Исследовательская работа "Выращивание кристаллов"

МУНИЦИПАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ «ГАЙНСКАЯ СРЕДНЯЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ШКОЛА»

ВЫРАЩИВАНИЕ КРИСТАЛЛОВ В ШКОЛЬНОЙ ЛАБОРАТОРИИ.

                                                                        Работу выполнил:

                                                                             учащийся 9а класса

                                                                                      Петров Даниил Игоревич

_______________________

                                                                  Руководитель:

                                                                    учитель химии

                                                                          Тиунова Людмила

                                                                    Владимировна

_______________________

ГАЙНЫ 2013

Содержание

Введение……………………………………………………………………2

1. История изучения и применение кристаллов……………………………………………………………....3
2. Методы выращивания кристаллов………………………………………………………………5
3. Выращивание кристаллов………………………………………………………………6

Заключение……………………………………………………………….13

Литература ……………………………………………………………….14

Приложения……………………………………………………………….15

Введение

Данная работа посвящена кристаллам. Что же такое кристаллы? Это твёрдые тела, обладающие трёхмерной периодической атомной и молекулярной структурой. К сожалению, на уроках химии не приводится достаточное  количество информации. Однако знания о кристаллах необходимы людям, выбравшим путь химии и промышленности. Конечно, было бы недостаточно просто прочитать про кристаллы и их применение, поэтому мы решили не просто изучить литературу, но и самим попробовать вырастить кристаллы.

Объект работы – кристаллы.

 Предмет – выращивание кристаллов различными способами в различных условиях.

Цель работы -  вырастить кристаллы.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

1. Изучить литературу, посвященную кристаллам.
2. Провести опыты.
3. Сделать выводы.  

В начале работы мы выдвинули гипотезу: кристаллы, выращенные разными способами и в разных условиях,  будут отличны друг от друга.

Выращивание кристаллов будет протекать в условиях магнитного поля и без него, с присутствием затравки  и без неё.

1. История изучения и применение кристаллов

Первоначально кристаллом называли прозрачный кварц правильной формы – горный хрусталь, встречающийся в Альпах. Люди думали, что это лёд, застывший от невероятного холода и больше не плавящийся. Основной особенностью кристаллов  считали их прозрачность, поэтому все прозрачные природные камни стали именовать кристаллами. Позднее стекло, отличающееся особенной прозрачностью, стали называть хрустальным, как и вещи, сделанные из такого стекла. И по сей день прозрачные стёкла именуют хрустальными стёклами.

Только в XVII веке учёные подметили, что некоторые непрозрачные минералы, как и хрусталь, имеют правильную форму, далее была сделана догадка, что форма зависит от внутреннего строения самого минерала. Позднее все минералы укладистой формы стали называть кристаллами. В 1784 году французский аббат Гаюи выдвинул в своей книге предположение, что укладистая форма образуется при правильной укладке мельчайших одинаковых частиц, которых он назвал «молекулярными блоками». Долгое время эта догадка считалась лишь гипотезой, и получила подтверждение лишь в 1912 году немецким ученым М.фон Лауэ. Он установил, что рентгеновские лучи дефрагируют на атомных плоскостях внутри кристалла.

Большое применение кристаллы нашли в промышленности. Особенно широкое применение имеет алмаз. С его помощью, алмазными пилами, режут камни, бурами с алмазными головками бурят горные породы. Алмаз используют для тестирования твёрдости, алмазными свёрлами выполняют наиболее ответственные работы в авиа- и автомобиле строении. «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 лазорево-синий сапфир - это родные братья, это вообще один и тот же минерал - корунд. Разница в цвете возникла из-за очень малых примесей в окиси алюминия. 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.» [1].  Лазер используют для прожигания мельчайших отверстий, сваривания проводов, сверления алмазов. Также лазер используется в хирургии. Из прозрачного сапфира и кварца (хрусталя) делают детали для оптических приборов.

Таким образов, можно смело заявить, что роль кристаллов в жизни человека огромна. Кристаллы используются и в производстве, и в быту,  и в украшениях.

