Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа №3 города Козьмодемьянска

 имени Станислава Николаевича Сивкова»

Индивидуальный проект

Исследование влияния различных факторов

на рост кристаллов

Работу выполнили:

Алексеевна Валерия Сергеевна,

ученик 10 «Б» класса

Зотова Ксения Дмитриевна,

ученик 10 «Б» класса

Руководитель:

Ширина Наталья Васильевна,

учитель физики

Козьмодемьянск, 2024г.

Содержание

Введение        3

Глава 1. Разнообразный мир кристаллов и их применение        4

1.1. Что такое кристалл        4

1.2. История происхождения слова «кристалл»        4

1.3. Формы кристаллов        5

1.4. Разнообразие кристаллов        6

1.5. Применение кристаллов        8

Глава 2. Практическая часть        10

Выводы        13

Заключение        14

Список использованных источников        15

Введение

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. В природе сотни веществ, образующих кристаллы. Вода - одна из самых распространенных среди них. Замерзающая вода превращается в кристаллы льда или снежинки. Каждая отдельная частица соли или сахара - кристалл. Минеральные кристаллы тоже образуются в ходе определенных породообразующих процессов.

 Люди научились выращивать искусственные кристаллы такие как: изумруды, рубины, бриллианты и другие, которые широко используются в ювелирной промышленности.

Актуальность темы: выращивание кристаллов в домашних условиях - это интересное, познавательное, увлекательное и самое простое занятие, которое доступно для юных исследователей, а также безопасное с точки зрения техники безопасности, что немаловажно для тех, кто проводит эксперименты дома. Кристаллы, как натуральные, так и искусственные, играют важную роль в науке и в промышленности, жизни любого человека и общества в целом.  

 В наше время проводятся международные и всероссийские конгрессы, посвященные вопросам кристаллографии.  

Цель проекта: исследование изменения формы кристаллов при различных условиях роста.

Задачи проекта:

1. Изучить теорию по данной теме исследования;
2. Освоить методику выращивания кристаллов;
3. Провести опытно-экспериментальное исследование;
4. Проанализировать полученные результаты исследования и сделать вывод.

Объект исследования: кристаллы.

Предмет исследования: влияние различных факторов на процесс выращивания кристаллов в домашних условиях.

Методы исследования: работа с научной литературой, проведение опытно-экспериментального исследования, анализ.

Гипотеза: в домашних условиях можно вырастить недорогие и безопасные кристаллы.

Глава 1. Разнообразный мир кристаллов и их применение

1.1. Что такое кристалл

Что же такое кристалл?

 Кристалл или кристаллическое твердое тело - это твердый материал, компоненты которого (такие как атомы, молекулы или ионы) расположены в высокоупорядоченной микроскопической структуре, образуя кристаллическую решетку, которая простирается во всех направлениях. Кристаллы обладают естественной формой правильных многогранников.

Такая форма кристалла - следствие упорядоченного расположения атомов, образующих трехмерно-периодическую решетку. Каждому химическому веществу, находящемуся при термодинамических условиях (температуре, давлении) в кристаллическом состоянии, соответствует определенная кристаллическая атомная структура.

В толковом словаре Владимира Даля кристалл - «ископаемое, образующее от природы правильное геометрическое тело; гранка, гранник, самогранник; переиначено в хрусталь, самородное, горное стекло, или белое, граненое стекло».  По С.И.Ожегову - это «твердое тело, имеющее упорядоченное, симметрическое строение». Частички, из которых состоит кристалл, в разных веществах выстраиваются и соединяются вместе различными способами. Из-за этого кристаллы могут иметь различные формы и размеры. Существуют монокристаллы и поликристаллы. Твердое тело, состоящее из большого числа маленьких кристаллов, называют поликристаллическим. Одиночные кристаллы называются монокристаллами. Изучением кристаллов занимается специальная наука кристаллография; ее изучают в институтах и университетах, когда уже знают и химию, и физику, и некоторые другие науки. Кристаллография - это наука о строении, свойствах, образовании и росте кристаллов, которая зародилась в 18 веке.  Как образовались красивые кристаллы горного хрусталя, светящиеся многочисленными сколами увидеть в природных условиях невозможно. Искусственные же кристаллы некоторых минералов ученые получают в лабораториях с помощью очень сложных приборов.

