исследовательская работа "Живой кристалл"
Вложение | Размер |
---|---|
![]() | 141 КБ |
Муниципальное образовательное бюджетное учреждение
средняя общеобразовательная школа №8 городского округа
город Нефтекамск Республики Башкортостан
Выращивание кристаллов поваренной соли и медного купороса
в домашних условиях
(исследовательская работа по физике)
Выполнили: Мадияров Раис 7А класс
Казун Яна 8Б класс
Руководитель: учитель физики
Насипова Гузель Ульфатовна
Нефтекамск, 2013
2
СОДЕРЖАНИЕ:
ВВЕДЕНИЕ
1. ЖИВОЙ КРИСТАЛЛ
2. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
2.1 ПРИЗНАКИ ЖИЗНИ
2.2 МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КРИСТАЛЛОВ
2.3 МЕХАНИЗМ РОСТА КРИСТАЛЛОВ
2.4 ПРИРОДА СИЛ СВЯЗИ В КРИСТАЛЛАХ ПОВАРЕННОЙ СОЛИ
3. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
3.1 КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ ПОВАРЕННОЙ СОЛИ
3.2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ РОСТА КРИСТАЛЛОВ
ПОВАРЕННОЙ СОЛИ И МЕДНОГО КУПОРОСА
3.3 ТАБЛИЦА РЕЗУЛЬТАТОВ
4. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
4.1 ВЫРАЩИВАНИЕ КРИСТАЛЛОВ МЕДНОГО КУПОРОСА
4.2 КАК Я ВЫРАЩИВАЛ КРИСТАЛЛЫ МЕДНОГО КУПОРОСА
5. ИЗДЕЛИЯ ИЗ КРИСТАЛЛОВ
5.1 КАК ДЕЛАЮТ ДРАГОЦЕННОСТИ
5.2 ИГРУШКИ ИЗ КРИСТАЛЛОВ
6. ПРИМЕНЕНИЕ КРИСТАЛЛОВ
ВЫВОДЫ
ЛИТЕРАТУРА
3
АКТУАЛЬНОСТЬ
Совершенствовать свои умения и навыки, выявлять творческие способности – что может быть более актуальным для современного молодого человека? Хочется проявить себя, проверить свои способности, а эта тема как раз и дает такую возможность. Я полагаю, что эта тема интересна всем.
ЦЕЛИ
1.Вырастить кристаллы медного купороса (CuSO4) в домашних условиях.
2.Предложить области их применения.
3.Изготовить изделия, используя выращенные кристаллы.
4.Создать презентацию и использовать ее на уроках физики при объяснении темы «Твердые тела».
ЗАДАЧИ
1. Изучить литературные и электронные источники по данной теме.
2. Изучить среду выращивания кристаллов.
3. Обсудить состав кристаллов и распространенные методы выращивания.
4.Вырастить кристалл медного купороса в домашних условиях.
5. Узнать их физические свойства.
6. Обсудить виды изделий из кристаллов.
7. Подумать о местах их применения.
8. Изготовить изделия с использованием выращенных кристаллов.
4
НОВИЗНА
Данная работа обладает определенным аспектом новизны, поскольку нам никогда не приходилось делать своими руками что-то оригинальное и необыкновенное. В нашем представлении « кристалл» - это чудо природы. Получить кристалл – это сотворить чудо. Для нас это новое и необычное дело, даже таинственное. Кто знает, что у нас получится? Как будут выглядеть наши «авторские» кристаллы? А так же мы хотим рассмотреть и предложить области применения выращенных нами кристаллов и изготовить изделия из них.
5
ВВЕДЕНИЕ
Не то, что мните вы, природа.
Не слепок, не бездушный лик.
В ней есть душа, в ней есть свобода.
В ней есть любовь, в ней есть язык.
Ф.И. Тютчев.
Нас очень заинтересовали кристаллы и возникло желание узнать о них по – больше. Нам пришла в голову мысль попробовать вырастить самому настоящий кристалл и определить области его применения.
Люди, посвящающие свою жизнь кристаллу, часто воспринимают его живым. Во всяком случае, говорят о нем, как о живом существе. Например, в поэтической прозе поэта А. Е. Ферсмана «Камень», он разговаривает с обломком минерала, как с живым существом, которое умеет прятаться от зоркого глаза искателя, а в ответ на обиду или несправедливость менять окраску – розовую на черную.
Сочетание слов «живой кристалл» придает этой работе романтическую окраску, по поводу умения кристалла расти. В данной работе были выращены кристаллы медного купороса и поваренной соли. В ходе выращивания кристаллов были замечены ряд особенностей роста кристаллов, факторы, влияющие на их рост. Была определена скорость роста кристаллов поваренной соли и медного купороса, средняя величина прироста грани кристаллов, а также рассчитана количество атомных слоев, которое укладывается в процессе роста кристалла поваренной соли за 1 секунду и за все время наблюдения.
