Исследовательская работа ВОЛШЕБНЫЙ МИР КРИСТАЛЛОВ
проект по физике (10 класс) по теме

XII Российская научная конференция школьников «Открытие»

СЕКЦИЯ ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК

ВОЛШЕБНЫЙ МИР КРИСТАЛЛОВ

Исследовательская работа

Выполнена: учеником 10 класса

 МОУ лицей г. Электрогорска

Артемьевым Евгением

Научный руководитель

учитель физики

МОУ лицей г. Электрогорска

Большакова Татьяна Николаевна

План

I. Введение…………………………………………………………………….........стр. 2

II. Внутренний мир кристаллов:

2.1 Монокристаллы и поликристаллические тела………..……………………..стр. 3

2.2 Форма и размеры кристаллов…………………………….…………………..стр. 3

2.3 Полиморфизм......…………………………………………………………..….стр. 4

2.4 Анизотропия кристаллов……………………….……………………...……стр.4-5

2.5 Кристаллическая решетка……………………..……………………………стр. 5-7

III. Выращивание кристаллов…………..……………………………….…….стр. 8-12

IV. Кристаллические узоры…………………..………………………….…..стр. 12-13

V. Список используемой литературы……….………………………………….стр. 14

VI. Приложение………………………………..………………………...……стр. 15-23

I. Введение

В земле иногда находят камни такой формы, как будто их кто-то тщательно выпиливал, шлифовал, полировал. Это – многогранники с плоскими гранями, с прямыми ребрами. Вот эти-то камни природной, то есть не сделанной руками человека, правильной, симметричной формы и называются кристаллами. Кристаллы, залегающие в земле, бесконечно разнообразны. Размеры природных многогранников достигают подчас человеческого роста и более. Встречаются кристаллы – лепестки, тоньше тетрадного листа бумаги и кристаллы – пласты в несколько метров толщиной. Бывают кристаллы маленькие, узкие и острые, как иголка, и бывают громадные, как колонны. В некоторых местностях Испании такие кристаллические колонны ставят как столбы для ворот. В музее Горного института в Ленинграде хранятся кристаллы горного хрусталя (кварца) высотой около метра и весом более тонны, который много лет служил тумбой ворот одного из домов Екатеринбурга. Многие кристаллы идеально чисты и прозрачны, как вода. Недаром говорят: прозрачный, как кристалл, кристально чистый. (Рис. 1)

Кристаллы бывают не только природными, но так же и искусственными, выращиваемыми человеком. Зачем же создают еще и искусственные кристаллы, если и так почти все твердые тела вокруг нас имеют кристаллическое строение? При искусственном выращивании можно получить кристаллы крупнее и чище, чем в природе. Есть и такие кристаллы, которые в природе редки и ценятся дорого, а в технике очень нужны. Поэтому разработаны лабораторные и заводские методы выращивания кристаллов алмаза, кварца, сапфира и др. В лабораториях выращивают большие кристаллы, необходимые для техники и науки, драгоценные камни, кристаллические материалы для точных приборов, там создают и те кристаллы, которые изучают кристаллографы, физики, химики, металловеды, минералоги, открывая в них новые замечательные явления и свойства. А самое главное – искусственно выращивая кристаллы, создают вещества, каких вообще нет в природе. В этом состоит актуальность нашей работы.

Целью нашей работы является знакомство с миром кристаллов, изучение их строения, основных свойств и особенностей, экспериментальная проверка некоторых способов выращивания искусственных кристаллов из раствора поваренной соли, медного купороса и сахара.

II. Внутренний мир кристаллов

Если рассматривать при помощи лупы и микроскопа крупинки сахара, соли, медного купороса, нафталина и т. п., то можно заметить, что они ограничены плоскими, как бы шлифованными гранями. Наличие таких естественных граней является признаком нахождения вещества в кристаллическом состоянии.

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

Кристаллом называют тело определенной геометрической формы, ограниченное естественными плоскими гранями.

2.1 Монокристаллы и поликристаллические тела

Тело, представляющее собой один кристалл, называется монокристаллом. Маленькая крупица сахарного песка является монокристаллом.

Большинство кристаллических тел состоит из множества беспорядочно расположенных и сросшихся между собой мелких кристалликов. Такие тела называются поликристаллическими. Поликристаллическими являются все металлы и минералы. Кусок сахара тоже поликристаллическое тело.

