Исследовательская работа. Цель: вырастить кристаллы разной формы и цвета.
Вложение | Размер |
---|---|
kristally_doklad_gotovyy.doc | 100.5 КБ |
МАОУ «Гимназия №7» г. Перми
Исследовательская работа
Тема: Выращивание кристаллов
Автор: Семенов Матвей
Ученик 4в класса
Учитель: Фотеева М.Г.
Пермь 2013
План
Введение...………………………………………………………………………..3
Раздел 1. Теоретическая часть
1.1.Что такое кристалл? ....................................................................................4
1.2.Кристаллы в природе…………………………………………………….
1.3.Применение кристаллов…………………………………………………
Раздел 2. Практическая часть
2.1.Выращивание кристаллов ………………………………………………
2.2.Ход эксперимента………………………………………………………..5-6
Заключение………………………………………………………………………7
Список используемых источников……………………………………………8
Приложение (фото)
Введение
Кристаллы удивительные создания. Они способны расти, дышать, меняться как настоящие живые организмы. Я побывал с родителями в Кунгурской пещере, Афонской пещере, в Екатеринбургском государственном музее уральский самоцветов, в Екатеринбургском музее природных минералов политехнического института. Меня поразило и удивило необычайное разнообразие кристаллов, самоцветов, камней разных окрасок, форм и конфигураций. А какие потрясающие издания выполнены руками уральских мастеров разных веков из наших уральских самоцветов!
Так я начал коллекционировать минералы и различные кристаллы. Моя коллекция состоит из 77 образцов. Из литературы я узнал, что можно самому вырастить кристалл и провести эксперимент.
Цель: вырастить кристаллы, разной формы и цвета.
Задачи:
Когда все поставленные задачи будут выполнены, я получу опыт проведения исследовательских работ, опыт работы с научной литературой, опыт проведения эксперимента.
Раздел 1. Теоретическая часть
1.1. Что такое кристалл ?
Кристаллы – это твердые тела, которые состоят из одинаковых многократно повторяющихся многогранников, имеющих правильную форму. Эти многогранники состоят из частиц – ионов, молекул, атомов. Расположение этих частиц представлюят в виде кристаллической решетки.
(Здесь нужен рисунок в презентации) Если в у узлах кристаллической решетки находятся атомы – ее называют атомной, если находятся ионы – ионной, если молекулы – молекулярной. Атомная решетка характерна для алмаза, графита, кварца. Молекулярная – у сахара. Ионной решеткой обладают пищевая моль, сода, медный купорос.
Если кристаллы срастаются на общем основании, такое образование называется друзы. Образование друз характерно для гипса, кварца, аметиста. (здесь демонстрация камня)
Некоторые кристаллы имеют в своем составе воду. Такие кристаллы называются кристаллогидраты. Таким кристаллогидратом является медный купорос. При нагревании кристаллогидраты разрушаются и образуются безводные вещества.
Кристаллы можно разделить на две большие группы: идеальные и реальные кристаллы. Идеальный кристалл имеет полную, свойственную ему симметрию, идеализированно ровные гладкие грани. Реальный кристалл всегда содержит различные дефекты внутренней структуры решетки, искажения и неровности на гранях и имеет пониженную симметрию многогранника вследствие специфики условий роста, неоднородности питающей среды, повреждений и деформаций, но у него сохраняется главное свойство — закономерное положение атомов в кристаллической решётке.
1.2. Кристаллы в природе
Многие минералы и горные породы образовались при охлаждении земной коры подобно тому, как образуется лед при замерзании воды. Магма, вещество земной коры в расплавленном состоянии, представляет собой сложный расплав различных веществ, насыщенный различными горячими газами и парами. При охлаждении магмы сначала в ней образовались кристаллы того вещества, температура кристаллизации которого самая высокая. По мере дальнейшего охлаждения происходила кристаллизация других минералов, и так до тех пор, пока вся магма не затвердела. Так образовывались такие породы, как граниты.
При затвердевании объем земной коры уменьшался и в ней появлялись трещины и пустоты. В таких пустотах рост кристаллов происходит беспрепятственно. В них часто находят круги и хорошо ограненные кристаллы кварца, пластинчатые кристаллы слюды площадью в несколько квадратных метров.
Многие минералы возникли из пересыщенных водных растворов. Первым среди них следует назвать каменную соль NaCl являющуюся самым знакомых каждому человеку минералом – пищевой солью. Толщина пластов каменной соли, образовавшихся при испарении воды соленых озер, и древних морей достигает в некоторых месторождениях нескольких сотен метров.
