Выращивание искусственных кристаллов

КАДЕТСКАЯ ШКОЛА

ДГТУ 2КК

Проект на тему:

«Выращивание

искусственных кристаллов»

Выполнил:

воспитанник 3 «В» класса

Некрасов Дмитрий

Проверила:

Чудновец П.И.

г. Ростов-на-Дону

2014 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. Цель проекта – стр.3
2. Введение – что такое кристаллы – стр.4
3. История возникновения кристаллов. Кристаллография – стр.5
4. Виды кристаллов – стр.7
5. Идеальные и реальные кристаллы – стр.8
6. Применение кристаллов – стр.10
7. Пещера Гигантских Кристаллов в Найке – стр.12
8. Наблюдение и опыты по выращиванию кристаллов – стр.19
9. Выводы – стр.21
10. Список используемой литературы – стр.22

1. Цель проекта

Темой моей работы является исследование процессов по выращиванию кристаллов. Эта тема мне интересна. Актуальность исследования состоит в том, что выращивание кристаллов -  увлекательное занятие и, пожалуй, самое простое, доступное и недорогое для большинства юных химиков, максимально безопасное; объясняется интересом образования различных по форме и цвету кристаллов в любое время года.

Целью данной работы является провести исследование по выращиванию  кристаллов поваренной соли, сахара  и медного купороса в домашних условиях.

Данная цель требует решения следующих задач:

- Проанализировать текстовый и иллюстративный материал по данной теме.

- Изучить методики процесса кристаллизации.

- Обобщить полученную информацию о строении кристалла.

- Выполнить опытно-экспериментальную работу по изученным методикам.

- Подготовить презентацию материала по теме исследования.

2. Введение – что такое кристаллы

Прежде всего, что такое кристаллы? Кристаллы, в переводе с греческого языка, (krystallos) «лёд».  По данным энциклопедии, кристалл - это твердое тело. Кристаллики растут, присоединяя частицы вещества из жидкости или пара. Кристаллы бывают естественного происхождения и искусственного, выращенные в специально-созданных условиях.  И каждый человек, при желании может легко вырастить кристаллы у себя дома. Но для того, чтобы результат получился действительно красивым необходимо аккуратно  выполнять все действия.

В Интернете можно найти много инструкций по поводу того, как выращивать кристаллы из различных химических веществ. Мы решили проверить все самостоятельно, и в качестве основы взяли обычную поваренную соль, сахар которые можно найти на любой кухне и медный купорос, использующийся в садоводстве.

3. История возникновения кристаллов.

  Кристаллом (от греч. krystallos – «прозрачный лед») вначале называли прозрачный кварц (горный хрусталь), встречавшийся в Альпах. Горный хрусталь принимали за лед, затвердевший от холода до такой степени, что он уже не плавится. Первоначально главную особенность кристалла видели в его прозрачности, и это слово употребляли в применении ко всем прозрачным природным твердым телам. Позднее стали изготавливать стекло, не уступавшее в блеске и прозрачности природным веществам. Предметы из такого стекла тоже называли «кристальными». Еще и сегодня стекло особой прозрачности называется хрустальным, «магический» шар гадалок – хрустальным шаром.

  Удивительной особенностью горного хрусталя и многих других прозрачных минералов являются их гладкие плоские грани. В конце 17 в. было подмечено, что имеется определенная симметрия в их расположении. Было установлено также, что некоторые непрозрачные минералы также имеют естественную правильную огранку и что форма огранки характерна для того или иного минерала. Возникла догадка, что форма может быть связана с внутренним строением. В конце концов, кристаллами стали называть все твердые вещества, имеющие природную плоскую огранку.

  Заметной вехой в истории кристаллографии явилась книга, написанная в 1784 французским аббатом Р.Гаюи. Он выдвинул предположение, что кристаллы возникают в результате правильной укладки крохотных одинаковых частиц, которые он назвал «молекулярными блоками». Гаюи показал, каким образом можно получить гладкие плоские грани кальцита, укладывая такие «кирпичики». Различия в форме разных веществ он объяснил разницей, как в форме «кирпичиков», так и в способе их укладки.