2.2 Форма и размеры кристаллов

Кристаллы различных веществ имеют разнообразную форму. Один из видов кристаллов льда, образующих причудливые формы снежинок, представляет собой правильную шестиугольную призму. Размеры кристаллов тоже разнообразны. Одни кристаллы крупны и легко различимы невооруженным глазом, другие же настолько малы, что могут быть рассмотрены только в микроскоп. Размеры кристаллов поликристаллического типа могут с течением времени изменяться. Так мелкие кристаллы железа и меди переходят в крупные. Этот переход ускоряется при ударах и сотрясениях. Он постоянно происходит в железнодорожных рельсах, вагонных осях, стальных мостах, отчего прочность этих сооружений с течением времени уменьшается.

2.3 Полиморфизм

Очень многие тела одинакового химического состава в кристаллическом состоянии в зависимости от условий могут существовать в двух или более разновидностях (модификациях). Это свойство называется полиморфизмом (многоформностью). У льда, например, известно до десяти различных модификаций, которые получают в лабораториях. В природе же встречается только один вид.

Особо важное значение для техники имеет полиморфизм углерода – углерод кристаллизуется в двух модификациях: графит и алмаз. Графит – мягкий материал матово-черного цвета. Из него, например, изготавливают, грифели карандашей. Алмаз совершенно не похож на графит. Это прозрачный и очень твердый кристалл. При температуре около 150 ºС (при нагревании в вакууме) алмаз превращается в графит. Чтобы графит превратить в алмаз, его нужно нагреть до 2000 ºС под давление 1010 Па. В настоящее время освоено промышленное производство искусственных алмазов. Искусственные алмазы широко используются в различных режущих инструментах. (Рис. 2)

2.4 Анизотропия кристаллов

Существенным свойством монокристалла является анизотропия – неодинаковость его свойств (механический, тепловых, электрических и т. д.) по различным направлениям. Например, если кристаллы поваренной соли, имеющие кубическую форму, раскалывать, то мелкие осколки будут иметь преимущественно форму прямоугольных параллелепипедов. Это значит, что в направлениях, параллельных граням, прочность кристалла поваренной соли гораздо меньше, чем в диагональных и других направлениях.

Кусок слюды легко расслаивается в одном из направлений на тонкие пластинки. Расслоить его в направлении, перпендикулярном пластинкам, гораздо труднее. Также легко расслаивается в одном направлении кристалл графита.

Если грань кристалла, например кварца, покрыть тонким слоем парафина и прикоснуться к нему раскаленной иглой, то парафин начнет плавиться. Расплавленный парафин имеет форму не круга, а эллипса, что указывает на различие теплопроводности кристалла по разным направлениям. О неодинаковости теплового расширения кристалла по разным направлениям можно заключить из следующего опыта. Если из монокристалла, например кварца, изготовить тело шарообразной формы и нагреть его, то после нагревания оно уже не будет шаром. Вдоль трех взаимно перпендикулярных диаметров тело расширится неодинаково, а вместо шара получится так называемый эллипсоид.

Поликристаллические тела изотропны, т. е. обнаруживают одинаковые свойства по разным направлениям. Это объясняется тем, что кристаллики, из которых состоит кристаллическое тело, ориентированны друг по отношению к другу хаотически. В результате ни одно из направлений не отличается от других.

2.5 Кристаллическая решетка

Правильность внешней формы твердых (кристаллических) тел обусловлена тем, что частицы (атомы, молекулы), из которых эти тела состоят, расположены друг относительно друга в определенном порядке, на строго определенных расстояниях друг от друга.

Вследствие теплового движения расстояния между частицами несколько меняются, так как они совершают колебания около определенных точек – положений равновесия частиц. Именно эти точки – узлы и расположены в определенном порядке.

Кристаллическая решётка - пространственное периодическое расположение атомов или ионов в кристалле. Для описания кристаллической решётки достаточно знать расположение частиц в элементарной ячейке кристалла, повторением которой образуется кристаллическая решётка.

