Проект по химии "Кристаллы"
проект

ОГА ПОУ «Вейделевский агротехнологический

техникум имени Грязного В.М.»

Проект по химии

«Кристаллы»

Выполнил:

преподаватель химии и биологии

 Васильева Я.В.

Вейделевка,2019 год

Содержание:

Введение

Общая информация о кристаллах                                    

    1. Кристаллическое и аморфное состояния твердого вещества………..6 - 7  c          

    2.Форма и виды кристаллов …………………………………………………… 8 с                                                                      

    3. Кристаллизация в природе и её значение ……………………………. 9-10 с                                                                            

    4. Искусственные кристаллы  и их значение ………………………… 11 – 13 с                                                                  

Образование кристаллов.

 Кристаллизация и её способы …………………………………………….14 – 16 с                                                                                                                                                                                                                              

 Исследовательская деятельность.

Получение кристаллов солей из насыщенных растворов…………………. 17-18 с

Заключение ……………………………………………………………………… 19 с                                                                                  

Список  литературы ресурсов…………………………………………………... 20 с

Введение

Всякий кристалл, как и всё существующее в природе, претерпевает со временем ряд изменений, составляющих то, что условно называют «жизнью».

 Издавна внимание человека привлекают изумительные по совершенству творения неживой природы — кристаллы. О них мы знаем с глубокой древности, но лишь в XVII-XVIII вв., когда были открыты основные законы огранки  кристаллов, начала формироваться наука о кристаллах - кристаллография. Долгое время объектами исследования  были природные минералы. В дальнейшем с развитием  химии начала формироваться кристаллохимия, позволившая объяснить многие явления в кристаллах. Развитие теории образования кристаллов, особенностей их возникновения и роста стимулировало разработки методов синтеза искусственных кристаллов. Кварцы, корунды, алмазы, сапфиры и другие искусственные кристаллы успешны в технологии изготовления не только  ювелирной промышленности, но и при создании современных приборов и техники. Кристаллография создала целый ряд специальных методик и способов, имеющих большое практическое значение и распространение. Изучение кристаллов в школе в рамках школьной программы почти не предусмотрено. Поскольку тема очень интересная и актуальная, я решила восполнить пробел и изучить этот вопрос более подробно.

Гипотеза исследования: кристаллы можно вырастить в домашних условиях, используя лабораторные методы. Если изменять условия кристаллизации и растворять различные вещества, то можно получать кристаллы разной формы и цвета. Это я и решила проверить опытным путем.

Цель моей работы: изучить  способы выращивания кристаллов, освоить лабораторные методы выращивания кристаллов, пригодные для использования в домашних условиях.

Задачи:

-изучить материал  о кристаллическом состоянии вещества, процессе кристаллизации, форме, видах, свойствах кристаллов;

-выяснить, какое значение имеет кристаллизация в природе;

-изучить области применения кристаллов;

-опробировать лабораторные методы выращивания  кристаллов из растворов в домашних условиях;

Объект исследования: кристаллы веществ

Методы исследования:

•        эксперимент;

•        наблюдение;

•        анализ;

•        сравнение;

•        обобщение;

•        изучение специальной литературы;

•        работа с Интернет источниками.

Эксперимент по выращиванию кристаллов я проводила в течение пяти месяцев, что позволило мне освоить способы приготовления растворов, приемы фильтрования. Все опыты проводились в домашних условиях. В работе использованы снимки, сделанные  фотоаппаратом.

Прежде чем провести свои практические исследования, я должна была узнать, что такое процесс кристаллизации, какие существуют методы получения  кристаллов  и как влияют различные условия на процесс образования кристаллов. Поэтому я обратилась к теоретическим источникам в этой области. Для этого я использовала научно-методическую литературу и Интернет.

ОБЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О КРИСТАЛЛАХ

 Кристаллическое и аморфное состояния твердого вещества

Твердые тела могут существовать в двух  различных состояниях, отличающихся своим внутренним строением и свойствами. Это кристаллическое и аморфное состояние твердых тел.