6
В разговоре двух металловедов идет речь об усталости металлического кристалла, о его старении, способности отдыхать, издавать звуки, видимо, выражая недовольство тяжесть приложенной нагрузки. Или еще: геологи ведут разговор о памяти минерала, о его способности разумно приспосабливаться к внешним условиям. Или по разговорам работников, которые в лаборатории или цехе искусственно создают кристаллы, они растут, захватывают примеси, передают нечто по наследству.
Криста́ллы (от греч. κρύσταλλος, первоначально — лёд, в дальнейшем — горный хрусталь, кристалл) — твёрдые тела, в которых атомы расположены закономерно, образуя — кристаллическую решётку.
Кристаллы — это твёрдые вещества, имеющие естественную внешнюю форму правильных симметричных многогранников, основанную на их внутренней структуре.
Если рассмотреть при помощи лупы или микроскопа крупинки соли, то можно заметить, что они ограниченны плоскими гранями. Наличие таких граней – признак нахождения в кристаллическом состоянии.
Тело, представляющее собой один кристалл, называется монокристаллом. Большинство кристаллических тел состоит из множества расположенных беспорядочно мелких кристаллов, которые срослись между собой. Такие тела называются поликристаллами. Кусок сахара – поликристаллическое тело. Кристаллы различных веществ имеют разнообразную форму. Размеры кристаллов тоже разнообразны. Размеры кристаллов поликристаллического типа могут изменяться с течение времени. Мелкие кристаллы железа переходят в крупные, этот процесс ускоряется при ударах и сотрясениях, он происходит в стальных мостах, железнодорожных рельсах и т.д., от этого прочность сооружения с течением времени уменьшается.
7
2.1 ПРИЗНАКИ ЖИЗНИ
Жизнь кристаллов многокрасочна, и не всеми красками каждый кристалл обязан отсвечивать. Иные признаки жизни могут и не обнаруживаться в кристалле по причине простой и очень уважительной: эти признаки ему не свойственны. Существует, однако, непременные признаки, которых не быть в кристалле не может. Во-первых, если кристалл находиться при некоторой конечной температуре, составляющие его атомы и молекулы обязаны совершать тепловые колебания. Интенсивность этого движения растёт с температурой. Во-вторых, атомы обязаны принимать участие еще в иных колебаниях, интенсивность которых от температуры не зависит. Атомы в кристалле одновременно должны подчиняться двум законам, требующим, чтобы атомы колебались в угоду каждому из них. В-третьих, атомы в кристалле, подчиняясь законам термодинамики, обязаны блуждать по кристаллической решетке, иногда меняя временные позиции оседлости (обязаны диффундировать). В-четвертых, все электроны, имеющиеся в кристалле, обязаны непрерывно двигаться. А главное, кристалл растет, приобретая причудливую вполне закономерную форму.
Все признаки живого кристалла в домашних условиях увидеть невозможно, но один из признаков жизни – его рост – вполне реально.
Реальный кристалл – огромная совокупность одинаковых атомов или молекул, которые во всех трех измерениях расположены в строгом порядке, образуя кристаллическую решетку. Только в некоторых местах реального кристалла строгий порядок различным способом нарушается, и эти нарушения означают наличие дефектов, которые помогают кристаллу приспосабливаться к окружающей среде.
8
2.2. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КРИСТАЛЛОВ
Такие свойства твёрдых тел как упругость, прочность, поверхностное натяжения определяются силами взаимодействия между атомами и строением кристаллов. Изучая силы межатомного взаимодействия, можно, например, определить величину модуля упругости, предела прочности материала, энергии связи кристалла и коэффициента поверхностного натяжение.
Таким образом, оцениваются характеристики любых твёрдых тел, но проще всего это сделать для идеальных ионных кристаллов. В решетке таких кристаллов периодически чередуются положительные и отрицательные ионы.
Для оценки, прежде всего, необходимо выяснить величину силу единичной межатомной связи, которая в ионных кристаллах определяется силой взаимодействия между двумя ионами.
Силы межатомного взаимодействия
Зависимость сил межатомного взаимодействия от расстояния между центрами атомов в твёрдых телах заключается в следующем:
1 между атомами одновременно действуют силы притяжения и силы отталкивания. Результирующая сила межатомного взаимодействия - сумма этих двух сил.
2. При уменьшении расстояния между атомами силы отталкивания нарастают значительно быстрее, чем силы притяжения; поэтому существует некоторое расстояние r0, при котором силы притяжения и силы отталкивания уравновешиваются и результирующая сила становится равной нулю. В кристалле, предоставленном самому себе, ионы располагаются именно на расстоянии r0 друг от друга. Если расстояние между атомами меньше равновесного (r меньше r0), то преобладают силы отталкивания, если (r больше r0), то преобладают силы притяжения.
Эти свойства межатомных сил позволяют условно рассматривать частицы, образующие кристалл (например, ионы Nа и Сl в кристалле поваренной соли), как твердые упругие шары, взаимодействующие друг с другом. Деформация растяжения кристалла приводит к увеличению расстояния между центрами соседних шаров и преобладанию сил притяжения, а деформация сжатия - к уменьшению этого расстояния и преобладанию сил отталкивания.
