Индивидуальный исследовательский проект "Выращивание кристаллов в домашних условиях"

Муниципальное казенное общеобразовательное учреждение

средняя общеобразовательная школа села Новогромово

Выращивание кристаллов в домашних условиях

С. Новогромово

2023 год

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

У меня есть несколько энциклопедий, которые я люблю читать. Однажды я увидел фотографии очень красивых кристаллов. Мне стало интересно: что же представляют из себя кристаллы, как они появляются, можно ли их вырастить в домашних условиях.

В своей исследовательском проекте о кристаллах я изучу информацию о существовании кристаллов в пещерах, процессе выращивания кристаллов дома из соли, обозначу этапы выращивания и в итоге планирую получить свои собственные кристаллы.

Цель: исследовать возможность выращивания кристаллов в домашних условиях.

Задачи:

1. изучить литературу о кристаллах;
2. найти информацию, изучить литературу о выращивании кристаллов из соли;
3. вырастить кристаллы в домашних условиях и проследить за их ростом;
4. проанализировать полученные результаты.

Объект исследования: процесс выращивание кристаллов.

Предмет исследования: возможность выращивания в домашних условиях.

Гипотеза моего исследования: кристаллы можно вырастить в домашних условиях.

Методы исследования: накопление теоретического материала, проведение опытно-экспериментальной деятельности с целью получения кристаллов, анализ полученных результатов исследования.

План моего исследования:

1. Узнать, что такое кристалл;
2. Вырастить кристалл.

ГЛАВА 1. КРИСТАЛЛЫ – УДИВИТЕЛЬНОЕ РЯДОМ

Кристаллы это…

КРИСТАЛЛЫ — вещества, в которых мельчайшие частицы (атомы, ионы или молекулы) "упакованы" в определенном порядке. В результате при росте кристаллов на их поверхности самопроизвольно возникают плоские грани, а сами кристаллы принимают разнообразную геометрическую форму. Каждый, кто видел кристаллы, не мог не восхититься изяществом и красотой форм, которые принимают "неживые" вещества.

Интересно происхождения слова "кристалл" (оно звучит почти одинаково во всех европейских языках). Много веков назад среди вечных снегов в Альпах, на территории современной Швейцарии, нашли очень красивые, совершенно бесцветные кристаллы, очень напоминающие чистый лед. Древние натуралисты так их и назвали — "кристаллос", по-гречески — лед; это слово происходит от греческого "криос" — холод, мороз. Полагали, что лед, находясь длительное время в горах, на сильном морозе, окаменевает и теряет способность таять. Один из самых авторитетных античных философов Аристотель писал, что «кристаллос рождается из воды, когда она полностью утрачивает теплоту».

Особое место среди кристаллов занимают драгоценные камни, которые с древнейших времен привлекают внимание человека. Бывают кристаллы-герои и кристаллы-труженики. Первые из них имеют свою историю, часто трагическую и кровавую; вторые вписаны в историю техники, но те и другие являются неотъемлемой частью истории человечества.

Удивительно, но факт

Пещера Naica из Чихуахуа, Мексика, это рабочая шахта, которая известна своими кристаллами. В пещере были найдены большие пустоты, содержащие кристаллы селенита (гипс). В этой пещере находятся наибольшие естественные кристаллы, когда-либо находимых: прозрачные гипсовые лучи длиной 11 метров и весящие до 55 тонн. Пещера с этими кристаллами известна как Пещера Кристаллов-Гигантов. Кристаллы образовались так, потому что они были погружены в богатую минералом воду с очень узким, устойчивым температурным диапазоном - приблизительно 58 градусов Цельсия.

В Харькове вырастили самый большой кристалл в мире. Работа над кристаллом, который весит 504,5 кг, длилась три года. Подобные искусственные кристаллы используют в рентгеновской аппаратуре, на таможенных детекторах.

Пищевая соль – это кристаллы минерала галита. Галит осаждается на берегах теплых водоемов по мере испарения воды. Подземные месторождения каменной соли – это отложения древних водоемов.