  Со времен Гаюи было принято как гипотеза, что в правильной форме кристалла находит отражение, упорядоченное внутреннее расположение частиц, но это было подтверждено лишь в 1912, когда М.фон Лауэ в Мюнхене установил, что рентгеновские лучи дифрагируют на атомных плоскостях внутри кристалла. Падая на фотографическую пластинку, дифрагированные лучи создают на ней геометрический узор из темных пятен. По положению и интенсивности таких пятен можно рассчитать размеры структурной единицы и определить расположение атомов в ней.

  Имея в виду возможность прямого исследования внутренней структуры, многие занимающиеся кристаллографией стали употреблять термин «кристалл» в применении ко всем твердым веществам с упорядоченной внутренней структурой. Нужны лишь благоприятные условия, полагали они, чтобы внутренняя упорядоченность проявилась в виде правильной наружной огранки. Некоторые ученые предпочитают называть твердые вещества с внешне не проявляющейся внутренней упорядоченностью «кристаллическими», а под «кристаллами» понимать, как это было когда-то, твердые вещества с природной огранкой.

Оптическая кристаллография.

  Большое  значение в описании и идентификации кристаллов имеют их оптические свойства. Когда свет падает на прозрачный кристалл, он частично отражается, а частично проходит внутрь кристалла. Свет, отражающийся от кристалла, придает ему блеск и цвет, а свет, проходящий внутрь кристалла, создает эффекты, которые определяются его оптическими свойствами.

4. Виды кристаллов

В зависимости от строения, кристаллы делятся на ионные, ковалентные, молекулярные и металлические.

Ионные кристаллы построены из чередующихся катионов (положительно заряженный ион) и анионов (отрицательно заряженный ион), которые удерживаются в определенном порядке силами электростатического притяжения и отталкивания. Ионные кристаллы образуют большинство солей неорганических и органических кислот, оксиды, гидроксиды, соли. В ковалентных кристаллах (их еще называют атомными) в узлах кристаллической решетки находятся атомы, одинаковые или разные, которые связаны ковалентными связями. Эти связи прочные и направлены под определенными углами. Типичным примером является алмаз; в его кристалле каждый атом углерода связан с четырьмя другими атомами, находящимися в вершинах тетраэдра.

Молекулярные кристаллы построены из изолированных молекул, между которыми действуют сравнительно слабые силы притяжения. В результате такие кристаллы имеют намного меньшие температуры плавления и кипения, твердость их низка. Из неорганических соединений молекулярные кристаллы образуют многие неметаллы (благородные газы, водород, азот, белый фосфор, кислород, сера, галогены), соединения, молекулы которых образованы только ковалентными связями. Этот тип кристаллов характерен также почти для всех органических соединений.

Металлические кристаллы образуют чистые металлы и их сплавы. Такие кристаллы можно увидеть на изломе металлов, а также на поверхности оцинкованной жести. Кристаллическая решетка металлов образована катионами, которые связаны подвижными электронами («электронным газом»). Такое строение обусловливает электропроводность, ковкость, высокую отражательную способность (блеск) кристаллов.

5. Идеальные и реальные кристаллы

Идеальный кристалл имеет ровные гладкие грани.

Реальный кристалл всегда содержит различные дефекты внутренней структуры решетки, искажения и неровности на гранях и имеет пониженную симметрию многогранника вследствие специфики условий роста, неоднородности питающей среды, повреждений и деформаций. Реальный кристалл не обязательно обладает кристаллографическими гранями и правильной формой, но у него сохраняется главное свойство — закономерное положение атомов в кристаллической решётке.

Для наглядного представления таких структур используются кристаллические решётки, в узлах которых располагаются центры атомов или молекул (или ионов) вещества. Структурный элемент решётки минимального размера называется элементарной ячейкой. Вся кристаллическая решётка может быть построена путём параллельного переноса элементарной ячейки по некоторым направлениям.

Кристаллы, что немало важно, помнят свою предысторию, «место рождения».

Кристаллы образуются:

- в момент образования вещества в результате химической реакции;

- при присоединении к молекуле солей молекулы воды;

- при осаждении растворённого вещества из раствора;

- при переходе газообразного или жидкого вещества в твёрдое.

