Как только мы стали изучать тему об агрегатных состояниях вещества и узнали, что в твердом состоянии образуются кристаллы я вспомнил, как два года назад старшеклассницы после уроков делали какой-то раствор. А когда его перелили в бутылку, там появился «снег». Я повторил этот опыт и стал наблюдать, одновременно искать ответы на возникающие вопросы.

Целью моей работы стало:

исследование причин и механизма формирования различных форм кристаллов в одном и том же растворе.

Я поставил перед собой задачу ответить:

как появляются кристаллы;

от чего зависит их форма;

как они меняются со временем.

Для этого составил план исследования:

Поиск, сбор и обобщение информации о природе кристаллов.

Выявление причин перекристаллизации.

Проведение эксперимента.

Обработка результатов.

Выводы.

Оформление работы.

Объектом исследования явились изменяющие свою форму кристаллы камфары в водноспиртовом растворе.

Предметом исследования стали условия появления древообразных кристаллов.

Методы исследования:

гипотеза,

наблюдение;

эксперимент;

анализ.

Практическая значимость работы: понять, почему процесс роста кристалла очень чувствителен к воздействию внешних факторов, и насколько было бы это важно всем тем, кто разрабатывает ультрасовременные нанотехнологии.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ Причины образования кристаллов

Кристаллы образуются из любых веществ, чьи атомы и молекулы группируются в упорядоченную структуру. Для их выращивания не нужна лаборатория или специальные приспособления. Подойдут самые простые реактивы, которые всегда под рукой, например как в моем случае раствор камфары, селитры и нашатыря в спирту, разбавленном водой.

Причина кристаллизации, т. е. перегруппировки беспорядочно расположенных частиц в регулярную кристаллическую постройку заключается в том, что энергетически выгодно такое состояние, при котором силы, действующие между частицами, окажутся уравновешенными, а это достигается лишь в случае упорядоченного расположения частиц.

Кристаллы одного и того же вещества или соединения встречаются в самых разнообразных формах. Это можно объяснить тем, что на форму кристалла накладывают отпечаток различные изменяющиеся условия кристаллизации: температура, давление, сила тяжести, химический состав и динамика среды и т. д. И кристаллы, приспосабливаясь к изменяющимся условиям и используя все возможности для быстрого роста, меняют свой облик. Структура воды, в которой растворяются минеральные вещества, влияет на процесс кристаллизации из этих растворов. Структурированная вода способствует образованию более правильных по форме кристаллов и обеспечивает существенные различия кристаллографических рисунков [1].

Рис. 1. Структура воды

ажным, но совершенно не изученным является вопрос о влиянии структуры воды на процесс кристаллизации минеральных веществ. Исследования последних лет показали, что вода представляет собой неоднородную равновесную смесь льдоподобных структур, и свободных молекул воды. Льдоподобные образования как бы «плавают среди жидкой воды», состоящей из одиночных молекул. Льдоподобные молекулы находятся в кластерах (объёмное соединение молекул воды) и, возможно, способны выполнять роль затравки в процессе кристаллизации минеральных веществ [2].

Рис. 2. Водородные связи молекулы воды

еакционная способность воды и водных растворов значительно изменяется после воздействия различными факторами. Величина таких воздействий может быть достаточно малой. [3]. Электромагнитное воздействие может вызывать деформацию водородных связей, в том числе изменение длины O-H или углов H-O-H.

Молекулы воды, их объединения, совершают беспрерывные колебательные движения, которым соответствует определенная энергия колебательного движения. При воздействии на эту систему переменным полем возможен резонанс с определенной группой молекул с поглощением квантов энергии, способных деформировать связи, изменять структурную характеристику системы.

Сильное магнитное поле способно деформировать линейные размеры молекул, растягивая молекулы воды и превращая их в ионы с разрывом или деформацией водородных связей.

Электромагнитное поле высокочастотного диапазона может оказывать влияние на свойства воды как растворителя через кластеры воды. Причиной изменения активности растворителя является изменение их структуры под действием электрической составляющей электромагнитного поля.

Таким образом, при воздействии электромагнитного излучения с водой происходит накапливание энергии в кластерной структуре до некоторого критического значения, затем происходит разрыв связей как между кластерами, так и других, происходит лавинообразное освобождение энергии, которая может затем трансформироваться в другие типы.

Механизм роста кристаллов

При образовании молекулы сила притяжения и сила отталкивания играет одинаково важную роль, т.к. структура молекулы определяется равнодействующей этих сил. Сила отталкивания является более короткодействующей, чем сила притяжения.

Кристалл – это твердое вещество, имеющие естественную форму многогранника. Химические связи кристаллов очень упорядочены и симметричны. Кристаллы бывают различных форм. Крупные одиночные кристаллы, имеющие свою правильную форму, в природе встречаются очень редко.

Рассмотрим кристаллизацию из раствора.

