« Юные алхимики о кристаллах в шутку и всерьёз.(Исследование физических свойств выращенных кристаллов)»

Департамент Образования города Москвы

Северо-Западное окружное управление образования

Государственное образовательное учреждение средняя образовательная школа «Школа здоровья» № 69 имени Б.Ш.Окуджавы

Окружной конкурс проектных и исследовательских работ

«Будущее Северо-Запада»

Номинация  «Искатели»

Направление образовательные проекты и исследования 

Секция  Химия

Тема           « Юные алхимики о кристаллах в шутку и всерьёз.

                      (Исследование физических свойств выращенных кристаллов)»

Исследовательская работа

Авторы

Коржов Иван Владимирович, 5а класс, 22 июля 1999, ул Куклакова д8, кв36, 750-16-88

Джомидава Илья Терентьевич, 5а класс, 13 мая 1999. Ул Исаковского, д33,

кв 312, 757-71-51

Руководитель работы Кузнецова Наталья Георгиевна, учитель химии, высшая категория

Москва  2010-2011

Содержание.

Введение………………………………………………………………………3

Глава 1. Обзор  литературы  по  теме  исследования………..…………   5

1. Что такое кристаллы?........................................................................5
2. Какие бывают кристаллы………………………………………….….6

1.3     Как вырастить кристаллы…………………………………….…….…..6
1.4     Применения кристаллов в науке и технике……………………...……9

Глава 2. Экспериментальная  часть…………………………………….…14

2.1   Цель,  гипотеза  и  задачи  исследования…………………………...14

2.2   Методика  исследования……………………………………………...14

2.3   Результаты  исследования……………………………………………16

2.4   Обсуждение  результатов………………………………………….…16

Заключение……………………………………………………………….…16

Библиография………………………………………………………….…...18

Приложения………………………………………………………………...19

Введение

Живя на Земле, сложенной кристаллическими породами, мы, безусловно, никак не можем отвлечься от проблемы кристалличности: мы ходим по кристаллам, строим из кристаллов, обрабатываем кристаллы на заводах, выращиваем их в лабораториях, широко применяем в технике и науке, едим кристаллы, лечимся ими... Изучением многообразия кристаллов занимается наука кристаллография. В давние времена считалось, что кристаллы представляют собой редкость. Действительно, нахождение в природе крупных однородных кристаллов - явление нечастое. Однако мелкокристаллические вещества встречаются весьма часто. Так, например, почти все горные породы: гранит, песчаники, известняк - кристалличны.  Сейчас мы знаем, что даже некоторые части организма кристалличны, например, роговица глаза, витамины, мелиновая оболочка нервов - это кристаллы. Долгий путь поисков и открытий, от измерения внешней формы кристаллов до тонкости их атомного строения еще не завершен. Но теперь исследователи довольно хорошо изучили его структуру и учатся управлять  свойствами кристаллов.
       Кристаллы – это красиво, можно сказать чудо какое-то, они притягивают к себе; говорят же "кристальной души человек" о том, в ком чистая душа. Кристальная – значит, сияющая светом, как алмаз …И если говорить о кристаллах с философским настроем, то можно сказать, что это материал, который является промежуточным звеном между живой и неживой материей.      

Кристаллы могут зарождаться, стареть, разрушаться.
Актуальность.

Мы встречались с кристаллами с самого раннего детства в своих любимых сказках: Павла  Бажова  «Хозяйка медной горы», Шарля Перро «Золушка», Братья Гримм «Хрустальный шар», Волкова  А. М. «Волшебник Изумрудного города», А.С. Пушкина  "Сказка о царе Салтане" .

                При изучении  природоведения в пятом классе мы познакомились с некоторыми горными породами, и пришли к выводу, что почти все они имеют кристаллическую природу (гранит, песчаники, известняк). Интересно было узнать, как образуются кристаллы, что влияет на их свойства.

Цель – обратить внимание педагогов на то, что нам интересно заниматься такими взрослыми науками как химия, физика экспериментально, уже сей час в пятом классе. Повысить мотивацию младших школьников к изучению предметов естественного цикла.