Кристаллы (от греч. κρύσταλλος, первоначально — лёд, в дальнейшем — горный хрусталь, кристалл) — твёрдые тела, в которых образующие их частицы (атомы, молекулы, ионы) расположены закономерно, образуя трёхмерно-периодическую пространственную укладку — кристаллическую решётку. Этот пространственный порядок сохраняется на огромных «по атомным масштабам» расстояниях. Атомы, находящиеся на противоположных гранях монокристалла, могут быть удалены на десятки сантиметров, и в то же время они располагаются параллельно.

Часто твёрдые вещества образуют (в зависимости от условий) более чем одну форму кристаллической решётки; такие формы называются полиморфными модификациями. Например, среди простых веществ известны графит и алмаз, которые являются гексагональной и кубической модификациями углерода.

Если весь образец вещества представляет собой один кристалл, то такое тело называется монокристаллом или просто кристаллом. В других случаях тело представляет собой множество мелких кристалликов, причудливо сросшихся между собой, например, кусок рафинада. Такие тела называют поликристаллическими.

Кристаллическое состояние характеризуется наличием четко выделяемых естественных граней, образующих между собой определенные углы. Кристаллы могут иметь от четырех до нескольких сотен граней. Но при этом они обладают замечательным свойством – какими бы ни были размеры, форма и число граней одного и того же кристалла, все плоские грани пересекаются друг с другом под определенными углами. Углы между соответственными гранями всегда одинаковыми. Кристаллы каменной соли, например, могут иметь форму куба, параллелепипеда, призмы или тела более сложной формы, но всегда их грани пересекаются под прямыми углами. Грани кварца имеют форму неправильных шестиугольников, но углы между гранями всегда одни и те же – 120°. Закон постоянства углов, открытый в 1669 г. датчанином Николаем Стено, является важнейшим законом науки о кристаллах — кристаллографии.

Многим кристаллам присуще свойство анизотропии, то есть зависимость их свойств от направления. Анизотропия (от др.-греч. νισος — неравный и τρόπος — направление) — неодинаковость свойств (например, физических: упругости, электропроводности, теплопроводности, показателя преломления, скорости звука или света и др.) по различным направлениям внутри кристалла. Причиной анизотропности кристаллов является то, что при упорядоченном расположении атомов, молекул или ионов силы взаимодействия между ними и межатомные расстояния (а также некоторые не связанные с ними прямо величины, например, поляризуемость или электропроводность) оказываются неодинаковыми по различным направлениям. Свойство анизотропии в простейшем виде проявляется только у монокристаллов. У поликристаллов анизотропия тела в целом (макроскопически) может не проявляться вследствие беспорядочной ориентировки микрокристаллов, или даже не проявляется, за исключением случаев специальных условий кристаллизации

Второй вид твердого состояния – аморфное состояние. Аморфные вещества не имеют упорядоченной структуры и в отличие от кристаллов не расщепляются с образованием кристаллических граней; как правило они изотропны, то есть не обнаруживают различных свойств в разных направлениях, не имеют определённой точки плавления.

Некоторые вещества могут находиться в любом из этих двух состояний. Например, если расплавить кристаллический кварц (температура плавления около 1700° С), то при охлаждении он образует плавленый кварц, с другими физическими свойствами, одинаковыми по всем направлениям. Аморфное состояние - неустойчивое состояние твердых тел, которые  стремятся со временем перейти в кристаллическую форму, хотя этот процесс может протекать достаточно долго.

2. Форма  и виды кристаллов

Приглядевшись к кристаллам внимательнее, можно увидеть  характерную для них особенность: кристаллы разных веществ отличаются друг от друга своими формами. Кубики кристаллов каменной соли не спутаешь с игольчатыми кристаллами нитрата калия. Однако формы кристаллов различных веществ могут быть очень похожими. Некоторые кристаллы имеют довольно простую форму, но их комбинации могут создавать очень сложные многогранники. 6739_007

Частицы, образующие кристалл могут выстраиваться в достаточно причудливые структуры, напоминающие тетраэдры, параллелепипеды, икосаэдры и прочие геометрические фигуры. В науке о кристаллах — кристаллографии — в зависимости от симметрии расположения атомов выделяют 6 кристаллических групп, которые распадаются на 32 класса.