Каждому знаком способ образования кристаллов из пара. Снежинки, морозные узоры на стеклах окон и иней, украшающий зимой голые ветки деревьев, представляют собой кристаллы льда, выросшие из паров воды.
Подобным образом образуются и кристаллы некоторых минералов. Например, летучие пары соединений борного ангидрида оседая на стенках пустот и трещин остывающей магмы, образуют кристаллы турмалина, иногда достигающие 2—3 м длины.
На стенках кратеров «курящихся» вулканов постоянно образуются кристаллы серы, хлористого аммония, каменной соли и других веществ, достигающих поверхности Земли в виде пара. Однажды при извержении Везувия за несколько дней из паров образовалась жила кристаллов гематита толщиной 1 м.
Многие кристаллы являются продуктами жизнедеятельности организмов. Некоторые виды моллюсков обладают способностью наращивать на инородных телах, попавших в раковину, перламутр. За 5 — 10 лет образуется драгоценный камень жемчуг, имеющий поликристаллическое строение.
В морской воде растворено много различных солей. Огромное количество организмов, населяющих моря, строят свои раковины и скелеты из углекислого кальция и кремнезема. Выпадая в осадок, раковины и скелеты умерших организмов образуют мощные пласты так называемых осадочных пород. Рифы и целые острова в океанах сложены из кристалликов углекислого кальция, составляющих основу скелета беспозвоночных животных — коралловых полипов. Мощные слои карбоната кальция в земной коре являются результатом многовековых отложений раковин и панцирей различных организмов. В результате движений земной коры часть карбоната кальция оказалась на значительной глубине, где под действием высокого давления и температуры без плавления превратилась в мрамор. Мрамор является типичным примером видоизмененных — метаморфических — пород.
Кристалл обычно служит символом неживой природы. Однако понятия «кристалл» и «жизнь» не являются взаимоисключающими. Простейшие живые организмы — вирусы — могут соединяться в кристаллы. Конечно, в кристаллическом состоянии они не обнаруживают никаких признаков живого, так как сложные жизненные процессы в кристаллах протекать не могут. Но при изменениях внешних условий на благоприятные (такими для вирусов являются условия внутри клеток живого организма) они начинают двигаться, размножаться.
Наконец, самое удивительное. В кристалле неизменными остаются сами атомы и молекулы и их взаимное расположение в пространстве, в живом организме не только не существует сколько-нибудь постоянной структуры в расположении атомов и молекул, но даже ни на одно мгновение не остается неизменным его химический состав. В процессе жизнедеятельности организма одни химические соединения разлагаются на более простые, другие сложные соединения синтезируются из простых.
Но при всех химических процессах, протекающих в живом организме, этот организм остается самим собой в течение многих десятков и сотен лет! Более того, потомки каждого живого организма являются удивительно точной его копией! Следовательно, в клетках любого животного или растения имеется что-то постоянное, неизменное, способное управлять химическими процессами, протекающими в них. Такими носителями «программы» процессов, протекающих в живой клетке, оказались молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты, называемой коротко ДНК. Это самые большие молекулы в природе.
Молекулы ДНК не только управляют процессами жизнедеятельности клетки, но и несут в себе полную информацию о строении и развитии всего живого организма из одной только клетки! С полным основанием можно сказать, что молекула ДНК является основой жизни.
Такие гигантские молекулы с точки зрения физики рассматриваются как особый вид твердого тела — одномерные апериодические кристаллы. Следовательно, кристаллы — это не только символ неживой природы, но и основа жизни на Земле.
1.3. Применение кристаллов
Монокисталлы ряда элементов и многих химических веществ обладают замечательными механическими, электрическими, магнитными и оптическими свойствами. Так, например, алмаз тверже любого другого минерала, встречающегося на Земле. Кристаллы кварца и слюды обладают рядом электрических свойств, обеспечивающих им широкое применение в технике. Кристаллы флюорита, турмалина, исландского шпата, рубина и многие другие находят применение при изготовлении оптических приборов.
К сожалению, в природе монокристаллы большинства веществ без трещин, загрязнений и других дефектов встречаются редко. Это привело к тому, что многие кристаллы на протяжении тысячелетий люди называют драгоценными камнями, алмаз, рубин, сапфир, аметист и другие драгоценные камни долгое время ценились людьми очень высоко, в основном не за особые механические пли другие физические свойства, а лишь из-за своей редкости.
