Научно-исследовательский проект «Выращивание кристаллов»

Научно-исследовательская работа

Тема: «Кристаллы и их выращивание»

Мы живем в мире, в котором большая часть веществ находится в твердом состоянии. Мы пользуемся различными механизмами, инструментами, приборами. Мы живем в домах и квартирах. Имеем мебель, бытовые приборы, современнейшие средства связи: радио, телевидение, компьютеры и т. д. А ведь все это твердые тела. Так что же такое твердые тела?

В отличие от жидкостей, твердые тела сохраняют не только объем, но и форму, т.к. положение в пространстве частиц, составляющих тело, стабильно. Из-за значительных сил межмолекулярного взаимодействия частицы не могут удаляться друг от друга на значительные расстояния.

В природе часто встречаются твердые тела, имеющие форму правильных многогранников. Такие тела назвали кристаллами. Например, снежинки, морозные узоры на стеклах окон и иней, украшающий зимой голые ветки деревьев. Все камни - это кристаллы! Причем не только яркие и блестящие драгоценные камни (алмазы, рубины, сапфиры), но и обычные, из которых состоят горы, скалы, ущелья и пещеры. Существуют даже кристаллы, которые можно съесть! Это соль и сахар, которые имеются на каждой кухне.

Нам стало интересно, а возможно ли получить кристаллы в условиях школьной лаборатории. Нас очень заинтересовала эта тема, и мы решили вырастить кристаллы из медного и железного купороса.

Актуальность исследования состоит в том, что выращивание кристаллов -  увлекательное и познавательное занятие и, пожалуй, самое простое, доступное и недорогое. Кристаллы играли и играют до сих пор немаловажную роль в жизни человека.

Предмет исследования: процесс кристаллизации.

Объект исследования: кристаллы медного и железного купороса.

Цель: выращивание кристаллов из медного и железного купороса и наблюдение за процессом их роста.

Задачи:

• рассмотреть лабораторный способ выращивания кристаллов;
• по мере роста кристаллов соотносить свои наблюдения с закономерностями, известными из теории кристаллов;
• сравнить формы выращенных кристаллов с формами кристаллических решеток.

План работы над проектом:

• Изучение способов выращивания кристаллов в лабораторных условиях
• Подготовка необходимых материалов (соль медного купороса, соль железного купороса, емкости для выращивания кристаллов, термометр, нить)
• Проведение опытно-экспериментальной деятельности с целью получения кристаллов
• Анализ полученных результатов исследования.
  

Обзор литературных источников по исследуемой проблеме

Слово «кристаллос» у древних греков обозначало лед. Так же назывался и водяно-прозрачный кварц (горный хрусталь), ошибочно считавшийся тогда «окаменевшим льдом». Впоследствии этот термин был распространён на все кристаллические тела.

В школьных учебниках кристаллами обычно называют твердые тела, образующие в природных или лабораторных условиях и имеющие вид многогранников, которые напоминают самые строгие геометрические построения. Поверхность таких фигур ограничена более или менее совершенными плоскостями - гранями, пересекающимися по прямым линиям - ребрам. Точки пересечения ребер образуют вершины.

В течении долгих столетий геометрия кристаллов казалось таинственной и неразрешимой загадкой. Не случайно на гравюре великого немецкого художника Альбрехта Дюрера изображена Меланхолия в виде печального ангела, безнадежно всматривающегося в огромный кристалл. Вплоть до ХVII в. дальше описаний «удивительных угловатых тел» дело не шло.

В 1619 г. великий немецкий математик и астроном Иоганн Кеплер обратил внимание на шестерную симметрию снежинок. Он попытался объяснить тем, что кристаллы построены из мельчайших одинаковых шариков, теснейшим образом присоединённых друг к другу. По пути, намеченному Кеплером, пошли впоследствии Роберт Гук и М. В. Ломоносов. Они также считали, что элементарные частицы внутри кристаллов можно уподобить плотно упакованным шарикам. В наше время принцип плотнейших шаровых упаковок лежит в основе структурной кристаллографии.