9
2.3. МЕХАНИЗМ РОСТА КРИСТАЛЛОВ
Долгое время считалось очевидным, что рост кристаллов происходит слой за слоем. Сначала завершается построение одного слоя, потом начинается укладка следующего и т.д. В результате грани, наращиваясь, слой за слоем, перемещаются параллельно самим себе, как при кладке кирпичной стены. О справедливости такого предположения говорят факты существования плоских граней у кристаллов. Ясно, что осаждение нового атома наиболее вероятно там, где он будет удерживаться большим числом соседей, так как в любой другой поверхности грани он удерживается меньшим числом соседей. Когда закончится застройка ряда, начнется застройка следующего и т.д., пока не завершится вся плоскость.
После этого рост кристалла затрудняется, так как образование нового слоя – событие менее вероятное. В любом месте на завершенной плоскости атом будет связан с небольшим числом атомов кристалла. Вероятность того, что эта слабая связь не будет нарушена тепловым движением, велика, поэтому атом не может закрепиться на кристалле, и поэтому кристаллы растут в виде совокупности маленьких кристалликов.
При таком механизме застройки атомных плоскостей скорость роста кристалла должна быть очень малой.
Способы зарождения новых слоев и скорости роста граней кристаллов различных веществ неодинаковы. Дни 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 больше, чем в направлении действия меньших сил. Но не только форма молекул и заметная разница сил их взаимодействия в различных направлениях определяют форму растущего кристалла. Если кристаллы
Растут при больших пересыщениях раствора, то часто образуются необычные формы. Объясняется это тем, что вершины кристаллов соприкасаются с более персыщенныым раствором, чем их грани. Опережая в росте боковые грани, вершины внедряются вглубь неиспользованного раствора, что способствует их дальнейшему быстрому росту.
10
2.4 ПРИРОДА СИЛ СВЯЗИ В КРИСТАЛЛАХ ПОВАРЕННОЙ СОЛИ
Чаще всего вещества кристаллизуются в виде сложных многогранников,
состоящих из плотно уложенных рядами маленьких частиц, имеющих присущую данному веществу геометрическую форму. В форме правильных многогранников кристаллизуются сравнительно небольшое число кристаллов. Например, поваренная соль кристаллизуется в виде куба. Кристалл поваренной соли состоит из совокупности большого числа ионов Na+ и Cl-, определенным образом расположенных друг относительно друга. Это ионный кристалл.
Известно, что в молекуле NaCl единственный валентный электрон натрия по существу большее время проводит около атома хлора. В результате образуется положительный ион натрия и отрицательный ион хлора, взаимодействующие между собой благодаря электрическим силам.
Ион натрия и ион хлора имеют полностью заполненные электронные оболочки и симметричное электронное облако. Это значит, что при сближении частиц вещества каждый ион натрия будет взаимодействовать не с одним каким-либо ионом хлора, а попытается присоединить к себе возможно большее их число. Аналогично будет вести себя и ион хлора. В результате в кристалле поваренной соли каждый ион хлора окажется окруженным ионом натрия, а каждый ион натрия – ионами хлора; образуется хорошо известная структура поваренной соли.
Ионная связь достаточно сильно скрепляет частицы вещества в кристалле, поэтому эти кристаллы отличаются прочностью. Ионные кристаллы обычно обладают тепло- и электропроводностью. Особенность этих кристаллов состоит в том, что в них нельзя выделить отдельные молекулы. Каждый положительный ион в ионном кристалле одинаково сильно связан со всеми окружающими его отрицательными ионами (и наоборот), так что выделить, например, молекулу NaCl из всего кристалла поваренной соли невозможно. Весь кристалл, по существу, представляет собой одну гигантскую молекулу.
11
3.ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
3.1. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ ПОВАРЕННОЙ СОЛИ
Большинство окружающих нас тел – поликристаллы: они состоят из множества отдельных кристалликов, беспорядочно ориентированных друг относительно друга.
Для того чтобы вырос один правильный кристалл, нужны специальные условия для каждого вещества (постоянная температура, давление, плотность раствора и т.д.), нужно учитывать конвекционные потоки жидкости, степень переохлаждения жидкости, наличие примесей и т.д. Крупные одиночные кристаллы, имеющие свою правильную форму, в природе встречаются очень редко. Но такой кристалл можно вырастить в искусственных условиях.
Кристаллизация может происходить из раствора, расплава, а также из газообразного состояния вещества.
