Выращиваем кристаллы

Министерство образования и науки Республики Татарстан

 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Казанский национальный исследовательский технологический университет»

Автономная некоммерческая организация «Казанский Открытый Университет Талантов 2.0»

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение «Тетюшская средняя общеобразовательная школа № 1 имени Героя Советского Союза Ханжина Павла Семеновича» Тетюшского муниципального района Республики         

Республиканская научно- практическая конференция школьников

 «Камаевские чтения-2017»»

Исследовательская работа «Выращиваем  кристаллы»

Выполнил: Митрошкин Даниил

Ученик 7 класса

МБОУ «Большеподберезинская средняя

общеобразовательная школа имени А.Е.Кошкина

                                 Кайбицкого муниципального района Республики Татарстан»

Руководитель работы:

Зиннатуллин Рашид Абдулхакович

Учитель биологии и химии  первой квалификационной категории

Г.Тетюши -2017 г

Оглавление

Введение_____________________________________________________3-4  стр.

1.Что такое кристаллы?_________________________________________5-6  стр.

2. Монокристаллы и поликристаллы________________________________5 стр.

2.1. Монокристаллы______________________________________________5 стр.

2.3. Поликристаллы______________________________________________ 6 стр.

3. Правила          техники        безопасности______________________________6 -7 стр.

4.Выбор материала для кристаллизации______________________________7 стр.

5. Методика выращивания кристаллов____________________________8-10 стр.

6. Определение плотности полученных кристаллов________________10-11 стр.

7. Заключение__________________________________________________11 стр.

Библиографический список_______________________________________12 стр.

Приложение ___________________________________________________13 стр.

Введение

Кристаллы – одно из самых красивых и загадочных творений природы.             В кристаллах есть что-то удивительное и завораживающее. Выращивание кристаллов всегда вызывает живой интерес среди учеников младших классов и среднего звена.

Проблема. Подтвердить теоретические основы выращивания кристалла сульфата меди (II) в условиях школьной химической лаборатории и изучить его физические свойства.

Актуальность.  

Во-первых. Кристаллы–это красиво. Они привлекают  внимание “эффектными” симметричными  многогранными формами.

Во вторых познавательно, особенно, если предварительно изучить теоретические вопросы и проблемы.

В третьих, учит аккуратности и усидчивости.

В четвёртых. В условиях сельской школьной химической лаборатории, где для данной работы требуется минимум химических реагентов и оборудования, позволяет выполнить увлекательное исследование .

Цель работы:

1. Вырастить  кристаллы  медного купороса.
2. Определить среднюю плотность кристаллов сульфата меди (II)

Задачи исследования:

1. Изучить и проанализировать теоретический материал по данной теме.
2. Изучить условия образования кристаллов, их формы.
3. Провести опытно- эксперементальную работу по изученной  методике  
4. Проанализировать результаты, сделать выводы и представить результаты.

В своей работе автор использовал  научно- популярную работу  советского кристаллографа академика АН СССР А.В.Шубникова  “ Как растут кристаллы”  и работы его учеников. Также были использованы интернет ресурсы.

Вопрос выращивания кристаллов в домашних условия представлено в интернет ресурсах достаточно широко, однако физические эксперименты с кристаллами изучены недостаточно. Автор при работе над проблемой приобрел теоретические знания о криталлических телах и строении этих тел, опыт очистки веществ фильтрацией,  кристаллизацией, практически изучил вопросы ненасыщенных, насыщенных, пересыщенных растворов, измерения плотности кристаллов, приобрел опыт безопасной работы с химическими веществамии лабораторной посудой, навыки работы  магнитной мешалкой и другим оборудованием.

Оборудование и реактивы:

Химические стаканы на 500 мл, весы электронные технические, весы электронные аналитические, магнитная мешалка, баня лабораторная, воронка стеклянная,фильтровальная бумага, нить хлопчатобумажная.

Объект исследования: Кристаллы

Предмет исследования- Кристаллизация один из методов очистки веществи изучение его свойств

Методы исследования:

- Исследовательский (подбор материала в соответствии с тематикой проекта, используя научную литературу и интернет ресурсы);

- Аналитический – обобщение полученных опытов.

Гипотеза исследования: Кристалл медного купороса –это твердое вещество состава CuSO4·5H2O   имеющее правильную геометрическую форму и посто-  янные углы между гранями.