Длина ребра элементарной ячейки называется периодом кристаллической решетки. (Длины ребер элементарной ячейки могут быть различны по разным направлениям). Например, в монокристалле криптона такая ячейка повторяется много раз с неизменной ориентацией. На этом основании говорят, что в кристалле наблюдается дальний порядок в расположении атомов или других частиц, из которых построен кристалл. Образно это можно себе представить так. Человек, уменьшенный до размеров атома, нашел бы, что путешествие в кристалле весьма однообразно. Перепрыгивая с атома на атом в каком-либо определенном направлении, он совершал бы прыжки одинаковой длинны; расположение атомов справа и слева, над ним и под ним оставалось бы одним и тем же. Изменяя направление своего движения, человек быстро установил бы различие воспринимаемых картин. Он обнаружил бы, что расстояние между атомами изменилось, изменилось и их положение. Однако и новая картина повторялась бы до тех пор, пока вновь бы не сменил бы направление перемещения.

Классификация по типу химической связи

Существует четыре типа кристаллов: молекулярные, ковалентные (или атомные), ионный и металлические. Во всех типах кристаллов образующие их частицы (молекулы, атомы, ионы) располагаются таким образом, что их энергия оказывается минимальной. При таком расположении частиц внутри кристалла они образуют устойчивую систему. (Рис. 3)

Молекулярные кристаллы. Молекулярная кристаллическая решетка. В узлах располагаются молекулы. Между ними действуют слабые силы притяжения, поэтому вещества летучи, у них низкие температуры плавления и кипения, малая твердость. К молекулярным кристаллам относят кристаллы водорода, аргона, брома, нафталина и др. Сухой лед (твердая углекислота) и многие органические вещества также являются молекулярными кристаллами. Прочность всех этих кристаллов невелика.

Ковалентные кристаллы. Атомная кристаллическая решетка.        В узлах находятся отдельные атомы. Связи между ними самые прочные, поэтому вещества самые твердые, в воде не растворяются, у них высокие температуры плавления и кипения.        К ковалентным кристаллам относят алмаз, полупроводники кремний и германий, а также многие соединения: сульфид цинка, оксид бериллия и др. В алмазе число ближайших соседей каждого атома углерода равно его валентности, т. е. четырем. Атом располагается симметрично в центре группы из четырех одинаковых атомов, которые лежат в вершинах тетраэдра. Тетраэдр – фигура жесткая; его конфигурацию не изменишь, не деформируя его ребер. Куб же, к примеру, легко деформировать в параллелепипед, не меняя размеров ребер. Этим, а также малыми межатомными расстояниями (0,154 нм) объясняются свойства алмаза, в частности его уникальная твердость. Любые два соседних атома налаживают между собой ковалентную связь, выделяя для этого по одному электрону. Но не надо думать, что коллективизированная пара принадлежит лишь двум атомам. От атома к соседям ведут четыре «тропинки» (связи), и данный валентный электрон может двигаться по любой из них. Дойдя до соседнего атома, он может перейти к следующему и блуждать по тропинкам-связям вдоль всего кристалла. Коллективизированные электроны принадлежат всему кристаллу в целом, и поэтому такой кристалл – это в сущности колоссальная молекула. Ковалентные связи алмаза очень прочны и не рвуться с увеличением энергии колебаний атомов, т. е. с ростом температуры. Поэтому алмаз не проводит электрический ток.

Металлические кристаллы. Металлическая кристаллическая решетка. В узлах находятся атомы металлов, легко переходящие в ионы, при отдаче электронов в общее пользование. Вещества ковкие, пластичные, имеют металлический блеск, высокую тепло- и электропроводность. При образовании куска метала из отдельных атомов валентные электроны  полностью утрачивают связь со своими атомами и становятся «собственностью» всего куска в целом. Положительные ионы окружены «электронным газом», образованным коллективизированными электронами. Этот газ заполняет все промежутки между ионами и стягивает их электрическими силами.

В ковалентных кристаллах коллективизированные электроны циркулируют по строго определенным путям. В металле же электроны оказываются свободными и могут перемещаться по всему куску в любых направлениях. Это проявляется, например, в том, что металлы хорошо проводят электрический ток, в то время как ковалентные кристаллы в большинстве случаев являются изоляторами или полупроводниками. Очень слабая связь валентных электронов металла с атомами – вот причина той относительной свободы, которую имеют электроны внутри металлов. У ковалентных кристаллов эта связь значительно прочнее.

Ионные кристаллы. Ионная кристаллическая решетка. В узлах находятся положительные и отрицательные ионы. Связь между ними прочная, поэтому вещества обладают высокой твердостью, тугоплавкостью, нелетучие, но многие могут растворяться в воде.

