Исследовательская работа по физике «Кристаллы»

ВВЕДЕНИЕ

В кристаллах есть что-то удивительное и завораживающее. Они поражают своей четкостью линий и симметрией, в которой скрывается необыкновенная красота. Я сразу заинтересовалась темой «кристаллы». Природные кристаллы всегда возбуждали любопытство у людей. Их цвет, блеск и форма затрагивали человеческое чувство прекрасного, и люди украшали ими себя и жилище. С давних пор с кристаллами были связаны суеверия; как амулеты, они должны были не только ограждать своих владельцев от злых духов, но и наделять их сверхъестественными способностями. Позднее, когда те же самые минералы стали разрезать и полировать, как драгоценные камни, многие суеверия сохранились в талисманах «на счастье» и «своих камнях», соответствующих месяцу рождения. Все природные драгоценные камни, кроме опала, являются кристаллическими, и многие из них, такие, как алмаз, рубин, сапфир и изумруд, попадаются в виде прекрасно ограненных кристаллов. Украшения из кристаллов сейчас столь же популярны, как и во время неолита. Минералы, используемые для ювелирных целей или красивой чистого тона окраски.

Большинство драгоценных камней отличаются блеском, прозрачностью, сильным светорассеиванием, высокой твердостью и способностью принимать огранку.

Красота кристаллов всегда восхищала человека. Раньше считалось, что горный хрусталь (вид кварца) – это окаменевший лед, который никогда не растает. На самом деле кристаллы (от греческого слова «Криос» - «ледяной холод») – это твердые тела со строгим внутренним расположением атомов, которому соответствуют симметрия их внешних гладких поверхностей – граней.

Актуальность работы: работа интересная и познавательная. Кристаллы играли и играют до сих пор немаловажную роль в жизни человека. Они обладают оптическими и механическими свойствами, именно поэтому первые линзы, в том числе и для очков, изготавливались из них. Кристаллы до сих пор применяются для изготовления призм и линз оптических приборов. Кристаллы сыграли важную роль во многих технических новинках XX века.

Кроме того, кристаллы можно выращивать из раствора. Это удивительное свойство кристаллических тел!

Цель работы: вырастить кристаллы разнообразных веществ из растворов и сравнить их свойства, определить оптимальные условия для выращивания кристаллов.

Для реализации поставленной цели я поставила перед собой следующие задачи:

1. Рассмотреть свойства кристаллов.

2. Рассмотреть разнообразие мира кристаллов.

3. Вырастить кристаллы различных веществ при разнообразных условиях и сравнить их свойства.

4.Определить роль кристаллов в современном мире.

Предмет исследования: кристаллы.

Объект исследования: выращивание кристаллов из растворов.

Гипотеза работы: вырастить и изучить кристаллы различных солей, определить наиболее оптимальные условия для выращивания кристаллов, предложить наиболее оптимальный способ выращивания кристаллов.

I. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О КРИСТАЛЛАХ И ИХ СВОЙСТВАХ

Наука, занимающаяся изучением кристаллов и их свойств, называется кристаллографией.

Кристаллография зародилась в древности и развивалась в тесной связи с минералогией как наука, устанавливающая законы огранения кристаллов.

Наблюдение и измерение огранения кристаллов, установление законов огранения — предмет геометрической кристаллографии. На основе геометрической кристаллографии возникла гипотеза об упорядоченном, трёхмерно-периодическом расположении в кристалле составляющих его частиц, в современном понимании — атомов и молекул, которые образуют кристаллическую решетку. Геометрическая кристаллография изучает основные метрические характеристики кристаллической решетки, периоды повторяемости и углы элементарной ячейки, разрабатывает методы их описания и устанавливает закономерности их огранения.

Результаты, полученные при структурных исследованиях кристаллов, легли в основу структурной кристаллографии. Структурная кристаллография исследует атомно-молекулярное строение кристаллов методами рентгеноструктурного анализа, электронографии, нейтронографии, электронной микроскопии.

Симметрийные и структурные закономерности, изучаемые кристаллографией, находят применение в рассмотрении общих закономерностей строения и свойств конденсированного состояния вещества: аморфных тел и жидкостей, полимеров, биологических макромолекул, надмолекулярных структур и т. п. Этим занимается обобщенная кристаллография.

I.1. Сведения о кристаллах

I.1.1. Структура кристалла

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 между собой прямые углы. Это можно заметить, рассматривая соль с помощью лупы. А как геометрически правильна форма снежинки! В ней также отражена геометрическая правильность внутреннего строения кристаллического тела – льда.

Не все кристаллы одинаковы. Существуют монокристаллы и поликристаллы. Твердое тело, состоящее из большого числа маленьких кристаллов, называют поликристаллическим. Одиночные кристаллы называются монокристаллами.

Соблюдая большие предосторожности, можно вырастить металлический кристалл больших размеров – монокристалл. В обычных условиях поликристаллическое тело образуется в результате того, что начавшийся рост многих кристаллов продолжается до тех пор, пока они не приходят в соприкосновение друг с другом, образуя единое тело.

