"Волшебный мир кристаллов"

Средняя общеобразовательная школа при Посольстве России в Анголе

Конкурс проектных и исследовательских работ

учащихся общеобразовательных школ

при загранучреждениях МИД РФ

«Школьная планета МИД»

Номинация «Семь шагов к неизвестному»

(биология и химия).

Работа по химии

на тему:

«Волшебный мир кристаллов».

Выполнила: ученица 8 класса

Матвиенко Анастасия

Руководитель: учитель химии

Матвиенко Е.В.

г. Луанда, Ангола

                             2013 г.

Оглавление.

Введение.        3

1. Теоретическая часть.        5

1.1. Что такое кристалл.        5

1.2. Методы выращивания кристаллов.        5

1.3. Как растёт кристалл.        5

1.4. Вещества для опытов с кристаллами.        6

2. Практическая часть.        7

2.1. Приготовление «затравки».        7

2.2. Выращивание кристаллов.        7

2.3. Наблюдения.        7

2.4. Исследование влияния различных факторов на процесс роста кристаллов.        8

3. Заключение.        9

Список литературы.        11

Введение.

Едва прозрачный лед, над озером тускнея,
        Кристаллом покрывал недвижные струи. 

                                          А.С. Пушкин « К Овидию». 

Вы когда-нибудь были в музее минералогии?  Находясь там нельзя не восхищаться изяществом и красотой форм, которые принимают неживые вещества. Каких только кристаллических тел не создала природа! Столбики, кубы, пирамиды, пластинки, звёзды, иглы, лепестки. Поражает разнообразие причудливых форм и цветов кристаллов! А кто не любовался снежинками – кристаллами льда, разнообразие которых поистине бесконечно!

Кристаллы окружают нас повсюду. По размерам кристаллы бывают различными. Многие из них можно увидеть только в микроскоп. Но встречаются гигантские кристаллы массой в несколько тонн. Разнообразие кристаллов по форме очень велико. Кристаллы каменной соли, например, могут иметь форму куба, параллелепипеда, призмы или тела более сложной формы.

Наука о кристаллах началась с изучения горного хрусталя. Его блестящие бесцветные кристаллы впервые были найдены еще в древности среди вечных снегов в Швейцарских Альпах. Некоторые кристаллы были настолько большими, что их с трудом могли поднять несколько силачей. В земле иногда находят камни такой формы, как будто их кто-то тщательно выпиливал, шлифовал, полировал. Правильность и совершенство формы этих камней, безукоризненная поверхность поражают. Трудно поверить, что такие многогранники образовались сами без помощи человека. Вот эти-то камни с природной, то есть не сделанной руками человека, с правильной, многогранной формой и называются кристаллами.

Но кристаллы можно получить и в лаборатории. Выращивание искусственных кристаллов очень увлекательный и важный для современной жизни процесс. Многие ученые мира ищут все новые способы синтеза искусственных кристаллов. Но сегодня, этим интереснейшим делом могут заняться не только великие ученые и исследователи, но и мы, обычные школьники.

Для меня эта проблема – выращивания кристаллов стала очень интересной и актуальной, после того как я побывала в Музее Камня в Намибии и начала изучать интереснейшую науку химию. Мир кристаллов – удивительный мир многогранников, привлекающих совершенством и красотой своей формы.

Все кристаллы, окружающие нас, не образовались когда-то раз и навсегда готовыми, а выросли постепенно. В природе, в лаборатории, на заводе кристаллы растут из растворов, из расплавов, из паров, из твердых веществ. Поэтому представляется важным и интересным изучить процесс образования  кристаллов, выяснить условия их образования, вырастить кристаллы без применения специальных приспособлений. Это и определило тему  исследовательской работы.

Существуют два простых способа выращивания кристаллов из пересыщенного раствора: путем охлаждения насыщенного раствора и путем выпаривания растворителя. Вес кристалла, выросшего из перенасыщенного раствора без испарения, равен весу излишка вещества в растворе. Например, если раствор перенасыщен на 10 граммов и вода из него не испаряется, то из  этого раствора не может вырасти больше чем 10 граммов кристаллов. А из испаряющегося раствора постепенно выкристаллизуется не только излишек, но и все растворенное в нем вещество, если испарить всю воду. А так как я хотела вырастить большие кристаллы, то я соединила эти два метода.