Коллективизация валентных электронов связывает также атомы ионных кристаллов. К их числу относятся неорганические соединения NaCl, AgBr и др. Но в ионных кристаллах, например в кристалле поваренной соли, коллективизация электронов в сущности сводится к экспроприации хлором одного электрона у натрия. Все валентные электроны движутся по узлам решетки, занятым хлором, и кристалл фактически состоит из ионов противоположных знаков. Связь в этом случае обеспечивается электростатическими силами притяжения.

III. Выращивание кристаллов

Существует три метода получения искусственных кристаллов: кристаллизация из паровой фазы, кристаллизация из раствора и кристаллизация из расплава.

1 способ. Выращивание кристаллов из водных растворов

Простейшая установка для выращивания кристаллов из водных растворов состоит из стеклянной банки, крышки, раствора и исходного кристаллика (зародыша).

Берем соль (к примеру, медный купорос). Отвешиваем грамм 80 его. Делаем насыщенный раствор соли при высокой температуре. Раствор ставим остывать, кинув туда пару-тройку кристаллов соли (маленьких, оставшихся от растворения). По остывании раствора извлекаем на фильтр осадок излишка соли, ищем там самые крупные кристаллы, выбираем их, а остальные растворяем в растворе 1 при кипячении. Повторяем ту же операцию – кидаем в горячий раствор крупные кристаллики и ставим охлаждаться.

2 способ. Выращивание кристаллов из растворов солей с использованием «затравки»

Сначала приготовим как можно более концентрированный раствор выбранной соли, внося соль в стакан с водой, - до тех пор, пока очередная порция соли не перестанет растворяться при перемешивании. После этого слегка подогреем смесь, чтобы добиться полного растворения соли. Для этого стакан поставим в кастрюлю с теплой водой.         Полученный концентрированный раствор перельем в банку или химический стакан; туда же с помощью проволочной перемычки (можно также сделать перемычку из стержня шариковой ручки) подвесим на нитке кристаллическую "затравку" - маленький кристаллик той же соли - так, чтобы он был погружен в раствор. На этой "затравке" и предстоит расти будущему экспонату нашей коллекции кристаллов. Через трое суток после начала опыта в первом стакане наблюдаем нитку, опущенную в насыщенный раствор, которая превратилась в "ожерелье" из кристаллов хлорида натрия, а во втором стакане на нитке появились кристаллики медного купороса. Сосуды с растворами поставим в открытом виде в теплое место. Когда кристаллы вырастут достаточно большими, вынем их из раствора, обсушим мягкой тряпочкой или бумажной салфеткой, обрежем нитку и покроем грани кристалла бесцветным лаком, чтобы предохранить от "выветривания" на воздухе. (Рис. 4)

Самое важное условие: для выращивания кристаллов используют только свежеприготовленные растворы!!! Так как в процессе стояния в растворах у многих веществ накапливающиеся определённого состава комплексы меняют структуру кристалла (такие кристаллы могут начинать быстрее выветриваться). Какие-то растворы сильно гидролизуются (их ещё можно очистить фильтрованием).

Приготовление маточного раствора

Прямой способ. Для приготовления маточного раствора требуется чистый, хорошо вымытый термостойкий стакан на 1 л. В него наливают горячую (t=50оС, при высоких температурах вещество сильно гидролизуется) кипячёную воду или, что лучше, дистиллированную 700-800 мл. В стакан засыпают вещество небольшими порциями (1 порция = 1 столовая ложка без горки), каждый раз перемешивая и добиваясь полного растворения. Когда раствор «насытится» – т. е. вещество будет оставаться на дне, добавляют ещё две порции  и оставляют раствор при комнатной температуре на сутки. Чтобы в раствор не попала пыль, его накрывают листом фильтровальной бумаги и оставляют в той части помещения, где сохраняется постоянная температура, где в дальнейшем Вы будете продолжать опыт. Если проходит отопительный сезон, то можно оставить стакан и около батареи, но помните, что растворимость у вещества теперь будет другая. И стоит измениться температуре, как возникнет кристаллизация – лишнее вещество выкристаллизуется из раствора. Помните: чтобы кристаллы росли как можно правильно, кристаллизация должна идти медленно, на бесцветных веществах, чьи кристаллы должны быть прозрачны как стекло,  скорость роста проявляется заметнее – при быстром росте кристаллы мутнеют!!!

