Кристаллы
презентация к уроку по физике (10 класс) по теме

МКОУ «Боголюбовская СОШ»

УДИВИТЕЛЬНЫЙ МИР КРИСТАЛЛОВ

Содержание

Введение

Условия образования кристаллических структур

Особенности выращивания кристаллов в домашних условиях

Заключение

Приложения

Список литературы

Введение

Объект исследования – минералы.

Предмет исследования – кристаллическая структура  минералов.

Цель нашей работы – вырастить кристаллы некоторых минералов.

Гипотеза - форма и размер кристалла зависят от растворенного вещества.

Задачи работы:

1. изучить литературу по минералогии;
2. изучить условия образования кристаллической структуры минералов;
3. составить технологическую карту выращивания кристаллов;
4. вырастить кристаллы поваренной соли, медного купороса.
5. выявить особенности кристаллической структуры выращенных минералов и на основе данных составить таблицу.

Методы работы:

1. системный анализ литературы;
2. диагностический метод;
3. лабораторный;
4. аналитическая обработка данных.

С древнейших времен кристаллы поражали человеческое воображение своим

исключительным геометрическим совершенством. Наши предки видели в них творение ангелов или подземных духов. Первой попыткой научного объяснения формы кристаллов считается произведение Иоганна Кеплера «О шестиугольных снежинках» (1611 г). Кеплер высказал предположение, что форма снежинок (кристалликов льда) есть следствие особых расположений составляющих их частиц. Спустя три века было окончательно установлено, что специфические особенности кристаллов связаны с особым расположением атомов в пространстве, которые аналогичны узорам в калейдоскопах. Все различные законы таких расположений были выведены в 1891 году нашим замечательным соотечественником, родоначальником современной кристаллографии Е. С. Федоровым (1853-1919). Правильные формы кристаллических многогранников легко объясняются в рамках

этих законов. И сами эти законы настолько красивы, что не раз служили основой для создания произведений искусства.

Условия образования кристаллических структур

Множество разных веществ образуют кристаллы. Например, металлы, драгоценные камни, и даже такие обыкновенные вещества, как соль и сахар.
Что такое кристаллы?
Кристаллы (от греч. krystallos, что первоначально означало «лёд») - вещества, атомы или молекулы которых образуют кристаллическую решётку, то есть расположены в правильном повторяющемся порядке.

Кристаллизация – процесс образования кристаллов из паров, растворов, расплавов. Кристаллизация начинается при достижении некоторого предельного условия, например, переохлаждения жидкостей, пересыщения пара, когда практически мгновенно возникает множество мелких кристалликов – центров кристаллизации. Кристаллики растут, присоединяя атомы или молекулы из жидкости или пара. Кристаллы можно вырастить из растворов разных веществ. Какие бывают кристаллы?
Кристаллы бывают разной формы. Иногда образуются дендриты - это кристаллы, похожие на веточки дерева. Они очень хрупкие, но очень красивые.
Это дендриты серебра и золота:


Русский металловед Д.К. Чернов в отливке стального орудийного ствола нашёл очень крупный кристалл (46 см) - дендрит Чернова:

Очень интересную структуру имеют многие кристаллы. Существует даже специальный музей, посвящённый дендритам и драгоценным камням – Минералогический музей.

Кристаллы - твёрдые тела, имеющие естественную форму правильных многогранников. Правильная форма кристаллов является следствием упорядоченного расположения частиц, из которых они состоят: атомов, молекул, ионов. Эти частицы выстраиваются в строгом порядке “как солдаты в строю” (в отличие от частиц в газах, жидкостях и в аморфных твёрдых телах). От порядка расположения частиц зависит форма кристалла:  куб, призма, октаэдр или другой многогранник. Одиночные крупные кристаллы встречаются редко. Большинство веществ, имеющих кристаллическое строение, образует много маленьких хаотически расположенных сросшихся кристалликов, иногда различимых только в микроскоп, и называются они тогда поликристаллами (металлы, сплавы, многие горные породы).

