Учебно-исследовательский проект «Этот загадочный кристалл» (жеоды)

Опубликовано Ильенко Анжелика Евгеньевна вкл 25.02.2021 - 16:11

Автор:

Полежаева Мария

На конкур "Эврика. Юниор"

Скачать:

Вложение	Размер
nauchnaya_statya.doc	740 КБ

Предварительный просмотр:

(Физика)

ПОЛЕЖАЕВА Мария Евгеньевна

Краснодарский край, Тимашевский район, хутор Незаймановский

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение средняя общеобразовательная школа № 9 имени Героя Советского Союза В.Ф. Мируна

муниципального образования Тимашевский район, 4 класс

ЭТОТ ЗАГАДОЧНЫЙ КРИСТАЛЛ

Научный руководитель: Ильенко Анжелика Евгеньевна, учитель начальных классов

МБОУ СОШ № 9муниципального образования Тимашевский район

Научная статья

Введение

Кристалл. Что можно себе представить, услышав это слово? Что-то, необычное, загадочное. Возможно, вы считаете, что кристалл — это редкий и красивый минерал или драгоценный камень. Отчасти вы правы. Изумруды и бриллианты являются кристаллами. Но не все кристаллы редки и красивы. Каждая отдельная частица соли или сахара — тоже кристалл! Многие из самых обычных веществ вокруг нас представляют из себя кристаллы.

В народе говорят, что кристалл растёт. Почему же он может расти? Ведь это не растение. Мне стало интересно, почему кристалл растет, как его использует человек, можно ли выращивать кристалл и как это сделать.

Кристаллы люди используют в строительстве, при производстве ювелирных изделий, часов, электронных приборов, компьютерной техники. Но, где взять столько кристаллов? Возможно ли их вырастить искусственно? Я решила попробовать вырастить кристалл у себя дома.

Цель работы: выяснить, что такое кристалл, и получить его в домашних условиях.

Задачи:

Провести анализ литературы по данной теме
Вырастить кристаллы в домашних условиях
Проанализировать полученные результаты.

Гипотеза: Я предположила, что кристаллы можно вырастить в домашних условиях

Актуальность работы заключается в том, чтобы находить интересное и необычное рядом, в том, что доступно для наблюдения и изучения, не требует особых усилий и затрат, и позволяет по-новому взглянуть на знакомые предметы и приобрести новые знания.

Объект работы – кристаллы.

Предмет исследования – процесс кристаллизации.

Используемые методы:

изучение литературы
наблюдение,
постановка опыта.

Теоретическая часть

Что такое кристалл?

Криста́ллы (от греч. κρύσταλλος, первоначально — лёд, в дальнейшем — горный хрусталь, кристалл) — твёрдые тела, в которых атомы расположены закономерно, образуя трёхмерно-периодическую пространственную укладку — кристаллическую решётку.[1]

Кристалл — это обычно твердое вещество, но бывают и жидкие кристаллы. Каждое вещество состоит из маленьких частиц (молекул или атомов). Можно назвать их кирпичиками. Обычно в веществе кирпичики разные и по-разному соединяются друг с другом, т. е. получаются странные узоры. А в кристалле кирпичики одинаковые, они одинаково соединяются друг с другом, повторяются в точно такой же последовательности по всему веществу, т. е. получаются узоры правильной формы. Благодаря такой повторяющейся структуре кристаллы сами могут принимать странные и интересные формы.

Кристаллы многих минералов и драгоценных камней были известны и описаны ещё несколько тысячелетий назад. Сначала слово «кристалл» означало в переводе с греческого только «лёд». Потом так стали называть прозрачные кристаллы кварца, который ещё называется горный хрусталь. Люди думали, что горный хрусталь — это лёд, который не тает в тепле. Удивительной особенностью горного хрусталя являются его гладкие плоские грани. Возникла догадка, что форма может быть связана с внутренним строением. А потом учёные доказали, что строение кристалла имеет повторяющийся рисунок

Кристалл — это твердое состояние вещества. Он имеет определенную форму и определенное количество граней вследствие расположения своих атомов. Все кристаллы одного вещества имеют одинаковую форму, хоть и могут отличаться размерами.[2]

Кристаллы в природе.