Виды кристаллов

Все кристаллические соединения можно разделить на моно- и поликристаллические. Монокристалл представляет собой монолит с единой ненарушенной кристаллической решеткой. Природные монокристаллы больших размеров встречаются очень редко. Большинство кристаллических тел являются поликристаллическими, то есть состоят из множества мелких кристалликов, иногда видных только при сильном увеличении.

4. Строение кристаллов

Кристаллы — это твёрдые вещества, имеющие естественную внешнюю форму правильных симметричных многогранников, основанную на их внутренней структуре.

Составляющие твёрдое вещество частицы образуют кристаллическую решётку.

Кристалли́ческая решетка — вспомогательный геометрический образ, вводимый для анализа строения кристалла.

Главное свойство кристаллического состояния вещества — закономерное положение атомов в кристаллической решётке. Именно эта правильность и является наиболее замечательным свойством кристаллов, привлекающим к ним внимание и завораживающим всякого, кто впервые сталкивается с таким интересным объектом. Одно и то же вещество может кристаллизоваться в разных кристаллических решётках и обладать весьма различными свойствами.

Между алмазом и графитом много общего, хотя на первый взгляд это общее трудно увидеть. Алмаз необычно тверд, прозрачен, не проводит электрический ток (диэлектрик), обработанные алмазы — драгоценность.

Графит мягок, легко расслаивается, непрозрачен, электропроводен и не похож на драгоценный камень. А между тем и алмаз, и графит — это чистый углерод. Различие свойств алмаза и графита связано только с различием кристаллических решеток.

При определенных условиях возможен переход вещества из одной кристаллической модификации в другую. Если нагреть графит под давлением, то произойдет перестройка кристаллической решетки, в результате чего графит превратится в алмаз. Так получают искусственные алмазы.

5. Из истории выращивания кристаллов. Их применение

Всю историю своего существования люди пытались обрести чудо, например, получить из свинца золото или превратить горный хрусталь в бриллианты. Этим занимались алхимики. Самым легендарным алхимиком считается француз Николя Фламель, которому приписывают получение философского камня, способного превратить свинец в золото. Впрочем, ученые не верят в то, что кому-либо в Средние века удалось получить настоящее золото или бриллианты, и считают, что это все сказки.

Как известно, настоящие природные драгоценные камни (кристаллы) - это твердые соли различных металлов, молекулы которых организованы в упорядоченную структуру, так называемую кристаллическую решетку. В природе кристаллы образовывались в течение миллионов лет, в глубине земной коры, при высоких температурах (до 2000 °С) и под колоссальным давлением сотни тысяч атмосфер. Мест, где складывались такие условия, крайне мало, чем и объясняется редкость драгоценных камней. Поэтому, ученые решили создать аналог природных минералов. Им в лабораторных условиях необходимо было воспроизвести природные явления, причем в ускоренном варианте. Однако получить столь высокие температуры и давление стало возможным лишь в начале прошлого века.

В 1902 году французскому инженеру Вернейлю после многочисленных неудачных попыток удалось синтезировать небольшой кристалл рубина весом 6 г. Фактически он стал самым первым искусственным драгоценным камнем, идентичным природному. Именно благодаря синтетическим рубинам стал возможен ряд открытий. Например, на основе рубина был изобретен лазер, позволивший точно измерить расстояние от Земли до Луны. Позже оказалось, что с помощью технологии синтеза рубинов возможно получать и другие ценные кристаллы - сапфиры и гранаты.

До сих пор в мире рубины, сапфиры и гранаты пользуются большим спросом. Сапфировые стекла, например, необходимы для производства иллюминаторов космических кораблей, головок самонаводящихся ракет, мобильных телефонов и часов. Большой популярностью пользуются и искусственно выращенные алмазы. Повышенная твердость алмазов определяет их использование в промышленности. Алмазы применяют на операциях резки, полирования, шлифования и сверления.

Так же в промышленности используют искусственные кристаллы кварца и кремния. А в ювелирном деле первым научились использовать искусственный изумруд. Он ценится исключительно из-за своей редкости, а также небольших объемов производства. Не менее ценным для ювелиров стал гранат зеленого и розового цветов.