 В работе мы попытались доказать,  что форма и размер кристалла зависят от растворенного вещества.
Проблема,  рассматриваемая  в  нашем  исследовании,  заключается  в недостаточном количестве интересных экспериментальных, доступных исследований для младших школьников по химии, физике, которые мы можем выполнить самостоятельно, которые повысят мотивацию младших школьников к изучению предметов естественного цикла.

Объектом  исследования мы выбрали выращенные кристаллы.

Как предмет  исследования определили  физические свойства выращенных кристаллов.

Гипотеза.

                Если изучать естественные дисциплины через исследовательскую работу в младших классах, то к  предмету развивается сознательный интерес раньше.

                Также мы предположили, что на физические свойства кристаллов, форму и размер влияет природа растворяемого вещества. 

Задачи  исследования.

• Изучить литературные источники по теме исследования;
• Вырастить кристаллы различных веществ;
• Выявить свойства кристаллов;
• Проанализировать  полученные  данные;
• Максимально распространить полученные результаты в, школе среди учащихся младших и средних классов, заинтересовать ровесников своей работой.

Методика  исследования.  

Метод  исследования –  экспериментальный,  включает  следующие  этапы:

I этап.  Подготовительный.  

           Была  составлена  программа  исследования:

• –  Изучить литературные источники по теме.
• – Определить вещества, которые можно использовать для выращивания кристаллов.
• – Вырастить кристаллы.

 II этап.  Проведение  анализа.

•  – Провести опыты по изучению физических свойств выращенных кристаллов.

III этап. Группировка  и  сводка данных.

IVэтап. Анализ  полученных  данных.

V этап. Формулирование  выводов.

Новизна.  

                Научная  новизна  исследования  заключается  в  следующем:

В ГОУ СОШ «Школа здоровья» №69 имени Б.Ш.Окуджавы исследования по этой теме данным методом не проводились.

Глава 1. Обзор  литературы  по  теме  исследования. 

1.1Что такое кристаллы?

Кристаллы (от греч. krystallos, что первоначально означало «лёд») - вещества, атомы или молекулы которых образуют кристаллическую решётку, то есть, расположены в правильном повторяющемся порядке. Кристаллизация – процесс образования кристаллов из паров, растворов, расплавов. Кристаллизация начинается при достижении некоторого предельного условия, например, переохлаждения жидкостей, пересыщения пара, когда практически мгновенно возникает множество мелких кристалликов – центров кристаллизации. Кристаллики растут, присоединяя атомы или молекулы из жидкости или пара. Кристаллы можно вырастить из растворов разных веществ. Наверное, все видели кристаллы воды - лёд. Вы часто рассматривали        узоры на окнах зимой, а это ведь тоже кристаллы воды.
     Множество разных веществ образуют кристаллы. Например, металлы, драгоценные камни, и даже такие обыкновенные вещества, как соль и сахар.

1.2 Какие бывают кристаллы.

       Кристаллы бывают разной формы. Иногда образуются дендриты - это кристаллы, похожие на веточки дерева. Они очень хрупкие, но очень красивые. Это дендриты серебра и золота:
 Русский металловед Д.К. Чернов в отливке стального орудийного ствола нашёл очень крупный кристалл (46 см) - дендрит Чернова. Очень интересную структуру имеют многие кристаллы. Существует даже специальный музей, посвящённый дендритам и драгоценным камням – Минералогический музей.

1.3Как вырастить кристаллы.

          Сначала приготовим как можно более концентрированный раствор выбранной соли, внося соль в стакан с водой, - до тех пор, пока очередная порция соли не перестанет растворяться при перемешивании. После этого слегка подогреем смесь, чтобы добиться полного растворения соли. Для этого стакан поставим на «водяную баню»

             Полученный концентрированный раствор перельем в химический стакан; туда же с помощью проволочной перемычки  подвесим на нитке кристаллическую "затравку" - маленький кристаллик той же соли - так, чтобы он был погружен в раствор. На этой "затравке" и предстоит расти будущему экспонату вашей коллекции кристаллов.