В природе существуют сотни веществ, образующих кристаллы. Вода — одно из самых распространенных из них. Замерзающая вода превращается в кристаллы льда или снежинки. Минеральные кристаллы тоже образуются в ходе определенных породообразующих процессов. Огромные количества горячих и расплавленных горных пород глубоко под землей в действительности представляют из себя растворы минералов. Когда массы этих жидких или расплавленных горных пород выталкиваются к поверхности земли, они начинают остывать. Они охлаждаются очень медленно. Минералы превращаются в кристаллы, когда переходят из состояния горячей жидкости в холодную твердую форму. Например, горный гранит содержит кристаллы таких минералов, как кварц, полевой шпат и слюда. Миллионы лет тому назад гранит был расплавленной массой минералов в жидком состоянии. В настоящее время в земной коре имеются массы расплавленных горных пород, которые медленно охлаждаются и образуют кристаллы различных видов. Кристаллы могут иметь всевозможные формы. Все известные в мире кристаллы могут быть разделены на 32 вида, которые в свою очередь могут быть сгруппированы в шесть видов. Кристаллы могут иметь и разные размеры. Некоторые минералы образуют кристаллы, которые разглядеть можно только с помощью микроскопа. Другие же образуют кристаллы, вес которых составляет несколько килограмм. [2]

Интересные факты о кристаллах.

Самые большие кристаллы были обнаружены в Пещере кристаллов в шахтовом комплексе Найка, в мексиканском штате Чиуауа. Некоторые из найденных там кристаллов гипса достигают 15 метров в длину, а в ширину — 1 метр. Они состоят из прозрачной разновидности кристаллического гипса — селенита.

В музее «Хрустальные миры» Сваровски (Австрия) хранятся самый большой кристалл (310000 карат (примерно 62 килограмма), диаметр — 40 сантиметров) и самый маленький (диаметр всего 0,8 миллиметра) кристаллы Сваровски в мире, вошедшие в Книгу рекордов Гиннеса.

Кристаллы растут, воспроизводя себя. Из всего царства минералов они ближе всего к тому, чтобы называться "живыми".

А.Е. Ферсманом в начале XX века на Южном Урале описана каменоломня, заложенная в одном гигантском кристалле полевого шпата.

Наука кристаллография изучает идеальные кристаллы c позиций законов симметрии и сопоставляет их с кристаллами реальными.

Структурная кристаллография занимается определением внутренней структуры кристаллов и классификацией кристаллических решеток.

Кристаллооптика изучает оптические свойства кристаллов.

Кристаллохимия изучает закономерности образования кристаллов из различных веществ и в разных средах. [3]

Что такое жеода?

Жеоды (от греч. "геодес" - земляной) – округлые, овальные или иной формы пустоты в горных породах, внутри которой остаётся полость, где от краёв к центру растут кристаллы, Название „жеода” пришло к нам из Франции.

Древние греки эти „звёздные пещеры” называли „геодес” (γεώδης) - землеподобный, земляной; по-английски - „geode” или „crystal cave” - „хрустальная пещера.” Есть жеоды небольшие, диаметром меньше метра, а встречаются настоящие пещеры со стенами и потолком, украшенными кристаллами.[4]

Жеоды образуются в полостях земной коры. Минералы откладываются там постепенно, слой за слоем, от стенок к центру. Но для этого нужны особые условия.

Во-первых, необходима замкнутая оболочка, в которой растёт тело агрегата. Для небольших секреций это, чаще всего, - стенки газовых пузырьков в магме, вытекающей на поверхность во время извержения вулкана. Чтобы пузырьки вырастали ощутимо большими, чем те, которые вы привыкли видеть в пемзе или пористом шоколаде, магма должна быть достаточно густой. В ней растворяются водяной пар, фтор, хлор, углекислый газ, окислы кремния, железа, магния и тому подобное. Процесс образования минералов в земной коре при участии горячей воды и высокого давления называется „гидротермальным”, а раствор минералов, из которого они снова кристаллизуются при постепенном охлаждении, - коллоидным.

Если магма достаточно густая и пузырёк с раствором не взорвался, создаются условия для постепенного охлаждения и кристаллизации минералов. Как только магма немного остынет, коллоидный раствор слой за слоем затвердевает. Сначала на стенках полости откладываются минералы с более высокой температурой плавления. В нашей жеоде это - жёлто-серый непрозрачный или полупрозрачный кремний, разновидность кварца со скрытокристаллической структурой. Потом в виде белой непрозрачной „корочки” откладывается халцедон, за ним кристаллизируется агат полупрозрачная разновидность кварца. Агатом сейчас чаще называют не сам минерал, а полосатый концентрический узор, образованный слоями разных минералов. Если температура менялась несколько раз, халцедон и агат образуют не сколько слоёв, последовательность которых зависит от того, чья „очередь” кристаллизироваться при данных температурных

Завершают рост жеоды кристаллы чистого кварца: прозрачный горный хрусталь, дымчатый топаз, фиолетовый аметист. Всё зависит от содержания и многообразия кислотных остатков металлов и концентрации минералов в растворе.