К поликристаллам относятся не только металлы. Кусок сахара, например, тоже имеет поликристаллическую структуру. Большинство кристаллических тел – поликристаллы, так как состоят из множества сросшихся кристаллов. Одиночные кристаллы - монокристаллы, так как имеют правильную геометрическую форму, и их свойства различны по разным направлениям.

Кристаллы образуются при охлаждении расплавов или насыщенных растворов (с понижением температуры растворимость обычно уменьшается и при испарении растворителя). Иногда кристаллы образуются непосредственно при охлаждении паров (снег) или на холодных поверхностях (сублимация). Кристаллы растут с ограниченной скоростью, так как частицы вещества отлагаются, образуя грани.

I.1.2. Применение кристаллов и их роль в современном мире.

Опираясь на законы оптики, ученые искали прозрачный бесцветный и бездефектный минерал, из которого можно было бы шлифованием и полированием изготавливать линзы. Нужными оптическими и механическими свойствами обладают кристаллы неокрашенного кварца, и первые линзы, в том числе и для очков, изготавливались из них.

Даже после появления искусственного оптического стекла потребность в кристаллах полностью не отпала; кристаллы кварца, кальцита и других прозрачных веществ, пропускающих ультрафиолетовое и инфракрасное излучения, до сих пор применяются для изготовления призм и линз оптических приборов. Кристаллы сыграли важную роль во многих технических новинках XX века. 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.

Кристаллы используются также в некоторых мазерах для усиления волн СВЧ-диапазона и в лазерах для усиления световых волн. Кристаллы, обладающие пьезоэлектрическими свойствами, применяются в радиоприемниках и радиопередатчиках, в головках звукоснимателей и в гидролокаторах. Некоторые кристаллы модулируют световые пучки, а другие генерируют свет под действием приложенного напряжения. Перечень видов применения кристаллов уже достаточно длинен и непрерывно растет.

I.2. Основные свойства кристаллов.

I.2.1. Температура плавления.

Плавление – это переход вещества из твёрдого состояния в жидкое.

Процесс плавления любого кристалла происходит при постоянной температуре, называемой температурой плавления. Например, если взять кристалл льда и положить его в тёплое место, то он растает – расплавится. В процессе плавления температура не повысилась. То же самое можно было бы установить и для любого другого кристалла.

I.2.2. Симметрия.

Идеальные формы кристаллов симметричны. По выражению известного русского кристаллографа Е. С. Фёдорова (1853-1919), «кристаллы блещут симметрией».

В кристаллах можно найти различные элементы симметрии: ось симметрии, плоскость симметрии, центр симметрии.

Например, кристаллы в форме куба (Хлорид калия, поваренная соль и др.) имеют девять плоскостей симметрии, три из которых проходят параллельно граням куба, а шесть – по диагоналям. Кроме того, куб имеет три оси симметрии 4-го порядка, четыре оси 3-го порядка и шесть осей 2-го порядка. Куб ещё имеет центр симметрии. Всего в кубе 23 элемента симметрии.

Кристаллы алмаза, калиевых квасцов имеют форму октаэдров. Октаэдры обладают такими же элементами симметрии, что и кубы. На рисунке показаны оси вращения октаэдра.

У кристаллов магния, имеющих форму гексагональной призмы (т.е. призмы, опирающейся на правильный шестиугольник), 6 плоскостей симметрии и одна ось симметрии 6-го порядка.

У кристаллов медного купороса имеется лишь центр симметрии, других элементов симметрии у них нет.

Из этого небольшого обзора симметрий различных кристаллов можно сделать вывод, что различные кристаллы обладают разной симметрией.

I.2.3. Закон постоянства углов – основной закон кристаллографии.

В кристаллах одного вещества углы между соответственными гранями всегда одинаковы – так звучит закон постоянства углов.

Что же понимают под соответственными гранями?

В геометрии грани (плоские многоугольники) считаются равными, если они при наложении совпадают всеми своими точками. В кристаллографии равенство граней означает совершенно иное. Грани могут отличаться межу собой по форме и всё-таки считаться равными, если они обладают одинаковыми физическими и химическими свойствами. Установить равенство граней в кристаллографическом смысле удаётся иногда путём внешнего их осмотра. В сомнительных случаях производят травление поверхности кристалла кислотой. На равных гранях рисунок, полученный при травлении, будет одинаковым.

На рисунке одинаковой штриховкой показаны равные (одинаковые) грани.

В кристалле кварца можно установить три сорта граней (на рисунке отмечены буквами а, b, и с). Хотя в разных кристаллах кварца грани а (b, с) имеют разный размер и форму, они считаются равными.

Закон постоянства углов утверждает, что двугранный угол, образованный гранями а и b, в различных кристаллах данного вещества будет один и тот же. Соответственно во всех кристаллах данного вещества будут равны и двугранные углы, образованные гранями а и с, b и c.

I.2.4. Все кристаллы имеют кристаллическую решётку.

Взаимодействие частиц в кристалле приводит к тому, что частицы устанавливаются только в определённых положениях, где силы, действующие на них, оказываются скомпенсированными, а потенциальная энергия их взаимодействия становится наименьшей. Такое строение и называют кристаллической решёткой, а положения, в которых могут располагаться частицы, - узлами кристаллической решётки.