Остановимся на рассмотрении кристаллизации из раствора, которая и использовалась при выращивании кристаллов поваренной соли и медного купороса. Получение кристаллов из раствора сводится к двум способам. Первый состоит в медленном испарении растворителя из насыщенного раствора, а второй в медленном понижении температуры раствора. В данном объеме той или иной жидкости при постоянной температуре и давлении может раствориться не больше определенного количества того или иного кристаллического вещества. Полученный при этом раствор называют насыщенным. Кристалл, помещенный в ненасыщенный раствор, начнет в нем растворяться. Если насыщенный раствор охладить, он станет пересыщенным. Достаточно попасть в раствор малейшей частице кристалла, как раствор немедленно начнет кристаллизоваться. Таким образом, пересыщение раствора является необходимым, но недостаточным условием для кристаллизации. Чтобы
12
кристаллизация началась, нужно внести в раствор затравку – небольшой кристалл растворенного вещества.
Из раствора кристалл выращивают обычно следующим образом. Вначале в жидкости (в воде) растворяют достаточное количество кристаллического вещества. При этом раствор подогревают до тех пор, пока вещество полностью не растворится. Охлаждают, переводя его тем самым в пересыщенное состояние. В пересыщенный раствор подвешивают затравку. Недостатком методов выращивания кристаллов из раствора является возможность загрязнения кристаллов частицами растворителя.
Кристалл растет из тех участков пересыщенного раствора, которые его непосредственно окружают.
В результате этого вблизи кристалла раствор оказывается менее пересыщенным, чем вдали от него.
Так как пересыщенный раствор тяжелее насыщенного, то над поверхностью растущего кристалла всегда имеется направленный поток “использованного раствора”. Без такого перемещения раствора рост кристаллов быстро бы прекратился. Степень переохлаждения раствора (а, следовательно, скорость кристаллизации) значительно изменяет форму кристаллов. В сильно переохлажденных жидкостях кристаллы растут всегда в виде причудливой совокупности длинных игл. Чем меньше скорость, тем лучше получаются кристаллы. Это справедливо для всех методов выращивания. Но, к сожалению, не все кристаллы можно вырастить так просто.
Если в пересыщенный раствор поваренной соли добавить чернила (красные, синие и т. д..), а потом подвесить затравку, то можно получить окрашенные кристаллы поваренной соли. Кристаллизацию из раствора можно использовать и в декоративных целях. Если в качестве затравки использовать хорошо просушенные и протертые от пыли ветки лиственницы, стебли травы или кустарника, кроме хвои, то таким способом можно получить заиндевевшую ветку на праздник Нового Года.
13
3.2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ РОСТА КРИСТАЛЛОВ ПОВАРЕННОЙ СОЛИ И МЕДНОГО КУПОРОСА
Если нанести небольшую каплю насыщенного раствора поваренной соли или медного купороса на покровное стекло микроскопа, то через некоторое время начнется интенсивное образование кристаллов и их рост. Характеристикой процесса роста кристалла может быть, например, отношение прироста грани кристалла ко времени, за которое прирост происходит.
Рядом с покровным стеклом на столике микроскопа располагаем листок миллиметровой бумаги, то, глядя одним глазом в окуляр микроскопа можно увидеть изображения растущих кристаллов на фоне миллиметровой. С началом роста кристалла выбираем для наблюдения одиночный кристалл. Располагаем миллиметровую бумагу так, чтобы линии на ней были параллельны одной из граней кристалла, и наблюдая рост кристалла, определяем по секундомеру время, за которое грань кристалла вырастет на 1 мм. Когда сторона кристалла вырастет на 1 мм, отмечаем время по секундомеру. Таким же способом определяем время, за которое грань кристалла вырастет еще на 1 мм, и еще раз. Зная, что увеличение микроскопа равняется 140 (7*20=140), т.е. 1 мм при наблюдении по миллиметровой бумаге равен в действительности 1/140 мм, определяем величину прироста грани кристалла поваренной соли и медного купороса за время роста. Теперь можно определить величину прироста грани кристалла за 1с. В каждом интервале времени наблюдения, скорость роста каждого 1/140 мм грани кристалла, среднюю скорость роста грани кристалла.
Для поваренной соли рассчитали, какое количество атомных слоев (N) укладывается в процессе роста кристалла за 1с., если диаметр ионов (dи) Натрия и хлора равен примерно 0,3 нм: N= L / dи, N=2,43 За все время наблюдения N0=Nt, N0=71646.
У кристалла медного купороса количество атомных слоев, укладываемых в процессе роста сосчитать проблематично, т.к. это не чисто ионный кристалл.
14
3.3 ТАБЛИЦА РЕЗУЛЬТАТОВ
15
4.ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
4.1. ВЫРАЩИВАНИЕ КРИСТАЛЛОВ МЕДНОГО КУПОРОСА
Современная промышленность не может обойтись без самых разнообразных кристаллов. Они используются в часах, транзисторных приёмниках, вычислительных машинах, лазерах и многом другом. Великая лаборатория - природа - уже не может удовлетворить спрос развивающейся техники, и вот на специальных фабриках выращивают искусственные кристаллы: маленькие, почти не заметные, и большие - весом в несколько килограммов.