Особенности выращивания кристаллов в домашних условиях

Выращивание кристаллов - процесс очень интересный, но бывает достаточно длительным. Полезно знать, какие процессы управляют его ростом; почему разные вещества образуют кристаллы различной формы, а некоторые их вовсе не образуют; что надо сделать, чтобы они получились большими и красивыми.
Если кристаллизация идёт очень медленно, получается один большой кристалл (или монокристалл, например при выращивании искусственных камней), если быстро — то множество мелких (или поликристалл, например металлы).
Выращивание кристаллов в домашних условиях производят разными способами. Например, охлаждая насыщенный раствор. С понижением температуры растворимость веществ уменьшается (в основном, это касается безводной соли), и они, как говорят, выпадают в осадок. Сначала в растворе и на стенках сосуда появляются крошечные кристаллы-зародыши. Когда охлаждение медленное, а в растворе нет твёрдых примесей (скажем, пыли), зародышей образуется немного, и постепенно они превращаются в красивые кристаллики правильной формы. При быстром охлаждении возникает много мелких кристалликов, почти никакой из них не имеет правильную форму, ведь их растёт множество и они мешают друг другу.

Выращивание кристаллов можно осуществить и другим способом - постепенным удалением воды из насыщенного раствора. И в этом случае чем медленнее удаляется вода, тем лучше получается результат. Оставьте открытым сосуд с раствором при комнатной температуре на длительный срок, накрыв его листом бумаги, — вода при этом будет испаряться медленно, и пыль в раствор попадать не будет. Растущий кристаллик можно либо подвесить в насыщенном растворе на тонкой прочной нитке, либо положить на дно сосуда. В последнем случае кристаллик периодически надо поворачивать на другой бок. По мере испарения воды в сосуд следует подливать свежий раствор. Даже если наш исходный кристаллик имел неправильную форму, он рано или поздно сам выправит все свои дефекты и примет форму, свойственную данному веществу, например превратится в октаэдр, если используете соль хромокалиевых квасцов, ромб - если используете медный купорос.

Выращивание кристаллов - процесс занимательный, но требующий бережного и осторожного отношения к своей работе. Теоретически размер кристалла, который можно вырастить в домашних условиях таким способом, неограничен. Известны случаи, когда энтузиасты получали кристаллы такой величины, что поднять их могли только с помощью товарищей.

Но к сожалению есть некоторые особенности их хранения (конечно каждая соль и вещество имеют свои особенности). Например, если кристаллик квасцов оставить открытым в сухом воздухе, он, постепенно теряя содержащуюся в нём воду, превратится в невзрачный серый порошок. Чтобы предохранить его от разрушения, можно покрыть бесцветным лаком. Медный купорос и поваренная соль - более стойки и Вы смело можете с ними работать.

Как вырастить кристалл?

Вырастить кристалл можно из разных веществ: например из сахара, даже каменные - искусственное выращивание камней, с соблюдением строгих правил по температуре, давлению, влажности и других факторов (искусственные рубины, аметисты, кварц, цитрины, морионы).
В домашних условиях, конечно, всего этого у нас не получится, поэтому поступим другим образом. Будем выращивать кристаллы соли. У всех у нас есть дома обычная пищевая соль. Подойдёт и любая другая соль (соль - с химической точки зрения), например, можно получить красивые синие кристаллы из медного купороса или любого другого купороса (например железного). Можно использовать квасцы (двойные соли металлов серной кислоты), тиосульфата натрия (раньше использовался для изготовления фотографий). Для всех этих солей (да и вообще для соли) не требуется особых каких-то условий: сделали раствор, опустили туда "зародыш" (всё это подробно описано ниже) и растёт он себе, каждый день прибавляя в росте.
Да, не следует раскрашивать раствор, где растёт Ваш кристалл, например красками или чем -нибудь подобным, - это лишь испортить сам раствор, а кристалл всё же не покрасит! Лучший способ получить цветные кристаллы - это подобрать нужную по цвету соль! Но будьте внимательными: например кристаллы жёлтой кровной соли имеют красно-оранжевый цвет - а раствор получается жёлтым.
Вот теперь можем приступить!

