Изучение влияния внешних физических условий на формирование кристалла при его выращивании из раствора

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

"Средняя общеобразовательная школа № 2 им. М.Ф. Костюшева"

Еманжелинского муниципального района Челябинской области

Творческая работа

Изучение влияния внешних физических условий на формирование кристалла при его выращивании из раствора

Автор:

Орзуев Далир Манзарович

5 класс

Научный руководитель:

Орзуева Наталья Анатольевна,  

учитель физики,

МБОУ «СОШ №3»

г. Еманжелинск

2019 г.

Содержание

Введение                                                                                        3

1. Формы кристаллов.                                                                        3
2. Структура кристаллов.                                                                5

3.        Кристаллизация                                                                        6

4.         Рекомендации по выращиванию монокристалла из раствора                                7

Заключение                                                                                         8

Список  литературы                                                                                8

Приложения

Введение

Раньше я думал, что кристаллы – это драгоценные камни – алмазы, самоцветы. Но однажды, в осенние каникулы, я оказался у мамы на работе. Мама у меня работает учителем физики. Мне пришлось довольно долго сидеть в специальной комнате, которая называется лаборантская. Там я увидел много интересных вещей, но больше всего меня заинтересовали кристаллы, которые выращивают ученики. Все кристаллики были разными, невозможно было найти двух одинаковых. Я заинтересовался кристаллами, решил попробовать вырастить кристаллы в дома и выяснить, как условия внешней среды влияют на формирование кристаллов.

Цель работы:

Исследуя влияние различных внешних физических условий на формирование кристалла, выработать методические рекомендации для учащихся к домашнему эксперименту.

Задачи:

Изучить специальную литературу с целью определения степени теоретической разработки данной темы

Изучить уровень методической разработки опыта по выращиванию кристалла.

Исследовать зависимость роста кристалла от внешних физических условий.

Составить методические рекомендации для учащихся.

1.Формы кристаллов

Твёрдые тела, однородные по химическому составу и обладающие одинаковыми физическими свойствами в различных своих частях, называются минералами [4,с17]. По физическим свойствам минералы делятся на аморфные и кристаллические тела.

Кристаллическими называют твёрдые тела, физические свойства которых не одинаковы в различных направлениях, но совпадают в параллельных направлениях. Это свойство кристаллов называются анизотропностью. [4.с17]

Семейство кристаллических тел состоит из двух групп-монокристаллов и поликристаллов. Первые иногда обладают геометрически правильной внешней формой, а вторые не имеют присущей данному веществу определённой формы. Но в отличие от аморфных тел структура поликристаллов неоднородна, зерниста. Они представляют собой совокупность сращенных друг с другом хаотически ориентированных маленьких кристаллов - кристалликов. Поликристаллическую структуру можно обнаружить, если рассматривать с помощью лупы образец на изломе.

По размерам кристаллы бывают различными многие из них можно увидеть только в микроскоп. Но встречаются гигантские кристаллы массой по несколько тонн.

Как отличить кристаллы из разных веществ? По цвету? По блеску? Нет, это признаки ненадёжные. К примеру кристаллы кварца могут быть бесцветными (горный хрусталь), золотистыми, коричневыми, чёрными (дымчатый горный хрусталь, морион), сиреневые, лиловые (аметист). Разные названия, но минерал один и тот же, кварц. В музее горного института в Ленинграде хранится коллекция кристаллов различного природного периода, срока, различных цветов и оттенков: кроваво-красный рубин, голубой сапфир, бесцветный лейкосапфир, чёрный наждак - всё это  один  и тот же минерал  корунд, или  окись алюминия, Ah Оз. [8,с13]

Приглядевшись к кристаллам внимательно, нетрудно увидеть их особенность гораздо более характерную: кристаллы разных веществ отличаются друг от друга своими формами [3,с24]

Кристаллы каменной соли не спутаешь с кристаллами берилла и с медным купоросом [8,с14]. Итак, у каждого вещества формы кристаллов характерны. Кристаллы могут иметь от четырёх до нескольких сотен граней. Но при этом они обладают замечательными свойствами, - какими бы ни были размеры, форма и число граней одного и того же кристалла, все плоские грани пересекаются друг с другом под определёнными углами. Углы между соответственными гранями всегда одинаковы.