Со временем верхний слой горных пород разрушается, плотные и стойкие к выветриванию секреции рассыпаются открытыми месторождениями.[5]

Выращивание искусственных кристаллов.

Выращивание искусственных кристаллов интересовало людей ещё в IX веке. И прежде всего интерес представляли драгоценные минералы: рубин и сапфир. Сейчас такие минералы производятся миллионами карат ежегодно!

Искусственные кристаллы камней производят из расплавов, из растворов, из газа, но конечно, для каждого минерала существует свой способ получения, своя технологическая особенность. (С этой особенностью связано такое разнообразие минералов в природе!) Например, кристаллы кварца (горный хрусталь, аметист растут в водных растворах природных минерализаторов. Об этом свидетельствует химический состав кварца.

Для выращивания искусственного кристалла камня природные условия моделируются также искусственно!

Если кратко описать процесс искусственного выращивания кристаллов камней, то исходное сырьё (например некрасивый, разрушенный кварц) разрушается в щелочи до молекулярного состояния и затем из молекул кремнезёма создаётся идеально правильный прозрачный кристалл. Делается это с помощью специальных затравок. Затравки для выращивания искусственных минералов - прозрачные тонкие вытянутые в длину пластинки, изготавливаемые из тех же синтетических кристаллов. При этом обязательно контролируется соответствующая температура, давление, концентрация раствора. Малейшие отклонения от заданных параметров - и кристалл будет безнадёжно испорчен! Ещё одним важным условием выращивания искусственных камней - это перепад температур внизу и вверху ёмкости где они растут. При этом происходит перенос молекул в растворе и поступление их к затравкам.

Искусственные драгоценные и полудрагоценные камни, например, аметисты, выращенные на заводе, ничем не отличаются от своих знаменитых уральских и бразильских собратьев: ни внешне, ни по структуре.[6]

Практическая часть

Хрустальное яйцо жеода.

Меня очень заинтересовали кристаллы, которые растут в жеоде, и я решила вырастить кристаллы в яичной скорлупе. Это будет моя поделка ко дню Пасхи.

Мне понадобилось:

скорлупа от пустого яйца, квасцы жженые, белый клей, кисточка, стеклянная посудина, краска для пасхальных яиц, горячая вода, палочка и ложка, лист бумаги. (Приложение 1. Фото 1)

Как сделала:

Выдула большое белое куриное яйцо. Расколола его вдоль на две половинки. Это „ювелирное” действие осуществила, разрезав его небольшими ножницами. Я убедилась, что поверхность скорлупы внутри сухая и чистая. Приготовила все необходимое.
Кисточкой нанесла белый клей на внутреннюю поверхность обеих половинок яйца и края, присыпала квасцами всю внутреннюю поверхность, покрытую клеем. Просушила скорлупу.
На следующий день я приготовила в стеклянной посудине раствор для выращивания кристаллов: размешала палочкой в 2 стаканах очень горячей (почти кипяток) воды полный пакет красителя. Добавила ¾ стакана порошка квасцов в горячий раствор красителя и размешивала до полного растворения. Когда квасцы полностью растворились, я дала раствору остыть (примерно 30 мин.), а потом окунула на дно посудины одну половинку высушенного, покрытого клеем и квасцами яйца, внутренней стороной кверху.
Поставила посудину в безопасное место на ночь. Кристаллы любят расти в покое. Чем дольше скорлупа в воде, тем более крупные будут кристаллы в жеоде. (Приложение 1. Фото 2)
Через день я осторожно достала жеоду из раствора, мокрые кристаллы достаточно хрупки. Если бы я захотела вырастить большие кристаллы, то я бы оставила жеоду в растворе ещё на несколько дней.
Я положила жеоду на лист фольги и подождала, пока она полностью высохнет. (Приложение 1. Фото 3)

Теперь можно показывать моё чудо людям! (Приложение 1. Фото 4)

Внимание!

Работать с химическими веществами все же необходимо в резиновых перчатках!
Никогда не пробуй химические вещества на вкус!
Закончив эксперимент, вымой руки! [7]

Съедобные жеоды.

Жеоды стали настоящим хитом на Западе. Кондитеры наперебой делают конфеты в виде настоящих жеодов. Затем их используют для украшения тортов и капкейков, а то и просто как необычное лакомство. Я тоже захотела сделать жеоды из мастики своими руками.