Развитие науки и техники привело к тому, что многие драгоценные камни или просто редко встречающиеся в природе кристаллы стали очень нужными для изготовления деталей приборов и машин, для выполнения научных исследований. Потребность во многих кристаллах возросла настолько, что удовлетворить ее за счет расширения масштабов выработки старых и поисков новых природных месторождений оказалось невозможно.
Кроме того, для многих отраслей техники и, особенно для выполнения научных исследований все чаще требуются монокристаллы очень высокий химической чистоты с совершенной кристаллической структурой. Кристаллы, встречающиеся в природе, этим требованиям не удовлетворяют, так как они растут в условиях, весьма далеких от идеальных.
Таким образом, возникла задача разработки технологии искусственного изготовления монокристаллов многих элементов и химических соединений.
Как и в природе, получение кристаллов из раствора сводится к двум способам. Первый из них состоит в медленном испарении растворителя из насыщенного раствора, а второй — в медленном понижении температуры раствора. Чаще применяют второй способ. В качестве растворителей используют воду, спирты, кислоты, расплавленные соли и металлы. Недостатком методов выращивания кристаллов из раствора является возможность загрязнения кристаллов частицами растворителя.
Применения кристаллов в науке и технике так многочисленны и разнообразны, что их трудно перечислить. Поэтому приведу несколько примеров.
Самый твердый и самый редкий из природных минералов — алмаз. За всю историю человечества его добыто всего около 150 т, хотя в мировой алмазодобывающей промышленности сейчас работает почти миллион человек. Сегодня алмаз в первую очередь камень-работник, а не камень-украшение. Около 80% всех добываемых природных алмазов и все искусственные алмазы используются в промышленности. Роль алмазов в современной технике так велика, что, по подсчетам экономистов, прекращение применения алмазов привело бы к уменьшению мощности промышленности примерно вдвое.
Примерно 80% применяемых в технике алмазов идет на заточку инструментов и резцов "сверхтвердых сплавов". Алмазы служат опорными камнями (подшипниками) в хронометрах высшего класса для морских судов и в других особо точных навигационных приборах. На алмазных подшипниках не обнаруживается никаких следов износа даже после 25 000 000 оборотов.
Исключительная роль выпала на долю кристаллов в современной электронике. Большинство полупроводниковых электронных приборов изготовлено из кристаллов кремния. Огромные монокристаллы кремния (до 2м в высоту), используют в производстве микропроцессоров. Эти кристаллы выращивают искусственно, в специальных дуговых печах. Такие большие кристаллы делают для получения абсолютной чистоты кремния.
Раздел 2. Практическая часть
2.1. Выращивание кристаллов
Если собираетесь вырастить кристалл, необходимо приложить массу усилий. У меня не все попытки прошли успешно. Так как же растет кристалл?
В лабораторных условиях кристаллы получают из растворов. Растворы бывают насыщенными, ненасыщенный и пересыщенный. Насыщенный раствор – это раствор, содержащий максимально возможное при данной температуре количество растворенного вещества. Обычно растворимость вещества при повышении температуры увеличивается. Поэтому если нагреть насыщенный раствор вещества, то теплый раствор может быть уже ненасыщенным. И наоборот – если охладить теплый ненасыщенный раствор – то он переходит в насыщенное состояние. В пересыщенном растворе содержание растворенного вещества больше чем в насыщенном. Для получения кристаллов можно нагревать насыщенный раствор. При выпаривании количество растворителя уменьшается и растворенное вещество начинает выпадать в осадок, т.е. выкристаллизовываться.
Если концентрация раствора максимальная, то на затравке (самом большом кристалле) образуется очень слабое магнитное поле. Ионы из раствора как-бы притягиваются к затравке и образуют все новые и новые слои. Можно заметить, что если в банке, в которой растет кристалл, на дне были маленькие кристаллы, то со временем они исчезают, прирастая к более большому кристаллу. Вода в банке служит как-бы проводников ионов соли.
Зарождение кристалла облегчается при наличии в растворе или расплаве мельчайших инородных тел — пылинок и других загрязнений. В данном случае зародыши кристаллов образуются в результате осаждения атомов на твердых инородных телах, пылинках, практически всегда присутствующих в расплаве, растворе или газе. Например, зародышами снежинок являются взвешенные в воздухе твердые пылинки, чаще всего мельчайшие кварцевые песчинки. Неправильная форма пылинки, на которой начинается зарождение кристалла, способствует возникновению в нем дислокации и резкому возрастанию скорости роста кристалла.
