную форму и определенное количество граней вследствие расположения своих атомов. Все кристаллы одного вещества имеют одинаковую форму, хоть и могут отличаться размерами. В природе существуют сотни веществ, образующих кристаллы. Вода – одно из самых распространенных из них. Замерзающая вода превращается в кристаллы льда или снежинки.

          Вы, конечно, обращали внимание на бесконечное разнообразие снежинок. Еще в 17 веке знаменитый астроном Иоганн Кеплер написал трактат «О шестиугольных снежинках», а спустя три столетия были изданы альбомы, в которых представлены коллекции увеличенных фотографий тысяч снежинок, причем ни одна из них не повторяет другую.

        Кристаллы – вещества, в которых мельчайшие частицы (атомы, ионы или молекулы) «упакованы» в определенном порядке. В результате при росте кристаллов на их поверхности самопроизвольно возникают плоские грани, а сами кристаллы принимают разнообразную геометрическую форму. Каждый, кто побывал в геологическом музее или на выставке минералов, не мог не восхититься изяществом и красотой форм, которые принимают «неживые» вещества.

            Кристаллическое строение характеризуется правильным расположением частиц в строго определенных точках пространства. При мысленном соединении этих точек пересекающимися прямыми линиями образуется пространственный каркас, который называют кристаллической решеткой. Точки, в которых размещены частицы, называются узлами кристаллической решетки. В узлах воображаемой решетки могут находиться ионы, атомы или молекулы. В зависимости от вида частиц и характера связи между ними различают четыре типа кристаллических решеток: ионные, атомные, молекулярные и металлические. Кристаллические решетки, состоящие из ионов, называются ионными. Их образуют вещества с ионной связью. Примером может служит кристалл хлорида натрия. Металлические кристаллические решетки, состоят из атомов металлов, ионов, свободных электронов, например, металлическая медь и многие другие металлы в твердом состоянии.

1.2. Происхождение слова «кристалл»

          Слово «кристалл» звучит почти одинаково во всех европейских языках. Много веков назад среди вечных снегов в Альпах, на территории современной Швейцарии, нашли очень красивые, совершенно бесцветные кристаллы, очень напоминающие чистый лед. Древние натуралисты так их и назвали – «кристаллос», по-гречески – лед; это слово происходит от греческого «криос» – холод, мороз. Полагали, что лед, находясь длительное время в горах, на сильном морозе, окаменевает и теряет способность таять. Один из самых авторитетных античных философов Аристотель писал, что «кристаллос» рождается из воды, когда она полностью утрачивает теплоту». Римский поэт Клавдиан в 390 году то же самое описал стихами:

«Ярой альпийской зимой лед превращается в камень.
Солнце не в силах затем камень такой растопить».

Аналогичный вывод сделали в древности в Китае и Японии – лед и горный хрусталь обозначали там одним и тем же словом. И даже в 19 в. поэты нередко соединяли воедино эти образы:

«Едва прозрачный лед,

над озером тускнея,
Кристаллом покрывал недвижные струи».

                                                                                А.С.Пушкин. К Овидию [11]

2. Образование кристаллов

2.1. Образование кристаллов в природе

          Минеральные кристаллы образуются в ходе определенных породообразующих процессов. Огромные количества горячих и расплавленных горных пород глубоко под землей в действительности представляют растворы минералов. Когда массы этих жидких или расплавленных горных пород выталкиваются к поверхности земли, они начинают остывать. Они охлаждаются очень медленно. Минералы превращаются в кристаллы, когда переходят из состояния горячей жидкости в холодную твердую форму. Например, горный гранит содержит кристаллы таких минералов, как кварц, полевой шпат и слюда. Миллионы лет тому назад гранит был расплавленной массой минералов в жидком состоянии. В настоящее время в земной коре имеются массы расплавленных горных пород, которые медленно охлаждаются и образуют кристаллы различных видов.

           Природа продолжает преподносить нам сюрпризы, создавая все новые чудеса. Одним из чудес являются Крымские пещеры. Самые грандиозные пещеры — карстовые, образовавшиеся в результате растворения природными водами горных пород. Огромные залы и обширные галереи украшены кальцитовыми натечными образованиями. Отдельные сталактиты достигают здесь 5-8 м длины. Особой красотой ажурного натечного убранства отличаются так называемые Индийский и Китайский залы. Благодаря большим залам, причудливым формам натечных образований и редчайшим видам кристаллов Мраморная пещера, по оценкам независимых экспертов, входит в пятерку красивейших на планете. В процессе оборудования этих пещер спелеологами были сделаны уникальные палеонтологические находки: кости мамонта, пещерного медведя, шерстистого носорога. Исследователи уверены, что подобных пещер в мире много, и они ждут своих первооткрывателей! [12]

2.2. Выращивание кристаллов в промышленности

         Начиная с XIX века, появились технологии выращивания искусственных кристаллов. Некоторые из этих ювелирных камней настолько совершенны, что их крайне сложно отличить от натуральных. Синтетические кристаллы востребованы в промышленности и на рынке ювелирных изделий. Первые успешные попытки синтеза драгоценных камней приходятся на конец XIX века. В 1877 году Эдмон Фреми и Шарль Фейль получили кристаллы рубина.