Актуальность темы:

Многие природные вещества имеют кристаллическое  строение, искусственные кристаллы широко применяются в технике и в других областях. Изучение строения и свойств кристаллов имеет большую перспективу.

Кристаллизация в природе – длительный процесс, чистые кристаллы, без включений – редкость; в лабораторных условиях можно вырастить кристаллы многих веществ за сравнительно короткое время.

Цель работы: 

1. Знакомство с методикой выращивания кристаллов.
2. Выращивание кристаллов разных веществ из водных растворов.
3. Изучение влияния различных факторов на процесс роста кристаллов из растворов солей.

Задачи работы:

1. Изучить литературу и ознакомиться с понятием «кристалл», с формами кристаллов, со способами выращивания кристаллов.
2. Освоить методику выращивания кристаллических тел.
3. Научиться готовить насыщенный и ненасыщенный растворы солей.
4. Приготовить «затравку» для выращивания кристалла.
5. Провести наблюдения за процессом кристаллизации.
6. Вырастить монокристаллы различных солей.
7. Исследовать зависимость формы кристалла от условий кристаллизации.
8. Выработать рекомендации по выращиванию кристаллов.

Объект исследования: кристаллы хлорида железа (III), красной кровяной соли, желтой кровяной соли, сульфата меди.

Основные методы исследования: изучение литературных источников, наблюдение и эксперимент.

Структура работы: исследовательская работа состоит из теоретической и практической части. В теоретической части я рассмотрела различные методы выращивания кристаллов, привела список веществ, из которых можно выращивать кристаллы. В практической части я выращивала кристаллы и исследовала зависимость формы кристаллов от условий выращивания.

1. Теоретическая часть.

1.1. Что такое кристалл.

Слово «кристалл» происходит от греческого krystallos, что означает лед. Мы знаем, что вещество – это то, из чего состоит любое тело. Например, стакан – это тело, а стекло – это вещество, из которого состоит стакан.  Любое вещество состоит из мельчайших не видимых глазом частиц: молекул или атомов. Различают твёрдые, жидкие  и газообразные вещества. Остановимся поподробнее на первых. Все твёрдые вещества по строению можно разделить на две группы: кристаллические и аморфные. 

Если частицы, из которых состоит твёрдое вещество, располагаются в определённом порядке, то говорят, что такое твёрдое вещество имеет определённую кристаллическую форму.  Многие из самых обычных веществ вокруг нас имеют кристаллическую форму. Например, соль и сахар.

Кристалл имеет определённую форму и определённое количество граней, т.к. составляющие его частицы расположены упорядоченно (правильными рядами, сетками, решётками). Все кристаллы одного и того же вещества имеют одинаковую форму, хотя и могут отличаться размерами. Например, все кристаллы поваренной соли имеют форму куба.

Кристаллы не сотворены готовыми, а вырастают в форме многогранников. Основную массу кристаллов, которые с давних пор используются человеком, составляют минералы. Из них особого внимания удостоились драгоценные камни.  На металлургических, химических, фармацевтических и сахарных заводах специалисты постоянно используют кристаллы металлов, соли, соды и сахара. В XIX веке получил широкое распространение искусственный синтез минералов.

1.2. Методы выращивания кристаллов.

Кристаллы образуются тремя путями: из расплава, из раствора и из паров. Примером кристаллизации из расплава может служить образование льда из воды, так как вода это расплавленный лед. К кристаллизации из расплава относится и процесс образования вулканических пород.

Кристаллы в природе образуются также из растворов, примером чему могут служить сотни миллионов тонн соли, выпавшей из морской воды. Такой процесс можно продемонстрировать в лаборатории с водным раствором хлорида натрия. Если дать воде возможность медленно испаряться то, в конце концов, раствор станет насыщенным и дальнейшее испарение приведет к выделению соли.

Кристаллы образуются также непосредственно из пара или газа. При охлаждении газа электрические силы притяжения объединяют атомы или молекулы в кристаллическое твердое вещество. Так образуются снежинки; воздух, содержащий влагу, охлаждается, и прямо из него вырастают снежинки той или иной формы.

1.3. Как растёт кристалл.

