Рост цветных кристаллов из алюмокалиевых квасцов

МКОУ «ПОСЕВНИНСКАЯ СОШ»

Рост цветных кристаллов из алюмокалиевых квасцов

Автор: Габелкова Виктория,

МКОУ «Посевнинская СОШ», 9 класс,

Черепановский район, р.п. Посевная

Научный руководитель:

Зиборова Ю. Б.,

учитель химии

р.п. Посевная, 2024 год

Содержание

              ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………………..........................………................3

ГЛАВА 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О КРИСТАЛЛАХ …………………………...........…………….…..................5

1.1 История открытия кристаллов…………..……………...…...……………………................................…5

1.2. Формы кристаллов из квасцов кубической сингонии….……………………..…...........…...........5

ГЛАВА 2. РОСТ КРИСТАЛЛОВ ИЗ АЛЮМОКАЛИЕВЫХ КВАСЦОВ ...………………….......................8

2.1 Методика проведения экспериментов «Рост кристаллов из квасцов методом

испарения»..................................................................................................................8

2.2 Эксперименты «Рост кристаллов из квасцов методом испарения»……………….................11

ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………..………..…………………………………………....................................................…13

ГЛОССАРИЙ……………………………………………………………………………………........................................14

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ …………………...………………………............................... 15

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. График измерения температуры воды термодатчиком .….......…………….....16

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Рост кристаллов из квасцов методом испарения……….…………...........……….17

Введение

   Тема роста кристаллов (кристаллизации веществ) становится все более актуальной для всего человечества. В настоящее время кристаллы буквально вошли в каждый дом. Мы живем в мире кристаллов. Жилые здания и промышленные сооружения, самолеты и ракеты, теплоходы и тепловозы, горные породы и минералы слагаются из кристаллов. Мы едим кристаллы, лечимся ими и частично состоим из кристаллов. Каждый человек в своей жизни хотя бы один раз любовался красивым блеском кристаллов. 

  В сердце каждого телевизора, сотового телефона, компьютера находится кристалл. Перечень видов применения кристаллов уже достаточно длинен и непрерывно растет. Все мы знаем, что есть кристаллы природные и есть искусственно выращенные. В связи с этим мне стало важно понять, как же растут кристаллы, каких форм бывают кристаллы. В своем проекте я хотела изучить процесс кристаллизации, на примере кристаллов из квасцов, методом испарения, т.к. выращивание кристаллов сохраняет природные богатства, и ускоряет научно – технический прогресс.

 Цель: выращивание цветных монокристаллов из алюмокалиевых квасцов методом испарения за 14 дней.

  Задачи:

1. Изучить литературу и интернет-источники по данной теме проекта.

2. Вырастить цветные монокристаллы из алюмокалиевых квасцов.

3. Определить возможные дефекты кристаллов в ходе эксперимента.

   Объект исследования: кристаллы из алюмокалиевых квасцов.

   Предмет исследования: процесс кристаллизации.

  Гипотеза: если увеличивать массу пищевого красителя в качестве примеси, то получим монокристаллы разной интенсивности окраски, а скорость процесса кристаллизации будет протекать медленнее.

   Методы исследования: сравнение, анализ, эксперимент, наблюдение, обобщение.

 Практическая значимость: практическая значимость проектно – исследовательской работы заключается в том, что проект может быть использован на уроках химии и физики, при организации исследовательской деятельности школьников, во внеурочное время.

12 и 13 января 2024 я стала участником Всероссийского форума сетевых исследовательских проектов в г. Новосибирск «Точка - кипения». Таким образом, я делилась опытом, как с единомышленниками своего направления, так и с другими участниками форума.

План работы

Глава 1. Общие сведения о кристаллах

   Кристалл — это твердое вещество, все мельчайшие частицы которого (молекулы, атомы или ионы) находятся в строго определенном, повторяющемся порядке. Именно такая структура позволяет формировать кристаллы уникальной формы [Шаскольская, 1987: 12].

1.1. История открытия кристаллов

  Кристаллы издавна привлекали внимание людей своей красотой, правильной формой, загадочностью.

  «Кристалл» в переводе означает «замерзший». Согласно одной легенде, Бог пролил с Небес на Землю воду, и, пока она лилась на Землю из Космоса, она замерзла. Ангелы превратили «святой лёд» в камень, чтобы навсегда сохранить его как защитный благословенный дар для человечества. Так и появились кристаллы.