При росте кристаллов атомы располагаются в определенном порядке. В это  время происходит внешнее воздействие (меняется температура, давление). Из-за этого возникают дислокации, из-за них атомы располагаются в ином порядке.  Получается, что  по дислокации можно понять откуда этот кристалл, как он образовался, что происходит рядом. Например снежинки не могут быть одинаковыми, потому что не может быть абсолютно идентичных условий образования, примесей, но все они имеют шестиугольную форму, поскольку имеют схожий основной состав и условия тоже ограничены (температура ниже 0 и т. д.).

Алмаз, графит и наноалмаз являются примером того, что не обязательно кристаллы разные по свойствам состоят из разных веществ. Эти вещества одинаковы по составу и различаются они только строением кристаллической решетки. Наноалмазы были обнаружены в природе в кратерах, образовавшихся от падения метеоритов. Наноалмазы находят применение при создании элементов наноэлектроники.

6. Применение кристаллов.

  Большое применительное значение кристаллы нашли в оптике. Опираясь на законы оптики, ученые искали прозрачный бесцветный и бездефектный минерал, из которого можно было бы шлифованием и полированием изготавливать линзы. Нужными оптическими и механическими свойствами обладают кристаллы неокрашенного кварца, и первые линзы, в том числе и для очков, изготавливались из них. Даже после появления искусственного оптического стекла потребность в кристаллах полностью не отпала; кристаллы кварца, кальцита и других прозрачных веществ, пропускающих ультрафиолетовое и инфракрасное излучение, до сих пор применяются для изготовления призм и линз оптических приборов.

  Кристаллы сыграли важную роль во многих технических новинках 20 в. Некоторые кристаллы генерируют электрический заряд при деформации. Первым их значительным применением было изготовление генераторов радиочастоты со стабилизацией кварцевыми кристаллами. Заставив кварцевую пластинку вибрировать в электрическом поле радиочастотного колебательного контура, можно тем самым стабилизировать частоту приема или передачи.

  Полупроводниковые приборы, революционизировавшие электронику, изготавливаются из кристаллических веществ, главным образом кремния и германия. При этом важную роль играют легирующие примеси, которые вводятся в кристаллическую решетку. Полупроводниковые диоды используются в компьютерах и системах связи, транзисторы заменили электронные лампы в радиотехнике, а солнечные батареи, помещаемые на наружной поверхности космических летательных аппаратов, преобразуют солнечную энергию в электрическую. Полупроводники широко применяются также в преобразователях переменного тока в постоянный.

  Кристаллы используются также в некоторых мазерах для усиления волн СВЧ-диапазона и в лазерах для усиления световых волн. Кристаллы, обладающие пьезоэлектрическими свойствами, применяются в радиоприемниках и радиопередатчиках, в головках звукоснимателей и в гидролокаторах. Некоторые кристаллы модулируют световые пучки, а другие генерируют свет под действием приложенного напряжения. Перечень видов применения кристаллов уже достаточно длинен и непрерывно растет.

7. Пещера Гигантских Кристаллов в Найке

Есть на нашей планете места, попав в которые невольно осознаёшь, насколько всё-таки крошечное создание человек. Речь идет об удивительной пещере в Мексике, отличительной особенностью которой являются просто невероятные размеры кристаллов.

Пещера Гигантских Кристаллов была найдена при бурении местной шахты 300-метровой глубины в мексиканском городке Найка штата Чиуауа.

В основной камере пещеры находятся одни из самых больших селенитовых кристаллов, когда-либо найденных на планете (селенит — кристаллическая форма гипса), например самый большой из найденных кристаллов достигает 11 метров в длину, 4х в диаметре и весит при этом около 55 тонн.

Вот как выглядит селенит в чистом виде.

Пещеру чрезвычайно тяжело изучить из-за экстремальных условий — постоянной 90-99% влажности и температур, достигающих 65°C, вследствие чего обычный человек без специального защитного костюма может пробыть здесь не более 10 минут, поэтому основными замерами и исследованиями пещера обязана специально собранной для этой цели группы учёных, известной как Проект Найка.