Существуют различные способы выращивания кристаллов. Часто этот процесс требует высоких температур и огромных давлений, но некоторые кристаллы можно выращивать и в домашних условиях. Рассмотрим, как это можно делать.
Самый простой, но очень важный метод- выращивание кристаллов из растворов. К нему относится, в первую очередь, выращивание кристаллов путем постепенного снижения температуры раствора. Этот метод основан на свойстве многих кристаллических веществ изменять свою растворимость с изменением температуры. Он хорош тем, что не требует сложной аппаратуры и позволяет выращивать кристаллы очень многих веществ. Однако он пригоден только для хорошо растворимых соединений. При выращивании кристаллов малорастворимых веществ нужна громоздкая установка, чтобы вместить достаточное количество раствора. Другой способ - испарение растворителя. При этом создается небольшое пересыщение раствора, за счет которого и идет кристаллизация. Одним из недостатков этого способа является появление кристаллов - паразитов там, где стенки сосуда граничат с поверхностью испаряющегося раствора. Но этот способ очень прост и потому широко
16
используется. Подливая по мере испарения новые порции насыщенного раствора, можно вырастить и кристаллы малорастворимых соединений.
Интересен способ, предназначенный для выращивания кристаллов трудно растворимых соединений в том случае, если существуют два хорошо растворимых компонента, дающих в результате реакции интересующее нас вещество. Оба компонента растворяют в отдельных сосудах. Затем при непрерывном размешивании раствор одного из них при помощи бюретки вводится по каплям в раствор второго. Образующегося при реакции пересыщения достаточно для кристаллизации нужного нам вещества.
Проще всего дома выращивать кристаллы медного купороса. Вещество это можно купить в любом магазине химреактивов, и оно абсолютно безвредно. Но прежде чем приступить к работе, давайте посмотрим, что представляет собой процесс выращивания кристаллов. Если в воде при постоянной температуре растворять какое - ни будь вещество, то через некоторое время растворение прекращается. Такой раствор называется насыщенным, а максимальное количество вещества, которое можно растворить при данной температуре в 100 граммах воды, называется его растворимостью. Один из способов выращивания кристаллов заключается в том, что надо дать насыщенному раствору охладиться. Можно выращивать кристаллы и выпариванием.
Рассмотрим теперь, как происходит выделение избытка вещества. Возьмём насыщенный раствор и нагреем его. Сосуд с полученным недосыщенным раствором накроем стеклом и дадим раствору спокойно охладиться до температуры более низкой, чем температура насыщения. При этом осадок может и не выпасть, и мы получим перенасыщенный раствор. Дело в том, что для образования кристалла необходима «затравка». Ею может служить маленький кристаллик того же вещества или пылинка. Иногда достаточно качнуть сосуд с перенасыщенным раствором или снять прикрывающее его стекло, как начинается мгновенная кристаллизация. Для того чтобы вырастить крупный кристалл, необходимо ограничить число «затравок».
17
«Затравка» готовится следующим образом. Возьмите две стеклянные банки и тщательно их вымойте. В одну из них налейте тёплую воду и насыпьте квасцы. Помешивая раствор, следите за растворением. Когда вещество перестанет растворяться, аккуратно слейте раствор во вторую банку так, чтобы туда не попало не растворившееся вещество. Затем накройте банку стеклом. Когда раствор охладится, снимите стекло. Через некоторое время вы увидите, как в банке образуется множество кристалликов. Дайте им подрасти и отберите самые крупные для «затравок». Теперь можно приступить к выращиванию кристалла. Прежде всего, нужно приготовить посуду. Чтобы уничтожить нежелательные зародыши на стенках, пропарьте банки изнутри над носиком кипящего чайника. Затем сделайте снова тёплый насыщенный раствор и слейте его в другую чистую банку.
Итак, у вас есть тёплый насыщенный раствор медного купороса. Нагрейте его ещё немного, накройте банку стеклом и поставьте охладиться. Когда температура раствора приблизиться к температуре насыщения, опустите в банку, приготовленную ранее «затравку». Поскольку раствор еще недосыщен, «затравочный» кристаллик начнёт растворяться. Но как только раствор охладится до температуры насыщения, растворение кристаллика прекратится, а вскоре начнётся его рост. Когда раствор перестанет охлаждаться, выращивание кристалла можно продолжить. Для этого приподнимите стекло так, чтобы вода испарялась, но пылинки в раствор не попадали. Рост кристалла продолжается два- три дня. Выращивая кристалл, старайтесь банку не трогать и не передвигать. Когда кристалл будет готов, достаньте его из раствора и тщательно промокните бумажной салфеткой, иначе он быстро потускнеет. Кристаллы получаются разными по форме в зависимости от того, бросите ли вы «затравку» на дно сосуда или подвесите её на нитке. Таким способом можно, например, вырастить «бусы». Для этого надо «затравить» нитку, то есть провести ею несколько раз по кристаллу, а затем опустить нитку в раствор.