В 1902 году Огюст Вернейль смог синтезировать рубины методом плавления в пламени, положив начало промышленному синтезу ювелирных камней. Данный метод, с некоторыми изменениями, до сих пор остается одним из самых распространенных способов выращивания кристаллов ювелирного качества. Порошковая шихта, состоящая из оксида алюминия с добавлением 2% оксида хрома, помещается в печь. Под ударами молотка шихта попадает вниз, контактирует с кислородом и водородом, достигая в пламени температуры 2000оС. Капли расплавленного материала падают на стержень, на котором образуется шарик кристалла, медленно приобретающий грушевидную форму [2].

          Особое место среди кристаллов занимают внимание человека. Люди научились получать драгоценные камни, которые с древнейших времен привлекают искусственно очень многие драгоценные камни. Например, подшипники для часов и других точных приборов уже давно делают из искусственных рубинов. Получают искусственно и прекрасные кристаллы, которые в природе вообще не существуют. Например, фианиты – их название происходит от сокращения ФИАН – Физический институт Академии наук, где они впервые были получены. Фианиты – искусственные кристаллы, которые внешне очень похожи на бриллианты.

 Исследователи из США сумели вырастить огромные кристаллы пирофосфата калия. Самый крупный из кристаллов весит 318 килограмм. Он рос в большом баке, где при температуре 65 градусов Цельсия испарялся раствор пирофосфата калия. Молекулы  отлагались на затравке размером меньше наперстка, и через 52 дня вырос прозрачный гигант почти без дефектов.

          Кристаллы будут использоваться для сооружения сверхмощных лазеров.

2.3. Выращивание кристаллов в домашних условиях

Приготовление раствора

            Раствор готовят из слегка тёплой (не горячей!) воды. Воду лучше брать дистиллированную, но можно и кипячёную. Химический стакан на половину объёма наполняют водой и небольшими количествами (примерно по 10гр) добавляют соль. После каждой новой порции соли раствор тщательно перемешивают. При этом раствор может начать охлаждаться, т. к. при растворении вещества расходуется тепловая энергия на расщепление его на ионы. После того, как вещество перестаёт растворяться, добавляют последние 10гр вещества и перемешивают. Уже готовый раствор фильтруют во второй химический стакан, в котором и будет происходить рост кристалла. Стакан накрывают листком бумаги и ждут появления первых кристалликов.

Фильтрация раствора

          Конечно же, для фильтрации раствора лучше всего использовать хороший, лабораторный фильтр из фильтровальной бумаги и стеклянную воронку. Если готового фильтра нет, то его можно сделать из обычной промокашки. Для этого из неё вырезают круг диаметром не менее 10см, сгибают его вдвое и затем ещё вдвое. Если теперь отогнуть крайний листок получившегося конуса, то получится бумажная воронка. Её вкладывают в стеклянную и фильтруют раствор. Это надо делать очень осторожно, следить за тем, чтобы уровень жидкости в стеклянной воронке не был выше краёв фильтра. В самом крайнем случае, если под рукой нет даже промокашки, то фильтр делается из ваты. Вату плотно вставляют в горлышко воронки и затем фильтруют раствор. Естественно, чем плотнее вата, тем медленнее и качественнее происходит фильтрация.

Выращивание крупных одиночных кристаллов

         Для того, чтоб кристалл вырос крупным и геометрически ровным, т. е. имел природную форму, необходимо довольно много времени. Обычно кристалл вырастает на 0,1-0,8мм в сутки, что во многом зависит от соли. Т. е. за месяц – полтора можно вырастить довольно крупный кристалл.

          Выращивание крупного одиночного кристалла – очень длительный и сложный процесс, требующий терпения и осторожности. Для начала вам потребуется затравка – маленький кристаллик, который и будет центром кристаллизации. Обычно кристаллик, используемый как затравка, представляет собой уменьшенную копию выращиваемого кристалла.

          Для того, чтобы получить затравку, используется очень простой метод: готовится максимально концентрированный раствор соли, переливается в стакан с вертикальными стенками и накрывается листком бумаги. Через несколько дней на дне стакана появляются первые кристаллики. Обычно они все имеют разную форму. Именно из них и отбираются те, которые имеют более правильную форму.