Закон постоянства углов, открытый в 1669г датчанином Николаем Стено является важнейшим законом науки о кристаллах - кристаллографии.

От чего же зависит форма кристалла?

Ещё в XVIII на основе изучение свойств твёрдых тел было выдвинуто предположение, что ,кристалл состоит из микроскопических ячеек правильной геометрической формы. Но лишь в 1812г эта гипотеза была подтверждена М. Лауэ при изучении рассеяния рентгеновского изучения в кристаллах. По специальным фотографиям удалось обнаружить эти элементарные метки и определить их формулу и результат у разных кристаллов.[7.с41]

2. Структура кристаллов

Кристаллы — это твердые тела, атомы или молекулы которых занимают определенные, упорядоченные положения в пространстве. Поэтому кристаллы имеют плоские грани. Например, крупинка обычной поваренной соли имеет плоские грани, составляющие друг с другом прямые углы. Кристаллическую структуру имеют металлы. Если взять сравнительно большой кусок металла, то на первый взгляд его кристаллическое строение никак не проявляется ни во внешнем виде куска, ни в его физических свойствах. Металлы в обычном состоянии не обнаруживают анизотропии. Дело здесь в том, что обычно металл состоит из огромного количества сросшихся друг с другом  маленьких кристалликов. Свойства каждого кристаллика зависят от направления, но кристаллики ориентированы по отношению друг к другу беспорядочно. В результате в объеме, значительно превышающем объем отдельных кристалликов, все направления внутри металлов равноправны и свойства металлов одинаковы по всем направлениям. Твердое тело, состоящее из большого числа одиночных кристалликов, называют поликристаллическим. Одиночные кристаллы называют монокристаллами. К поликристаллам относятся не только металлы. Большинство кристаллических тел — поликристаллы, так как они состоят из множества сросшихся кристаллов. Одиночные кристаллы — монокристаллы имеют правильную геометрическую форму, и их свойства различны по разным направлениям.

3. Кристаллизация

Кристаллизация, очень распространенный процесс. Редко какое производство без него необходимо но, конечно, на заводах выращивают кристаллы не ради красоты. Там задача несколько иная. Но иногда  бывает красиво, например, когда выращивают ярко красные рубины. И не только для украшений. В наручных часах очень твёрдые рубины играют  роль опор для вращающихся деталей. А теперь научились выращивать синтетические алмазы, самые твёрдые на свете кристаллы.

Существует различные способы выращивания кристаллов. Часто этот процесс требует высоких температур и огромных давлений (для получения искусственных алмазов), но некоторые кристаллы можно выращивать даже в домашних условиях.[6.с53]

Для того чтобы вырастить кристалл, нужно - прежде всего, приготовить насыщенный раствор какого-либо вещества. Если в воде при постоянной температуре растворить какое-нибудь вещество, то через некоторое время растворение прекращается. Такой раствор называется насыщенным. Максимальное количество вещества, которое можно растворить при данной температуре в 100г воды, называется его растворимостью. Обычно с повышением температуры растворимость увеличивается. Поэтому раствор, насыщенный при одной температуре, становится недосыщенным при более высокой температуре [6,с53]. Если же насыщенный раствор охладить, избыток вещества выпадает в осадок. Следовательно, один способ выращивания кристаллов заключается в том, что надо дать насыщенному раствору охладится.[6,с53]

Получение кристаллов из раствора сводится к двум способам. Первый из них состоит в медленном испарении растворителя из насыщенного раствора, а второй - в медленном понижении температуры раствора. Чаще принимают второй способ. В качестве растворителей используют воду, спирты, кислоты, расплавленные соли и металлы. Недостатком методов выращивания кристаллов из раствора является возможность загрязнение кристаллов частицами растворителя.