2. Методы выращивания кристаллов

Есть много способов вырастить кристаллы.

Один из них - кристаллизация – охлаждение насыщенного горячего раствора. Это один из самых популярных и простых способов. Приготовляется горячий и насыщенный раствор, потом он постепенно охлаждается. Как известно растворимость с повышением температуры растёт. Возникает вопрос: куда будет деваться растворенное вещество при охлаждении раствора. Ответ простой – выпадать осадком в виде мелких кристалликов.

Второй метод – испарение воды из раствора. Таким образом растворенное вещество будет кристаллизоваться, причем, чем медленнее протекает испарение, тем лучше будет кристаллизоваться вещество.

Третий метод -  выращивание кристаллов из расплавов путём медленного охлаждения. При выращивании кристаллов таким методом, вместо многих мелких кристаллов получится один большой.

Так же кристаллы образуются конденсацией паров. Конденсируясь, пар охлаждается и образует кристаллы.

Кроме этих существует ещё много методов выращивания кристаллов. Некоторые из них требуют специальное оборудование и навыки, некоторые опасны для здоровья. Мы остановимся на методах выпаривания и кристаллизации. Они достаточно быстротечны, не требуют специальных навыков и умений и не опасны для здоровья.

3. Выращивание кристаллов

Так как возможности школьной лаборатории ограничены, наш выбор пал на достаточно простые вещества: поваренная соль, сахар, калия хромат, калия дихромат, красная кровяная соль, жёлтая кровяная соль и медный купорос. Соль и сахар есть в каждом доме, медный купорос продаётся в цветочном магазине как удобрение, а калия хромат, калия дихромат, красная кровяная соль и жёлтая кровяная соль есть в каждой школьной лаборатории.

Выбранные нами методы кристаллизации и испарения требуют насыщенного раствора кристаллизуемого вещества. Как это сделать? Растворять вещество в воде до тех пор, пока оно не перестанет растворяться. После образования осадка на дне следует профильтровать раствор (если осадок не большой фильтровка не обязательна). Растворимость некоторых веществ можно найти и в интернете и в химической литературе. Известно, что растворимость сахара 487 г в 100г воды при t=100°C . Растворимость остальных веществ нам найти не удалось.

Преступим к выращиванию кристаллов. Для начала следует отметить, что кристаллы лучше растут на затравке – постороннем предмете, помещённом в раствор. В нашем случае мы будем использовать три затравки: пластмассовую пуговицу, шерстяную нить с узлами и без узлов.

Сначала мы решили приготовить растворы поваренной соли и сахара методом испарения влаги.

Опыт 1 «Выращивание кристаллов поваренной соли методом испарения»

Оборудование: химические стаканы, чашечки Петри, нагревательная плита.

1. Воду нагрели до кипения в большом химическом стакане.
2. Растворили соль до появления осадка (приготовили насыщенный раствор)
3. Разлили раствор по трём маленьким стаканам в равном количестве.
4. Из стаканов раствор перелили в чашечки Петри и поместили туда затравки.

Разлив раствор по стаканам мы разделили раствор на равные доли. Чашечки Петри использовали, потому что испарение увеличивается с увеличением площади испарения. Через полдня в растворе начали образовываться кристаллики, а через два дня каждая чашка была в мельчайших, еле заметных кристаллах. Отметим, что кристаллы росли не на затравках, а по всему дну и стенках чашек [приложение 1].

Опыт 2 «Выращивание кристаллов сахара методом испарения»

Оборудование: химические стаканы, чашечки Петри, нагревательная плита.

Приготовление раствора и процесс выращивания мало чем отличался от первого опыта. Стоит только сказать, что растворимость у сахара гораздо больше, а кристаллы росли медленнее, но также не на затравках, а по всей поверхности [приложение 2].

Метод испарения не очень удобен, так как требует много времени и кристаллы образуются мелкие.

