Кристаллы. Жидкие и твердые, …Какие же они? Всё ли мы о них знаем? Григорий считает, что кристаллы имеют важное значение в жизни человека и используются во многих сферах его деятельности.
Цель проекта:
Получить кристаллы в домашних условиях, изучить их строение и физическое свойства, благодаря которым они нашли широкое применение.
Задачи проекта:
Вложение | Размер |
---|---|
kristally.doc | 484 КБ |
prilozhenie_1_simmetriya_kristallov.doc | 35.5 КБ |
Государственное бюджетное общеобразовательное учреждение
средняя общеобразовательная школа № 422
Кронштадтского района Санкт-Петербурга
ПРОЕКТ
Кристаллы и их применение
Тип проекта
Исследовательский
Выполнен учеником 9 М класса Машкиным Григорием Руководитель проекта: учитель химии Яковлева Надежда Валентиновна |
Санкт-Петербург
2018 г.
Содержание:
2.2. Классификация кристаллов …………………………… 2.3. Применение кристаллов…………………………………. 2.4. Исследование: Получение и изучение кристаллов …… 2.5. Вывод……………………………………………………… 3. Заключение…………………………………………………… 4. Список литературы ………………………………………… 5. Отзыв…………………………………………………………… Приложение 1. Симметрия кристаллов…………………………. | 3 4 5 6 14 14 |
Актуальность:
Кристаллы. Жидкие и твердые, …Какие же они? Всё ли мы о них знаем? Я считаю, что кристаллы имеют важное значение в жизни человека и используются во многих сферах его деятельности.
Цель проекта:
Получить кристаллы в домашних условиях, изучить их строение и физическое свойства, благодаря которым они нашли широкое применение.
Задачи проекта:
Методы:
Объект исследования:
Кристаллы.
Предмет исследования:
Кристаллы, выращенные в домашних условиях.
Кристаллы – твёрдые тела, в которых атомы расположены закономерно, образуя трёхмерно-периодическую пространственную укладку — кристаллическую решётку. Кристаллы — это твёрдые вещества, имеющие естественную внешнюю форму правильных симметричных многогранников, основанную на их внутренней структуре, то есть на одном из нескольких определённых регулярных расположений, составляющих вещество частиц (атомов, молекул, ионов).
Структура кристаллов, например, обыкновенной соли, основывается на правильном трехмерном расположении атомов, ионов или молекул . Кристаллы образуются, когда вещество переходит из газообразной илижидкой фазы в твердое состояние или возникает из раствора путем испарения или осаждения. Скорость кристаллизации определяет размеры образующихся кристаллов. При медленном охлаждении возникаютбольшие кристаллы, при быстром –мелкие. Современное определение кристалла дано Международным союзом кристаллографов. Материал представляет собой кристалл, если он имеет преимущественно острую дифракционную картину.
Все кристаллы имеют кристаллическую решетку.
Во всех структурах кристаллов можно выделить множество одинаковых атомов, расположенных наподобие узлов пространственной решётки. Для всех без исключения кристаллов характерно решётчатое строение. Составляющие данное твёрдое вещество частицы образуют кристаллическую решётку. Если кристаллические решётки стереометрически (пространственно) одинаковы или сходны (имеют одинаковую симметрию), то геометрическое различие между ними заключается, в частности, в разных расстояниях между частицами, занимающими узлы решётки. Сами расстояния между частицами называются параметрами решётки. Параметры решётки, а также углы геометрических многогранников определяются физическими методами структурного анализа, например, методами рентгеновского структурного анализа. Часто твёрдые вещества образуют (в зависимости от условий) более чем одну форму кристаллической решётки; такие формы называются полиморфными модификациями. Например, среди простых веществ известны:
2.2. Классификация кристаллов.
По типу кристаллических решеток кристаллы можно разделить на следующие типы:
По строению различают:
По агрегатному состоянию различают:
Выделяют также такие кристаллы, как: идеальный и реальный.
Идеальным кристаллом является математический объект, лишённый любых дефектов строения, а также имеющий полную, свойственную ему симметрию, идеализированно ровные гладкие грани. Кристалл с совершенной трехмерно периодичной решеткой во всем объеме, лишенный любых дефектов строения вакансий, примесных атомов, дислокаций и др. Понятие «идеальный кристалл» широко используется в кристаллографии и теории твердого тела, но оно является идеализацией, та как в реальных кристаллах всегда имеется некоторое количество дефектов, термодинамически равновесных с решеткой.
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. Не обязательно обладает кристаллографическими гранями и правильной формой, но у него сохраняется главное свойство — закономерное положение атомов в кристаллической решётке.
2.3. Применение кристаллов.
Кристаллы имеют различные свойства, поэтому люди применяют их во многих областях своей деятельности. Рассмотрим некоторые из них.
