Научно – исследовательская работа: «Выращивание кристаллов в домашних условиях»

Городской конкурс исследовательских работ

«Первые шаги в науке – 2014»

Научно – исследовательская работа:

«Выращивание кристаллов в домашних условиях»

Автор работы:

Зернина Мария

Сергеевна,

обучающаяся 4 «А» класса

МБОУ «СОШ № 16».

Руководитель:

Скрипунова Светлана

Мхайловна

учитель начальных классов

Кемерово  2014 год

Содержание

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………….….3

ГЛАВА I. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

1. Модель эксперимента…………………………………………….…….3

ГЛАВА II. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1. Что такое кристаллы…………………..…………………………….….4
2. Способы образования кристаллов в природе…………………….…...4
3. Способы искусственного выращивания кристаллов в научных

                    лабораториях……………………………………………………………5

4. Процесс выращивания кристаллов в домашних условиях…………..6
5. Характеристика поваренной соли, её роль в жизни человека……….7

ГЛАВА III. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА

3.1.    Подведение итогов опыта……….……………………………………....9

ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА…………………………………………..11

ВВЕДЕНИЕ

   На уроках окружающего мира в 3 классе я узнала, что в природе существуют кристаллы. Например, водяные пары, оседая на оконное стекло, превращаются в ледяные кристаллы. Также из водяных паров высоко над землёй образуются крохотные льдинки – шестиугольные кристаллики, т. е. снежинки. Кристаллами являются кварц (горный хрусталь), слюда, алмаз, рубин, сапфир и другие драгоценные камни. Из книг я узнала, что кристаллы выращивают в лабораториях. Их широко применяют в науке, промышленности, оптике, электронике.

   Меня очень заинтересовала эта тема, и я решила вырастить кристаллы  в домашних условиях. Вырастить кристалл можно, например, из поваренной соли.

Цель моей работы – выращивание кристаллов в домашних условиях из поваренной соли.

   Передо мной стояли следующие задачи:

1. Изучить литературу по выбранной мною теме.
2. Вести наблюдения за ростом кристаллов поваренной соли.
3. Оформить результаты наблюдений в виде фотографий, записей в таблице.

ГЛАВА 1. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.  Модель эксперимента

   Исследование проводилось на базе квартиры г. Кемерово (улица Профсоюзная, 92). Наблюдение за ростом кристаллов из поваренной соли проводилось с 11.12. 2013 по 24.01. 2014г. г.

ГЛАВА 2. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

2.1. Что такое кристаллы

   Кристаллы – твёрдые тела, в которых атомы расположены закономерно, образуя трёхмернопериодическую пространственную укладку – кристаллическую решётку.

Примером такого твёрдого тела может служить кварц (горный хрусталь) или лёд. Кристаллы – это твёрдые вещества, имеющие естественную внешнюю форму правильных симметричных многогранников [1].

Большинство твёрдых веществ имеют кристаллическую структуру. Их частицы – молекулы, атомы или ионы – расположены в строгом порядке. Такая регулярная структура называется пространственной, или кристаллической, решёткой. Частицы в кристаллических решётках постоянно совершают колебательные движения. С повышением температуры энергия колебаний частиц твёрдого вещества увеличивается, кристаллическая решётка разрушается – происходит плавление [4]. Примером твёрдого вещества, имеющего кристаллическую структуру, может служить поваренная соль или сахар.

Графит (карандашный грифель), алмаз, рубин, сапфир, изумруд – это тоже кристаллы. Алмаз – самый твёрдый из них. Он образуется в глубоких трещинах и природных скважинах в толщах природных пород под действием огромных давлений и высоких температур [3].

В природе существуют сотни веществ, образующих кристаллы. Вода – одно из самых распространённых из них. Замерзающая вода превращается в кристаллы льда или снежинки (шестиугольные кристаллики).

2.2. Способы образования кристаллов в природе

Существует три способа образования кристаллов: кристаллизация из расплава, из раствора и из газовой фазы. Примером кристаллизации из расплава может служить образование льда из воды (ведь вода – это расплавленный лёд), а также образование вулканических пород.

Пример кристаллизации из раствора в природе – получение сотен миллионов тонн соли из морской воды. В мелких прудах – отстойниках в морской воде под действием солнечного тепла вода испаряется. Оставшаяся соль кристаллизуется, и для окончательной сушки её сгребают в кучи [4].