          Сосуд с раствором поставим в открытом виде в теплое место. Когда кристалл вырастет достаточно большим, вынем его из раствора, обсушим мягкой тряпочкой или бумажной салфеткой, обрежем нитку и покроем грани кристалла бесцветным лаком, чтобы предохранить от "выветривания" на воздухе.

Как вырастить кристалл сахара.

          Довести воду до кипения, ибо при повышенной температуре растворение вещества повышается, это необходимо для создания условия в дальнейшем выпадению кристаллов. Делается это просто - насыпаем в кипящую воду сахар и растворяем  (не прекращая нагревания воды!) до тех пор, пока сахар не перестанет растворяться. 
        Оставить готовый раствор в сторону, остужаться....
Одновременно готовим центр кристаллизации - выбираем из сахара(сухого вещества) наиболее крупный кристаллик, чтобы его можно было насадить на волос (!) обматываем волос вокруг кристаллика и опускаем в немного остывший раствор, Нитка тоже может подойти, но тогда грани на кристалле такого маленького размера могут смазаться и кристалл получится "не ровным", если же задача не состоит в том, чтобы вырастить правильный кристалл, то можно посадить центр кристаллизации на нитку... 
            Чем медленнее будет остывать раствор, тем более "правильный" кристалл вырастет, так же нужно следить за уровнем жидкости, в которую погружен кристалл, и при необходимости доливать сироп, но сироп должен быть остывшим!

Как вырастить кристаллы в домашних условиях.

               Для этого вам не потребуется много усилий, зато в итоге получите весьма привлекательные изделия, которые, кстати, можно использовать в качестве украшений для елки.
           Прежде чем, приступить к непосредственно изготовлению, необходимо обзавестись растворимыми цветными солями.

Например, можно найти никель сернокислый или медный купорос.

После того как основной ингредиент будущего кристалла найден, берете чистый стакан и заполняете его дистиллированной водой.

И начинайте постепенно растворять соль в воде. Кстати, при нагревании соль растворяется лучше, быстрее и больше.
При этом можете комбинировать соли.

Затем продолжайте нагревать раствор и подсыпать соль.

Доведите раствор до кипения и продолжайте подсыпать соль.

Сыпьте до тех пор, пока соль не перестанет растворяться в растворе. В среднем на 100г воды уходит 250г соли никеля сернокислого.
Далее снимаете стакан с раствором с подогрева и вынимаете все лишние предметы из него. Сразу же после этого опускаете в стакан веревочку, на которой будет образовываться кристаллики.
Если раствор охлаждать быстро, то кристаллы будут тоже расти быстро, но их форма может оказаться неправильной.

Если же раствор охлаждать медленно, то форма кристаллов будет правильной.

Вот и все. Как видите выращивание кристаллов своими руками - это довольно просто.

1.4 Применения кристаллов в науке и технике.

Применения кристаллов в науке и технике так многочисленны и разнообразны, что их трудно перечислить. Поэтому ограничимся несколькими примерами.

       Самый твердый и самый редкий из природных минералов - алмаз. Сегодня алмаз в первую очередь камень-работник, а не камень-украшение.

        Благодаря своей исключительной твердости алмаз играет громадную роль в технике. Алмазными пилами распиливают камни. Алмазная пила - это большой (до 2-х метров в диаметре) вращающийся стальной диск, на краях которого сделаны надрезы или зарубки. Мелкий порошок алмаза, смешанный с каким-нибудь клейким веществом, втирают в эти надрезы. Такой диск, вращаясь с большой скоростью, быстро распиливает любой камень.

      Колоссальное значение имеет алмаз при бурении горных пород, в горных работах.

      В граверных инструментах, делительных машинах, аппаратах для испытания твердости, сверлах для камня и металла вставлены алмазные острия.