В данном объёме той или иной жидкости при постоянной температуре и давлении может раствориться не больше определённого количества того или иного кристаллического вещества. Полученный при этом раствор называют насыщенным. Кристалл, помещённый в насыщенный раствор, не будет ни расти, ни растворяться в нём. Если повысить температуру жидкости, то растворимость её повышается, поэтому имеющееся количество растворённого вещества уже не будет насыщать раствор. Кристалл, помещённый в ненасыщенный раствор, начнёт в нём растворяться. Если насыщенный раствор охладить, он станет пересыщенным. Пересыщенные растворы могут сохраняться в замкнутых сосудах долгое время, не кристаллизуясь. Однако достаточно попасть в раствор малейшей частицы кристалла, как раствор немедленно начнёт кристаллизоваться. Таким образом, пересыщение раствора является необходимым, но достаточным условием для кристаллизации. Процесс кристаллизации состоит из двух стадий: образование центров кристаллизации (зародышей) и рост кристаллов вокруг этих центров.

П рисоединение строительных единиц к кристаллической решетке осуществляется методом проб и ошибок: частица много раз пытается встроиться в кристалл, пока не найдет подходящего места и не повернется нужным образом. [4].

Но не только форма молекул и заметная разница сил их взаимодействия в различных направлениях определяют форму растущего кристалла. Если кристаллы растут при больших пресыщениях раствора, то часто образуются необычные для данного вещества ветвистые, древовидные формы, называемые дендритами. Объясняется это тем, что вершины кристаллов соприкасаются с более пересыщенным раствором, чем их грани. Опережая в росте боковые грани, вершины внедряются вглубь неиспользованного раствора, что способствует их дальнейшему быстрому росту [5].

Рис. 3. Кристаллический дендрит

сновной причиной и движущей силой процесса кристаллизации является стремление вещества к устойчивому в термодинамическом отношении, состоянию, т.е. к наименьшему запасу свободной энергии [6].

Эксперимент

Для исследования приготовили раствор по известному рецепту

вода — 28,3 мл,

камфара — 5,4 г,

камфорный спирт (10%-ный) — 64,8 мл,

нитрат калия — 3 г,

хлорид аммония — 3 г.

Соотношение количества спирта и воды взято такое, чтобы получился насыщенный раствор. Минеральные же соли нужны для того, чтобы повысить плотность раствора; благодаря добавлению этих солей плотность раствора оказывается примерно такой же, что и плотность выпавших кристаллов камфары — то есть растущие в толще раствора кристаллы не будут тонуть, и их будет видно лучше всего [7].

О бразование осадка начинается с формирования мелких крупинок и в самом растворе, и на поверхности емкости, в которую он помещен, эти крупинки-кристаллики срастаются в более крупные и правильные по форме кристаллы. После образования видимых кристаллов начинается наблюдение за ними. Изначально раствор предназначался для создания прибора - химического барометра, в котором картина выпавшего осадка указывала на предстоящее изменение погоды и была найдена связь с активностью Солнца, а это, как известно, связано с таким погодным параметром, как геомагнитный фон.

За лето мне удалось поймать два интересных совпадения: Возрастание уровня геомагнитной возмущенности (магнитные бури) стимулирует кристаллообразование в форме дендритов.

рис. 4. Дендриты в дни геомагнитных возмущений (верхний рис. 18-26°С; нижний рис. 14-20°С )

А потом мне пришла в голову мысль: смоделировать условия с магнитным полем. Поместив флакон между полюсами постоянного магнита, пронаблюдал в течение нескольких дней за изменениями формы и положением дендритов в растворе. С течением времени кристаллы повернулись вдоль магнитных силовых линий, т.е. поперек флакона.

Теперь понятно, для чего после перелома кости назначают физиопроцедуру с магнитом. Магнитное поле, ориентируя молекулы, способствует ускоренному срастанию костей.

Результаты

№ опыта	Исследуемый фактор	Изменение параметра	наблюдение
1	Температура	уменьшается	Слой кристаллов растет
2	Температура	увеличивается	Слой кристаллов уменьшается
3	Слабая магнитная буря	9 часов	Высокий дендрит
4	Слабая магнитная буря	3 часа	Невысокие «кустики»
5	магнитное поле	постоянное	переориентация кристаллов вдоль поля

ВЫВОДЫ

Таким образом, мы видим, что процесс роста кристалла очень чувствителен к воздействию внешних факторов. Даже такое незначительное изменение условий, как температура и магнитное поле, влияют на размер, форму и количество выросших кристаллов. Изучив влияние различных условий на рост кристаллов, человек может управлять процессом кристаллизации, получая при этом кристаллы с необходимыми свойствами.

Понять, как сверхслабые поля могут инициировать столь сложную самоорганизацию, было бы очень важно всем тем, кто разрабатывает ультрасовременные нанотехнологии.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

КиберЛенинка: https://cyberleninka.ru/article/n/vliyanie-struktury-vody-na-formirovanie-kristallov-hlorida-medi-ii

Как растут кристаллы в растворе (Рашкович Л.Н. , 1996), Физика https://poznayka.org/s59422t1.html

Вода - космическое явление/Под ред. Рахманина Ю.А., Кондратова В.К. - М.: РАЕН; 2002. - 427 с.

Влияние различных физических воздействий на перестройки водных и водно-спиртовых кластеров. Хлебный Е.С., Кершенгольц Б.М. Якутский государственный университет им. М.К.Аммосова. 2005 г.

Исследование влияния электромагнитных полей на структуру и свойства воды Научный журнал КубГАУ, №81(07), 2012 года, http://ej.kubagro.ru/2012/07

https://studopedia.su/9_80249_termodinamicheskie-osnovi-protsessa-kristallizatsii.