Способы зарождения новых слоев и скорости роста граней кристаллов различных веществ неодинаковы. Одни кристаллы вырастают в виде пластин, другие — в виде иголок. Это вызвано многими причинами. Одна из них — различие молекул вещества по форме. Различие скоростей роста граней кристаллов многих веществ объясняется зависимостью от направления величины сил связи частиц, образующих кристалл. Вероятность прилипания молекул в направлении действия больших сил, конечно, оказывается большей, чем в направлении действия меньших сил. Так обстоит дело в кристаллах с пластинчатой структурой (слюда, графит), в которых рост происходит преимущественно вдоль плоскостей, где действуют сильные связи. В направлениях, перпендикулярных этим плоскостям, скорость роста значительно ниже.
Но не только форма молекул и заметная разница сил их взаимодействия в различных направлениях определяют форму растущего кристалла. Если кристаллы растут при больших пересыщениях пара или раствора, то часто образуются необычные для данного вещества ветвистые, древовидные формы, называемые дендритами. Объясняется это тем, что вершины кристаллов соприкасаются с более пересыщенным паром или раствором, чем их грани. Опережая в росте боковые грани, вершины внедряются в глубь неиспользованного раствора или пара, что способствует их дальнейшему быстрому росту.
Примером дендритных образовании являются снежинки, ледяные узоры на стекле. При медленном росте кристаллы льда принимают обычную для них форму шестигранных призм. Дендриты образуются при быстром охлаждении расплавов солей и металлов. В природе довольно часто встречаются в виде дендритов серебро, медь, золото.
2.2. Ход эксперимента
Выращивание кристаллов меди
На земле много минералов содержащих медь. Латинское название меди – cuprum (купрум). Произошло от названия острова Кипр, где издавна добывали медную руду. К медным минералам относится знаменитый малахит (карбонат меди). На изделиях из меди со временем появляется зеленый налет, это происходит при реакции меди с водой, углекислым газом воздуха и кислородом воздуха, в этом случае также происходит образование карбонатов.
Реактивы и материалы:
Постановка опыта
Ведем наблюдения: я наблюдал, как вокруг гвоздя постепенно образовывались кристаллы коричнево-красного цвета.
Через 4 дня, аккуратно приподняв фильтровальную бумагу, я увидел под ней маленькие коричнево красные образования вокруг гвоздя. Это начали образовываться кристаллы меди.
Через 10 дней растворитель испарился окончательно и я увидел разные кристаллы. Красно-коричневые кристаллы меди я рассмотрел под лупой, они были похожи на маленькие кубики. Из литературы я узнал, что кристаллы меди имеют кубическую структуру.
Выводы: мне удалось получить кристаллы меди. Я смог рассмотреть кубическую структуру кристалла под лупой. Однако опыт прошел не совсем идеально, т.к. появились еще кристаллы зеленого цвета. В литературе, которой я пользовался, для постановки опыта нет описания выпадения таких кристаллов в результате данного опыта.
Я предполагаю, что это может быть сульфат меди, который мог образоваться в результате взаимодействия части меди с кислородом и углекислым газом воздуха.
Зимние узоры из кристаллов
Реактивы и материалы:
Постановка опыта
Уже на следующий день я наблюдал в чашке узор из кристаллов, похожий на тот который образуется на оконных стеклах зимой. Это после охлаждения раствора и испарения воды кристаллизовался сульфат магния.
Вывод: Мне удалось получить красивый розовый равномерный узор из кристаллов сульфата магния.
Заключение
Я научился проводить несложные химические опыты, узнал, что такое химическая посуда, познакомился с понятием химического вещества. Я впервые занимался постановкой химического опыта. В результате проведенных экспериментов я получил кристаллы меди и игольчатые кристаллы сульфата магния. В ближайшее время я планирую поставить эксперимент по выращиванию кристаллов квасцов и кристаллов медного купороса.
Список используемых источников
1. А. Кленов «Малышам о минералах»
2. Л. Яковишин «Опыты с кристаллами»
3. Сайт http://forexaw.com
4. Сайт http://www.xumuk.ru
"Портрет". Н.В. Гоголь
Агния Барто. Сережа учит уроки
Загадка Бабы-Яги
Знакомые следы
Для чего нужна астрономия?