18
4.2. КАК Я ВЫРАЩИВАЛ КРИСТАЛЛЫ МЕДНОГО КУПОРОСА
Кристалл состоит из мелких кристалликов пирита и кальцида. Многие кристаллы имеют довольно причудливую форму. В природе кристаллы растут на протяжении миллионов лет. А нельзя ли ускорить этот процесс? Оказывается, можно. Промышленность уже давно снабжает технику искусственными кристаллами. Тем интереснее получить их самостоятельно. Именно такую задачу я и поставил перед собой.
Я выбрал самый простой способ - испарение растворителя. Установка представляла собой банку из органического стекла емкостью около 750 мл. В нее налито примерно 600мл насыщенного раствора медного купороса. По мере испарения в банку подливались новые порции раствора. Поэтому стенки не смачивались раствором, и кристаллы - паразиты на них почти не появлялись.
Первоначально из полукристаллической массы медного купороса я оторвал девять кристалликов более или менее правильной формы. Каждый был опущен на дно банки с насыщенным раствором медного купороса. По мере роста удалялись неудачные кристаллы, обросшие паразитами и потерявшие типичную для монокристаллов медного купороса форму. Через неделю осталось только два лучших кристалла. Они были уже довольно велики, поэтому линейный рост их замедлился из-за большой поверхности кристаллизации.
19
5. ИЗДЕЛИЯ ИЗ КРИСТАЛЛОВ
5.1. КАК ДЕЛАЮТ ДРАГОЦЕННОСТИ
Для того, чтобы сделать искусственные драгоценные камни, например рубины, расплавляют при огромной температуре вещество из которого состоит рубин. Затем берут кристаллик рубина и дотрагиваются до поверхности расплавленной массы рубинового вещества. Конечно, это делают не руками, а специальными машинами, при высоких температурах и давлении. Атомы из вещества начинают «прилипать» к кристаллику, надстраивая его, как растёт кусочек соли. Рубин начинает расти. При этом его очень медленно поднимают из расплавленной массы, и снизу он все продолжает расти! Таким образом, через некоторое время из массы вытягивается рубиновый столбик. Затем его остужают, режут на отдельные драгоценные камушки и используют в различных механизмах или драгоценных украшениях.
Кристаллы издавна используются для изготовления украшений и ювелирных изделий. Они привлекают наше внимание причудливыми формами, сверкающими гранями, переливами цветов и богатством оттенков. Мы хотим научить читателей изготовить оригинальные и красивые изделия из поликристаллов, вырастить которые не представляет большого труда. При некотором навыке и аккуратности можно стать, например, обладателем удивительной веточки некоего экзотического дерева, состоящей из сверкающих и переливающихся зеленоватым светом небольших кристалликов, или зеленоватой новогодней елочки, опушенной, как снегом, шапкой белых кристаллов. Познакомившись с методикой и приобретя некоторый опыт, вы и сами сможете придумать и изготовить различные украшения и сувениры из поликристаллов.
20
5.2. ИГРУШКИ ИЗ КРИСТАЛЛОВ
Метод получения таких изделий основан на широко используемом способе получения монокристаллов – кристаллизации из водных растворов. При охлаждении насыщенного раствора, а также при испарении растворителя и в других условиях, когда создаются пересыщение раствора, растворенное в нем вещество начинает выпадать в осадок. Если в сосуд с раствором (кристаллизатор) поместить маленькие кристаллики исходного вещества (затравки) или какие-нибудь посторонние нерастворимые частички, структура которых близка к структуре кристалликов, то при достаточно медленном снижении температуры мы можем добиться того, чтобы вещество осаждалось преимущественно на затравках.
Получение достаточно крупных (размером в несколько сантиметров и более) однородных искусственных монокристаллов требует сложной аппаратуры с точным автоматическим управлением температурой, перемещением растворов, регулированием химического состава среды и так далее. Маленькие кристаллики и их сростки (поликристаллы) можно легко получить и, не прибегая к сложным конструкциям и автоматике.
Если в кристаллизатор опустить какой-нибудь предмет, на котором находится большое число затравок, то, используя метод снижения температуры или испарения растворителя, можно обратить его кристалликами с четко выраженной огранкой. При этом нет никакой необходимости перемешивать раствор или точно регулировать скорость изменения температуры. Кристаллики и без этого вырастают достаточно красиво ограненными. Чтобы получить большое число затравок на заращиваемом предмете, нужно предварительно обмотать его обычными хлопчатобумажными нитками №10 (не обязательно плотно, виток к витку, можно и с интервалом 1-3 мм), окунуть в раствор, тут же вынуть и как следует просушить при комнатной температуре.
21
Так как нитки пропитываются раствором. То при высыхании на них образуются мельчайшие кристаллики. Которые и будут в дальнейшем служить затравками.