Алмаз. Огранённый алмаз (бриллиант) уже многие десятилетия является популярнейшим и дорогим драгоценным камнем. В подавляющей степени цена алмаза обусловлена крайне высокой монополизацией этого рынка. Фирма «Де Бирс», на долю которой приходится около 50 % мировой добычи,разрабатывает месторождения Ботсваны, ЮАР, Намибии и Танзании.
Подавляющая часть (по стоимости) природных алмазов используется для производства бриллиантов. Т.о., они используются для создания драгоценных украшений.
Исключительная твёрдость алмаза находит своё применение в промышленности: его используют для изготовления ножей, свёрл, резцов и тому подобных изделий. Потребность в алмазе для промышленного применения вынуждает расширять производство искусственных алмазов. В последнее время проблема решается за счёт кластерного и ионно-плазменного напыления алмазных плёнок на режущие поверхности. Алмазный порошок (как отход при обработке природного алмаза, так и полученный искусственно) используется как абразив для изготовления режущих и точильных дисков, кругов и т. д.
Также применяются в квантовых компьютерах, в часовой и ядерной промышленности.
Крайне перспективно развитие микроэлектроники на алмазных подложках. Уже есть готовые изделия, обладающие высокой термо- и радиационной стойкостью. Также перспективно использование алмаза, как активного элемента микроэлектроники, особенно в сильноточной и высоковольтной электронике из-за большой величины пробивного напряжения и высокой теплопроводности.
Корунд. Корунд бывает двух видов: рубин и сапфир. Синтетический рубин использовался в качестве активной среды, излучающей свет, в первом лазере, созданном в 1960 году Теодором Майманом. Лазеры на синтетических рубинах продолжают выпускаться и использоваться вплоть до настоящего времени.
Драгоценный камень I категории, используется в дорогих ювелирных изделиях.
Синтетические корунды под названием «рубин» применяются в ювелирной промышленности для вставок в недорогие изделия и в качестве «камней» в часовых механизмах.
Сегодня сапфир востребован в технике и ювелирном деле. В первую очередь это касается оптически прозрачного сапфира — лейкосапфира. Благодаря выдающейся твердости и термостойкости его широко используют в качестве износостойких и термостойких окон, например в разнообразных мобильных гаджетах: наручных часах, сотовых телефонах. Также сапфировые подложки используют в полупроводниковой промышленности при изготовлении полупроводниковых микросхем и светодиодов по технологии кремний на изоляторе. Многие типы светодиодов изготавливаются на сапфировой подложке.
Кварц. Кварц используется в оптических приборах, в генераторах ультразвука, в телефонной и радиоаппаратуре (как пьезоэлектрик), в электронных приборах («кварцем» в техническом сленге иногда называют кварцевый резонатор — компонент устройств для стабилизации частоты электронных генераторов). В больших количествах потребляется стекольной и керамической промышленностью (горный хрусталь и чистый кварцевый песок). Также применяется в производстве кремнезёмистых огнеупоров и кварцевого стекла. Многие разновидности используются в ювелирном деле.
Жидкие кристаллы.
Жи́дкие криста́ллы (сокращённо ЖК; англ. liquid crystals, LC) — это фазовое состояние, в которое переходят некоторые вещества при определенных условиях (температура, давление, концентрация в растворе). Жидкие кристаллы обладают одновременно свойствами как жидкостей (текучесть), так и кристаллов (анизотропия). По структуре ЖК представляют собой вязкие жидкости, состоящие из молекул вытянутой или дискообразной формы, определённым образом упорядоченных во всем объёме этой жидкости. Наиболее характерным свойством ЖК является их способность изменять ориентацию молекул под воздействием электрических полей, что открывает широкие возможности для применения их в промышленности. По типу ЖК обычно разделяют на две большие группы: нематики и смектики. В свою очередь нематики подразделяются на собственно нематические и холестерические жидкие кристаллы
Одно из важных направлений использования жидких кристаллов — термография. Подбирая состав жидкокристаллического вещества, создают индикаторы для разных диапазонов температуры и для различных конструкций. Например, жидкие кристаллы в виде плёнки наносят на транзисторы, интегральные схемы и печатные платы электронных схем. Неисправные элементы — сильно нагретые или холодные, неработающие — сразу заметны по ярким цветовым пятнам. Новые возможности получили врачи: жидкокристаллический индикатор на коже больного быстро диагностирует скрытое воспаление и даже опухоль.
С помощью жидких кристаллов обнаруживают пары́ вредных химических соединений и опасные для здоровья человека гамма- и ультрафиолетовое излучения. На основе жидких кристаллов созданы измерители давления, детекторы ультразвука. Но самая многообещающая область применения жидкокристаллических веществ — информационная техника: от первых индикаторов, знакомых всем по электронным часам, до цветных телевизоров с жидкокристаллическим экраном размером с почтовую открытку. Такие телевизоры дают изображение весьма высокого качества, потребляя меньшее количество энергии. В жидкокристаллических дисплеях используется переход Фредерикса, открытый в 1927 году.