В результате получается несколько сотен различных форм кристаллических тел. Причем на форму монокристалла влияют и те условия, в которых происходит рост кристалла.

Различают идеальный и реальный кристаллы. Идеальный кристалл является математическим объектом, имеющим полную, свойственную ему симметрию, идеализированно ровные гладкие грани. Реальный кристалл всегда содержит различные дефекты внутренней структуры решетки, искажения и неровности на гранях и имеет пониженную симметрию многогранника вследствие специфики условий роста, неоднородности питающей среды, повреждений и деформаций. Реальный кристалл не обязательно обладает кристаллографическими гранями и правильной формой, но у него сохраняется главное свойство — закономерное положение атомов в кристаллической решётке [7].

3. Кристаллизация в природе и её значение

По способам образования различают натуральные кристаллы, которые образуются в результате естественных процессов в природе и искусственные кристаллы, выращенные человеком.

Кристаллизация в природе – распространенное явление. Застывание магмы - это процесс роста кристаллов из расплавов. Магма представляет собой смесь многих веществ, у которых различны температуры кристаллизации. Чем медленнее застывает магма, тем больше успевают вырасти кристаллические зерна составляющих ее минералов.

Примером природной кристаллизации из растворов является кристаллизация поваренной соли. Свыше пятисот лет назад древнерусские солевары научились извлекать соль из соляных источников. Вода в соляных источниках горько-соленая, в ней растворено много различных солей. Летом, когда под лучами палящего солнца вода озер быстро испаряется, из нее начинают выпадать кристаллы солей. Даже рука, опущенная на несколько минут в озеро, покрывается тонким слоем соли. Обыкновенная столовая соль - хлорид натрия. Это вещество представляет собой очень мелкие кристаллики, в земле же соль встречается иногда в виде очень больших кристаллов - так называемой каменной соли. Сила кристаллизации соляных пластов столь велика, что, расширяясь, они выдавливаются из земли, становясь на ребро.

Ещё один случай природной кристаллизации -  кристаллизация подземных вод в пещерах. Капля за каплей просачивается вода через породу, растворяя по пути вещества, образующие эту породу. Каждая капля, падая вниз, частично испаряется и оставляет на потолке пещеры вещество, которое было в ней растворено. Так постепенно образуется на потолке пещеры маленький бугорок, вырастающий затем в сосульку. Эти сосульки сложены из кристалликов. Навстречу им начинают расти вверх такие же длинные столбы сосулек со дна пещеры. Иногда сосульки, растущие сверху (сталактиты) и снизу (сталагмиты), встречаются, срастаются вместе и образуют колонны. Так возникают в подземных пещерах узорчатые, витые гирлянды, причудливые колоннады.

Кроме того, камни образуются и в организме человека: желчные камни в печени, камни в почках и мочевом пузыре, мельчайшие отложения в сосудистой оболочке глаза.

Некоторые живые организмы представляют собой настоящие “фабрики” кристаллов. Кораллы, например, образуют целые острова, сложенные из микроскопических мелких кристалликов углекислой извести.

Драгоценный камень жемчуг тоже построен из мелких кристаллов, которые вырабатывает моллюск жемчужница. Если в раковину жемчужницы попадает песчинка или камешек, то моллюск начинает откладывать перламутр вокруг пришельца. Слой за слоем нарастает на песчинке перламутр, образующий шарики жемчуга.

4. Искусственные кристаллы и их значение

Для многих отраслей науки и техники требуются кристаллы очень высокой химической чистоты с совершенной кристаллической структурой. Кристаллы, встречающиеся в природе, этим требованиям не удовлетворяют, так как они растут в условиях, весьма далеких от идеальных. Кроме того, потребность во многих кристаллах превышает запасы в природных месторождениях. Из более чем 3000 минералов, существующих в природе, искусственно удалось получить уже больше половины.

