Выращивание монокристаллов

Исследовательская работа

«Выращивание монокристаллов»

Автор:

Рычков Денис ученик 5 А класса

МКОУ «Средняя общеобразовательная школа №35»

Руководитель:

учитель биологии и химии

МКОУ «Средняя общеобразовательная школа №35»

высшей категории

Валегжанина Анастасия Львовна

2013 год.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.

I. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О КРИСТАЛЛАХ И ИХ СТРОЕНИИ

1.1 Сведения о кристаллах.

1.2 Кристаллическая решётка.

1.3 Монокристаллы и поликристаллы.

II. ПРОЦЕСС ВЫРАЩИВАНИЯ КРИСТАЛЛОВ.

2.1 Выращивание кристалла медного купороса.

2.2 Выращивание кристалла поваренной соли.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Большинство веществ, окружающих нас, находятся в твердом состоянии. Вокруг огромное количество предметов из твердых тел. Оказывается, что все твердые металлы и почти все камни — кристаллы. Из кристаллов состоят глина, каучук, сажа, кости и волосы человека, иглы дикобраза, клыки мамонта,  волокна шерсти, шелка, целлюлозы и многие другие предметы. Наши дома и города построены из камня и металла, т.е. в основном из кристаллов. Кроме того, мы ходим по кристаллам (песок, гранит, камень), добываем кристаллы из земли (соль, каменный уголь, сланцы, мрамор и др.), создаем изделия из кристаллических материалов (драгоценные камни, станки, посуда из глины, посылаем в космос кристаллические приборы, едим кристаллы (соль, сахар) лечимся кристаллами (вода) и даже сами частично состоим из кристаллов. Вот такую интересную информацию я нашел в энциклопедиях и справочниках!  Следовательно, знать свойства твердых тел жизненно необходимо.

Твёрдые тела  сохраняют не только свой объем, но и форму, так как они находятся преимущественно в кристаллическом состоянии.

Кристаллические тела могут иметь структуру монокристалла и поликристалла. Одиночные кристаллы называют монокристаллами. Твёрдое тело, состоящее из большого числа маленьких кристалликов, называют поликристаллом.

В природе встречаются довольно большие монокристаллы минералов, а иногда и металлов. В лабораториях искусственно можно получить монокристаллы многих веществ. Выращивание проводят различными  методами, которые обеспечивают получение индивидуальных кристаллов заданного размера и формы.

Способы выращивания кристаллов можно отобразить схемой:

Но, соблюдая меры предосторожности, можно вырастить некоторые монокристаллы и в домашних условиях. 

Я заинтересовался, как растут монокристаллы, какими могут получиться монокристаллы, выращенные из перенасыщенных растворов в домашних условиях и какое применение можно найти монокристаллам в повседневной жизни. Поэтому я решили провести экспериментальное исследование по выращиванию монокристаллов из перенасыщенных растворов поваренной соли и медного купороса.

Цель работы:

• Вырастить монокристаллы поваренной соли и медного купороса из перенасыщенных растворов;
• Изучить условия роста монокристаллов и формы полученных кристаллов;
• Описать опыты.

Для достижения поставленной цели необходимо выполнить следующие задачи:

1. Понять, что такое кристалл.

2. Изучить кристаллическое строение твёрдых тел.

3. Познакомиться с методами выращивания кристаллов.

4. Освоить методики выращивания кристаллов из растворов солей.

5. Провести наблюдения за процессом кристаллизации.

6. Исследовать факторы, влияющие на размер и форму кристаллов.

Таким образом, я предполагаю ознакомиться со  строением твёрдых тел, находящихся в кристаллическом состоянии, а также попытаюсь вырастить  монокристаллы поваренной соли и медного купороса из перенасыщенных растворов.

I. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О КРИСТАЛЛАХ И ИХ СТРОЕНИИ.

I.1. Сведения о кристаллах.