Я выращивала кристаллы медного купороса и поваренной соли. На основе изученной литературы мной были составлены технологические карты по выращиванию кристаллов (приложение 1 и приложение 2). С целью сравнения выращенных кристаллов была составлена сравнительная таблица (приложение 3).

Выращивание кристаллов поваренной соли

Кристаллы поваренной соли - процесс выращивания не требует наличия каких-то особых химических препаратов. У нас всех есть пищевая соль (или поваренная соль), которую мы принимаем в пищу. Её также можно назвать и каменной - всё одно и то же. Кристаллы поваренной соли NaCl представляют собой бесцветные прозрачные кубики. Начнём. Разведите раствор поваренной соли следующим образом: налейте воды в ёмкость (например стакан) и поставьте его в кастрюлю с тёплой водой (не более 50°С - 60°С). Конечно, в идеальном варианте, если вода не будет содержать растворённых солей (т.е. дистиллированная), но в нашем случаем можно воспользоваться и водопроводной. Насыпьте пищевую соль в стакан и оставьте минут на 5, предварительно помешав. За это время стакан с водой нагреется, а соль растворится. Желательно, чтобы температура воды пока не снижалась. Затем добавьте ещё соль и снова перемешайте. Повторяйте этот этап до тех пор, пока соль уже не будет растворяться и будет оседать на дно стакана. Мы получили насыщенный раствор соли. Перелейте его в чистую ёмкость такого же объёма, избавившись при этом от излишек соли на дне. Выберите любой понравившийся более крупный кристаллик поваренной соли и положите его на дно стакана с насыщенным раствором. Можно кристаллик привязать за нитку и подвесить, чтобы он не касался стенок стакана. Теперь нужно подождать. Уже через пару дней можно заметить значительный для кристаллика рост. С каждым днём он будет увеличиваться. А если проделать всё то же ещё раз (приготовить насыщенный раствор соли и опустить в него этот кристаллик), то он будет расти гораздо быстрее (извлеките кристаллик и используйте уже приготовленный раствор, добавляя в него воды и необходимую порцию пищевой соли). Помните, что раствор должен быть насыщенным, то есть при приготовлении раствора на дне стакана всегда должна оставаться соль (на всякий случай). Для сведений: в 100г воды при температуре 20°С может раствориться приблизительно 35г поваренной соли. С повышением температуры растворимость соли растёт.
Так выращивают кристаллы поваренной соли. Вот что у нас получилось. (фото)

Выращивание кристаллов медного купороса

Кристаллы медного купороса - выращиваются подобным образом, также, как с поваренной солью: сначала готовится насыщенный раствор соли, затем в этот раствор опускается понравившийся маленький кристаллик соли медного купороса.
Внимание! медный купорос- - химически активная соль! Поэтому для удачности опыта в этом случае воду нужно взять дистиллированную, т.е. не содержащую других растворённых в ней солей. Из под крана воду тоже лучше не брать, так как она во-первых содержит растворённые соли, во-вторых может быть сильно хлорированной. Примеси (особенно карбонаты в жёсткой вроде) вступают в химические реакции с медным купоросом, из-за чего раствор сильно портится
Если всё в порядке, - продолжим. Если Вы решили не переливать раствор из ёмкости, в которой первоначально рос маленький кристаллик, тогда подвесьте кристаллик, что бы он не касался других кристалликов, оставшихся на дне!

Выращивание кристаллов производят не только из растворов, но и из расплавов соли. Ярким примером могут служить жёлтые непрозрачные кристаллы серы, имеющие форму ромба или вытянутых призм. Но с серой, особо, работать не советую. Газ, образующийся при её испарении, вреден для здоровья.
Можно избежать роста отдельных граней кристаллика. Для этого эти грани надо нанести раствор вазелина или жира.