 Искусственные кристаллы пробовали выращивать еще в XVI веке, но научились этому делу только в середине XX столетия. Кристаллы соли, сахара и квасцов в счет, конечно, не идут, поскольку водорастворимые химические соединения умеют превращаться в причудливые горы и леса с незапамятных времен. Сегодня растят не только то, что необходимо для промышленного применения, но и просто красивые камни для украшений, типа фианитов и изумрудов. Значение сверхчистых кристаллических материалов в нашей жизни огромно.

Огромное значение имеют искусственные алмазы, благодаря своей исключительной твердости, в технике. Алмазными пилами распиливают камни.      Колоссальное значение имеет алмаз при бурении горных пород, в горных работах. Сам алмаз можно резать, шлифовать и гравировать тоже только алмазом. Наиболее ответственные детали двигателей в автомобильном и авиационном производстве обрабатывают алмазными резцами и сверлами.

Рубин и сапфир относятся к самым красивым и самым дорогим из драгоценных камней. У всех этих камней есть и другие качества, более скромные, но полезные. Кроваво-красный рубин и лазарево-синий сапфир - это родные братья, это вообще один и тот же минерал - корунд, окись алюминия А12О3. Разница в цвете возникла из-за очень малых примесей в окиси алюминия: ничтожная добавка хрома превращает бесцветный корунд в кроваво-красный рубин, окись титана - в сапфир. Есть корунды и других цветов. Есть у них ещё совсем скромный, невзрачный брат: бурый, непрозрачный, мелкий корунд - наждак, которым чистят металл.

Корунд со всеми его разновидностями - это один из самых твердых камней на Земле, самый твердый после алмаза. Корундом можно сверлить, шлифовать, полировать, точить камень и металл. Из корунда и наждака делают точильные круги и бруски, шлифовальные порошки.

        Вся часовая промышленность работает на искусственных рубинах. На полупроводниковых заводах тончайшие схемы рисуют рубиновыми иглами. В текстильной и химической промышленности рубиновые нитеводители вытягивают нити из искусственных волокон, из капрона, из нейлона. Сапфир прозрачен, поэтому из него делают пластины для оптических приборов.

Горный хрусталь, т.е. прозрачные кристаллы кварца. Поэтому из прозрачного кварца делают линзы, призмы и др. детали оптических приборов.

Особенно удивительны электрические свойства кварца. Если сжимать или растягивать кристалл кварца, на его гранях возникают электрические заряды. Это - пьезоэлектрический эффект в кристаллах.

Электроника использует особо чистый кристаллический кремний, сапфир, рубин и кварц, машиностроение — искусственные алмазы, корунд, рубин, нитевидный углерод.

Особый класс материалов составляют так называемые жидкие кристаллы. Эти уникальные вещества сочетают в себе подвижность жидкости и анизотропию твердого тела. По сути кристаллами не являются и выглядят, как обычная мутная жидкость, если их налить в стакан. Но в виде тонкого слоя, заключенного между двумя стеклянными пластинами с токопроводящим покрытием, они превращаются в тот самый ЖК-дисплей, без которого не обходятся сегодня ни сотовые телефоны, ни персональные компьютеры.

ОБРАЗОВАНИЕ КРИСТАЛЛОВ

Кристаллизация и ее способы

Кристаллизация - процесс образования кристаллов из вещества, находящегося  в другом кристаллическом или аморфном состоянии. Кристаллизация начинается при достижении некоторого предельного условия, например, переохлаждения жидкости или пересыщения пара, когда практически мгновенно возникает множество мелких кристалликов — центров кристаллизации. Кристаллики растут, присоединяя атомы или молекулы из жидкости или пара. Рост граней кристалла происходит послойно, края незавершенных атомных слоев (ступени) при росте движутся вдоль грани. Зависимость скорости роста от условий кристаллизации приводит к разнообразию форм роста и структуры кристаллов (многогранные, пластинчатые, игольчатые, скелетные, дендритные и другие формы). В процессе кристаллизации неизбежно возникают различные дефекты.