Слово «кристалл» произошло от греческого слова «кристаллос» и  переводится как «лёд». В энциклопедии под кристаллом понимается однородное тело, которое ограничено плоскими поверхностями. Кристалл — это твердое состояние вещества. Он имеет определенную форму и определенное количество граней (от четырех до нескольких сотен),  все  грани пересекаются друг с другом под определенными углами, углы между  гранями всегда одинаковы! В кристалле химические частицы (атомы, молекулы, ионы) расположены в определенном порядке, образуя в пространстве кристаллическую решетку. Кристаллы каменной соли, например, могут иметь форму куба, параллелепипеда, призмы, но всегда их грани пересекаются под прямыми углами.

Первоначально главную особенность кристалла видели в его прозрачности, и это слово употребляли в применении ко всем прозрачным природным твердым телам. Позднее научились изготавливать стекло, не уступавшее в прозрачности природным веществам. Предметы из такого стекла тоже называли «кристальными».

Было установлено, что некоторые непрозрачные минералы также имеют естественную правильную огранку, и  форма огранки характерна для того или иного минерала. В конце концов, кристаллами стали называть все твердые вещества, имеющие природную плоскую огранку. 

I.2. Кристаллическая решётка.

По размерам кристаллы бывают различными. Многие из них можно увидеть только в микроскоп. Но встречаются гигантские кристаллы массой в несколько тонн.

Для наглядного представления внутренней структуры кристалла используют его изображение с помощью кристаллической решётки. На рисунке № 1 показано как выглядит кристаллическая решетка поваренной соли.        

                Рисунок № 1.

Желтый кружок- это натрий, зеленый кружок – это хлор.  Получается, что кристаллическая решетка-это правильное расположение атомов, молекул в кристалле. Следовательно, внутри кристалла нельзя выделить молекулу. Весь кристалл представляет как бы одну огромную молекулу.

Таким образом, химические вещества отличаются между собой различием их кристаллических решёток.

I.3. Монокристаллы и поликристаллы.

Кристаллические тела могут быть монокристаллическими и поликристаллическими.

Монокристалл — твёрдое тело, частицы которого образуют единую кристаллическую решётку. Определённый порядок в расположении частиц имеется во всем монокристалле. Поэтому его внешняя форма является правильной. К монокристаллам относятся, например, кварц, алмаз, крупинки соли, сахара, соды.

Однако в природе чаще встречаются кристаллические тела, в которых множество маленьких кристалликов срослись между собой – это поликристаллы.

        Поликристалл — твёрдое тело, состоящее из беспорядочно ориентированных монокристаллов. Примерами поликристаллов являются металлические изделия, (вилки, ложки, колпаки автомобильных колёс и другие).

Итак, большинство кристаллических тел — поликристаллы, так как они состоят из множества сросшихся кристаллов. Одиночные кристаллы — монокристаллы имеют правильную геометрическую форму.

II. Процесс выращивания кристаллов.

Выращивание кристаллов - процесс очень интересный, но бывает достаточно длительным. 

Для того, чтобы кристаллы получились как можно более красивыми и имели геометрическую форму необходимо приготовить чистый раствор.

Для этого требуется:

• Использовать кипячёную (лучше дистиллированную) воду для  раствора.
• Готовить раствор в чистой посуде.
• Обязательно необходимо профильтровать раствор после его приготовления.
• Во избежание попадания пыли накрыть ёмкость с раствором.

Итак, процесс выращивания монокристалла медного купороса в домашних условиях состоит из следующих этапов:

Этап 1. Готовим насыщенный раствор.

Раствор готовят из тёплой, но не горячей воды. Стеклянная банка наполовину заполняется водой и порциями добавляется  порошок медного купороса. После каждой новой порции  раствор тщательно перемешивается. После того, как вещество перестаёт растворяться, добавляют последние 10гр вещества и перемешивают. Если виден осадок в банке, значит, раствор стал насыщен.

        Этап 2. Фильтрация раствора.

Готовый раствор процеживаем через фильтр (который можно  сделать из обычной промокашки, или ваты) во вторую банку и охлаждаем.  В этой банке и будет происходить рост кристалла.