В изготовлении жеоды нет ничего сложного, но придется долго ждать. Для начала я занялась мастикой. Раскатала белую мастику на пергаменте в тонкий слой. Также мне понадобилась мастика цвета камня. Чтобы ее сделать, необходимо белую мастику окрасить в серо-коричневый цвет. Это можно сделать при помощи мастики коричневого и синего цветов, кусочки которых просто вмешиваются в белую. Однородного цвета добиваться нет надобности. (Приложение 2. Фото 5-7)

Потом я приготовила основу для жеоды. Для этого взяла глубокую тарелку и фольгу. Отрезала кусок фольги и застелила им тарелку, чтобы у получилась выемка с неровными краями. Отрезала еще один лист фольги и накрыла им полученную выемку. Края этого листа будут накрывать края тарелки и мастика засохнет в правильном положении. Хорошо смазала фольгу жиром, чтобы мастику можно было затем легко снять. Уложила на полученную конструкцию мастику темной стороной снизу. Лишние края отрезала ножницами.

Потом я сделала наполнение для жеоды. Для этого необходимо сварить сахарный сироп из 3 чашек сахара и 1 чашки воды. Когда сахар полностью растворится и закипит, проварите его пару минут, затем снимите с огня и добавьте пищевой краситель на ваш выбор. Остывший сироп я вылела в форму из мастики. Накрыла всю конструкцию фольгой и оставьте так как минимум на 12 часов. Сахар будет кристаллизироваться, что нам и надо.

Через 12 часов я убрала фольгу и излишки сиропа. Внутри получились большие и мелкие кристаллы.

Таким простым способом готовят жеоды самых различных цветов. Главное здесь правильно подобрать оттенок сиропа и дать ему застыть внутри формы из мастики.

Заключение

Кристаллы имеют чёткую, повторяющуюся структуру, бывают твердыми и жидкими. Они встречаются в природе и могут быть выращены человеком. Красивые кристаллы образуются тогда, когда кристаллизация атомов и молекул вещества в узоры правильной формы происходит очень медленно. Кристалл растёт потому, что вода из насыщенного раствора постепенно испаряется, а кристаллическое вещество переходит из жидкого состояния в твёрдое, так как «кирпичики» (атомы и молекулы) притягиваются друг к другу и самостоятельно занимают место в повторяющейся структуре.

Кристаллы очень полезны для человека. В некоторых случаях без них не обойтись. Например, если нужно разрезать камень, не обойтись без алмаза, а если нужно сделать часы, то не обойтись без рубина. Микропроцессоры в компьютерах сделаны из кремния, а без жидкокристаллических дисплеев мы не можем уже себе представить никакой электронный прибор. Найти нужный кристалл в природе очень сложно. Гораздо проще и дешевле его вырастить искусственно. Это делается в промышленном производстве. Но можно вырастить кристалл и в домашних условиях.

Выводы:

Мой эксперимент показал, что кристалл можно выращивать в домашних условиях.
Необходимо пользоваться перчатками, так как краситель очень плохо смывается с рук
В результате эксперимента я убедилась, что кристаллы очень хрупкие и их необходимо покрывать лаком, защищая от разрушения
Можно очень необычно украсить свой дом к празднику Пасхи.

Кристаллы капризны, требуют бережного к ним отношения, соблюдения рецепта и температуры раствора при погружении кристалла для дальнейшего роста. В противном случае, кристалл, который долго и терпеливо выращивали, может за несколько минут исчезнуть у нас на глазах! Но, зато, если уж всё выполнено верно, терпеливо и бережно, выращенный кристалл порадует своей красотой, необычной формой, цветом, размером!

Изучение кристаллов невозможно вместить в эту работу, она заслуживает большего внимания! Именно этим я и планирую заняться в дальнейшем.

Список использованной литературы и интернет – ресурсы:

Кристаллы/ http://ru.wikipedia.org
Научно-популярный природоведческий журнал «Колосок» , -2012. -№9
Искусственные кристаллы. Природные кристаллы/ http://www.kristallikov.net/page24.html
Е. Крыжановская. Звездная пещера или Природное чудо — жеода./ - Научно-популярный природоведческий журнал «Колосок», 2012. -№9, с. 38-45.
Хрустальное яйцо жеода/ http://littlhuman.ru/3216/
Давай похимичим. /О.Ольгин. - М.: Детская литература, 2001.
Занимательные опыты на кухне/ http://adalin.mospsy.ru/l_01_00/l_01_10m.shtm