При желании кристаллами можно легко обратить любой нерастворимый предмет. Попробуйте, например, изготовить веточку. Для этого необходимо из медной или алюминиевой проволоки диаметром 1-2мм или из какого-нибудь синтетического материала изготовить ее каркас. Провод необходимо обмотать нитками. Для изготовления «заснеженной» елочки, можно также сделать ее каркас из проволоки, но гораздо лучше использовать купленную в магазине разборную, синтетическую. У синтетической елочки обматывать нитками нужно только ствол и ветки, а иглы не надо.
Количество раствора в кристаллизаторе и его начальную температуру выбирают с учётом размеров каркаса и массы вещества, которую нужно на нем осадить. На маленькую елочку достаточно осадить 100-200г вещества.
Масса осадка в данном растворе существенным образом зависит от растворимости выбранного вещества. Мы рекомендуем использовать алюмо-калиевые квасцы (скорее всего, они есть в стандартном школьном наборе химических реактивов в вашем химическом кабинете в школе; их можно также купить в аптеке). Их растворимость при 20°С около 6%, при 50°С – приблизительно 19%. Это означает, что в 1000г насыщенного раствора квасцов при температуре 20°С на 940г воды приходиться 60г квасцов, а при 50°С – на 810г воды 190г квасцов. Следовательно, при остывании 1000г насыщенного раствора от 50°С до 20°С в осадок выпадает 130г квасцов. Из сказанного ясно, что для заращивания елочки кристаллами квасцов вполне достаточно 1,5-2кг раствора. Не следует брать раствор с очень высокой температурой, так как в этом случае изделие после сушки будет покрыто мелкой кристаллической пылью, что существенно ухудшит его внешний вид. В качестве кристаллизатора можно взять любой стеклянный сосуд с прозрачными стенками.
22
Горячий раствор отфильтровывается через ватку. Чтобы синтетическая елочка не всплыла, в ее круглое основание с помощью пластилина надо вмонтировать металлический грузик, например, железную гайку или кусочек свинца. К вершине привязывается нитка, за которую изделие вынимается из кристаллизатора. Уровень раствора в кристаллизаторе должен быть по крайне мере на несколько миллиметров выше каркаса. Сверху кристаллизатор закройте крышкой из картона или полиэтиленовой пленкой. Выпадение осадка протекает сравнительно медленно, поэтому каркас необходимо держать в растворе 10-30 часов.
23
6. ПРИМЕНЕНИЕ КРИСТАЛЛОВ
Кристаллы встречаются нам по всюду: мы ходим по кристаллам, строим из них, выращиваем их в лабораториях и в заводских установках, создаём приборы и изделия из кристаллов, широко применяем их в технике и науке, едим кристаллы (вспомните поваренную соль), лечимся ими, находим кристаллы в живых организмах, выходим на просторы космических дорог, используя приборы из кристаллов.
Например, поскольку рубин очень твердый и гладкий, из него делают опоры для маятников в механических часах. Если вы посмотрите на часы, на многих написано «17 камней» или «11 камней». Вот эти – то «камни» и есть рубиновые кристаллы, из которых делают опоры для осей.
В космических лабораториях на советской станции «Салют- 4», на американской «Скайлеб» во время совместного полёта «Союз-Апполон» ставились опыты по выращиванию кристаллов в условиях невесомости, недостижимой на Земле чистоты и глубокого вакуума. В космосе были выращены полупроводниковые монокристаллы селенида германия и теллурида германия, в 10 раз большие, чем удалось вырастить в земных условиях, и значительнее более однородные. В невесомости получены монокристаллы в форме сплошных и полых сфер, пригодные, например, для шарикоподшипников, нитевидные кристаллы сапфира, отличающиеся большой прочностью, выдерживающие давления, в десятки раз превышающие «земные».
Природные кристаллы не всегда достаточно крупны, часто они не однородны, в них имеются нежелательные примеси. При искусственном выращивании можно получить кристаллы крупнее, однороднее и чище, чем встречаются в природе.
Некоторые жидкие кристаллы меняются при изменении температуры. Это свойство используют в медицине для определения участков тела с повышенной температурой и в технике для контроля качества микросхем.
24
В настоящее время интенсивно исследуются учеными, а инженеры находят все более широкие и интересные возможности их применения в самых разнообразных устройствах.
Области применения выращенных мною кристаллов.
Полученные мною кристаллы оказались достаточно привлекательными и я задумался об области их применения. Некоторые идеи пришли мне в голову, некоторые подсказали сокурсники, некоторые родственники, которые тоже оказались втянутыми в мои исследования. Благодаря опросам, проведенным мною, я пришел к выводу, что кристаллы можно использовать:
- в оформлении столов, поместив свечу внутри кристалла;
- при украшении рамок фотографий, картин;
25
ВЫВОДЫ
В ходе работы нами были изучены литературные и электронные источники по данной теме, на основании которых были сделаны выводы по поводу строения и механических свойств кристаллов. Исследованы методы выращивания кристаллов и выбран наиболее приемлемый для выращивания кристалла поваренной соли и медного купороса в домашних условиях. Нами были рассмотрены изделия из кристаллов и вскрыта тема изготовления драгоценностей.