1.2. История происхождения слова «кристалл»

Слово «кристалл» известно всему миру, существует во многих языках, в том числе и в русском. Название «кристалл» произошло от двух греческих слов - «холод» и «застывать», то есть означало во времена Гомера «застывший лед» и относилось к кристаллам горного хрусталя, считавшимися окаменевшим льдом. Вначале этим термином называли только прозрачные ограненные природные тела, впоследствии он был распространен на непрозрачные и даже неограненные образования. «Cristall» этимологически образовано как «Crist» + «all», только вкралась ошибка, которую сегодня почти никто не замечает, слова «Crist» в английском языке нет, зато есть слово «Crisp» буквально переводится как «хруст». Но для красоты прочтения одна согласная «p» была заменена другой «t».

1.3. Формы кристаллов

Форма кристаллов - это внешний вид кристаллов, который определяется их внутренней структурой и способом, которым атомы или молекулы упорядочены в кристаллической решетке.

Кристаллы могут иметь различные формы, такие как кубы, призмы, пирамиды и другие. Форма кристаллов зависит от их симметрии и способа, которым атомы или молекулы соединяются друг с другом.

Симметрия кристаллов может быть отражательной, осевой или плоскостной. Отражательная симметрия означает, что кристалл может быть разделен на две одинаковые половины плоскостью отражения. Осевая симметрия означает, что кристалл может быть повернут на определенный угол вокруг оси и остаться неизменным. Плоскостная симметрия означает, что кристалл может быть разделен на две одинаковые половины плоскостью симметрии.

Форма кристаллов также может быть определена их ростом. Кристаллы могут расти в определенных направлениях, образуя различные грани и углы. Это связано с предпочтительным движением атомов или молекул в решетке во время роста кристалла.

Форма кристаллов имеет важное значение в материаловедении, так как она может влиять на механические, оптические и электрические свойства материалов. Например, кристаллы с определенной формой могут иметь лучшую прочность или проводимость электричества.

Рис.1 Различные формы кристаллов

1.4. Разнообразие кристаллов

Разнообразие кристаллов настолько же велико, насколько велико разнообразие человеческих лиц. Как и мы, кристаллы обладают не только индивидуальным внешним обликом, но и внутренней энергией. Каждый камень имеет свой характер и силу. Окраска минералов многообразна и изменчива, это связано прежде всего с вхождением различных элементов в кристаллическую решетку. Каждый минерал образуется в результате синтеза, который происходит по строгим законам физики и химии.

Наиболее распространенные виды кристаллов: друзы, жеоды и монокристаллы.

Друза (в переводе с немецкого «druse»  означает «щетка») - это множество сросшихся кристаллов. Однако не все кристаллические сростки принято считать друзой. Под друзами обычно понимаются сросшиеся кристаллы, хаотично расположенные на одном основании. Размеры и количество кристаллов в друзе могут варьироваться. Например, друза, размер кристаллов которой составляет несколько миллиметров называется щеткой. А друза с плоским основанием и кристаллами, направленными в стороны от центра называется цветком. Такие образования выстилают стенки пустот, нарастают на стенках трещин и встречаются в открытых полостях пород. Агрегаты в виде друз кристаллов характерны для многих минералов - кварца, кальцита, флюорита, пирита, барита, полевых шпатов, гранатов и другие.

Друза в более глобальном понимании - это множество кристаллов, сосуществующих вместе в гармонии и мире. Это олицетворение развитого общества, где каждый его член уникален и совершенен, но все они живут на общем основании, решая совместные задачи. Каждый кристалл воздействует на соседние как своей собственной энергией, так и той, что он принял от своих близких. Заряжая друг друга, кристаллы друзы излучают мощную энергию в окружающее пространство. Друзы прекрасно подходят для очистки помещения, поскольку они поглощают, трансформируют и излучают энергию.

Рис.2 Друза

Жеода (от греческого «геодес», что означает «земляной», «землеподобный») - это геологические образования, пустоты в горных породах, стенки которых обычно выложены друзами кристаллов или сферолитовыми структурами. Форма жеоды может быть любая, но чаще она округлая или эллипсоидальная. Размеры их могут быть от нескольких миллиметров до нескольких метров. Самые большие жеоды могут достигать величины более 1 метра и именуются пещерами. Маленькие же, величиной менее 1 см называются миндалинами. Особенно часто встречаются жеоды, состоящие из минералов группы кварца (аметист, горный хрусталь, агат, цитрин, халцедон и другие), но характерны и для многих других минералов, отлагающихся в пустотах. Самая большая аметистовая жеода «Императрица Уругвая» весит 2,5 тонны и более 3 метров в величину.

Благодаря своей округлой форме жеоды собирают энергию внутрь, структурируют, очищают и излучают ее вовне через кристаллы. За счет вогнутой формы и множества кристаллов энергия усиливается, но в отличие от единичных кристаллов и друз она излучается более мягко. Жеоды считаются камнями шаманов, их используют для получения видений и вхождения в состояние измененного состояния. Жеода прекрасна не только для украшения дома, но и для очистки пространства от негативной энергии. Как и друзы жеоды можно и нужно заряжать энергией солнца, луны или свечи (огня).