     Алмазным порошком шлифуют и полируют твердые камни, закаленную сталь, твердые и сверхтвердые сплавы. Сам алмаз можно резать, шлифовать и гравировать тоже только алмазом. Наиболее ответственные детали двигателей в автомобильном и авиационном производстве обрабатывают алмазными резцами и сверлами.

     Рубин и сапфир относятся к самым красивым и самым дорогим из драгоценных камней.

У всех этих камней есть и другие качества, более скромные, но полезные. Кроваво-красный рубин и лазарево-синий сапфир - это родные братья, это вообще один и тот же минерал - корунд, окись алюминия А12О3. Разница в цвете возникла из-за очень малых примесей в окиси алюминия: ничтожная добавка хрома превращает бесцветный корунд в кроваво-красный рубин, окись титана - в сапфир. Есть корунды и других цветов. Есть у них ещё совсем скромный, невзрачный брат: бурый, непрозрачный, мелкий корунд - наждак, которым чистят металл, из которого делают наждачную шкурку. Корунд со всеми его разновидностями - это один из самых твердых камней на Земле, самый твердый после алмаза. Корундом можно сверлить, шлифовать, полировать, точить камень и металл. Из корунда и наждака делают точильные круги и бруски, шлифовальные порошки.

      Вся часовая промышленность работает на искусственных рубинах. На полупроводниковых заводах тончайшие схемы рисуют рубиновыми иглами. В текстильной и химической промышленности рубиновые нитеводители вытягивают нити из искусственных волокон, из капрона, из нейлона.

      Новая жизнь рубина - это лазер или, как его называют в науке, оптический квантовый генератор (ОКГ), чудесный прибор наших дней. В 1960г. был создан первый лазер на рубине. Оказалось, что кристалл рубина усиливает свет. Лазер светит ярче тысячи солнц.

      Мощный луч лазера громадный мощностью. Он легко прожигает листовой металл, сваривает металлические провода, прожигает металлические трубы, сверлит тончайшие отверстия в твердых сплавах, алмазе. Эти функции выполняет твердый лазер, где используется рубин, гранат с неодитом. В глазной хирургии применяется чаще всего неодиновые лазеры и лазеры на рубине. В наземных системах ближнего радиуса действия часто используются инжекционные лазеры на арсениде галлия.

     Появились и новые лазерные кристаллы: флюорит, гранаты, арсенид галлия и др.

Сапфир прозрачен, поэтому из него делают пластины для оптических приборов.

Основная масса кристаллов сапфира идет в полупроводниковую промышленность.

Кремень, аметист, яшма, опал, халцедон — все это разновидности кварца. Мелкие зернышки кварца образуют песок. А самая красивая, самая чудесная разновидность кварца - это и есть горный хрусталь, т.е. прозрачные кристаллы кварца. Поэтому из прозрачного кварца делают линзы, призмы и др. детали оптических приборов.

Особенно удивительны электрические свойства кварца. Если сжимать или растягивать кристалл кварца, на его гранях возникают электрические заряды. Это - пьезоэлектрический эффект в кристаллах.

      В наши дни в качестве пьезоэлектриков используют не только кварц, но и многие другие, в основном искусственно синтезированные вещества: синетову соль, титанат бария, дигидрофосфаты калия и аммония (КДР и АДР) и многие другие.

      Пьезоэлектрические кристаллы широко применяются для воспроизведения, записи и передачи звука.

      Существуют и пьезоэлектрические методы измерения давления крови в кровеносных сосудах человека и давления соков в стеблях и стволах растений.Пьезоэлектропластинками измеряют, например, давление в стволе артиллерийского орудия при выстреле, давление в момент взрыва бомбы, мгновенные давления в цилиндрах двигателей при взрыве в них горячих газов.

       Эдектрооптическая промышленность - это промышленность кристаллов, не имеющих центра симметрии. Эта промышленность очень велика и разнообразна, на её заводах выращивают и обрабатывают сотни наименований кристаллов для применения в оптике, акустике, радиоэлектронике, в лазерной технике.

       В технике также нашел своё применение поликристаллический материал поляроид.