Выращивая кристаллы разных веществ и, наблюдая за их ростом, мы сделали следущие выводы:
1. В результате роста из раствора каждое вещество образует кристаллы совершенно определенной формы: поваренная соль кристаллизуется в форме куба; сахар, медный купорос – в форме призм.
2. При внимательном рассмотрении формы кристаллов можно наблюдать дефекты их структуры (трещины, изломы, нарушение правильности формы и т. д.). Ведь реальные условия выращивания не всегда соответствуют благоприятным условиям роста правильной формы кристалла.
3. На рост кристалла влияет степень переохлаждения раствора. В сильно переохлажденных жидкостях кристаллы медного купороса растут в виде вытянутых призм, а кристаллы поваренной соли в виде совокупности длинных игл.
4. Если затравку привязать на каркас из проволоки различной формы (например, в виде цифры “5”, звезды, шишки и т. д.), то можно получить красивые объемные фигуры.
5. При определении роста кристаллов поваренной соли и медного купороса, оказалось, что скорость роста кристалла со временем уменьшается, уменьшается со временем и величина прироста грани кристалла.
26
Вероятно, это связано с тем, что со временем уменьшается содержание в растворе ионов вещества, благодаря которым кристалл растет, наращивая на себе слои один за другим.
6. Расчеты показали, что скорость роста кристаллов поваренной соли меньше скорости роста кристаллов медного купороса. Различие скоростей роста грани кристаллов этих веществ, объясняется разной величиной сил связи, части, образующих кристалл и тем, что молекулы
этих веществ разные по форме. Чем меньше скорость роста, тем лучше по форме получаются кристаллы. Это справедливо для всех методов выращивания.
7. По этой же причине в процессе роста кристалла поваренной соли уменьшается количество укладываемых атомных слоев. По расчетам в среднем за 1 секунду образуется 2,43 слоя. А за все время наблюдения примерно 71646 атомных слоев.
Мною (Мадияров Раис) были рассмотрены изделия из кристаллов и вскрыта тема изготовления драгоценностей.
В процессе исследования я получил кристаллы медного купороса, хотя это мне удалось не с первого раза (я ошибся с концентрацией раствора) и не получилось вырастить кристалл на нити. Но на дне банки кристаллы выросли замечательные. Я с уверенностью могу сказать, что выращивание кристаллов – это искусство.
В процессе работы были найдены и определены области применения выращенных мною кристаллов, а так же изготовлены некоторые изделия:
- украшена фоторамка;
-оформлена картина;
- изготовлена подставка для свечи.
27
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Кристалл обычно служит символом неживой природы. Однако грань между живым и неживым установить очень трудно, и понятие “кристалл” и “жизнь” не являются взаимоисключающими. Кристаллы возникают как продукты жизнедеятельности организмов. В морской воде растворены различные соли. Многие морские животные строят раковины и скелеты из кристаллов углекислого кальция – арагонита. Простейшие живые организмы – вирусы – могут соединяться в кристаллы. 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.
При всех химических процессах, протекающих в живом организме, этот организм остается самим собой в течении десятков лет! Более того,
Потомки каждого живого организма являются удивительной близкой его копией! Следовательно, в клетках любого живого организма или растения имеется что-то постоянное, неизменное, способное управлять химическими процессами, протекающих в них. Такими носителями “программы” процессов, протекающих в живой клетке, оказались молекулы ДНК. Согласно современным данным, молекула ДНК 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.
28
ЛИТЕРАТУРА
1. Джон Фарндон, «Драгоценные и поделочные камни, полезные ископаемые и минералы – энциклопедия коллекционера», Эксмо, 2008
2. Ольгин О., «Опыты без взрывов»
3. Г.М. Кузьмичева, «Геометрическая макрокристаллография», М: МИТХТ, 2002
4. «Общая Химия», МГУ, 1989
5. Н.Ашкрофт, Н.Мермин, «Физика твердого тела»,Мир, 1979
6. http://www.waynesthisandthat.com/crystals.htm#fast - fast - Очень интересный сайт на английском; Здесь можно найти не только информацию о выращивании кристаллов (с фотографиями), но и узнать о том, как выращивать розы, делать бумажных змеев, печь пончики, собрать настоящий телескоп - и это еще далеко не все.
7. http://alhimik.ru/ - Русский сайт по химии, полезный для всех, кто интересуется химией.
8. http://www.cco.caltech.edu/~atomic/snowcrystals/project/project.htm - Сайт на английском, показывающий, как с помощью пластиковой бутылки, нитки, трех бумажных стаканчиков и небольшого количества сухого льда вырастить снежинки.
9. http://www.xumuk.ru/ - Русский сайт-энциклопедия о химии и всем, с ней связанном.
Самый главный и трудный вопрос
Распускающиеся бумажные цветы на воде
Старинная английская баллада “Greensleeves” («Зеленые рукава»)
Сказки пластилинового ослика
Рисуют дети водопад