Ученых давно интересовало, как образуются кристаллы; почему разные вещества дают кристаллы разной формы, а некоторые вовсе не образуют кристаллов; что надо сделать, чтобы кристаллы получились большими и красивыми. Исследования показали, что кристаллы – это вещества, в которых мельчайшие частички упакованы в определённом порядке. Именно этот порядок и определяет форму кристалла. Одни вещества кристаллизуются легко, другие с большим трудом или вовсе не образуют кристаллов.

Кристаллизацию обычно ведут при охлаждении раствора. При каждой температуре в данном количестве растворителя может раствориться не больше определённого количества вещества. Так, в 100 г  воды при 900 C может раствориться 54 г хлорида калия – и ни грамма больше.

Начнем охлаждать раствор. С понижением температуры растворимость большинства веществ уменьшается. При охлаждении раствора частички вещества, которым уже не хватает воды, чтобы находиться в растворённом состоянии, слипаются друг с другом, образуя крошечные кристаллы – зародыши. Если охлаждение медленное, зародышей образуется немного, и, постепенно обрастая частичками вещества со всех сторон, они превращаются в красивые кристаллики правильной кубической формы. При быстром же охлаждении образуется много центров кристаллизации, и конечно, правильных кристаллов при этом не получится, потому, что множество быстро растущих кристалликов мешает друг другу.  

Роль центров кристаллизации могут играть и посторонние твёрдые примеси, находящиеся в растворе, поэтому, чем он чище, тем больше шансов, что центров кристаллизации будет немного. Итак, чем чище раствор и чем медленнее он охлаждается, тем лучше.

Есть и другой метод получения из растворов правильных кристаллов: постепенное удаление воды. «Лишнее» вещество при этом кристаллизуется. И чем медленнее будет удаляться вода, тем лучше получатся кристаллы. Можно, к примеру, попросту надолго оставить открытый сосуд с раствором при комнатной температуре – вода при этом  будет испаряться очень медленно. В промышленных масштабах большие кристаллы часто получают охлаждением расплавленного вещества.

        Перед тем как приступить к работе, нужно знать, из каких веществ лучше всего получить кристаллы.

1.4. Вещества для опытов с кристаллами.

Проще всего выращивать кристаллы из водных растворов. Но не все кристаллические соединения годятся для выращивания кристаллов. К примеру, вы  не сможете получить большие кристаллы из поваренной соли или из сахара. Насыщенный раствор сахара очень вязкий, при охлаждении становится совсем густым – в такой среде кристаллизация протекает с большим трудом, и в результате образуется прозрачная масса, похожая на стекло.

Из каких доступных веществ можно вырастить кристаллы? Ниже приведена таблица соединений, которые можно использовать для этого.

Соли, которые можно использовать при выращивании кристаллов.

        * Количество соли на 0,5 л при температуре 30оС

2. Практическая часть.

Правила по технике безопасности:

1. Работать с веществами надо очень аккуратно.
2. Крупинки ни в коем случае не должны попасть в пищевые продукты.
3. Пользоваться для выращивания кристаллов необходимо специальной посудой.
4. После работы с медным купоросом обязательно вымыть руки с мылом – это соединение хорошо растворяется в воде и легко смоется с кожи.

2.1. Приготовление «затравки».

Оборудование: четыре химических стакана ёмкостью 100мл, стеклянные палочки, бумажный фильтр, воронка для фильтрования, термометр, водяная баня.

Химические реактивы: дистиллированная вода, медный купорос, хлорид железа (III), красная кровяная соль, желтая кровяная соль.

Выращивание кристаллов следует начинать с приготовления «затравки».  «Затравка» – центр кристаллизации, от её качества зависит рост кристаллов.

В химический стакан налила дистиллированную воду и нагрела до 50оС на водяной бане. Насыпала при постоянном помешивании соль, до тех пор, пока она не перестала растворяться. Раствор отфильтровала. Оставила приготовленный раствор на сутки, предварительно накрыв его фильтровальной бумагой, чтобы не попала пыль (можно обвернуть стакан полотенцем – для более медленного охлаждения).                        

Через сутки на дне стакана образовались кристаллики соли. Выбрала самый большой кристаллик правильной формы – это и будет «затравка» для выращивания большого кристалла.

2.2. Выращивание кристаллов.