Кристалл растёт из тех участков пересыщенного раствора, которые его непосредственно окружают. В результате этого вблизи кристалла раствор оказывается менее пересыщенным, чем вдали от него. Так как пересыщенный раствор тяжелее насыщенного, то над поверхностью растящего кристалла всегда имеется направленный вверх поток "использованного" раствора. Без такого перемешивания раствора рост кристаллов быстро бы прекратится. Поэтому часто дополнительно перемешивают раствор или закрепляют кристалл на вращающемся держателе. Это позволит выращивать более совершенные кристаллы.[4.с41]

Чем меньше скорость роста, тем лучше получается кристаллы. Это правило справедливо для всех методов выращивания [4.с42]

Можно выращивать кристаллы и выпариванием. Ведь если насыщенный раствор испарится, объём его уменьшится, а количество растворённого вещества остаётся прежним. Таким образом, создаётся избыток вещества, который выпадает в осадок. [6,53]

4. Рекомендации по выращиванию монокристалла из раствора.

1.        Возьмите 100г воды и нагрейте до 40С.

2.        Растворите в этой воде: а) ЗОг медного  купороса  в) 35г соли  с) 240г сахара

3.        Профильтруйте раствор и налейте в чистую посуду (стакан, банку). Чтобы избавится от нежелательных кристаллов на стенах стакана или банки, необходимо их пропарить изнутри над носиком кипящего чайника.

4.        Опустите в раствор нитку или проволочку с зазубриной, предварительно намотайте ее на карандаш

5.        Поставьте посуду с раствором в тёплое, хорошо освещённое место, чтобы раствор остывал медленно. При медленном охлаждении можно получить более крупные кристаллы. Если хотите получить много мелких кристаллов, то раствор нужно быстро охладить. Ни чем не накрывайте раствор.

6.        При выращивании монокристалла нельзя вынимать затравку из раствора, иначе получится поликристалл.

7.        Не переставляйте стакан с раствором на солнце или близко к горячей батареи. Температура раствора повысится и кристалл растворится.

8.        Если температура воздуха в комнате:

а) Т>24 С, то кристалл вырастает  за 7-8 дней

в) T=20 С, то кристалл вырастет за 10-11 дней,

с) T<18 С, то кристалл вырастет за 14-15 дней

Заключение

В результате проведенной работы я выяснил, что внешние воздействия влияют на процесс роста кристаллов: монокристаллы растут только в хорошо профильтрованном насыщенном растворе. Это позволило уточнить и дополнить методические рекомендации, найденные в литературе, которые и легли в основу моей работы.

Поскольку при проведении данной работы влияние многих факторов не учитывалось, вопрос роста кристаллов нуждается в дальнейшем изучении.

Результатами этой работы можно воспользоваться при изучении темы «Изменение агрегатных состояний вещества» в 8 классе и «Твердое тело» в 10 классе

Литература

1. Гуревич А. Е. Физика. Строение вещества. – М.: Дрофа, 2007 г. - 126 с.
2. Гегузин Я.Е. Живой кристалл-М:Наука гл.ред.физ.-мат.лит. 1981 г- 192 стр.

3.        Жабин А.Г. Жизнь минералов.- М: Советская Россия, 1976 г-224стр.

4.        Ольгин О.Г. Чудеса на выбор или химические опыты для  новичков М: Детская литература 1987 г- 127стр.;

5.        Опыты в домашней лаборатории -М:Наука гл.ред.физ-мат.лит. 1980 г (библиотека «Квант» №4 ")

6.        Физическая микролаборатория/ под ред Е.С. Объедкова, О.А.Поваляева.- М.:Просвещение, 2001 г.-112 с.