Поляроид - это тонкая прозрачная пленка, сплошь заполненная крохотными прозрачными игольчатыми кристалликами вещества, двупреломляющего и поляризующего свет. Все кристаллики расположены параллельно друг другу, поэтому все они одинаково поляризуют свет, проходящий через пленку.

       Поляроидные пленки применяются в поляроидных очках. Поляроиды гасят блики отраженного света, пропуская весь остальной свет. Они незаменимы для полярников, которым постоянно приходится смотреть на ослепительное отражение солнечных лучей от заледеневшего снежного поля.

       Поляроидные стекла помогут предотвратить столкновения встречных автомобилей, которые очень часто случаются из-за того, что огни встречной машины ослепляют шофера, и он не видит этой машины. Если же ветровые стекла автомобилей и стекла автомобильных фонарей сделать из поляроида, причем повернуть оба поляроида так, чтобы их оптические оси были смещены, то ветровое стекло не пропустит света фонарей встречного автомобиля, "погасит его".

       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.

Применения кристаллов в науке и технике так многочисленны и разнообразны, что их трудно перечислить. Поэтому ограничимся несколькими примерами.

Сейчас, пожалуй, нельзя назвать ни одну дисциплину, ни одну область науки и техники, которая бы обходилась без кристаллов. Таблетки – это спрессованные кристаллы. Витамины, миелиновая оболочка нервов, белки, и вирусы – это все кристаллы.
        Как пример использования кристаллов можно взять кристалл кварца, который используется в телефонных трубках. Если на пластинку из кварца воздействовать механически, то в ней в соответствующем направлении возникнет электрический заряд. В трубке микрофона кварц преобразует механические колебания воздуха, вызванные говорящим, в электрические. Электрические колебания в трубке Вашего абонента, преобразуются в колебательные, и, соответственно, он слышит речь.

Глава 2. Экспериментальная  часть

2.1 Цель,  гипотеза  и  задачи  исследования

Целью нашей работы было доказать, что форма и размер кристалла зависят  от растворенного вещества.

Проблема,  рассматриваемая  в  нашем  исследовании,  заключается  в  большом количестве противоречивых данных по этой теме.

При работе над проблемой была выдвинута гипотеза:

На физические свойства кристаллов, форму и размер влияет природа растворяемого вещества.

Нами были поставлены следующие задачи:

• Изучить литературные источники по теме исследования;
• Вырастить кристаллы различных веществ;
• Выявить свойства кристаллов;
• Проанализировать  полученные  данные;
• Определить  причины  выявленных  результатов.

2.2Методика  исследования

Метод  исследования –  экспериментальный,  включает  следующие  этапы:

I этап.  Подготовительный.  

           Была  составлена  программа  исследования:

• –  Изучить литературные источники по теме.
• –  Определить вещества, которые можно использовать для  

      выращивания кристаллов.

• –   Вырастить кристаллы.
• – Провести опыты по изучению физических свойств выращенных кристаллов.

II этап.  Проведение  анализа.

Материалы и оборудование:

Медный купорос, поваренная соль, химические стаканы, воронки, стеклянные палочки, фильтры бумажные, проволочный каркас, шерстяная нить, электроплитка.

Ход работы

1. Приготовить как можно более концентрированный раствор выбранной соли, внося соль в стакан с водой, - до тех пор, пока очередная порция соли не перестанет растворяться при перемешивании.
2. Слегка подогреть смесь, чтобы добиться полного растворения соли. Для этого химический стакан с раствором поставить на электроплитку.
3. Полученный концентрированный раствор перелить, фильтруя, в другой химический стакан.
4. В медленно остывающий раствор опустить предварительно изготовленный проволочный каркас, на этой «затравке» предстоит расти кристаллу.
5. Таким образом вырастить кристаллы медного купороса, поваренной соли и сахара.
6. Исследование свойств полученных кристаллов:

а) растворение в горячей воде образца кристалла медного купороса;

б) растворение в холодной воде при температуре замерзания образца кристалла медного купороса;

в) сравнение физических свойств образцов кристаллов медного купороса, поваренной соли, сахара.