      Метод охлаждения насыщенного раствора. Сначала приготовила как можно более концентрированный раствор выбранной соли, внося соль в стакан с водой,  до тех пор, пока очередная порция соли не перестала растворяться при перемешивании. После этого слегка подогрела смесь на водяной бане, чтобы добиться полного растворения соли и добавила еще соли до насыщения горячего раствора. Полученный концентрированный раствор перелила в большой стакан. Опустила в стакан «затравку», так чтобы она была погружена в раствор, накрыла стеклом, обмотала емкость полотенцем и стала наблюдать за происходящим.

Метод выпаривания растворителя. Когда раствор остыл, убрала полотенце, открыла емкость и оставила раствор на неделю для испарения воды. Наблюдала за ростом кристаллов.

Каждую неделю в стаканы с монокристаллами я добавляла новые порции насыщенного раствора. Для этого на водяной бане готовила насыщенные растворы необходимых солей. Растворы отфильтровывала. Выливала в химические стаканы большей емкостью. Затем в теплые насыщенные растворы вносила полученные образцы и продолжала опыт. Если на монокристаллах или нитке образовывались мелкие кристаллики, то я их счищала. Если на дне стакана образовывались кристаллы, я их растворяла и добавляла в новую порцию раствора.

2.3. Наблюдения.

Выращивание кристаллов хлорида железа (III).

Кристалл хлорида железа (III) – светло-зеленого цвета, рос в разные стороны и был неправильной формы. На нем образовывалось много мелких кристалликов, которые надо было счищать. Выращивание этого кристалла было закончено в декабре, так как растворимость FeCl3 достаточно большая и у меня закончился реактив. Полученный кристалл я обсушила салфеткой и покрыла бесцветным лаком, но он постепенно со временем все равно начал разрушаться.

Выращивание кристаллов красной кровяной соли.

Кристалл этой соли имеет рубиново-красный цвет. Ощущение, что срослись два кристалла ромбической формы. По бокам на нем образовывались довольно крупные кристаллики, которые я решила оставить для красоты. Этот кристалл рос медленнее всех остальных. Выращивание этого кристалла продолжалось четыре с половиной месяца. Полученный кристалл я обсушила салфеткой и покрыла бесцветным лаком.

Маленькие кристаллы, которые образовывались на дне стаканов, также имеют ромбическую форму.

Выращивание кристаллов желтой кровяной соли.

Кристалл желтой кровяной соли имеет шарообразную игольчатую форму и состоит из множества мелких прямоугольных кристаллов. Он желто-оранжевого цвета. Ощущение, что срослось множество квадратиков и прямоугольников. Выращивание этого кристалла длилось четыре месяца. Полученный кристалл я обсушила салфеткой и покрыла бесцветным лаком, но он постепенно со временем все равно начал разрушаться.

Выращивание кристаллов сульфата меди.

Кристалл сульфата меди глубокого синего цвета и имеет форму скошенного параллелепипеда. Из всех выращенных кристаллов он самый правильный. Стороны кристалла ровные. На них не образовывались мелкие кристаллики. Выращивание этого кристалла продолжалось четыре с половиной месяца. Полученный кристалл я обсушила салфеткой и покрыла бесцветным лаком.

Маленькие кристаллы сульфата меди также имеют форму параллелепипеда.

2.4. Исследование влияния различных факторов на процесс роста кристаллов.

Опыт № 1.

Оборудование: два химических стакана ёмкостью 100мл, стеклянные палочки, бумажный фильтр, воронка для фильтрования, термометр, водяная баня.

Химические реактивы: дистиллированная вода, медный купорос.

В химические стаканы налила дистиллированную воду и нагрела до 50оС на водяной бане. Насыпала при постоянном помешивании соль, до тех пор, пока она не перестала растворяться. Растворы отфильтровала. Оставила приготовленные растворы на сутки. Но один из стаканов обвернула полотенцем для более медленного охлаждения.

Через сутки на дне стакана образовались кристаллики соли. В стакане, где было более быстрое охлаждение, кристалликов было больше и они были очень мелкие. А в стакане с медленным охлаждением кристаллы были крупнее и их было немного.

В ходе эксперимента было  замечено, что при быстром охлаждении монокристаллы начинали обрастать мелкими кристаллами. Поэтому химические стаканы с монокристаллами я дополнительно оборачивала хлопчатобумажной тканью, чтобы способствовать равномерному росту всего кристалла.