В 1968 году российские физики получили прозрачный кристалл, не имеющий природного близнеца, и назвали его фианитом в честь своего Физического института Академии наук (ФИАН), хотя первые опыты по синтезу подобных кристаллов осуществлялись еще в 20-х годах французскими химиками. Целью синтеза фианита было получение кристалла для применения в лазерах. Правда, превзойти гранат по своим "лазерным" свойствам фианит не смог, но его необычную красоту, многоцветность и дешевизну по достоинству оценили ювелиры. До 98% фианитов производится для их нужд. А для хирургии выпускается скальпель с фианитом. Установлено, что некоторые люди страдают аллергией на металл, а лезвие из фианита позволяет избежать аллергической реакции. Выращивать фианиты легко и приятно, а добавление тех или иных примесей позволяет создавать уникальные кристаллы не встречающихся в природе цветов, например лаванды, или добиваться необычных оптических эффектов, таких как смена цвета при изменении освещения – так называемый александритовый эффект.

Практически все виды кристаллов синтезируют и в России. В подмосковном Троицке выращивают алмазы, в Зеленограде - сапфиры, гранаты, рубины, под Нижним Новгородом - рубины, в Новосибирске – изумруды.

Кристаллы – это не только драгоценные камни: простая медная проволочка или алюминиевая вилка состоят из материала, имеющего кристаллическое строение. Сталь для машин, алюминиевые сплавы для ракет и самолетов, полупроводниковые приборы и многое другое содержат в основе кристаллы разного типа, с разными свойствами, но объединенные одним общим главным качеством: правильным расположением атомов и молекул в пространстве. Именно эта правильность и является наиболее замечательным свойством кристаллов, привлекающим к ним внимание и завораживающим всякого, кто впервые сталкивается с таким интересным объектом.

Из выше перечисленного видно, что выращивание искусственных кристаллов очень увлекательный и важный для современной жизни процесс. Многие ученые мира ищут все новые способы синтеза искусственных кристаллов.

6. Рост кристаллов

Многие видные ученые, внесшие большой вклад в развитие химии, минералогии, других наук, начинали свои первые опыты именно с выращивания кристаллов. Помимо чисто внешних эффектов, эти опыты заставляют задумываться на тем, как устроены кристаллы и как они образуются, почему разные вещества дают кристаллы разной формы, а некоторые вовсе не образуют кристаллов, что надо сделать, чтобы кристаллы получились большими и красивыми.

Вот простая модель, поясняющая суть кристаллизации. Представим, что в большом зале укладывают паркет. Легче всего работать с плитками квадратной формы — как ни поверни такую плитку, она все равно подойдет к своему месту, и работа пойдет быстро. Именно поэтому легко кристаллизуются соединения, состоящие из атомов (металлы, благородные газы) или небольших симметричных молекул. Такие соединения, как правило, не образуют некристаллических (аморфных) веществ.

Труднее выложить паркет из прямоугольных дощечек, особенно если у них с боков имеются пазы и выступы — тогда каждую дощечку можно уложить на свое место одним единственным способом. Особенно трудно выложить паркетный узор из дощечек сложной формы.

Если паркетчик очень торопится, то плитки будут поступать к месту укладки слишком быстро. Понятно, что правильного узора теперь не получится: если хотя бы в одном месте плитку перекосит, то дальше все пойдет криво, появятся пустоты. Ничего хорошего не получится и в том случае, если в большом зале начнут укладывать паркет сразу десяток мастеров — каждый со своего места. Даже если они будут работать не спеша, крайне сомнительно, чтобы соседние участки оказались хорошо состыкованными, и в целом, вид у помещения получится весьма неприглядным: в разных местах плитки расположены в разном направлении, а между отдельными участками ровного паркета зияют дыры.