Основными методами получения совершенных кристаллов большого диаметра являются методы выращивания из расплава, из растворов и из паровой (газовой) фазы.

Выращивание монокристаллов из расплава - наиболее распространенный способ выращивания монокристаллов. В настоящее время более половины технически важных кристаллов выращивают из расплава. Этим методом выращивают элементарные полупроводники и металлы, оксиды, галогениды и другие вещества. В ряде случаев из расплава выращиваются монокристаллы, в состав которых входит пять и более компонентов. Веществами, наиболее подходящими для выращивания из расплава, являются те, которые плавятся без разложения и характеризуются низкой химической активностью.

Кристаллизация из растворов -  Рост кристаллов осуществляется при температурах ниже температуры плавления, поэтому в выращенных такими методами кристаллах отсутствуют дефекты, характерные для кристаллов, выращенных из расплава.

Для осуществления процесса кристаллизации в растворе необходимо создать пересыщение. По способам его создания различают два основных метода кристаллизации: 1) охлаждение горячих насыщенных растворов и 2) удаление части растворителя путем выпаривания.

Растворимость большинства веществ уменьшается с понижением температуры. Поэтому при охлаждении горячих растворов возникает пересыщение, обусловливающее выделение кристаллов. Этот способ также получил название политермической или изогидрической кристаллизации, поскольку при его осуществлении количество растворителя (например, воды) остается постоянным.

Перевод исходного раствора, в пересыщенное состояние можно осуществить и за счет частичного удаления растворителя при выпаривании раствора. Такой способ получил название изотермической кристаллизации, так как выпаривание насыщенного раствора происходит при постоянной температуре его кипения.

Выбор того или иного метода кристаллизации зависит, в первую очередь, от характера изменения растворимости вещества при различной температуре. Для солей, растворимость которых резко уменьшается с понижением температуры, целесообразной является изогидрическая кристаллизация. В этом случае даже при сравнительно небольшом охлаждении раствора из него будет выделяться значительное количество соли. Именно изогидрической кристаллизацией получают большинство солей с резко выраженной прямой растворимостью (NaNO3, К2Сr2О7, NH4C1, CuS04-5H20 и др.).

В тех случаях, когда растворимость соли почти не меняется при изменении температуры, кристаллизация охлаждением становится неэффективной и применяется изотермическая кристаллизация.

 При добавлении к раствору вещества, понижающего растворимость выделяемой соли, можно вызвать перенасыщение раствора и кристаллизацию. Подобный метод кристаллизации получил название высаливания. Вещества, добавляемые в раствор, обычно имеют одинаковый ион с кристаллизуемой солью. Характерными примерами процессов высаливания являются: кристаллизация железного купороса из травильных растворов при добавлении в них концентрированной серной кислоты, высаливание NaCI из рассолов за счет введения в них хлористого магния или хлористого кальция.

 Кристаллизация в результате химической реакции, в том числе в результате химического осаждения. Перенасыщение можно создать за счет проведения химических реакций. Образующееся в результате вещество выделяется в виде кристаллической фазы из раствора.

Кристаллизация из паровой (газовой) фазы широко используется для выращивания как массивных кристаллов, так и тонких (поликристаллических или аморфных) покрытий, нитевидных и пластинчатых кристаллов. В методах выращивания, основанных на физической конденсации кристаллизуемого вещества, вещество поступает к растущему кристаллу в виде собственного пара, состоящего из молекул их ассоциаций — димеров, тримеров и т.д.

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ

 Получение кристаллов солей из насыщенных растворов

 Изучив методику получения кристаллов,  я поняла, что самым доступным методом в домашних условиях является кристаллизация из насыщенных растворов солей путем их охлаждения (изогидрическая или политермическая кристаллизация).

Для опытов  я решила взять обыкновенную поваренную соль и медный купорос, купленный в хозяйственном магазине.