Через 50 лет после Кеплера датский геолог, кристаллограф и анатом Николаус Стеной впервые сформулировал основные понятия о формировании кристаллов: «Рост кристалла происходит не изнутри, как у растений, но путем наложения на внешние плоскости кристалла мельчайших частиц, приносящихся извне некоторой жидкостью». Эта идея о росте кристаллов в результате отложения на гранях все новых и новых слоев вещества сохранила свое значение и до сих пор.

Кристаллические тела могут быть монокристаллами и поликристаллами. Монокристаллом называют одиночный кристалл, имеющий макроскопическую упорядоченную кристаллическую решётку. Монокристаллы обычно обладают геометрически правильной внешней формой, но этот признак не является обязательным.

Большинство встречающихся в природе и получаемых в технике твердых тел представляют собой совокупность сросшихся друг с другом хаотически ориентированных маленьких кристаллов-кристаллитов. Такие тела называются поликристаллами.

Плотность расположения частиц в кристаллической решетке не одинакова по различным направлениям. Это приводит к зависимости свойств монокристаллов от направления – анизотропии.

Анизотропия – зависимость физических свойств вещества от направления. Физические свойства поликристаллов не зависят от направления: они изотропны.

Изотропия – независимость физических свойств вещества от направления.

Простейший пример анизотропии кристаллов – неодинаковая их прочность по разным направлениям. Это свойство наглядно проявляется при дроблении кристаллических тел.
Кристаллы со слоистой структурой – слюда, гипс, графит, тальк – в направлении слоев совсем легко расщепляются на тонкие листочки, но невозможно разрезать или расколоть их в других плоскостях. Бесцветные кристаллы каменной соли прозрачны, как стекло. Если ударить ножом или молоточком по кристаллу, он разбивается на кубики с ровными, гладкими, плоскими гранями. Это явление спайности, т.е. способности раскалываться по ровным, гладким плоскостям, так называемым плоскостям спайности. Кристаллы кальцита тоже обладают весьма совершенной спайностью: при ударе они всегда разбиваются на так называемые ромбоэдры с гладкими, плоскими гранями. Ромбоэдр - это косоугольный параллелепипед, или, можно сказать, куб, вытянутый вдоль одной из его диагоналей.

Представления о кристаллах, их строении и свойствах развалились на протяжении нескольких веков. Точкой отсчета истории кристаллов может быть известие о существовании изумрудов в Индии за 2 тыс. лет до н. э., алмазов за 1000-500 лет до н. э., рубинов Цейлона за 600 лет до н. э. Человек пытается разгадать природу кристалла с XIII - XIV веков н.э., а в середине XX века весь мир удивили жидкие кристаллы, в конце XX века сенсацией стало известие об открытии фотонных кристаллов. Чем более совершенными знаниями и инструментами исследования владеет человечество, тем более новые горизонты в познании природы и кристаллов, в частности, нам раскрываются.

Удивительно, но выращивать кристаллы можно не только в химических и промышленных лабораториях, но и в домашних условиях. Самые популярные вещества, из которых выращивают кристаллы дома – это поваренная соль, железный купорос и медный купорос.

Существует всего два способа выращивания кристаллов в домашних условиях:

1. Метод охлаждения насыщенного раствора;

2. Метод испарения – постепенного удаления жидкости из раствора.

Берется нужное вещество, готовится из него перенасыщенный (концентрированный) раствор, кладется в раствор так называемая затравка, мелкий кристаллик, и путем прилипания молекул вещества на затравку кристаллик растет. А чтобы молекулы прилипали, нужно либо остужать воду, либо выпаривать (можно и то, и другое). Быстрый способ выращивания кристаллов – это медленное охлаждение раствора.