Примерно те же процессы происходят и при росте кристаллов, только сложность здесь еще и в том, что частички должны укладываться не в плоскости, а в объеме. Но ведь никакого "паркетчика" здесь нет — кто же укладывает частички вещества на свое место? Оказывается, они укладываются сами, потому что непрерывно совершают тепловые движения и "ищут" самое подходящее для себя место, где им будет наиболее "удобно". В данном случае "удобство" подразумевает также и наиболее энергетически выгодное расположение. Попав на такое место на поверхности растущего кристалла, частица вещества может там остаться и через некоторое время оказаться уже внутри кристалла, под новыми наросшими слоями вещества. Но возможно и другое — частица вновь уйдет с поверхности в раствор и снова начнет "искать", где ей удобнее устроиться.

Каждое кристаллическое вещество имеет определенную свойственную ему внешнюю форму кристалла. Если кристалл с правильной формой специально испортить, например, отбить у него вершины, повредить ребра и грани, то при дальнейшем росте такой кристалл начнет самостоятельно "залечивать" свои повреждения. Чтобы убедиться в этом, был проведен такой опыт: из кристалла поваренной соли выточили шар, а потом поместили его в насыщенный раствор NaCl; через некоторое время шар сам постепенно превратился в куб.

ГЛАВА 2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ. ВЫРАЩИВАНИЕ КРИСТАЛЛОВ В ДОМАШНИХ УСЛОВИЯХ

Способы выращивания кристаллов

Кристаллизацию можно вести разными способами:

1) Один из них — охлаждение насыщенного горячего раствора. Делаем насыщенный раствор. Теперь будем охлаждать раствор.

При охлаждении раствора частички вещества (молекулы, ионы), которые уже не могут находиться в растворенном состоянии, слипаются друг с другом, образуя крошечные кристаллы-зародыши. Образованию зародышей способствуют примеси в растворе, например пыль, мельчайшие неровности на стенках сосуда (химики иногда специально трут стеклянной палочкой по внутренним стенкам стакана, чтобы помочь кристаллизации вещества). Если раствор охлаждать медленно, зародышей образуется немного, и, обрастая постепенно со всех сторон, они превращаются в красивые кристаллики правильной формы. При быстром же охлаждении образуется много зародышей.

Даже в очень чистом растворе вряд ли начнет расти один-единственный кристалл: масса кристалликов может образоваться на поверхности остывающего раствора, где температура немного ниже, чем в объеме, а также на стенках и дне сосуда.

2) Другой метод получения кристаллов — постепенное удаление воды из насыщенного раствора. "Лишнее" вещество при этом кристаллизуется. Чем медленнее испаряется вода, тем лучше получаются кристаллы.

3) Третий способ — выращивание кристаллов из расплавленных веществ при медленном охлаждении жидкости. При использовании всех способов наилучшие результаты получаются, если используется затравка — небольшой кристалл правильной формы, который помещают в раствор или расплав. Таким способом получают, например, кристаллы рубина. Выращивание кристаллов драгоценных камней проводят очень медленно, иногда годами. Если же ускорить кристаллизацию, то вместо одного кристалла получится масса мелких.

Кристаллы могут также расти при конденсации паров — так получаются снежинки и узоры на холодном стекле.

Выращивание кристаллов в домашних условиях посредством охлаждения насыщенного раствора

Для успешного проведения опытов была изучена информация по проведению таких опытов в интернете, статьи в книгах и энциклопедиях.

Были подготовлены нужные материалы: поваренная соль и вода.

Выращивание кристаллов происходило посредством охлаждения насыщенного раствора.

Сначала я приготовил насыщенные растворы соли.

Чтобы приготовить насыщенный раствор соли я развел 1 кг хлорида натрия в горячей воде (1000 мл). Но у меня этот килограмм соли не растворился совсем!
В эти растворы были помещены веточки сосны и ели. Я планировал сделать новогоднюю композицию с заснеженными веточками, поэтому в таз с раствором соли опустил именно их. Выдерживать ветки нужно было в течение нескольких часов. На следующий день мы вытащили веточки и поставили их в вазу. Уже через несколько дней на ветках появился сизый налет – соль начала кристаллизовываться. (Приложение 1)

Кстати, творение самого Деда Мороза - морозные узоры на стекле – это тоже кристаллы, но ледяные! Образуются они точно таким же способом.