М. Г. Томилин предложил использовать жидкие кристаллы в двухступенчатых фотографических технологиях, для сохранения изображений, регистрация внешних воздействий при этом происходит в мезофазе, а хранение — в твердокристаллическом состоянии.
2.4. Исследование: Получение и изучение кристаллов.
Кристаллизация (от греч. κρύσταλλος, первоначально — лёд, в дальнейшем — горный хрусталь, кристалл) — процесс образования кристаллов из газов, растворов, расплавов или стёкол.
Кристаллизацией называют также образование кристаллов с данной структурой из кристаллов иной структуры (полиморфные превращения) или процесс перехода из жидкого состояния в твёрдое кристаллическое. Благодаря кристаллизации происходит образование минералов и льда, зубной эмали и костей живых организмов. Одновременный рост большого количества мелких кристаллов (массовая кристаллизация) используется в металлургии и в других отраслях промышленности. В химической промышленности кристаллизация используется для получения веществ в чистом виде.
Процесс кристаллизации начинается только после охлаждения жидкости к определённой температуре. Во время кристаллизации температура не меняется. Температура кристаллизации равна температуре плавления.
Кристаллизация начинается при достижении некоторого предельного условия, например, переохлаждения жидкости или пересыщения пара, когда практически мгновенно возникает множество мелких кристалликов —центров кристаллизации. Кристаллики растут, присоединяя атомы или молекулы из жидкости или пара. Рост граней кристалла происходит послойно, края незавершённых атомных слоев (ступени) при росте движутся вдоль грани. Зависимость скорости роста от условий кристаллизации приводит к разнообразию форм роста и структуры кристаллов (многогранные, пластинчатые, игольчатые, скелетные, дендритные и другие формы, карандашные структуры и т. д.). В процессе кристаллизации неизбежно возникают различные дефекты.
Выращивание кристаллов в домашних условиях.
В соответствии с поставленной целью я вырастил кристаллы двух соединений: медного купороса (CuSO4 * 10 Н2О) и поваренной соли (NaCl).
Я изучил их свойства и знаю состав. Оба соединения – соли, растворимы в воде. Медный купорос образует раствор синего цвета, а поваренная соль – бесцветного.
Чтобы вырастить кристаллы из указанных соединений, мне понадобились:
Технология выращивания обоих соединений почти одинакова, наблюдаются отличия в соотношении той или другой соли с водой.
Я взял 120 г медного купороса (CuSO4) и прилил к ней 200 г тёплой воды.
Важно, чтобы она не была из-под крана, иначе полученный материал будет плохо качества, так как в такой воде есть примеси. После смешения медного купороса с водой мне потребовалась нитка, которую я поместил в сосуд с раствором. Спустя сутки на нитке стали образовываться мелкие кристаллики. Ещё через 2 суток я выбрал из получившихся самый крупный, и стал выращивать его в новом растворе.
Далее технология проста: каждый день нужно следить за ростом кристалла и в случае необходимости удалять лишние кристаллики из раствора, образовавшиеся на ниточке.
Процесс выращивания кристаллов поваренной соли почти такой же, только на 150 г воды комнатной температуры на 100 г продукта.
Сами кристаллы не находят применения. Применяются растворы этих веществ. Раствор медного купороса применяется в хозяйстве для борьбы с вредными грибковыми организмами. Раствором медного купороса опрыскивают теплицы, кустарники, а так же рекомендуется обрабатывать клубни картофеля перед посадкой для профилактики грибкового заболевания - фитофтороза.
Поваренная соль есть у каждого на кухне. Поваренную соль мы используем как усилитель вкуса. Также эти соли используются в промышленности. Медный купорос применяется в металлургии, строительстве, животноводстве и др. Соль используется в медицине для приготовления физиологического раствора. Физиологический (изотонический) раствор – это раствор соли, который по осмолярности соответствует жидкостям тела. Его используют для переливания крови, если нет запаса крови необходимой группы. А так же раствор годится в качестве дезинфицирующего средства, стерильных промываний инфицированных ран, вымыванию загрязнений. Поскольку состав соли аналогичен телу, то он вызывает меньшее повреждение тканей, чем чистая вода: в чистую воду будут переходить соли из тела – по градиенту концентрации, т.е. из большей концентрации в меньшую, в воду, изотонический раствор механически удаляет загрязнения.
Технически, солевой раствор получается всякий раз, когда вы смешиваете любую соль с водой. Тем не менее, самый простой физиологический раствор состоит из хлорида натрия (поваренной соли) в воде. В зависимости от того, для чего вы готовите физиологический раствор, требования к соли и воде разные: если, например, собираетесь использовать физиологический солевой раствор для полоскания горла, то вы просто растворяете соответствующее количество поваренной соли в теплой воде и спокойно используете.