          Раствор, в который собираются погрузить затравку, желательно приготовить заранее и оставить на пару дней для выпадения первых кристалликов (чтобы быть уверенным, что затравка не растворится). Раствор фильтруют от выпавших кристалликов, переливают в чистый стакан и погружают туда затравку. Стакан накрывают бумагой и оставляют на полке. Уже через неделю можно заметить, что кристалл заметно подрос. Чем дольше он будет оставаться в растворе, тем крупнее он станет.

Раствор со временем испаряется и если верхняя часть кристалла окажется на воздухе, то это может испортить весь кристалл. Для того, чтобы этого не произошло, необходимо добавлять раствор по мере необходимости.

         В процессе выращивания кристалла может возникнуть ещё одна проблема: в ходе роста основного кристалла на дне появляются и растут другие, случайно выпавшие кристаллы. Их желательно удалять хотя бы раз в 1-2 недели.

Выращивание сростков кристаллов (друз)

          Это – один из самых быстрых способов выращивания кристаллов. Если выращивание одиночных кристаллов занимает много времени и рассчитано на постепенный, правильный рост кристаллов, то выращивание друзы гораздо легче, потому что оно ориентируется на быстрое, хаотическое выпадение кристаллов.

          Для начала вам потребуется приготовить перенасыщенный раствор соли в горячей воде. После охлаждения раствора в него вносят затравку – подвешенный на ниточке кристаллик. Уже через 5-10 часов можно увидеть большое количество кристалликов на нитке, на затравке, на дне стакана. Раствор оставляют в покое в течение 3-5 дней, затем вынимают нитку с кристаллом, раствор нагревают, добавляют воды и снова делают максимально концентрированным. После охлаждения в него вновь вносят нитку с уже подросшим кристаллом и оставляют на 3-5 дней. Эту процедуру повторяют до тех пор, пока кристалл не достигнет необходимого размера. Кстати, довольно неплохие результаты получаются, если смешать оба метода: сначала вырастить друзу, а потом погрузить её в раствор для медленной кристаллизации.

Э К С П Е Р И М Е Н Т А Л Ь Н А Я    Ч А С Т Ь

3. Выращивание кристаллов в домашних условиях

3.1. Выращивание кристалла медного купороса

          Самые быстрорастущие и красивые кристаллы в нашей коллекции. Нами были выращены монокристаллы и друза. Сульфат меди(II) (CuSO4) — медная соль серной кислоты, белые кристаллы, хорошо растворимые в воде. Однако из водных растворов, а также на воздухе хотя бы с незначительным содержанием влаги кристаллизуется голубой пентагидрат CuSO4 · 5H2O — медный купорос.

Оборудование:

1. Ёмкость для выращивания кристалла

2.Ёмкость для смешивания раствора

3.Палочка для размешивания

4. Марля для фильтрования

5. Вода (тёплая)

Наши действия:

1. Сделать перенасыщенный раствор медного купороса.

2. Профильтровать полученный раствор.

3. Профильтровать полученный раствор.

4. Опустить затравку (нить) в раствор.

5. Осталось только подождать до желаемого размера [8].

Приложение 1

3.2. Выращивание кристалла металлической меди.

           Медь — элемент побочной подгруппы первой группы, четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева. Обозначается символом Cu (лат. Cuprum). Простое вещество медь (CAS-номер: 7440-50-8) — это пластичный переходный металл золотисто-розового цвета (розового цвета при отсутствии оксидной плёнки). C давних пор широко применяется человеком.

Оборудование:

1.Соль     2.Медный купорос    3.Вода    4.Бумага

5.Ножницы

6.Палочка для размешивания

7.Ёмкость для выращивания кристалла

8.Карандаш

9.Железные предметы

Наши действия:

1.В ёмкость насыпать 2 сантиметра медного купороса

2.Обевсти карандашом дно емкости

3.Вырезать получившуюся форму

4.Засыпать медный купорос солью (примерно в 3 раза больше, чем купороса)

5.Накрыть смесь вырезанной из бумаги формой

6.Сделать перенасыщенный раствор соли

7.Положить на бумагу в ёмкости железные предмет(ы)

8.Залить всё перенасыщенным раствором соли.

9.Ждать до появления кристалла меди  [9].

Приложение 2

3.3. Выращивание кристалла поваренной соли

          Что такое соль?  Пова́ренная соль (хлорид натрия, NaCl; употребляются также названия «хлористый натрий», «столовая соль», «каменная соль», «пищевая соль» или просто «соль») — пищевой продукт. В молотом виде представляет собой мелкие кристаллы белого цвета. Поваренная соль природного происхождения практически всегда имеет примеси других минеральных солей, которые могут придавать ей оттенки разных цветов (как правило, серого). Производится в разных видах: очищенная и неочищенная (каменная соль), крупного и мелкого помола, чистая и йодированная, морская, и так далее.

Оборудование:

1. Емкость для выращивания кристалла.