Выращивание кристаллов в домашних условиях посредством постепенного испарения воды из насыщенного раствора

Из интернет-источников стало известно, что чем медленнее испаряется вода, тем большим по размеру вырастает кристалл.

Для опытов были подготовлены нужные материалы:

• три стандартных набора для выращивания кристаллов «Алхимик», позволяющих быстро вырастить кристаллы разного цвета.

Для приготовления насыщенных химических растворов я следовал инструкциям «Алхимик», вложенным в наборы. Результат должен был появиться через 24 часа. На следующий день мы увидели, что кристаллы действительно появились:

Образец №1 (фиолетовый): получились кристаллы самые большие.

Образец №2 (зеленый): кристаллов получилось много, но совсем мелких.

Образец №3 (оранжевый): кристаллов, как и во втором образце, получилось много мелких. Я решил оставить кристаллы до полного испарения раствора. Кристаллы чуть увеличились в размерах.

Через 21 день решили завершить эксперименты по выращиванию кристаллов. Прогресс в росте кристаллов стал незаметен.

Выращивание кристаллов из расплавленных веществ при медленном охлаждении жидкости

Третий способ — выращивание кристаллов из расплавленных веществ при медленном охлаждении жидкости. При использовании всех способов наилучшие результаты получаются, если используется затравка — небольшой кристалл правильной формы, который помещают в раствор или расплав. Таким способом получают, например, кристаллы рубина. Выращивание кристаллов драгоценных камней проводят очень медленно, иногда годами. Если же ускорить кристаллизацию, то вместо одного кристалла получится масса мелких.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Цель и задачи проекта достигнуты:

В процессе исследования мной была изучена литература о кристаллах и выяснено, что кристаллы — это твёрдые вещества, имеющие естественную внешнюю форму правильных симметричных многогранников. Их главное свойство – закономерное положение атомов в кристаллической решётке. Кристаллы окружают нас повсюду. В природе кристаллы растут тысячи лет, а ученые изобрели быстрые способы выращивания искусственных кристаллов.

В своей домашней библиотеке я нашел информацию о выращивании кристаллов из соли. Вместе с научным руководителем нам удалось вырастить кристаллы соли на веточках сосны, ели и стеклянной палочке. На ветках кристаллы выросли мелкими, от этого ветки казались сизыми. Получился настоящий новогодний подарок.

Мне удалось вырастить кристаллы в домашних условиях из наборов «Алхимик» и проследить за их ростом;

В процессе работы я проанализировал полученные результаты и сделал общий вывод: кристаллы в домашних условиях можно вырастить тремя разными способами.

Выращивание искусственных кристаллов – очень увлекательный и важный для современной жизни процесс. В этом процессе я познакомился со строением кристаллов и их удивительными разнообразными свойствами.

Гипотеза подтвердилась: любой желающий может вырастить кристаллы дома, как это сделал я.

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ

1. Алексинский В. Н. Занимательные опыты по химии. Книга для

учителя – М.: Просвещение, 1995г., 96 с.

2. Большая иллюстрированная энциклопедия эрудита. Под ред.

Г.Леона-М.: Издательство МАХАОН, 2006г., 500 с.

3. Выращивание кристаллов в домашних условиях . [Электронный

ресурс]. URL: (Дата обращения:

).

4. Кантор Б. З. Минерал рассказывает о себе -М.: Просвещение, 1985г.,

135 с.

5. Китайгородский А.И. Кристаллы- Москва-Ленинград:

Государственное издательство технико-теоретической литературы

1950г., 64 с.

5. Кузмичева Г.М. «Основные разделы кристаллографии» 2002г.

6. Кристаллические формы. [Электронный ресурс]. URL:

(Дата

обращения: ).

7. Обучонок. Исследовательские работы и проекты. [Электронный

ресурс]. URL: (Дата обращения:

).

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Фотографии автора