Итак, процесс выращивания кристаллов в домашних условиях разделим на основные этапы:

1. Этап 1: Растворить соль, из которой будет расти кристалл, в подогретой воде (подогреть нужно для того, чтобы соль растворилось немного больше, чем может раствориться при комнатной температуре). Растворять соль до тех пор, пока будете уверены, что соль уже больше не растворяется (раствор насыщен!). Рекомендую использовать дистиллированную воду (т.е. не содержащую примесей других солей)
2. Этап 2: Насыщенный раствор перелить в другую емкость, где можно производить выращивание кристаллов (с учётом того, что он будет увеличиваться). На этом этапе следите, чтобы раствор не особо остывал.
3. Этап 3: Привяжите на нитку кристаллик соли, нитку привяжите например к спичке и положите спичку на края стакана (ёмкости), где налит насыщенный раствор (этап 3). Кристаллик опустите в насыщенные раствор.
4. Этап 4: Перенесите ёмкость с насыщенным раствором и кристалликом в место, где нет сквозняков, вибрации и сильного света (выращивание кристаллов требует соблюдение этих условий).
5. Этап 5: Накройте чем-нибудь сверху ёмкость с кристалликом (например бумагой) от попадания пыли и мусора. Оставьте раствор на пару дней.
   Важно помнить!
   1. кристаллик нельзя при росте без особой причины вынимать из раствора
   2. Не допускать попадание мусора в насыщенные раствор, наиболее предпочтительно использовать дистиллированную воду
   3. следить за уровнем насыщенного раствора, периодически (раз в неделю или две) обновлять при испарении раствор.

Заключение

Целью нашей работы было вырастить кристаллы некоторых минералов.

Гипотеза - форма и размер кристалла зависят от растворенного вещества.

Задачи работы:

1. изучить литературу по минералогии;
2. изучить условия образования кристаллической структуры минералов;
3. составить технологическую карту выращивания кристаллов;
4. вырастить кристаллы поваренной соли, медного купороса.
5. выявить особенности кристаллической структуры выращенных минералов и на основе данных составить таблицу.

На основе изученной литературы по минералогии я выявила условия образования кристаллической структуры минералов. Мною были составлены технологические карты по выращиванию кристаллов в домашних условиях. Используя данные карты я вырастила кристаллы поваренной соли и медного купороса и сравнила их по трем параметрам, которые занесла в таблицу (приложение 3). В данной таблице мы наглядно видим, что наша гипотеза - форма и размер кристалла зависят от растворенного вещества – подтверждается.

Кристаллы и их применение

Живя на Земле, сложенной кристаллическими породами, мы, безусловно, никак не можем отвлечься от проблемы кристалличности: мы ходим по кристаллам, строим из кристаллов, обрабатываем кристаллы на заводах, выращиваем их в лабораториях, широко применяем в технике и науке, едим кристаллы, лечимся ими... Изучением многообразия кристаллов занимается наука кристаллография. Она всесторонне рассматривает кристаллические вещества, исследует  их свойства и строение. В давние времена считалось, что кристаллы представляют собой редкость. Действительно, нахождение в природе крупных однородных кристаллов - явление нечастое. Однако мелкокристаллические вещества встречаются весьма часто. Так, например, почти все горные породы: гранит, песчаники, известняк - кристалличны. По мере совершенствования методов исследования кристалличными оказались вещества, до этого считавшиеся аморфными. Сейчас мы знаем, что даже некоторые части организма кристалличны, например, роговица глаза, витамины, мелиновая оболочка нервов - это кристаллы. Долгий путь поисков и открытий, от измерения внешней формы кристаллов в глубь, в тонкости их атомного строения еще не завершен. Но теперь исследователи довольно хорошо изучили его структуру и учатся управлять свойствами кристаллов.