1. Что же такое кристаллы? С кристаллами человечество познакомилось в глубокой древности. Слово "кристалл", с греческого κρισταλλος, переводится как "лёд". Первоначально особенность кристалла видели в его прозрачности, поэтому это слово употребляли в отношении всех прозрачных природных твердых тел (кварца, кальцита и т.п.), так как считалось, что это тоже лёд, получивший в силу каких-то причин устойчивость при высокой температуре. 
Природные кристаллы всегда возбуждали любопытство у людей. Связано это, в первую очередь, с их часто реализующейся в природе способностью самоограняться, т.е. самопроизвольно принимать форму изумительных по совершенству         многогранников.
С точки зрения строения все вещества делятся на кристаллические и аморфные. Атомы в каждом из этих типов на близком расстоянии образуют упорядоченно расположенную структуру (так называемый «ближний порядок»). При большом удалении атомов друг от друга («дальний порядок») такие структуры могут быть                 расположены         по-разному. 
Если такие структуры на большом расстоянии расположены хаотично, то тело считается аморфным – оно не имеет четкой структуры, не имеет определенной температуры плавления и ведет себя одновременно как жидкость и как твердое тело. К таким телам относятся стекло, мёд, масла, различные виды полимеров. 
Если же эти структуры также упорядочены, то тело является кристаллом. Кристаллы – твердые тела, в которых составляющие их частицы (это могут быть атомы, ионы и молекулы) образуют упорядоченную периодическую структуру,         называемую         кристаллической          решеткой. 
К кристаллам относится большое количество веществ. Они имеют конкретную температуру плавления, являются твердыми телами (за редким исключением), а также имеют форму, одинаковую для всех кристаллов данного вещества. Такое поведение определяется строением кристаллической решетки. 
2. Монокристаллы         и         поликристаллы. 
Если вещества делятся на кристаллические и аморфные, то кристаллы в свою очередь         делятся         на         монокристаллы         и         поликристаллы. 
2.1.Монокристаллы – цельные одиночные кристаллы вещества, которые обладают         всеми         свойствами         кристаллов. 
2.2 .Поликристаллы – несколько сросшихся монокристаллов. Такой сросток не обладает правильной геометрической формой, а также некоторыми специфическими          особенностями,         присущими         монокристаллам. 
Поликристаллы можно рассматривать как что-то среднее между аморфным телом и кристаллом. Как кристаллы они обладают и ближним, и дальним порядком, но "сверхдальный" - т.е. на ещё больших расстояниях - порядок, присущий монокристаллам, в них отсутствует. 

Выращивание кристаллов поистине увлекательное занятие и, пожалуй, самое простое, доступное и недорогое для большинства начинающих химиков, максимально безопасное с точки зрения техники безопасности. Тщательная подготовка и выполнение оттачивают навыки в умении аккуратно, соблюдая требования безопасности обращаться с веществами и правильно организовывать свою работу.

3. Правила         техники         безопасности 
3.1.  Любые работы связанные с химией, должны проводиться строго в специально отведенной под эти цели лабораторной посуде или не предназначенной для употребления пищи посуде. Если она не используется, обязательно вымойте во избежание не удаляемого загрязнения или непредвиденных реакций.

3.2.  При работе с веществами ни в коем случае нельзя пробовать их на вкус, употреблять во внутрь - большинство химических веществ опасны для жизни        даже         в         небольших         дозах. 
3.3.  Прикасаться тоже стоит только в перчатках. Конечно, с некоторыми безопасными веществами можно работать и без них, но после этого нужно обязательно вымыть руки. 

3.4. При нагревании определённых веществ или реакциях с выделением теплоты или газа одевать соответствующие средства защиты кожи и органов дыхания.  
3.5.  При попадании химических веществ в глаза немедленно промыть их большим количеством воды и обратиться к врачу. При попадании химических веществ перорально (через рот) немедленно обратиться к врачу. При попадании едких или вредных веществ на кожу, промыть большим количеством воды. 
Помните, жизнь и здоровье даются нам только один раз. Второго шанса не будет, так что позаботьтесь о мерах защиты заранее.

Во избежании несчастных случаев, необходимо изучить полный курс химической и лабораторной техники безопасности.  

4. Выбор  материала для кристаллизации.

Требования:

• Вещество не должно представлять опасности при правильном обращении
• Доступность и приемлемая цена реактивов
• Вещество должно быть химически чистым
• Способность растворяться в доступном растворителе

Наиболее доступным и  интересным для кристаллизации автор выбрал

сульфат меди (II), медный купорос, халькантит, цианозит 
Формула:         CuSO4·5H2O          Форма кристалла: ромбоэдр,

Скорость         роста:         средняя
Температура: комнатная, при выращивании в горячем растворе растут в основном поликристаллы. 

5. Методика выращивания кристаллов

 Методика основывается на приготовлении пересыщенных растворов с дальнейшей кристаллизацией в открытом сосуде

В методике выращивания можно выделить несколько подпунктов: 

• приготовление маточного раствора;
• получение кристалла-затравки;
• выращивание монокристалла. 

Определяю  насыщенность раствора по прекращению растворения вещества в сосуде
5.1. Приготовление маточного раствора. Для приготовления маточного раствора требуется чистый, хорошо вымытый химический стакан на 500 мл. В стакан засыпают вещество небольшими порциями (1 порция = 1 столовая ложка без горки), каждый раз перемешивая и добиваясь полного растворения. Когда раствор «насытится» – т. е. вещество будет оставаться на дне, добавляют ещё две порции и оставляют раствор при комнатной температуре на сутки, оставляю в лаборатории, где сохраняется относительно постоянная температура.