А эти снимки сделал профессиональный фотограф Мэттью Рейдер, специализирующийся как раз на фотосъёмке в узких, влажных и труднодоступных каньонах, а также в тёмной и опасной окружающей среде, хотя даже для него съёмка в таких экстремальных условиях далась нелегко, и сделать чёткие фотографии так и не удалось, даже используя все имеющиеся у него в арсенале уловки и техники.

Сам Мэттью говорил потом, что фотографируя кристаллы он был настолько взволнован открывшимися видами, что пришлось заставлять себя сконцентрироваться на времени, чтобы вовремя вернуться к находящемуся в 10ти метрах от него выходу и не потерять сознание.

Сегодня доступ в кристальные пещеры открыт только для учёных, но пару раз замки взламывались охотниками за минералами. Позже их нашли, но на одного из охотников возмездие "снизошло" ещё до этого, прямо на месте преступления — непутёвого грабителя насквозь проткнуло кристаллом, который он хотел сбить с потолка.

Условия возникновения таких уникальных кристаллов в этой пещере были созданы древним разломом, из-за которого в камеру под ней попала магма. Разогретые грунтовые воды стали пропитываться минералами (в основном гипсом) — в результате пещера постепенно заполнилась этой чрезмерно богатой минералами жидкостью и оставалась в таком состоянии более 500 тысяч лет. Всё это время температура здесь колебалась в районе 50°C, что позволило кристаллам сформироваться и вырасти до таких огромных размеров.

В 1910 году найкские шахтёры во время обнаружили странную пещеру во время добычи полезных ископаемых в местном руднике. Находку сразу окрестили Пещерой Мечей из-за характерных соляных образований, достигающих метра в длину. Пещера Мечей находится на 120-метровой глубине, прямо над Пещерой Кристаллов, а сравнительно малые размеры селенитовых образований позволяют утверждать, что при их формировании температура здесь упала гораздо быстрее, чем в нижней камере, в результате чего кристаллы Пещеры Мечей перестали расти, в отличие от Пещеры Кристаллов, в которой до сих пор держатся подходящие для их роста температурные условия.

Пещера Гигантских Кристаллов была обнаружена лишь в апреле 2000 году шахтерами Найкской горнодобывающей компании Industrias Pe?oles Элоем и Хавье Дельгадо, прокладывающими дренажный туннель в шахте, богатой серебром, цинком и свинцом, на глубине около 330 метров. Заметив, что в результате взрыва образовался небольшой лаз, Элой протиснулся в него и оказался в помещении примерно 10 на 20 метров. Мексиканец был настолько поражён увиденным, что на мгновение потерял дар речи. Позже он рассказывал, что когда луч фонаря попал в комнату, он многократно отразился в разных направлениях, будто кто-то разбил здесь гигантское зеркало. Месяцем позже рядом нашли ещё одну, более объёмную пещеру с селенитом.

Пещера Кристаллов представляет собой подковообразную впадину в известняковой скале. Её пол покрыт практически идеально огранёнными прозрачными блоками, из которых выступает тот самый, огромный кристалл, о котором мы уже говорили выше. Сегодня пещеры доступны только благодаря постоянной откачке воды мощными насосами горнодобывающей компании. Если их остановить — пещера вновь заполнится водой. Проблема состоит в том, что на воздухе состояние кристаллов ухудшается и они начинают разрушаться, поэтому учёные из Проекта Найка пытаются визуально зарегистрировать кристаллы прежде, чем они сломаются.

В 2009 году во время очередного бурения была найдена дальняя комната Пещеры Кристаллов, впоследствии названная Ледяным Дворцом. Находится она на 150-метровой глубине и не затапливается, но её селенитовые кристаллы намного меньше, с маленькими формированиями в форме "цветной капусты" и удивительными нитевидными кристаллами.

В феврале 2011 канал Discovery подготовил передачу "Найка. По ту сторону Пещеры Кристаллов", в которой говорилось о том, что учёные уверены в существовании множества других "кристальных" комнат, но дальнейшие исследования приведут к разрушению кристаллов.

Специалисты утверждают, что сохранить кристаллы селенита возможно посредством плавного снижения температуры, поэтому в ближайшем будущем горнодобывающая компания планирует оснастить Пещеру Гигантских Кристаллов системой кондиционирования и сделать её более удобной для посещения туристами, так что вполне возможно, что через год туда попадут первые счастливчики.