Возможен и обратный способ приготовления насыщенного раствора. Вы максимально растворяете вещество при комнатной температуре, и когда растворение достигнет предела (вещество будет оставаться на дне), добавляете ещё 1-2 порции и греете сосуд с раствором на плите до t=50-60оС. Условие этого способа – используемая посуда должна быть термостойкой, а конфорка плиты ровной, это может создать неудобство при нагревании объёмов, например, в 1 л. Но есть из чего выбирать.

На следующий день осматривают раствор. Раствор медного купороса не должен содержать мути.  На дне должен выпасть избыток вещества в виде кристаллов. В том случае, если обнаружены примеси, раствор подогревают на 20оC (поставьте стакан с раствором в таз с тёплой водой на 1-2 часа) и фильтруют на воронке, внутрь которой помещают фильтр или (что быстрее и лучше) кусочек ваты. Поскольку нам осадок не нужен, зачем усложнять процесс фильтрования. Кусочек ваты должен лежать неплотно на дне воронки, не затруднять ток жидкости, но и не проваливаться с нею в стакан, иначе фильтровать придётся заново, смачивать вату водой, как фильтр не надо. Затем повторяют охлаждение до комнатной температуры. Этот раствор будет необходим нам в большом количестве, поэтому вы должны иметь посуду для его хранения и по необходимости запастись им дополнительно. Хранить его можно в колбе, либо пластиковых бутылках из-под воды, несодержащей красителей и ароматизаторов (объём которых варьирует от 0,33 до 30 л), с притёртой пробкой (если пробка резиновая, то её оборачивают полиэтиленовой плёнкой, чтобы она не взаимодействовала с раствором), на дне должны оставаться кристаллы вещества.

 Получение кристалла-затравки.

Готовый очищенный раствор аккуратно сливают с осадка кристаллов и в количестве 1 л помещают в термостойкую круглодонную колбу. Туда же помещают 1 чайную ложку (с горкой) химически чистого вещества (это могут быть те же выпавшие кристаллы). Теперь колбу нагревают на водяной бане, добиваясь полного растворения, как правило, в окрашенных растворах окраска, из-за избытка вещества, становится интенсивнее. Полученный раствор греют ещё 5 мин на водяной бане при температуре не выше 60-70оС, после чего его переливают в чистый, подогретый до температуры раствора термостойкий стакан (можно ополоснуть кипятком). Стакан обворачивают плотно сухим полотенцем, накрывают фильтровальной бумагой и оставляют остывать. Сейчас раствор надо беречь от сквозняков, от резких перепадов температур. Резкий перепад температур, как и резкое перемешивание остывшего раствора, могут вызвать преждевременную кристаллизацию, но кристаллы при этом получатся мелкие и бесформенные, они плотно осядут на стенки раствора и нагревание придётся повторять снова.

Спустя сутки, убирают полотенце, не стараясь колыхать стакан, чтобы не вызвать незапланированную кристаллизацию. Осматривают содержимое – на дне и на стенках должны образоваться  небольшие плоские синие кристаллики-параллелограммы.

Если образовалось множество мелких сросшихся бесформенных кристалликов, как после резкого охлаждения, то количество соли уменьшают и повторяют описанную стадию.

Если кристаллики не образовались, Ваша вина – Вы не насытили раствор как следует и поэтому раствору следует постоять ещё сутки; либо следует увеличить количество растворяемого вещества, повторив этап заново.

Эта стадия эксперимента должна вас обучить правильно выращивать затравку, которая далее будет исходным кирпичиком для получения «огромной конструкции». Отберите подходящие по структуре кристаллики (с длинной ребра от 0,3 см и более) и храните их отдельно в банке с притёртой пробкой вдали от источников высоких температур и света. С каким-то одним вы будете продолжать эксперимент.

Помните: чем меньше выбранная вами затравка, чем она правильнее, тем легче раствору (системе) подстроиться под неё.

 Выращивание монокристалла.