Выращивание кристаллов поваренной соли.

 Приготовила насыщенный раствор. Для этого в стакан налила 100 мл дистиллированной воды, нагрела её до 600С. Добавила 40г поваренной соли  и перемешала раствор до тех пор, пока соль не перестала растворяться в воде. Получила насыщенный раствор, профильтровала его и перелила в другую ёмкость.

Через сутки на дне стакана образуются кристаллы соли. Раствор слила, кристаллы осторожно отделила друг от друга, выбрала из них самые крупные и правильные.         Приготовила новый насыщенный раствор и разлила его в несколько сосудов. Крупные кристаллы поваренной соли привязала на нитки, на карандаше и опустила в сосуды с насыщенным раствором так, чтобы они не касались стенок. Накрыла фильтровальной бумагой емкости с кристалликами, чтобы защитить от попадания пыли.

Кристаллы поваренной соли образовались, но довольно маленьких размеров размеров.

Выращивание сростков кристаллов медного купороса CuSO4·5H2O.

Налила в сосуд на 500 мл горячей вскипячённой воды. Присыпала туда соль,  кристаллы медного купороса и тщательно размешала. Сделала раствор пересыщенным (так, чтобы в нем больше нельзя было растворить соли), профильтровала его. Опустила в раствор нитку так, чтобы она не касалась стенок и дна сосуда и не  закрывала горло сосуда, иначе вода не сможет испаряться. Затем поставила сосуд с ниткой остывать, и уже через несколько часов  увидела наросшие на нитку кристаллики. Через 2 дня вынула из раствора обросшую кристалликами нитку. Далее  подогрела сосуд с раствором до кипения, стараясь растворить осадок соли на дне сосуда, добавить еще соли. После того, как донасытится раствор, дала ему выстояться 3-5 часов, а затем опустила туда нитку с кристалликами. Подождали ещё 2 дня. Эту процедуру можно повторять до тех пор, пока не удовлетворимся размером сростка кристаллов. Медный купорос образует прекрасно оформленные кристаллы в форме косых параллелепипедов красивого ярко-синего цвета.  Мы наблюдали также сростки кристаллов   медного купороса – друзы .

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Работая над проектом, я сделала следующие выводы:

Кристаллическое состояние веществ является одним из самых распространенных в окружающем нас мире. Кристаллы – твердые тела, атомы, ионы или молекулы которых образуют упорядоченную периодическую структуру (кристаллическую решетку).

Процесс кристаллизации осуществляется  методами: 1)выращивание монокристаллов из расплава; 2) кристаллизация из растворов; 3)кристаллизация из паровой (газовой) фазы; 4) кристаллизация в результате химической реакции.

Самым доступным методом получения кристаллов  является кристаллизация из растворов. При выращивании кристаллов из растворов движущей силой процесса является перенасыщение.

Мне  удалось вырастить в домашних условиях монокристаллы поваренной соли и сростки кристаллов медного купороса (см. приложение).

Все проделанные  опыты просты в исполнении, результативны и не требуют больших затрат времени.

Проведенная работа позволила удовлетворить мой практический интерес к химии кристаллов, расширила научные познания в данной области и позволила совершенствовать практические умения и навыки. В процессе работы у меня возникли и другие вопросы, которые требуют дальнейшего более глубокого изучения. Поэтому я планирую и дальше заниматься изучением данной темы.

Список литературных источников

1.Леенсон И.А. Занимательная химия. 1 часть. М.: Дрофа, 1996

2.О. Ольгин, “Опыты без взрывов”, М.; “Химия”, 1995 г.;

Большая Советская энциклопедия, издательство «Советская энциклопедия» , 1990 г.

Шаскольская М. П.; «Кристаллы», М.: Наука, 1985 г.;

  http://chemistry-chemists.com/Video1/Crystals-b.html

 http://himiklab.org.ua/cryst_cu.shtml

 http://ru.wikipedia.org/wiki

http://course-crystal.narod.ru/p31aa1.html