8. Наблюдение и опыты по выращиванию кристаллов

Проанализировав текстовый материал и определив методы исследования,   провели экспериментальную работу по выращиванию кристаллов в домашних условиях.

опыт №1 Выращивание кристаллов из поваренной соли.

Берём соль, разводим раствор в ёмкости и ставим её в кастрюлю с тёплой водой, пока не раствориться. Добавляем ещё соль и снова перемешиваем. Повторяем этот этап до тех пор, пока соль  не будет растворяться,  и станет оседать на дно стакана. Мы получили насыщенный раствор соли. Переливаем его в чистую ёмкость. Выбираем любой понравившийся более крупный кристаллик поваренной соли,  привязываем за нитку и подвешиваем, чтобы он не касался стенок стакана. Уже через пару дней можно заметить значительный для кристаллика рост. С каждым днём он будет увеличиваться.

Результат: мы получили кристалл поваренной соли.

Вывод:

1. Поваренная соль состоит из кристаллов.

2. При соприкосновении кристаллов соли с водой, они растворяются.

3. Быстрее всего кристаллы  соли могут образовываться в насыщенном растворе поваренной  соли.

4. По мере того как вода испаряется, соль снова  образует кристаллы.

5. В домашних условиях  можно вырастить кристаллы при необходимых условиях: наличие насыщенного солевого раствора и ниточки с затравкой.

опыт №2  Выращивание кристаллов из сахара.

В воду всыпаем 2 столовые ложки сахара и хорошо перемешиваем, если сахар полностью растворился, добавляем еще немного. Когда на дне стакана останется нерастворимый осадок, значит раствор готов. Аккуратно наливаем по 2 столовые ложки раствора на каждое блюдце.  Чтобы получить цветные кристаллы можно капнуть немного пищевого красителя. Через пару дней начнут расти кристаллы. Ждем еще несколько дней и любуемся получившимися кристаллами.

Результат: мы получили цветные кристаллы сахара.

Вывод:

1. Сахар состоит из кристаллов.

2. При соприкосновении кристаллов сахара с водой, они растворяются.

3. По мере того как вода испаряется, сахар снова  образует кристаллы.

опыт №3  Выращивание кристаллов из медного купороса.

Берем банку с водой, добавляем медный купорос, тщательно перемешиваем до тех пор, пока он будет растворяться.  Ёмкость с водой лучше всего постепенно подогревать для  более быстрого растворения химиката.   В процессе вода начнет менять цвет – от голубого  до тёмно синего. После этого в стеклянную банку  опускаем «затравку». Это обычная ниточка, привязанная на карандаш. И уже через пару дней мы видим, что на ниточку наросло множество маленьких кристалликов синего цвета. Продолжаем выращивание до  тех пор, пока вода не станет светлого цвета, а кристаллы не перестанут расти.

Результат: мы получили кристалл медного купороса.  Выращенные кристаллы небольшой формы можно использовать в качестве украшения, например, рамки для фотографий или других предметов.

В результате проведенных исследований  гипотеза полностью подтверждается: нам удалось вырастить  кристаллы поваренной соли, сахара и медного купороса в домашних условиях.

9. Выводы

        Проведя данную исследовательскую работу, можно утверждать, что выдвинутая гипотеза, подтвердилась. На основании проведенных опытов я сделал следующие выводы:

1. При благоприятных условиях поваренная соль, сахар, медный купорос принимают форму кристаллов.
2. Кристаллы различных веществ имеют разную форму.
3. На форму кристаллов  оказывает влияние температура.
4. Кристаллы различных веществ имеют различные свойства (одни кристаллы окрашиваются, другие – бесцветны; одни кристаллы растут хорошо, другие – плохо).
5. Быстрее и легче кристалл растёт тогда, когда в насыщенный раствор помещается кристалл- «затравка»

10. Список используемой литературы:

1. Иванюшкина Д. Что такое кристаллы? 2009 г.

2. Соболевский В.И. Замечательные минералы. М.: Просвещение, 1983 г.

3. www.nsportal.ru

4. www.shared.ru

5. www.pandia.ru

6. http://lifeglobe.net