Опыт 3 «Выращивание кристаллов медного купороса методом кристаллизации раствора»

После выращивания кристаллов сахара и поваренной соли мы приступили к выращиванию кристаллов медного купороса методом кристаллизации. Медный купорос часто используется в подобных работах и, чтобы внести что-то новое в выращивание кристаллов мы решили проделать опыты, выращивая кристаллы в стаканах и пробирках с присутствием затравки (такой же, что и при работе с сахаром и поваренной солью) и без неё, в чашечках Петри под действием магнитного поля и в чашечке Петри без воздействия каких либо внешних факторов.

Раствор был приготовлен так же, как и в первых опытах. После приготовления горячего насыщенного раствора мы разлили жидкость в стаканы, чашечки и пробирки в равном количестве.

Оборудование: чашечки Петри, химические стаканы, пробирки.

Для выращивания кристаллов под действием магнитного поля мы две чашечки Петри поместили на магнит (одну на три маленьких магнита, другую на один продолговатый магнит) и одну оставили без влияния внешних факторов. Кристаллы начали расти примерно через 1-2 часов, и к следующему утру уже были достаточно крупные кристаллы. Нужно отметить, что под действием магнитного поля кристаллы выросли только до определённого размера (5-27мм), а в чашечке без влияний магнита кристаллы росли до крупных размеров (5-48мм) и, как правило, получились правильной формы [приложение 3]. Можно предположить, что магнитное поле каким-то образом блокирует рост кристалла.

В стаканах, как и в первом опыте, на затравке-пуговице кристаллы не выросли, а выросли на дне. Однако на шерстяной нитке выросли достаточно хорошие кристаллы, причем, на шерстяной нитке без узлов выросли средние (1-15 мм) кристаллы в небольшом количестве, в стакане с пуговицей и в «пустом» стакане выросли крупные (3-34 мм), а на нитке с узлами выросло большое количество маленьких кристаллов (1 – 5 мм) [приложение 4].

В пробирках кристаллы вырасли на дне. В случаи с пуговицей кристаллы словно застыли, на шерстяной нитке выросли мелкие кристаллы.

Опыт 4 «Выращивание кристаллов хромата калия, дихромата калия, красной и жёлтой кровяных солей методом кристаллизации раствора»

Кроме медного купороса мы выращивали кристаллы Хромата калия, Дихромата калия и красной и жёлтой кровяных солей.

Оборудование: химические стаканы.

Растворы были приготовлены таким же образом, что и растворы соли и сахара. Мы решили использовать шерстяную нить с узлами в качестве затравки. Кристаллы вырасли очень яркими и не крупными (1-3 мм) и, что более важно, имели правильную геометрическую форму [приложение 5].

Таким образом росли кристаллы методом кристаллизации раствора. Этот способ удобнее способа испарения. Он требует меньше времени и образует более крупные и правильные кристаллы.

Сделаем вывод:

В целом выращенные кристаллы оправдали наши ожидания. На шерстяной нитке выросли обильные и крупные кристаллы, это обьясняется наличием ворсинок на поверхности нити. Кристаллы, вырощенные под влиянием магнитного поля получились мелкие, но в большом количестве. Кристаллы, вырощенные без влияния магнита, напротив получились крупные и правильной формы. Неожиданностью для нас стал тот факт, что на пуговице кристаллы не выросли в принцепе. Это можно обьяснить её гладкостью. Кристаллы хромата, дихромата калия и красной и желтой кровяных солей выросли на затравке (как предполагалось) и правильной формы.

Заключение

        Во время работы мы изучили литературу о применении и истории изучения кристаллов. Получили опыт по приготовлению насыщенных растворов и выращиванию кристаллов методами испарения и кристаллизации. Больше узнали о растворимости веществ. Проделав опыты, мы выяснили, что не всегда кристаллы будут хорошо расти на затравке (если затравка – гладкий предмет). Также мы узнали о возможности магнитного поля блокировать рост кристаллов.

        В дальнейшем возможно продолжение работы и выращивание кристаллов под воздействием звуковых волн разных частот.

        В целом можно сказать, что цель достигнута. Мы вырастили кристаллы разными способами в различных условиях.

Литература:

1. http://course-crystal.narod.ru
2. www.geniouse.psu.ru 

Приложения:

Приложние 6  «Размеры кристаллов (мм) в ребре»