На рисунке показана модель строения кристаллической решётки поваренной соли. Это так называемая элементарная ячейка, в её узлах расположены положительные ионы натрия и отрицательные ионы хлора. Если представить, что вправо и влево от этой ячейки вплотную приставятся такие же ячейки, образуется ряд. А если такие же ряды присоединятся спереди и сзади, сверху и снизу, то получится сооружение, внутреннее строение которого аналогично строению кристалликов поваренной соли.

Чтобы понять, например, орнамент, надо всего лишь найти закономерность построения и рисунок, который часто повторяется. Аналогично, чтобы представить строение кристалла, достаточно знать строение элементарной ячейки.

Элементарная ячейка – это совокупность минимального числа частиц, регулярно повторяющаяся внутри кристалла. На рисунке показаны элементарные ячейки алмаза, графита, α-железа, β-железа.

I.2.5. Полиморфизм.

Полиморфизм – свойство вещества иметь две (или несколько) различные кристаллические структуры. Ярким примером такого вещества является углерод. Вот вещества, которые представляют собой углерод в чистом виде:

• Сажа, или копоть, - мягкий чёрный порошок, собирающийся  на внешней поверхности кастрюль и сковородок, помещаемых в пламя, или в печной трубе; выбрасываемый из заводских труб чёрными клубами дым.
• Уголь древесный или каменный – является одним из основных видов топлива.
• Графит – мягкий стерженёк карандаша, оставляющий след на бумаге.
• Алмаз – самый дорогой и самый красивый из драгоценных камней. Граненый алмаз называют бриллиантом.

I.2.6. Анизотропия.

Анизотропия – различие свойств кристалла по разным направлениям.

Приведём пример. Под пресс кладут монокристалл поваренной соли. Сначала кристалл сдавливают со стороны противоположных граней, а затем со стороны противоположных ребёр. В последнем случае кристалл разрушится при меньшем усилии, т. к. частицы, расположенные на диагонали куба, удалены друг от друга дальше, чем частицы, расположенные вдоль рёбер. Поэтому смять такую конструкцию по диагонали будет проще, чем вдоль бёдер.

I.2.7. Рост кристаллов.

Кристаллы могут расти как в природе, так и в искусственных условиях.

Рост кристаллов в природе

В соляных озёрах, на мелководье вода, нагреваясь, испаряется. Соль выпадает в осадок, наращиваясь на дне. Так образуются солончаки, представляющие дно высохших озёр.

Рост кристаллов в искусственных условиях

В искусственных условиях кристаллы выращивают из раствора или из расплава.

Выращивание кристаллов из расплава

Из расплава кристаллы выращивают таким образом. В установке расплав находится в неподвижном тигле, куда опущена затравка с растущим на ней кристаллом. Затравка укреплена на стержне, который непрерывно охлаждают. По мере того, как кристалл вырастает, его всё время поднимают, вытягивая стержень с затравкой из расплава, так что с расплавом соприкасается не весь кристалл, а только небольшой его слой, именно тот самый, который сейчас растёт. Кристаллы во время роста ещё обычно вращают, чтобы тепло от него отводилось равномерно. В домашних условиях вырастить кристалл из расплава невозможно.

Вырастить кристаллы в домашних условиях можно только из раствора.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При выполнении этой работы я выяснила, что мир кристаллов красив и разнообразен. Каждый его «представитель» уникален по своим свойствам, размерам и особенностям строения. Кроме того, что кристаллы красивы, они играют важную роль в жизни человека.

В ходе работы я исследовала очень интересное свойство кристаллов – их рост в искусственной среде. Оказывается, кристаллы можно вырастить дома, без каких- либо усилий. Для быстрого выращивания нужны оптимальные условия. Например, чтобы вырастить кристалл поваренной соли (за короткий срок), нужно поставить стакан с раствором в тёплое место, но раствор приготовить оптимальной концентрации – 50 мл воды и 30-50 г соли. Если кристаллизация происходит медленно, то вырастет монокристалл, а если быстро – поликристалл. При изучении кристаллов я убедилась: свойства их настолько разнообразны, что я смогла исследовать лишь некоторые из них.

.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.  «Физика. Строение вещества». А. Е. Гуревич. 2001 год.
2.  «Факультативный курс физики». А. В. Пёрышкин. 1976 год.
3.  Энциклопедия «Аванта +» Физика. 2003 год.
4.  Универсальная школьная энциклопедия для детей «Аванта +». 2004 год.
5.  www. venda. ru
6.  www. yandex. ru
7. Энциклопедия «Аванта +» Химия. 2004 год.
8. Большая энциклопедия «Кирилла и Мефодия». 2006 год.
9. «Хочу всё знать. Занимательная химия». И.А.Леенсон.1 996 год.
10. «Химия для всех». Г. Б. Шульпин. 1987 год.
11. С.У. Гончаренко, П.Н. Воловик. Физика – 9. М., Просвещение, 1979.
12. Учебник физики 10 класс под ред. А.А. Пинского изд. «Просвещение» 1993г.