  III этап. Группировка  и  сводка данных.

  IVэтап. Анализ  полученных  данных.

  V этап. Формулирование  выводов.

2.3Результаты  исследования

При проведении опыта, были получены следующие результаты.

     1.Кристаллы медного купороса выросли очень быстро, за одну ночь, а потом еще подрастали, они синего цвета, по форме похожи на ромб.

     Если охлаждать раствор быстро, то кристаллов появляется много, но они мелкие, а если остывание раствора идет медленно, то кристалл образуется более крупный сразу.

  2.Кристаллы поваренной соли растут медленно. Они прозрачные, почти правильной кубической формы.

  3. Кристаллы сахара вырастить очень сложно, они растут очень медленно, прозрачные.

  4. При растворении кристалла медного купороса в горячей воде увидели следующее: кристалл растворился за 8 минут 45 сек. При этом вода окрасилась в синий цвет.

 5. Положили кристалл медного купороса в холодную воду и поставили в морозильник, наблюдаем, что происходит.

- Кристалл растворился  за 3,5 часа,   раствор  замерз.

2.4Обсуждение  результатов

С помощью наблюдений мы узнали, что кристалл сахара прозрачный и растёт медленнее кристалла соли, который белого цвета, а кристалл медного купороса синий, прозрачный и растёт быстрее всех кристаллов. А также, что все кристаллы разной формы.

Заключение.

Применяя полученные знания, мы смогли вырастить новогодний сувенир в виде ёлочки из медного купороса, нашим одноклассникам очень понравилось. Они тоже хотят работать в школьной химической лаборатории.

Мы выступали с нашей работой перед учащимися начальной школы и перед родителями, наша работа была представлена на городском семинаре учителей химии.

Выводы по работе:

       Пробуя самостоятельно выращивать кристаллы,  мы начали знакомиться с такой интересной наукой – химия. Работая над этой темой мы поняли, что очень многого не знаем, но хотим узнать, хотим научиться делать своими руками интересные опыты и уметь объяснять почему так происходит, поэтому мы хотим, чтобы в нашей школе  работал кружок «Юного химика» для нас, пятиклассников и всех, интересующихся химией, но ещё не изучающих её.

   Нам удалось заинтересовать одноклассников нашей работой, что возможно повлияет на их дальнейший выбор профессии, таким образом, наша гипотеза о том, что через исследовательскую работу развивается сознательный интерес к предмету в раннем школьном возрасте, доказана.

Выполняя исследование, мы увидели, насколько различаются кристаллы разных веществ, и тем самым доказали  нашу вторую  гипотезу.

Поэтому практическая  значимость нашей работы заключается в следующем:

1. Мы познакомились с новой для себя наукой.
2. Узнали, как называется некоторая химическая посуда и для чего она нужна.
3. Учились описывать физические свойства вещества, проводить опыты для изучения этих свойств.
4. Мы вырастили образцы кристаллов, которые будут первыми в нашей коллекции. Мы хотим продолжить эту тему, хотим попробовать вырастить кристаллы из других веществ, другого цвета, другой формы.
5. Мы смогли увлечь одноклассников своей работой, многие из них хотят заниматься в школьной химической лаборатории, заинтересовались химией как наукой.
6. Наша работа была представлена на городском семинаре учителей химии.

Библиография.

1. Аликберова Л.Ю. Занимательная химия: Книга для учащихся, учителей и родителей. М., АСТ-ПРЕСС, 1999
2. Лидин Р.А. и др. Химические свойства неорганических веществ: Учеб. пособие для вузов / Р.А. Лидин, В.А. Молочко, Л.Л.Андреева; под ред. Р.А.Лидина. М., Химия, 1996
3. Степин Б.Д., Аликберова Л.Ю. Книга по химии для домашнего чтения,

2-е изд. М., Химия, 1995

4. Степин Б.Д., Аликберова Л.Ю., Рукк Н.С. Домашняя химия. Химия в быту и на каждый день. М., РЭТ, 2001
5. htt://s83photobucet.com