При охлаждении газа (или пара) электрические силы притяжения объединяют атомы и молекулы в кристаллическое твёрдое вещество – так образуются снежинки.

2. 3. Способы искусственного выращивания кристаллов в научных лабораториях  

Наиболее распространёнными способами искусственного выращивания монокристаллов являются кристаллизация из раствора и из расплава. В первом случае кристаллы растут из насыщенного раствора при медленном испарении растворителя или при медленном понижении температуры.

Если твёрдое вещество нагреть, оно перейдёт в жидкое состояние – расплав. Трудности выращивания монокристаллов из расплавов связаны с высокой температурой плавления. Например, для получения кристалла рубина нужно расплавить порошок оксида алюминия, а для этого его нужно нагреть до температуры 2030 градусов.

В пятидесятых годах нашего столетия выяснили, что под давлением около 100 000 атмосфер и температуре 2000 градусов при отсутствии кислорода графит в течение нескольких часов превращается в мелкие алмазы. С этого времени стало развиваться производство искусственных алмазов. Сейчас изучается ещё один способ получения искусственных алмазов – с помощью взрыва. Во время одного из испытаний температура в камере, где произвели взрыв, превысила 2760 градусов, а давление достигло 250 тысяч атмосфер. В результате химических реакций 20 % углерода превратились в алмаз [3].

2. 4. Процесс выращивания кристаллов в домашних условиях

Выращивание кристаллов – процесс очень интересный, но бывает достаточно длительным. Выращивание кристаллов в домашних условиях производят разными способами. Например, охлаждая насыщенный раствор. Сначала в растворе и на стенках сосуда появляются крошечные кристаллы – зародыши. Когда охлаждение медленное, а в растворе нет твёрдых примесей (например, пыли), зародышей образуется немного, и постепенно они превращаются в красивые кристаллики правильной формы. При быстром охлаждении возникает множество мелких кристалликов, почти никакой из них не имеет правильную форму, ведь их растёт большое количество и они мешают друг другу.

Выращивание кристаллов можно осуществить и другим способом – постепенным удалением воды из насыщенного раствора. И в этом случае, чем медленнее удаляется (испаряется) вода, тем лучше получается результат. Для этого сосуд с раствором нужно оставить открытым при комнатной температуре на длительный срок, накрыв его листком бумаги. Вода будет испаряться медленно, и пыль в раствор попадать не будет. Растущий кристаллик можно подвесить в насыщенном растворе на тонкой прочной ниточке.

В домашних условиях лучше всего выращивать кристаллы соли. Для этого требуется обычная пищевая соль (её химическое название хлорид натрия NaCl). Не следует раскрашивать раствор, где растёт кристалл, например красками или чем – нибудь подобным, - это лишь испортит сам раствор, а кристалл всё же не покрасит. Лучший способ получить цветные кристаллы – это подобрать нужную по цвету соль. Например, кристаллы жёлтой соли имеют красно – оранжевый цвет, а раствор получается жёлтым.

Выращивание кристаллов поваренной соли не требует каких – то особых химических препаратов. Сначала разводится раствор поваренной соли. Для этого наливается вода в ёмкость (например, стакан) и ставится в кастрюлю с тёплой водой (не более 50 – 60 градусов). Насыпается соль в стакан и оставляется на 5 минут, предварительно помешав. За это время стакан с водой нагреется, а соль растворится. Температуру воды пока не снижать. Затем добавить ещё соль и снова перемешать. Повторять этот этап опыта до тех пор, пока соль уже не будет растворяться и будет оседать на дно стакана. Получился насыщенный раствор соли. Его нужно перелить в чистую ёмкость такого же объёма, избавившись при этом от лишней соли на дне. Можно взять бусинку, нанизать её на нитку. Нитку с бусинкой подвесить в растворе так, чтобы она не касалась стенок стакана. Теперь нужно подождать. Через пару дней на нитке можно заметить несколько мелких кристалликов соли. С каждым днём их количество и объём будет увеличиваться [2].

2. 5. Характеристика поваренной соли, её роль в жизни человека

Поваренная соль (хлорид натрия) – 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), крупного и мелкого помола, чистая и йодированная, морская и так далее.

В приготовлении пищи поваренная соль употребляется как важная приправа. Соль имеет хорошо знакомый вкус, без которого пища кажется пресной.