Монокристалл выращивают из полученной затравки. Используя суровую нить, плотно на 1-2 раза обвивают затравку, чтобы она не соскользнула после намокания нити, желательно за самую длинную грань, либо выберите затравку с длинной гранью.  Придётся помучиться, создавая петельку, в которую ляжет кристалл размером около 3-5 мм. Главное терпение, попросите кого-нибудь помочь Вам, пусть разделяют Ваше увлечение, скажем, родители. Это не сложнее, чем попасть ниткой в ушко иголки. Второй конец нити можно примотать к крестовине из деревянных или пластиковых палочек, чья длина больше диаметра стакана. Намотайте нить так, чтобы при повороте крестовины Вы могли легко регулировать высоту подъёма затравки.

Снова готовят насыщенный раствор на основе исходного маточного. Для этого готовый раствор ставят на водяную баню и добавляют 0,5 чайной ложки вещества. Чем меньше Вы добавите его на этом этапе, тем лучше (можно также просто нагреть насыщенный раствор, без добавления вещества). Греют и перемешивают. Как только вещество растворилось, колбу вынимают, и раствор переливают в заранее приготовленный нагретый стакан. Стакан с раствором ставят на выбранное место, и дают 20-30 секунд постоять, чтобы жидкость немного успокоилась. Наш раствор непересыщенный, поэтому «лишние градусы» могут вызвать растворение затравки, что нам не нужно. Если раствор тёплый, ему дают остыть до 30оC или чуть меньше. Желателен термометр, но проверить при его отсутствии приблизительную температуру – легко, температура нашего тела 36,6оC, поэтому всё, что кажется теплее – выше её, наоборот – ниже. Следить за остыванием раствора следует очень внимательно, чтобы не допустить её понижения до комнатной (обычно на остывание раствора выделяю около двух часов). Затем затравку располагают в тёплом растворе (температура на 5-7оС выше комнатной) таким образом, чтобы кристаллик как бы висел в нём, на высоте1/2 или 3/5 от дна. Поместив затравку в раствор, понаблюдайте на просвет не оплывают ли грани у Вашей затравки, не создаются ли вокруг неё волнообразные завихрения. Если да – раствор ещё тёплый для затравки, такое бывает с хорошо растворимыми в воде веществами, надо затравку вынимать и подождать ещё. Мой обычный температурный предел выжидания: раствор должен быть минимум на 5оС выше комнатной температуры. Когда, наконец, разместили – всё, осталось только ждать, при этом стакан вертеть, наклонять, перемешивать раствор не рекомендуется.

Следует сказать, что можно вырастить кристалл и без нити. Для этого требуется широкий стакан с плоским дном, так как для этой цели затравку аккуратно укладывают на середину дна (можно помочь ей лечь нагретой стеклянной палочкой), и она повторит его рельеф. Здесь рост кристалла будет ограничен стенками стакана, и преимущественно, он будет расти в стороны – это хорошо для медного купороса и для плоских кристаллов в принципе (жёлтая кровяная соль, гидрофталат калия). Если такое получилось случайно, следите, чтобы на дне не стали расти ещё кристаллы, а то они врастут в исходный. На петле со временем тоже могут начать расти кристаллы, иногда их бывает несколько, а иногда растёт 1-2 правильных и внешне они лучше затравки.

Помните: чтобы не было наростов на нити, нить должна быть тонкой без волосков, и должна быть опущена с затравкой в раствор на 5-7оС теплее комнатной температуры. Такая нить успевает пропитаться раствором и «сливается» с системой в единое целое.

Теперь следует следить за ростом кристалла каждый день, ни в коем случае не поднимая, не поворачивая и не сотрясая стакан с раствором, иначе эта встряска породит в системе незапланированную, иногда мгновенную кристаллизацию.

Вначале вы увидите, как система будет «обживать» затравку, как они будут подстраиваться друг под друга. По мере роста нить начнёт уходить внутрь кристалла, получится что-то вроде кулона.

Как видите, у кристаллов есть своя особенность, они должны быть гладкими и прозрачными, как стекло. Однако, при частом прикасании к кристаллу, хранении на открытом воздухе, на свету, мы наблюдаем его помутнение: кристалл выветривается, т.е. теряет, всегда входящую в его состав воду. Избежать выветривания для кристаллов, выращенных из растворов, сложно. Поэтому хранить  кристаллы следует в герметичных пакетах или баночках в холодильнике. (Рис. 5)