Кристаллы – это красиво, можно сказать чудо какое-то, они притягивают к себе; говорят же "кристальной души человек" о том, в ком  чистая душа. Кристальная – значит, сияющая светом, как алмаз …

Как было сказано мной в начале работы, кристаллы и законы их построения настолько красивы, что не раз служили основой для создания произведений искусства.

Работу хочется закончить стихотворением поэта Виктора Слётова

- КРИСТАЛЛ -
Когда наскучит суета,
Дела, людские лица,
Я знаю выход - я могу
В кристалле раствориться.
В его прозрачной глубине 
Незыблемая вечность
В нём есть и радость, и покой,
И мира бесконечность. 

Приложение 1

Технологическая карта выращивания кристаллов поваренной соли (NaCl)

Рекомендуемое оборудование и материалы:

Стеклянный стакан

кастрюля

проволочка

нитка

соль поваренная

вода

бисер (небольшая пуговица)

1. Разведите раствор поваренной соли следующим образом: налейте воды в ёмкость (например стакан) и поставьте его в кастрюлю с тёплой водой (не более 50°С - 60°С).
2. Насыпьте пищевую соль в стакан и оставьте на 5 минут, предварительно помешав. За это время стакан с водой нагреется, а соль растворится. Желательно, чтобы температура воды пока не снижалась.
3. Затем добавьте ещё соль и снова перемешайте.
4. Повторяйте 3 этап до тех пор, пока соль уже не будет растворяться и будет оседать на дно стакана. Мы получили насыщенный раствор соли.
5. Перелейте его в чистую ёмкость такого же объёма, избавившись при этом от излишек соли на дне.
6. Привяжите бисеринку или небольшую пуговицу на нитку и подвесьте, чтобы она не касалась стенок стакана.
7. Через сутки аккуратно выньте кристалл из раствора, а в раствор добавьте соли, сделав его насыщенным.
8. Поместите кристалл в раствор

Приложение 2

Технологическая карта выращивания кристаллов медного купороса  (Cu2So4)

Рекомендуемое оборудование и материалы:

Стеклянный стакан

кастрюля

проволочка

нитка

медный купорос

вода

бисер (небольшая пуговица)

Внимание!!!

Посуда, с которой вы работаете, не должна контактировать с пищей. Избегайте попадания купороса в глаза, рот. При попадании немедленно промойте глаза (рот ) большим количеством проточной воды!

1. Разведите раствор медного купороса следующим образом: налейте воды в ёмкость (например стакан) и поставьте его в кастрюлю с тёплой водой (не более 50°С - 60°С).
2. Насыпьте купорос в стакан и оставьте на 5 минут, предварительно помешав. За это время стакан с водой нагреется, а купорос растворится. Желательно, чтобы температура воды пока не снижалась.
3. Затем добавьте ещё купорос и снова перемешайте.
4. Повторяйте 3 этап до тех пор, пока купорос уже не будет растворяться и будет оседать на дно стакана. Мы получили насыщенный раствор медного купороса.
5. Перелейте его в чистую ёмкость такого же объёма, избавившись при этом от излишек купороса на дне.
6. Привяжите бисеринку или небольшую пуговицу на нитку и подвесьте, чтобы она не касалась стенок стакана.
7. Через сутки аккуратно выньте кристалл из раствора, а в раствор добавьте купорос, сделав его насыщенным.
8. Поместите кристалл в раствор

   ---

Приложение 3

Список литературы

1. http://emn.ucoz.ru/
2. http://kristal.21428s12.edusite.ru/p8aa1.html
3. www.kristallikov.net/page6.html
4. Гегузин Я.Е. Живой кристалл. М., 1981
5. Смольянинов Н.А.Практическое руководство по минералогии. //Недра. 1972.
6. Современная кристаллография. М., 1979-1981
7. Холден А. Что такое ФТТ. Основы современной физики твердого тела. М., 1971
8. Чернов А.А. Физика кристаллизации. М., 1983
9. Шаскольская М.П. Кристаллы. М., 1978