Закрепляем нить, так чтобы она на несколько см не доходила до донца и висела посередине сосуда. Когда вода остынет на нитке образуется много кристалликов. Осторожно счищаем их оставляя на нити только 3-4 кристаллика которые вам больше всего понравятся. По мере высыхания воды они будут рости.

Чтобы кристаллы росли как можно правильно, кристаллизация должна идти медленно тогда  кристаллы будут  прозрачными. При быстром росте кристаллы мутнеют.
  5.2.         Получение          кристалла-затравки. 
Затравкой называется любой обломок кристалла или целый кристалл, который предназначен для разращивания его до более крупных размеров.

Основные требования к затравке заключаются в следующем:

1) она должна быть монокристальной, без трещин и границ блоков;

2) должна по возможности не содержать включений;

3) не должна иметь острых краев;

4) должна быть по возможности выращена при тех же условиях, при которых предполагается ее разращивание;

5) затравку обычно предпочтительнее брать минимального размера.

Готовый очищенный раствор аккуратно сливают с осадка кристаллов и в количестве 1 л помещают в термостойкую круглодонную колбу. Туда же помещают 1 чайную ложку (с горкой) химически чистого вещества (это могут быть те же выпавшие кристаллы). но кристаллы при этом получатся мелкие и бесформенные, они плотно осядут на стенках раствора и нагревание придётся повторять         снова. 
Спустя сутки, убирают полотенце, не стараясь колыхать стакан, чтобы не вызвать незапланированную кристаллизацию. Осматривают содержимое – на дне и на стенках должны образоваться небольшие кристаллики.  
– Если кристаллики не образовались, значит не насытили раствор как следует и поэтому раствору следует постоять ещё сутки; либо следует увеличить количество         растворяемого вещества, повторив этап заново. 
5.3.         Выращивание         монокристалла 
Монокристалл выращивают из полученной затравки. Используя обычную хлопковую нить, плотно на 1-2 раза обвивают затравку, чтобы она не соскользнула после намокания нити, желательно за самую длинную грань. Второй конец нити можно примотать к карандашу, деревянной или пластиковой палочке, чья длина больше диаметра стакана. Опустите кристалл-затравку в стакан с маточным раствором комнатной температуры. 
Теперь следует следить за ростом кристалла каждый день, ни в коем случае не поднимая, не поворачивая его.

Последовательность операций при приготовлении растворов следующая.

1. Отмеривает растворитель. При этом пользуется обычной мерной химической посудой: При отсутствии мерной посуды растворитель взвешивают. Для добавления и отбора малых количеств жидкости пользуются пипетками.

2. Исходное вещество растирает в ступке и взвешивает. Взвешивание производится на аналитических или технических весах, в зависимости от количества вещества.

3. Вещество засыпает в колбу с растворителем, предварительно нагретым до температуры, на 10—20° С выше предполагаемой температуры насыщения. Затем колбу с растворителем и растворяемым веществом выдерживают при этой температуре с тем, чтобы ускорить процесс растворения вещества. В процессе растворения необходимо перемешивать содержимое колбы до полного растворения — с помощью магнитной мешалки, взбалтыванием и т. п.

6. Определение плотности полученных кристаллов.

В конце эксперимента, выбрал кристаллы для определения их плотности.

1. Определение массы кристаллов:

2. Определение объёма кристаллов

3. Вычисление плотности кристалла:

  Для определения плотности исследуемых  кристаллов использовал формулу

Таблица физических характеристик кристалла

Заключение

Конечно, выращивание кристаллов — достаточно трудное, хлопотливое дело, требующее и знаний, и навыков, и интуиции, сочетающее в себе искусство экспериментатора и науку, однако доступное тем, кто займется этим серьезно.

Выводы:

1. Практически получены кристаллы сульфата меди (II)
2. Средняя плотность полученных кристалло 1,73 г/см3

Результат: Изучив  теоретические основы и методику выращивания кристаллов получили кристаллы сульфата меди (II). (см приложение )

Однако, идеального результата достичь не удалось. В дальнейшем  планирую получить более прозрачный монокристалл правильной формы.

В последующей работе  планирую  изучить возможности получения кристаллов других химических веществ, таких как алюмо-калиевые квасцы, лимонная кислота, сульфат кобальта (II), дихромата аммония и др.

Продукт исследовательской работы (кристалл) может использоваться на уроках окружающего мира, физики, химии, географии и во внеклассных мероприятиях, в кружковых занятиях.

Библиографический список

Выращивание кристаллов из растворов / Т. Г.Петров [и др.];—2-е изд., перераб. и доп.— Л.: Недра, 1983. — 200 с.

Шаскольская, М.П.  Кристаллы / М.П.Шаскольская –М., Наука. Главная редакция физико-математической литературы.1978., 208 стр. с илл.

Шубников,  А. В.  Как растут кристаллы / А.В. Шубников . Москва, Ленинград. :Издательство Академии наук СССР, 1935.-176 стр.

Выращивание кристаллов [Электронный ресурс].- Режим доступа: https://sites.google.com/site/crystallsgrowing/.-  Заглавие  с экрана.-(Дата обращения:25.11.2016)

Приложение

Фотография выращенного криcталла сульфата меди (II)