На самом деле, много веков назад среди вечных снегов в Альпах, на территории современной Швейцарии, нашли очень красивые, совершенно бесцветные кристаллы, очень напоминающие чистый лед. Древние натуралисты так их и назвали – «кристаллос», по-гречески – лед; это слово происходит от греческого «криос» – холод, мороз. Полагали, что лед, находясь, длительное время в горах, на сильном морозе, окаменевает и теряет способность таять. Один из самых авторитетных античных философов Аристотель писал, что «кристаллос рождается из воды, когда она полностью утрачивает теплоту» [Бочавер, 2002: 7].

1.2. Формы кристаллов кубической сингонии

Сингония — одно из подразделений кристаллов по признаку формы их элементарной ячейки. Сингония включает группу классов симметрии, обладающих одним общим или характерным элементом симметрии при одинаковом числе единичных направлений. Различают семь сингоний: кубическую, тетрагональную (квадратную), тригональную, гексагональную, ромбическую, моноклиническую, триклиническую. Так как наши кристаллы будут выращены из квасцов, которым соответствует кубическая сингония, то более подробно охарактеризуем именно её (кубическую сингонию).

Кристаллы кубической сингонии имеют свои особенные простые формы. Здесь есть 4 взаимно перпендикулярные оси, поэтому все простые формы кубической сингонии - закрытые. Всего имеется 15 простых форм, которые принадлежат только кристаллам кубической сингонии. Выделяют пять главных, а остальные являются производными от них:

1. Куб – простая форма, образованная шестью равными попарно параллельными квадратными гранями (рис. 1), образующими друг с другом углы 90о. Грани куба перпендикулярны осям четвертого порядка (L4).

2. Октаэдр (от греч."окта"- восемь,"эдр"- грань) – простая форма, образованная восемью равными равносторонними треугольными попарно параллельными гранями (рис. 1), перпендикулярными осям третьего порядка (L3).

3. Кубический тетраэдр – простая форма, образованная четырьмя равными равносторонними треугольными гранями, перпендикулярными осям 3-го порядка (рис.1).

куб октаэдр тетраэдр

Рис. 1. Простые формы кубической сингонии

4. Ромбододекаэдр (от греч."додека" - двенадцать) – простая форма, образованная 12 равными гранями, имеющими форму ромба (рис. 2).

5. Пентагондодекаэдр (от греч."пента" – пять) – закрытая простая форма, которая состоит из 12 равных граней, имеющих форму неправильных пятиугольников (рис. 2) [Шубников, 1935: 52].

   Вывод: заканчивая обзор простых форм кристаллов, следует отметить, что в природных образцах мы будем иметь, как правило, комбинации нескольких простых форм (рис. 3). Сочетание нескольких простых форм в одном кристалле часто совершенно искажает форму граней, характерную при ее полном развитии, поэтому при определении простых форм в комбинациях нельзя основываться только на форме граней. Главными критериями следует считать число равных граней и их расположение относительно элементов симметрии.

Рис. 3. Кристаллы, образованные комбинацией двух простых форм:

1 – призмы и бипирамиды, 2 – куба и октаэдра

Глава 2. Рост кристаллов из алюмокалиевых квасцов

2.1. Методика проведения экспериментов «Рост кристаллов из квасцов методом испарения»

   Инструменты, материалы, приспособления, реактивы:

   Порошки реактивов

Алюмокалиевые квасцы KAl(SO4)2·12H2O – 250 г. (см. Приложение 2 фото 1)

Пищевой краситель красный – 10 г.

   Посуда и инструменты для проведения экспериментов

Стакан мерный для растворения реактивов 500 мл. – 1 шт.

Стакан прозрачный 400 мл. – 5 шт.

Ложка-шпатель – 2 шт.

Пинцет пластиковый – 2 шт.

Салфетка для фильтрации раствора – 15 шт.

Чашка Петри секционная – 2шт.

Цифровая лаборатория центра «Точка роста» на базе МКОУ «Посевнинская СОШ».

   Дополнительно

Очки пластиковые – 2шт.

Перчатки нитриловые – 5шт.

Леска для крепления затравок – 1шт.

Клей цианоакрилатный – 1шт.

   Техника безопасности:

Все используемые вещества не представляют особой опасности. Однако раствор квасцов имеет кислую среду, поэтому контакт с нагретым раствором гарантирует, как минимум, неприятные ощущения. Настоятельно рекомендуется соблюдать несложные правила по безопасности и, тогда, проведенные опыты оставят только хорошие впечатления.

1. Работать только в перчатках и очках.

2. Нагрев раствора проводить на водяной бане, а не путем непосредственного нагрева на плитке. Раствор готовить только в полимерной или стеклянной посуде.

3. Не пробовать раствор на вкус и запах, не располагать свое лицо поблизости от горячего раствора.