IV. Кристаллические узоры

Снежинка — это монокристалл льда – разновидность гексагонального кристалла, но выросшего быстро, в неравновесных условиях. Над тайной их красоты и бесконечного разнообразия не одно столетие бьются учёные. Большую коллекцию фотографий снежинок собрал американец Уилсон Бентли. В 1931 году он опубликовал сборник репродукций, в котором содержались фотографии 2450 ледяных кристаллов.  (Рис. 6)

Жизнь снежинки начинается с того, что в облаке водяного пара при понижении температуры образуются кристаллические зародыши льда. Центром кристаллизации могут быть пылинки, любые твердые частицы или даже ионы, но в любом случае эти льдинки размером меньше десятой доли миллиметра уже имеют гексагональную кристаллическую решетку. Водяной пар, конденсируясь на поверхности этих зародышей, образует сначала крошечную гексагональную призму, из шести углов которой начинают расти одинаковые ледяные иголочки — боковые отростки, т.к. температура и влажность вокруг зародыша тоже одинаковые. На них в свою очередь вырастают, как на дереве, боковые отростки — веточки. Подобные кристаллы называют дендритами, то есть похожими на дерево. Передвигаясь вверх и вниз в облаке, снежинка попадает в условия с разной температурой и концентрацией водяного пара. Ее форма меняется, до последнего подчиняясь законам гексагональной симметрии. Так снежинки становятся разными. Хотя теоретически в одном облаке на одной высоте они могут «зародиться» одинаковыми. Но путь до земли у каждой свой, довольно долгий — в среднем снежинка падает со скоростью 0,9 км в час. А значит, у каждой — своя история и своя окончательная форма. Образующий снежинку лед прозрачен, но когда их много, солнечный свет, отражаясь и рассеиваясь на многочисленных гранях, создает у нас впечатление белой непрозрачной массы — мы называем ее снегом. В природе, наверное, нет двух совершенно одинаковых снежинок. Каждый момент времени, каждая точка пространства в один и тот же момент времени, несут свою неповторимую информацию в виде физико-химических факторов внешней среды, которую воспринимает и фиксирует в своей структуре образующаяся снежинка. Каждая снежинка, падая на землю, проходит через слои воздуха, отличающиеся влажностью, температурой, загрязнением и другими параметрами. Поэтому среди миллионов снежинок вряд ли можно найти две совершенно одинаковые.

Чтобы не путаться с многообразием снежинок, Международная комиссия по снегу и льду приняла в 1951 году довольно простую классификацию кристаллов льда: пластинки, звездчатые кристаллы, столбцы или колонны, иглы, пространственные дендриты, столбцы с наконечниками и неправильные формы. И еще три вида обледенелых осадков: мелкая снежная крупка, ледяная крупка и град. (Рис. 7)

Тем же законам подчиняется и рост инея, изморози и узоров на стеклах. Эти явления, как и снежинки, образуются при конденсации, молекула за молекулой — на земле, траве, деревьях. Узоры на окне появляются в мороз, когда на поверхности стекла конденсируется влага теплого комнатного воздуха. (Рис. 8). А вот градины получаются при застывании капель воды или когда в насыщенных водяным паром облаках лед плотными слоями намерзает на зародыши снежинок. На градины могут намерзать другие, уже сформировавшиеся снежинки, сплавляясь с ними, благодаря чему градины принимают самые причудливые формы.

V. Список используемой литературы

1. Г. Я. Мякишев, А. З. Синяков. Физика. Молекулярная физика. Термодинамика. 10 класс. Учеб. для углубленного изучения физики – М.: Дрофа, 2005;
2. И.В. Савельев: Курс общей физики, книга 3.  –  М.: Астрель, 2001;
3. Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц, Статистическая физика. Часть 1. — Издание 3-е, дополненное. — М.: Наука, 1976. — 584 с. — («Теоретическая физика», том V);
4. Н. Ашкрофт, Н. Мермин Физика твёрдого тела. Том I. Глава XIII;
5. В.Чернавцев. Гипсовое чудо света. Вокруг света, №11, 2008, стр.16-22 ;
6. Воротников А. А. Физика и химия. Универсальная энциклопедия школьника. ТОО Харвест, 1996;
7. Крицман В.А., Станцо В. В. Энциклопедический словарь юного химика. – М.: Педагогика, 1996;
8. Смолеговский А. М. Кристаллы. – М.: Просвещение, 1999;
9.  Чуянов В. А. Энциклопедический словарь юного физика. – М.: Педагогика, 1995.