Если Вы намерены применить солевой раствор для промывания ран или хотите использовать изотонический солевой раствор для ваших глаз, то важно использовать чистые ингредиенты и придерживаться стерильных условий.
Для приготовления изотонического, физиологического раствора нужно взять 9 граммов соли на 1 литр воды или 1 чайную ложку соли на стакан воды.
Зимой поверенную соль используют для предотвращения гололёда, в химической промышленности как важное минеральное сырьё.
2.5. Выводы.
Кристаллы имеют огромное значение в жизни человека. Многие из них входят в состав живых организмов. Люди используют их в науке, технике, медицине, и с каждым годом находят им новое применение. Издавна кристаллы вызывали у человека восхищение красотой своих форм и цветом. Кристальный – значит чистый, непорочный. Выращивая кристаллы, я испытывал глубокую заинтересованность в этом деле.
Приложение 1.
СИММЕТРИЯ
Симметрия кристаллов – свойство кристаллов совмещаться с собой при поворотах, отражениях, параллельных переносах либо при части или комбинации этих операций. Симметрия внешней формы (огранки) кристалла определяется симметрией его атомного строения, которая обусловливает также и симметрию физических свойств кристалла.
Кристаллу может быть присуща не одна, а несколько операций симметрии. Каждой операции симметрии может быть сопоставлен элемент симметрии – прямая, плоскость или точка, относительно которой производится данная операция. Группы симметрии преобразований пространства классифицируют: по числу п измерений пространства, в которых они определены; по числу тизмерений пространства, в которых объект периодичен (их соответственно обозначают), и по некоторым др. признакам. Для описания кристаллов используют различные группы симметрии, из которых важнейшими являются точечные группы симметрии, описывающие внешнюю форму кристаллов; их также называют кристаллографичими классами; пространственные группы симметрии, описывающие атомную структуру кристаллов.
Операции симметрии (преобразования симметрии) – пространственные преобразования объекта (кристалла), при которых он совмещается сам с собой. К ним относятся: поворот вокруг оси симметрии, отражение от плоскости симметрии, инверсия относительно центра симметрии, зеркальный поворот вокруг оси симметрии, а также операции дискретных переносов - трансляций. Совокупность операций симметрии данного объекта является его группой симметрии.
ВИДЫ СИММЕТРИИ
Видами симметрии называются возможные в кристаллах сочетания элементов симметрии. Каждому виду симметрии соответствует определенная формула симметрии.
Всего для кристаллов теоретически доказано наличие 32 видов симметрии. Таким образом, всего существует 32 формулы симметрии кристаллов.
Все виды симметрии объединяются в 7 ступеней симметрии с учетом наличия характерных элементов симметрии.
1. Примитивная – объединяются виды симметрии, представленные только одиночными осями симметрии разного порядка: L3, L4, L6.
2. Центральная – помимо одиночных осей симметрии присутствует центр симметрии; кроме того, наряду с наличием четных осей симметрии появляется еще плоскость симметрии: L3С, L4PC, L6PC.
3. Планальная (план – плоскость, греч.) – присутствуют одиночная ось и плоскости симметрии: L22P, L44P.
4. Аксиальная (аксис – ось, греч.) – присутствуют только оси симметрии: 3L2, L33L2, L66L2.
5. Планаксиальная – присутствуют оси, плоскости и центр симметрии: 3L23PC, L44L25PC.
6. Инверсионно-примитивная – наличие единственной инверсионной оси симметрии: Li4, Li6.
7. Инверсионно-планальная – наличие, помимо инверсионной оси, простых осей и плоскостей симметрии: Li44L22P, Li63L23P.
В каждую ступень симметрии объединяется разное количество видов симметрии: от 2 до 7.
Сингонии
Сингонией называется группа видов симметрии, обладающих одноименной главной осью симметрии и одинаковым общим уровнем симметрии (син – сходный, гониа – угол, дословно: сингония – сходноугольность, греч.). Переход от одной сингонии к другой сопровождается повышением степени симметрии кристаллов.
Всего выделяют 7 сингоний. В порядке последовательного повышения степени симметрии кристаллов они располагаются следующим образом.
1. Триклинная сингония (клин – угол, наклон, греч.) получила название с учетом той особенности кристаллов, что между всеми гранями углы всегда косые. Кроме С других элементов симметрии нет.
2. Моноклинная (монос – один, греч.) – в одном направлении между гранями кристаллов угол всегда косой. В кристаллах могут присутствовать L2, P и С. Ни один из элементов симметрии не повторяется хотя бы дважды.
10 осенних мастер-классов для детей
Рисуем лошадь акварелью
Ералаш
Сказка об одной Тайне
О чем поет Шотландская волынка?