4. При работе с клеем не допускать его попадания на кожу.

   Методика приготовление насыщенного раствора:

Это начальный этап всех серий экспериментов. Растворимость квасцов при 20°С равна ~15г/100г воды для KAl(SO4)2·12H2O. Для ускорения процесса удобно пользоваться водой, подогретой заранее до 40-60°С. Для отсчета количества воды предназначен мерный стакан, в нем же растворяем вещество. Для перекладывания и размешивания реактивов используем пластиковую ложку-шпатель. Насыщенный раствор готовим следующим способом: приготавливаем заранее пересыщенный раствор, дожидаемся выпадения спонтанных кристаллов и отфильтровываем раствор через салфетку. В этом случае необходимо брать заранее большую концентрацию, превышающую растворимость на 20-100%. Если кристаллы в течение суток на дне не образовались, значит, раствор находится все еще в метастабильном состоянии. Тогда, чтобы вызвать кристаллизацию, надо бросить несколько крупинок растворяемого вещества. С течением времени они увеличатся в размере, пересыщение снимется, и концентрация раствора постепенно приблизится к равновесной за счет выпадения «лишней» твердой фазы. Итог этого этапа – получен насыщенный раствор квасцов, в котором затравочный кристалл не будет растворяться. Но и рост его начнется не сразу, а лишь после частичного испарения воды, которое переведет раствор опять в состояние пересыщения.

   Изготовление затравочных кристаллов:

В основном, затравочные кристаллы хорошего качества можно получить на этапе приготовления насыщенного раствора. Если результат получился неудовлетворительным, то нужно оставить стакан с раствором еще на несколько дней, чтобы кристаллы на дне увеличились. Важно отбирать пинцетом не слипшиеся, отдельные кристаллиты. Чем крупнее будет кристалл, тем проще будет распознать брак - сросток из нескольких индивидов, и тем проще будет крепить затравку к леске. Леска к затравочному кристаллу приклеивается клеем из набора. Для полной полимеризации лучше оставить склеиваемые части на 12 часов. Удобно заранее изготовить сразу несколько затравок. Следует учитывать, что клей на поверхности кристалла создает дефект при дальнейшем росте, поэтому, надо стараться обеспечить минимальную площадь покрытия клея. Свободный конец лески крепится, например, к карандашу кусочком скотча или изоленты, в таком случае будет удобно регулировать высоту расположения затравки.

   Рост кристаллов методом испарения:

2.2. Эксперименты «Рост кристаллов из квасцов методом испарения»

   Все образцы готовила на 100мл кипяченой воды подогретой до 50-60 С0 (см. Приложение 1). Температуру воды измеряла с помощью датчиков цифровой лаборатории на базе центра «Точка Роста» МКОУ «Посевнинская СОШ» (см. Приложение 2 фото 2 а, б).

  Опыт 1. Рост кристаллов из алюмокалиевых квасцов без красителя и с красителем различной массы.

   Итак, у меня было 3 образца.

1-ый образец: только алюмокалиевые квасцы без красителя

2-ой образец: алюмокалиевые квасцы с красителем 1г.

3-ий образец: алюмокалиевые квасцы с красителем 8,3 г. (см. Приложение 2 фото 3).

   Наблюдала, что кристаллы росли равномерно, периодически на дне стаканов с образцами образовывались новые затравочные кристаллы, которые мешали расти основным кристаллам. Ненужные кристаллы из растворов я удаляла, а сами растворы фильтровала, чтобы обеспечить наилучший рост кристаллам.

   В 1–ом стакане без красителя: вырос монокристалл правильной октаэдрической формы кубической сингонии (см. Приложение 2 фото 4 а).

   Во 2 –ом стакане с красителем массой 1г: вырос красный поликристалл (образовалось 2 сросшихся кристалла (см. Приложение 2 фото 4 б)).

 В 3–ем стакане с красителем массой 8,3 г: вырос темно-красный монокристалл, неопределенной формы с нечеткими гранями и с неровными поверхностями, видны углубления (см. Приложение 2 фото 4 в).

  В ходе эксперимента были выявлены дефекты. Во 2-ом образце с красителем 1г мы получила не монокристалл, а поликристалл. На кристалле, с одной стороны, вырос кристалл «паразит». В итоге получились 2 сросшихся вместе кристалла (см. Приложение 2 фото 4 б). А так как моя цель вырастить монокристаллы, то я провела, повторно, эксперимент и мне удалось вырастить монокристалл во 2-ом образце с массой красителя 1г. Наблюдала, что кристалл получился с большим количеством граней, но с меньшей поверхностью этих граней по форме соответствующей кубооктаэдру (см. Приложение 2 фото 4 г).