Также мной было замечено, что посторонние твердые примеси в растворе могут играть роль центров кристаллизации, поэтому, чем чище раствор, тем центров кристаллизации будет меньше. Для этого я все растворы фильтровала и накрывала емкости фильтровальной бумагой, чтобы в них не попадала пыль.

Опыт № 2.

Оборудование: два химических стакана ёмкостью 100мл, стеклянные палочки, бумажный фильтр, воронка для фильтрования, термометр, водяная баня, фигурки из проволоки, обмотанные х/б и шерстяной нитками.

Химические реактивы: дистиллированная вода, медный купорос.

В химические стаканы налила дистиллированную воду и нагрела до 50оС на водяной бане. Насыпала при постоянном помешивании соль, до тех пор, пока она не перестала растворяться. Растворы отфильтровала. В приготовленные растворы внесла фигурки из проволоки и оставила на сутки.

Через сутки на фигурке, обмотанной шерстяной ниткой образовались кристаллики соли. А на х/б нитке кристаллов не было, они были на дне стакана.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что скорость охлаждения, а также материал затравки влияют на процесс образования кристаллов и их форму.

3. Заключение.

Искусственные кристаллы очень нужны. Выращивая кристаллы в лабораториях, человек может узнать, как кристаллы рождаются и живут в природных условиях, изучить свойства кристаллов. Кроме того, процесс выращивания кристаллов очень красив и увлекателен.

 Полученные кристаллы могут быть использованы для создания картин, цветов, композиций, и воплощения дизайнерских идей. Выращенные кристаллы можно применить как украшение на новогодней елке, как украшение интерьера, бижутерию для модниц, как  брелок на ключи и сотовый телефон.

В ходе работы:

• я научилась готовить насыщенные и пересыщенные растворы солей;
• познакомилась со способами выращивания кристаллов;
• экспериментально доказала, что растворимость в воде большинства веществ увеличивается с увеличением температуры раствора;
• освоила методику выращивания кристаллов путем охлаждения насыщенного раствора и выпаривания растворителя;
• провела наблюдения за процессом кристаллизации медного купороса, красной кровяной соли, хлорида железа(III), желтой кровяной соли;
• убедилась в том, что кристаллы разных солей имеют различную форму;
• убедилась, что форма и размер кристаллов зависят от условий проведения эксперимента.

Рекомендации по выращиванию кристаллов:

1. Для выращивания кристаллов использовать только свежеприготовленные растворы.
2. Использовать только чистую посуду.
3. Обязательно фильтровать раствор.
4. Кристаллик нельзя при росте без особой причины вынимать из раствора.
5. Не допускать попадание мусора в насыщенный раствор. Для этого надо накрывать раствор фильтровальной бумагой.
6. Периодически (раз в неделю) менять или обновлять насыщенный раствор.
7. Удалять образовавшиеся сросшиеся мелкие кристаллы.
8. Чем медленнее охлаждается раствор, тем крупнее образуются кристаллы. Для этого можно оборачивать стаканы тканью.
9. Полученные кристаллы тщательно покрывать бесцветным лаком против выветривания.

Перспективы дальнейшей работы: хотелось бы вырастить кристаллы других веществ, получить монокристаллы более правильной формы и провести исследования физических свойств полученных кристаллов.

Список литературы.

1. Энциклопедический словарь юного химика.  /Под ред. Трифонова Д.Н. – М.: «Педагогика – Пресс», 1999. – 368с.: ил.
2. Аликберова Л. Ю. Занимательная химия – М.: «АСТ – ПРЕСС», 1999. – 559с.: ил.
3. Верховский В. Н, Смирнов А. Д. Техника химического эксперимента – М.: «Просвещение», 1975. – 383с.: ил.
4. Ольгин О. С. Опыты без взрывов – М.: «Химия», 1995. – 310с.: ил.
5. Леенсон И.А.Занимательная химия – М.: «Росмэн», 2000. – 101с.: ил.
6. Степин Б.Д. Аликберова Л.Ю. Занимательные задания и эффектные опыты по химии. Дрофа. М-2002.
7. http://ru.wikipedia.org/wiki/
8. http://www.alhimik.ru/teleclass/pract/prac064.shtml
9. http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2686.html
10. http://chemexperiment.narod.ru.