Выращивание кристаллов медного и железного купороса
       Медный купорос применяют в сельском хозяйстве для борьбы с вредителями и болезнями растений, в промышленности - при производстве искусственных волокон, органических красителей и др. Его можно купить в хозяйственном магазине.

Железный купорос применяют в борьбе с болезнями растений, для уничтожения мхов и лишайников, для дезинфекции выгребных ям. Его можно приобрести в цветочном магазине.

1 этап. Приготовление концентрированного раствора: берем горячую воду (температура воды 50⁰ С) в объеме 200 мл. В стакан небольшими порциями засыпаем вещество, каждый раз перемешивая и добиваясь полного растворения. Как только раствор «насытится», т.е. вещество перестанет растворятся, накрываем его и оставляем в помещении с постоянной температурой.  По мере остывания на дно в виде маленьких кристалликов выпадет лишнее вещество. Так мы получаем маточный раствор. (Приложение 1).

2 этап. Сливаем маточный раствор в другую чистую посуду, туда же помещаем кристаллики со дна, нагреваем посуду на водяной бане, добиваясь полного растворения, и даем охладиться. Через сутки на стенках и дне сосуда образуются маленькие кристаллики – параллелограммы. Из них мы отбираем наиболее правильный кристалл. Это и будет кристалл-затравка.  (Приложение 2).

3 этап. Снова готовим насыщенный раствор на основе маточного, добавляя немного вещества, греем и перемешиваем. Если раствор теплый, даем ему остыть до 30⁰С и помещаем туда кристалл-затравку, закрепляя его предварительно на нити. Кристалл-затравка не должен касаться стенок и дна сосуда. Теперь осталось наблюдать за ростом кристалла. (Приложение 3).

Заключение

Так как исследование проходило в зимнее время, раствор очень быстро остывал, поэтому поддерживать постоянную температуру не удавалось. При быстром охлаждении кристалликов образуется много, одни мешают расти другим и правильных кристаллов не получается. Также периодически приходилось подогревать раствор и добавлять туда еще вещество.  Все эти отклонения от технологии привели к тому, что кристаллы выросли сросшимися, т.е. у нас получились поликристаллы с ярко выраженными плоскими гранями отдельных кристаллов. (Приложение 3).

Не меняя положение затравки кристалла медного купороса, мы периодически фиксировали размеры некоторых граней и заметили, что грани изменяют свои размеры – растут, но форма их остается неизменной, углы между соответственными гранями тоже остаются постоянными. Подобная закономерность наблюдается и у других выращенных кристаллов.

Аналогичная закономерность обнаружена нами и у кристаллов железного купороса.

Таким образом, в различных кристаллах одного и того же вещества и форма граней, и их взаимные расстояния могут изменяться, но углы при этом остаются постоянными.

Опытным путем мы обнаружили, что форма граней кристаллов медного и железного купороса отличаются друг от друга. Основываясь на исследованиях выращенных кристаллов и их фотографий, можем утверждать, что форма монокристаллов медного купороса соответствует ромбоэдру, а форма кристаллов железного купороса соответствует ромбической призме.  (Приложение 4).

В дальнейшем мы планируем продолжать свои эксперименты с новыми веществами, и ставим перед собой цель вырастить монокристаллы больших размеров и создать собственную коллекцию кристаллов.

Библиографический список

1. Желудов И. С. Физика кристаллов и симметрия. – М.: Наука, 1987.
   
2. Кабардин О. Ф. Физика: учебник 10 класса для школ с углубленным изучением физики. – М.: Просвещение, 2001.
3. Шуман В. Драгоценные и поделочные камни. – М.: Мир, 1986.
4. Журнал «Физика в школе». – 2006. - №2.
5. Материалы Интернет.
   

Приложения

Приложение 1.

Приложение 2.

Приложение 3.

Приложение 4.

Презентация "Выращивание кристаллов"
PPTX / 3.05 Мб