  Так как я проследила процесс испарения растворов, то верхняя часть кристаллов оказалась без насыщенного раствора. Вершины кристаллов стали слоистыми и с менее четкими гранями.

   В завершении эксперимента я сделала еще одно случайное открытие. В одном и том же растворе с красителем массой 1г. я вырастила несколько красных монокристаллов и один из них не запланировано проверила на растворимость под проточной водой. Наблюдала, что пищевой краситель легко и быстро смылся с поверхности кристалла, а сам кристалл медленно растворялся.

  По окончанию эксперимента сделала следующий вывод: все кристаллы выросли за 14 дней, примерно, одинаковых размеров (приблизительно 1,5 см.) и росли они с одинаковой скоростью. Кристаллы выросли разной формы в зависимости от массы красителя и разной интенсивности окраски. Краситель не только придал цвет кристаллам, но и выступил в роли примеси, которая оказала влияние на форму кристалла. В одном и том же растворе можно вырастить несколько отдельных монокристаллов. Пищевой краситель не проникает в глубь, во внутренней пространство кристалла, а лишь остается на поверхности граней.

Заключение

 Работая над проектом, я изучила необходимую литературу, интернет-источники, определилась с методикой выполнения экспериментальной части, вела дневник наблюдений, выполнила все поставленные задачи. В проектно – исследовательской работе для определения более точных показателей температуры растворов квасцов была использована цифровая лаборатория на базе центра «Точка роста» МКОУ «Посевнинская СОШ».

   В процессе выполнения опытов были выявлены следующие дефекты роста кристаллов: нарастание кристаллов – «паразитов»; образование нечеткой, слоистой одной вершины кристалла в результате быстрой скорости испарения насыщенного раствора; формирование неровных поверхностей граней кристалла из алюмокалиевых квасцов с пищевым красителем массой 8,3 грамм.

  Гипотеза подтвердилась частично: с увеличением массы пищевого красителя в качестве примеси, я действительно, получила монокристаллы разной интенсивности окраски, но на скорость процесса кристаллизации это не повлияло: все кристаллы за определенный промежуток времени выросли примерно одинаковых размеров. Экспериментальным путем мне удалось выявить, что пищевой краситель как примесь влияет на морфологию кристаллов (изменение формы кристалла). Добавка органического пищевого красителя привела к смене огранки. Удалось наблюдать изменение граней в зависимости от концентрации добавки пищевого красителя.

  Цель проектно – исследовательской работы достигнута в полном объеме. Результатом проведенных экспериментов является не только полученные цветные монокристаллы, но и некоторые цветные поликристаллы.

Глоссарий

  Кристалл – это твердое вещество, все мельчайшие частицы которого (молекулы, атомы или ионы) находятся в строго определенном, повторяющемся порядке.

  Квасцы - двойные сульфатные соли с общей формулой AM(SO4)2 · 12H2O,

где A представляет собой одновалентный катион, такой как калий или аммоний, и M представляет собой ион трехвалентного металла, такой как алюминий или хром (III).

  Морфология кристалла – изменение формы кристалла (смена огранки).

  Кристаллизация – процесс перехода тела из жидкого  состояния в  твёрдое, причём оно принимает более или менее правильную геометрическую  форму кристалла.

  Растворение – процесс, при переходе твёрдого вещества в жидкое.

 Насыщенный раствор – раствор, в котором растворённое вещество при данных условиях  больше не растворяется.

  Испарение – процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное (пар).

Список используемых источников

1. Бочавер А. Л. Мир вокруг нас – Планета Земля –– Астрель, 2002 год.

2. Шаскольская М.П. Очерки о свойствах кристаллов. – 2-е изд., испр. – М.: Наука. Гл. ред. Физ. – мат. Лит., 1987.

3. Шубников А.В. Как растут кристаллы. Издательство Академии наук СССР Москва-Ленинград, 1935.

4. Методическое пособие к набору "Рост кристаллов" [Электронный ресурс]. – URL: https://syncwoia.com/.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

График измерения температуры воды термодатчиком

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Рост кристаллов из квасцов методом испарения

Фото 1. Алюмокалиевые квасцы

а) б)

Фото 2. Приготовление насыщенных растворов и выбор наилучшей затравки (а, б)

Фото 3. Опыт . Рост кристаллов из алюмокалиевых квасцов без красителя и с красителем различной массы

а)

б)

в) г)

Фото 4. Кристаллы из алюмокалиевого раствора:

а) без красителя; б) с красителем 1грамм; в) с красителем 8,3 грамм;

г) с красителем 1грамм (повторение эксперимента);