Поваренная соль обладает слабыми антисептическими свойствами. 10- 15%  содержание соли предотвращает развитие гнилостных бактерий, что служит причиной её широкого применения при сохранении пищевых продуктов в домашних условиях.

Поваренная соль совершенно необходима для жизнедеятельности организма человека.

Суточная потребность соли составляет 10 – 15 граммов, а в условиях жаркого климата, вследствие потоотделения – до 25 – 30 граммов. Недостаток соли организм восполняет  разрушением костной и мышечной тканей. Недостаток соли может привести к депрессиям, нервным и психическим заболеваниям, нарушениям пищеварения и сердечно – сосудистой деятельности, спазмам гладкой мускулатуры (судорогам), остеопорозу (разрушению костей), анорексии.

В то же время приём избыточного количества соли приводит к повышению кровяного давления и, как следствие, к разнообразным болезням сердца и почек, раку желудка. Физиологической нормой для  человека считается 5 граммов соли в день.

Организм первобытного человека получал необходимую соль с пищей животного происхождения. Однако потребности организма заставляли искать её в более концентрированном виде. Давно было обнаружено, что некоторые растения имеют приятный солёный вкус. Такие растения сушились, а затем сжигались в костре. Полученную золу использовали в качестве приправы к пище. Позднее люди научились поливать горящие в костре куски дерева солёной водой из моря или из озера и оставшуюся золу также использовали в пищу.

Уже за две тысячи лет до нашей эры китайцы научились получать поваренную соль выпариванием морской воды. Способ извлечения соли из морской воды выпариванием независимо был изобретён также в других странах (Индии, Греции, Риме, Франции, Испании, Крыму).

В удалённых от моря районах иногда встречаются подземные соляные источники. Люди издавна использовали их для выпаривания соли. В нашей стране потомки добывали соль из озёр Нижнего Поволжья.  В созвездии соляных озёр этого района особенно выделяются озёра Эльтон и Баскунчак. Исследования озера Эльтон показали, что его донная толща состоит из двух мощных пластов каменной соли, разделённых слоем глины. Толщина нижнего слоя в среднем равна14, 4 м, а верхнего, выстилающего дно – 18, 25 м. Этот слой простирается более чем на 150 кв. м. Но ещё более богато солью озеро Баскунчак, которое и является в настоящее время основной сырьевой базой в Нижнем Поволжье.

В земной коре довольно часто встречаются пласты каменной соли. Считают, что они получены в результате деформации земной коры с пластами осадочных пород, образовавшихся в результате выпаривания морской воды или водяных озёр. Каменная соль при деформациях выдавливается вверх с образованием сплошных соляных куполов, обычно имеющих в плане округлую форму и достигающих нескольких километров в диаметре. Одно из таких давно разведанных местонахождений каменной соли расположено близ Илецка в Оренбургской области. Соляной купол этого месторождения простирается на 2 км в длину, 1 км в ширину и уходит вглубь на 1 км.

Поваренная соль используется в промышленности для получения соды, хлора, соляной кислоты.

Соль применяют для очистки дорог ото льда и снега. Соль, будучи смешанной со льдом, вызывает его таяние (плавление). Образовавшийся водно – солевой раствор имеет температуру кристаллизации (замерзания) ниже 0 градусов, которая зависит от качества соли в растворе (чем выше концентрация, тем ниже температура кристаллизации раствора) [5].

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА

3.1. Подведение итогов опыта  

    На основании проведённых наблюдений в ходе эксперимента с 11. 12. 2013 по 24. 01. 2014 г. г. была составлена таблица роста кристаллов поваренной соли.

    Вывод: в домашних условиях можно вырастить кристаллы поваренной соли способом постепенного удаления (испарения) воды из насыщенного раствора. Выращивание кристаллов  - процесс занимательный, но требующий бережного отношения.

Используемая литература

1. http://ru.wikipedia.org/wiki/кристаллы: Википедия
2. http://www.kristallikov.net
3. Что такое. Кто такой: В 3 т. Т. I. – 3 – е изд., перераб. И доп. – М. Педагогика, 1990. – 384 с.: ил.
4. Большая энциклопедия эрудита. М., Махаон, 2004.
5. http://n–t.ru/ri/kk/hmo3.htm.