2. Соль, вода.

3. Палочка для смешивания.

4. Вата (для фильтрации)

Для начала мы:

1. Смешала соль и воду (не менее 60 С) до перенасыщенного раствора.

2. Профильтровала раствор через вату.

3. Опустила затравку (нитку).

Осталось только подождать.

К сожалению, монокристалл NaCl нам получить не удалось, ребро грани кристалла составляет всего 2 мм, поэтому вместо роста монокристалла, начинают образовываться рядом соседние кристаллики. Таким образом, получилась друза, напоминающая кубик. Неудивительно, ведь поваренная соль имеет кубическую сингонию  [10].

Приложение 3

3.4. Выращивание кристалла аметиста

         Что такое аметист? Это синяя, синевато - розовая или красно-фиолетовая разновидность кварца. Встречается обычно в виде свободно сидящих в пустотах и жилах среди кристаллических горных пород кристаллов и их сростков.

Вообще, считается, что аметист это драгоценный камень. Как же вырастить  такой кристалл?

Оборудование:

1. Палочка для смешивания.

2. Реактив (то есть порошок аметиста.)

3. Ёмкость для смешивания раствора.

4. Затравка (мы использовали обычные камни).

5. Емкость для выращивания кристалла (обязательно с отверстиями в крышке, чтобы раствор постепенно испарялся.)

Как мы действовали:

1. Для начала мы налили в емкость воду не менее 60 С.

2.  После постепенно добавляли реактив в воду, пока он не переставал растворяться.

3. Перелили в емкость для выращивания кристалла.

4. Затем добавили затравку (камушки).

5. Поставили ёмкость на хорошо освещаемую поверхность.

6.Осталось только подождать.

7. Выращивали до полного испарения воды в ёмкости.

У нас получилось много кристаллов аметиста лилового цвета.

Приложение 4

Заключение

          Выращивание кристаллов – очень интересный и увлекательный процесс. К сожалению, в данном процессе присутствует элемент случайности. Вроде и раствор насыщенный, и охлаждается медленно, а кристалл не образовывается, или готовишь новый раствор для бóльшего роста кристалла, а утром видишь, что кристалл не только не стал больше, но и совсем растворился (у нас, таким образом, не получился кристалл сахара). Тем не менее, можно выделить общие признаки роста кристаллов.

          Во-первых, чем насыщеннее раствор, тем быстрее вероятность образования кристалла.

          Во-вторых, чем лучше отфильтрован раствор, тем больше вероятность образования монокристалла, т.к. примеси, оставшиеся в растворе, служат дополнительными центрами кристаллизации.

В-третьих, если раствор охлаждать недостаточно медленно, то это, с большой долей вероятности, приведет к образованию друзы (сростка кристаллов), т.к. его молекулы не успеют построить правильный кристалл. А при слишком резком охлаждении образуется аморфное (стеклообразное) состояние вещества. Например, при очень быстром охлаждении (миллионы градусов в секунду) даже металлы можно получить в некристаллическом стеклообразном состоянии.

           Тема кристаллов настолько обширна и разнообразна, что в рамках данной работы невозможно осветить все ее аспекты. Я планирую в дальнейшем продолжить изучение увлекательного процесса роста кристаллов. Например, можно научиться выращивать фантомы (кристалл в кристалле).

           Данное исследование можно предложить младшим школьникам, которые будут изучать пропедевтический курс «Химия вокруг нас» и выращивать кристаллы. Эта работа получилась настолько интересной и увлекательной, что мы думаем выступить перед школьниками младших классов.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. Алексинский В. Н. Занимательные опыты по химии, М.: Просвещение, 1995 г.
2. Кантор Б.З. Минерал рассказывает о себе, М.: Недра, 1985 г.
3. Крапивин В.П. В глубине Великого кристалла.
4. Минералы. Сокровища Земли. Еженедельное издание №1-№70, 2009-2011г. Де Агостини.
5. Ольгин О., Опыты без взрывов, М.: “Химия”, 1995 г.
6. Стёпин Б. Д., Аликберова Л.Ю., Книга по химии для домашнего чтения, М.: Химия, 1994г.
7. Шаскольская М.Л. Кристаллы, М.: Наука, 1985 г.

И Н Т Е Р Н Е Т  -  Р Е С У Р С Ы

8. http://www.kakprosto.ru/kak-12563-kak-vyrastit-kristall-v-domashnih-usloviyah-iz-soli

9. http://www.kristallikov.net/page6.html

10. http://www.alhimik.ru/teleclass/pract/prac064.shtml

11. http://www.home-edu.ru/user/f/00000951/05/files/crystals.htm

12.  http://ru.wikipedia.org/wiki/%CF%E5%F9%E5%F0%FB_%CA%F0%FB%EC%E0