Рис.3 Жеода

Монокристалл - это отдельный однородный кристалл, имеющий непрерывную кристаллическую решётку. Внешняя форма монокристалла обусловлена его решёткой и условиями (в основном это скорость и однородность) кристаллизации. Медленно выращенный монокристалл почти всегда приобретает хорошо выраженную естественную огранку. А при большой скорости кристаллизации вместо монокристалла образуются однородные поликристаллы (или кристаллические зерна), состоящие из множества мелких монокристаллов. Примерами огранённых природных монокристаллов могут служить единичные кристаллы кварца, каменной соли, исландского шпата, алмаза, топаза, флюорита и другие.

Монокристаллы являются прекрасными концентраторами, проводниками и преобразователями энергии. Двухконечные монокристаллы в отличие от кристаллов с одной вершиной могут одновременно проводить энергию в оба направления. В литотерапии монокристаллы используют для восстановления энергетических каналов, для четкого направления энергии камня к определенным органам. Монокристаллы способны вывести негативную и одновременно наполнить новой положительной энергией. Они отлично подходят для восстановления и структурирования личности, объединения сознания и духа.

Рис.4 Монокристалл

1.5. Применение кристаллов

Окружающий нас мир состоит из кристаллов, и мы живем в мире кристаллов. Они встречаются нам по всюду: мы ходим по кристаллам, строим из них, выращиваем их в лабораториях и в заводских установках, создаём приборы и изделия из кристаллов, широко применяем их в технике и науке, едим кристаллы (поваренную соль), лечимся ими, находим кристаллы в живых организмах, выходим на просторы космических дорог, используя приборы из кристаллов.

Многие из самых обычных веществ вокруг нас, представляют из себя кристаллы.

Лед - это кристалл. На кухне - едим кристаллы, например, соль или сахар.

Наши дома из кристаллов - панели многих многоэтажек сделаны из бетона (искусственного камня) в состав которого входит щебень из кристаллического сланца.

В медицине используют кристаллы - лучи от кварцевой лампы используются в медицине для дезинфекции.

Кристаллы являются продуктами жизнедеятельности организмов. Некоторые виды моллюсков обладают способностью наращивать на инородных телах, попавших в раковину, перламутр. За 5-10 лет появляется драгоценный камень жемчуг, имеющий кристаллическое строение.

В морях и океанах рифы и целые острова сложены из кристалликов углекислого кальция, входящих в состав скелета беспозвоночных животных-коралловых полипов.

Кристаллы играют важную роль в жизни человека:

Земная кора на 95% состоит из кристаллов. Кристаллы используют в промышленности, технике, производстве, медицине. Кристаллы используют для изготовления украшений и ювелирных изделий.

Применение кристаллов в науке и технике очень разнообразно.

Самый твердый и редкий минерал - алмаз. Используется как украшение. Так же из-за его исключительной твердости многие режущие инструменты покрывают смесью алмазного порошка и клейкого вещества. Алмазным порошком шлифуют и полируют твердые камни, закаленную сталь, твердые и сверхтвердые сплавы.

Рубин и сапфир относятся к самым красивым и дорогим из драгоценных камней. Но у них есть и другие применения. Все часы работают на искусственных рубинах. Рубины используют в лазерах, так как его кристалл усиливает свет. Сапфир прозрачен, поэтому из него делают пластины для оптических приборов.

Кристаллы используются в устройствах для записи и воспроизведения звука. Кристаллы кремния и германия входят в состав полупроводниковых диодов, которые есть в каждом компьютере и мобильном телефоне.

Материал поляроид - тонкая прозрачная пленка, заполненная крохотными игольчатыми кристаллами. Поляроидные пленки используют в поляроидных очках, так как они гасят блики отраженного света. Это важно для полярников, которым приходится смотреть на ослепительный снег, а также для водителей автотранспорта.

Глава 2. Практическая часть

Рассмотрим выращивание кристалла на примере поваренной соли (NaCl). В этом эксперименте мы взяли разную концентрацию раствора. В зависимости от этого получились разные кристаллы: большей и меньшей толщины. Выявили зависимость роста кристаллов от концентрации данного раствора. Концентрацию раствора вычислили по формуле

n=N/V,

где n -  концентрация раствора (количество молекул (атомов) в единице объёма),

N - количество молекул (атомов) в данном растворе,

V – объём, (м3).