7.         Шаскольская М.П. Кристаллы.-М. Наука,1978 г.-208 с.

8.        Шаскольская М.П. Очерки о свойствах кристаллов.-М.: Наука, 1987 г.-176 с.

9.        https://sites.google.com/site/crystallsgrowing/home/articles/main_article

Приложения

Практическая работа №1. Выращивание поликристалла (условия роста нормальные)

Оборудование и материалы: Банка объемом 500 мл; мелкий кристалл CuSO4, подвешенный на нити, в качестве затравки; нефильтрованный раствор медного купороса;

Условия роста: Температура 22 °С, освещенность нормальная.

Процесс роста:

День 1.Установка оборудования, закрепление кристалла на нити, погружение в нефильтрованный раствор.

День 2. Мы наблюдаем множество монокристаллов на нити и «затравке», образующие поликристалл. Причина появления множества кристаллов — нефильтрованный и недостаточно охлажденный маточный раствор, взвешенные частички в котором образуют множество центров кристаллизации. В этот же день была произведена замена раствора на предварительно отстоянный раствор двукратной фильтрации (фильтрат). Это необходимо для предотвращения появления новых кристаллов на гранях уже существующих, т. к. нам необходим рост уже существующих кристаллов без появления новых.

День 3. Поликристалл увеличился в размерах. Произведена замена раствора на фильтрат.

День 4. Мы наблюдаем значительное увеличение размеров поликристалла. Замена раствора не производилась

День 5. Наблюдается значительное увеличение поликристалла.

День 6. Замена раствора на фильтрат.

День 7. Извлечение кристалла из раствора, покрытие его поверхности прозрачным лаком, для предотвращения выветривания

Вывод на основании эксперимента:

Для выращивания монокристаллов правильной формы необходима тщательная многократная фильтрация маточного раствора, а также предварительное охлаждение его до комнатной температуры во избежание резкого перепада температуры раствора. При введении в раствор центра кристаллизации в процессе резкого охлаждения из-за образования большого количества зародышей образуется множество кристаллов хаотически расположенных друг относительно друга, образующих поликристалл.

Практическая работа № 2. Выращивание монокристалла (условия роста нормальные)

Оборудование и материалы: Банка объемом 500 мл; мелкий кристалл CuSO4, подвешенный на нити, в качестве затравки; предварительно отстоянный, трехкратно профильтрованный через медицинский бинт перенасыщенный раствор медного купороса; тонкий нож для удаления побочных кристаллов.

Условия роста: температура 22°С, освещенность нормальная; в процессе роста необходимо периодическое удаление побочных кристаллов с нити и граней самого кристалла.

Процесс роста:

День 1. Установка оборудования, закрепление кристалла на нити, погружение затравки в раствор.

День 2. После нахождения кристалла в растворе в течение суток, была произведена замена раствора с последующим удалением побочных кристаллов с нити и граней основного кристалла.

День 3. Повторная замена раствора и удаление побочных кристаллов

День 4. Удаление побочных кристаллов и замена раствора.

Вывод на основании эксперимента: монокристалл можно вырастить только в тщательно профильтрованном растворе, периодически удаляя вновь образующиеся кристаллы с граней основного.

Практическая работа №3. Выращивание поликристалла

Оборудование и материалы: Банка объемом 500 мл; мелкий кристалл CuSO4, подвешенный на нити, в качестве затравки; нефильтрованный раствор медного купороса;

Условия роста: Температура 22 °С, освещенность пониженная.

Процесс роста:

День 1.Установка оборудования, закрепление кристалла на нити, погружение в нефильтрованный раствор. Банка с кристаллом помещена в темный шкаф.

День 2. Мы ничего не наблюдаем.

День 4. Наблюдается много кристалликов на дне банки. Замена раствора не производилась

День 7  Мы наблюдаем значительное увеличение размеров поликристалла на дне банки.