Чтобы найти число молекул в растворе, использовали формулу

N=NА·m/М,

где NА - число Авогадро, NА=6,02·1023моль-1,

m - масса всех молекул (кг),

М - молярная масса (кг/моль).

              n= NА·m/M·V

В таблице представлены данные количества опытов, массы поваренной соли (NaCl), объём соли, молярной массы, конечные расчёты количества молекул, концентрация молекул, фотографии кристаллов соли:

Таблица 1. Экспериментальные данные

Концентрация соли NaCl в воде во втором опыте увеличилась в 2 раза,  в третьем опыте в 3 раза, в четвёртом опыте в 4 раза по сравнению с первым опытом.

Можно сделать предположение, что кристалл будет нарастать быстрее, если концентрация раствора соли NaCl в воде увеличивается. Мы это проверили на опыте. Наше предположение оказалось верным.

В зависимости от концентрации соли NaCl, получили следующие кристаллы:

Рис.5 5 столовых ложек соли                     Рис.6 10 столовых ложек соли

Рис.7 15 столовых ложек соли                    Рис.8 20 столовых ложек соли

Мы составили опорный конспект по теме «Кристаллы». Этот опорный конспект учитель физики может использовать на уроке. Опорный конспект составили кратко: минимум правил, больше рисунков кристаллов и фотографии нашего эксперимента. Дети наглядно могут увидеть выращенные в домашних условиях кристаллы соли, воспользоваться нашими данными эксперимента и сами вырастят кристаллы NaCl. По краткому опорному конспекту ученики смогут вспомнить основные моменты темы, быстро её вспомнить и рассказать на уроке.

ОК (опорный конспект «Кристаллы»)

Кристалл или кристаллическое твердое тело - это твердый материал, компоненты которого (такие как атомы, молекулы или ионы) расположены в высокоупорядоченной микроскопической структуре, образуя кристаллическую решетку, которая простирается во всех направлениях.

Формы кристаллов

 Разнообразие кристаллов

Друза                                             Жеода                                               Монокристалл

Кристаллы, выращенные в домашних условиях при разной

 концентрации соли NaCl

5 ст. ложек соли        10 ст. ложек соли        15 ст. ложек соли    20 ст. ложек соли

n= NА·m/M·V формула концентрации раствора соли в воде

Выводы

В ходе проведённого нами эксперимента были сделаны следующие выводы:

1. Рост кристалла зависит от концентрации раствора соли: чем больше концентрации, тем больше размер кристалла.
2. Кристалл соли NaCl растет за счет нарастания на него из водного раствора соли других кристаллов.
3. Кристаллы поваренной соли NaCl вырастают так, что их грани пересекаются под прямым углом.

Заключение

Мы пришли к выводам, что форма кристаллов изменяется при различных условиях роста. Дети могут вырастить кристалл в домашних условиях. Действительно, выращивание кристаллов в домашних условиях - это интересное, познавательное, увлекательное и самое простое занятие, которое доступно для юных исследователей, а также безопасное с точки зрения техники безопасности, что немаловажно для тех, кто проводит эксперименты дома. Гипотеза, выдвинутая нами ранее, подтвердилась.

Экспериментальные данные показали, что кристалл соли растёт тем быстрее, чем больше концентрация соли в воде.

На основе изученной теории по данной теме и на основе проведённого опыта был составлен опорный конспект, который учитель физики может применять на уроках.

Кристаллы, как натуральные, так и искусственные, играют важную роль в науке и в промышленности, жизни любого человека и общества в целом.  

Список использованных источников

1. Шаскольская М.П. Кристаллы. — М.: Наука, 1985, 208 с.
2. Белов Н.В. Энциклопедия драгоценных камней и кристаллов, Минск: «Харвест», 2009. – 159с.
3. Даль В.И. Толковый словарь живого великорусского языка: В 4 т.Т. 2-Олма-Пресс, 2001. – 672с.
4. Ожегов С.И. Словарь русского языка/Под ред.Н.Ю.Шведовой.М.: Рус.яз.,1989,750с.
5. Аликберова Л.Ю. Занимательная химия: Книга для учащихся, учителей и родителей. М.: АСТ-ПРЕСС. 1999.

Список интерент-ресурсов:

1. https://en.wikipedia.org/wiki/Crystal_growth
2. https://school-science.ru/17/11/52149
3. https://eee-science.ru/item-work/2020-2266/
4. https://nsportal.ru/ap/library/drugoe/2014/05/02/issledovanie-vliyaniya-razlichnykh-faktorov-na-vyrashchivanie-kristallov-v
5. https://studfile.net/preview/9888684/page:5/
6. https://znanio.ru/media/issledovatelskij_proekt_vliyanie_razlichnyh_vidov_rastvoritelej_na_rost_kristallov-348947