Этап 3. Выбор кристалликов для затравки.

Через несколько дней на банки появляются первые кристаллики. Обычно они все имеют разную форму. Именно из них и отбираются те, которые  больше нравятся и которые имеют более правильную форму. Эти кристаллики будут использованы в качестве затравки.

Этап 4. Выращивание крупных одиночных кристаллов.

Чтобы вырастить монокристалл медного купороса, нужно привязать к нити затравочный кристаллик и опустить его в новый охлажденный раствор, так,  что бы он не касался стенок и дна сосуда. Монокристалл медного купороса должен получиться правильной плоскоромбической формы.

Для эксперимента было подготовлено две банки с раствором.

Первую решено поставить в тёплое место.  В

качестве затравки я взял ровный, выращенный

ранее, кристаллик, привязав его к хлопчатобумажной нитке.

Вторую банку решено поставить в холодильник. В

качестве затравки в этом  случае также взят сформированный ровный кристаллик медного

купороса большего размера. Нить использовалась синтетическая.

     Этап 5. Наблюдение за ростом и формой кристалла.

Через неделю можно заметить, что кристаллы в банках подрастают. Чем дольше они остаются в растворе, тем крупнее становятся. В банке на подоконнике (в теплом месте) раствор испарялся быстро. По мере необходимости в нее добавлялся новый насыщенный раствор. В процессе испарения на внутренних стенках самой банки  начали расти красивые блестящие голубые кристаллы.

На нити образовалось очень много мелких кристаллов. По причине того, что нить была хлопковой,  раствор медного купороса  впитывался в неё хорошо. При комнатных условиях с нити шло активное испарение раствора. Это способствовало росту мелких кристаллов над большим монокристаллом. Они выглядели как гроздь винограда.

Раствор в холодильнике испарялся значительно меньше, и по самой банке кристаллы не росли! На нити появились едва заметные маленькие кристаллики. В этой банке затравка приобретала правильную форму с гладкими  и блестящими гранями.

Итог наблюдений: Через 14 дней кристаллы в разных банках имели почти одинаковую форму ромба и размер.

Однако, у монокристалла, выращенного в теплом месте, грани сформировались гладкими, не  очень ровными, слоистыми. Кроме того, над самим кристаллом по хлопчатобумажной нити вырос поликристалл.

Монокристалл, выращенный в условиях низкой температуры (в холодильнике), имел четкие и  ровные грани. Его размер был чуть больше первого. На синтетической нити не образовалось поликристалла.

Выводы.

На основании проведенного опыта по выращиванию монокристаллов медного купороса можно сделать следующие выводы:

• кристаллы растут из насыщенных растворов, когда испаряется вода;
• при благоприятных условиях некоторые твердые тела принимают форму кристаллов;
• кристаллы могут расти за счет добавления новых слоев, если есть нужное вещество.

На рост и форму кристаллов влияют следующие факторы:

• температура окружающей среды;
•  форма и размер самой затравки;
• материал, из которого изготовлена нить.

Главным фактором роста можно отметить температуру воздуха, при которой идет рост.  В ходе исследовательской работы наглядно видно, что ровные монокристаллы медного купороса хорошо растут при низкой температуре окружающей среды. Потому что, чем холоднее, тем быстрее идет процесс кристаллизации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе изучена методика по выращиванию монокристаллов из насыщенного раствора  соли медного купороса. Этот метод является достаточно понятным и доступным, не требующим больших материальных затрат. Но при работе по выращиванию монокристаллов необходимы  внимательность, аккуратность, большое терпение и соблюдение техники безопасности, так как порошок медного купороса токсичен.

Выращивание кристаллов — процесс интересный, занимательный, но требующий бережного и осторожного отношения к своей работе. Время от времени кристалл необходимо чистить: сливать раствор и удалять мелкие кристаллики, наросшие на основном, а также на соединяющих нитях, стенках и дне сосуда. Теоретически размер кристалла, который можно вырастить в домашних условиях таким способом, неограничен. Известны случаи, когда энтузиасты получали кристаллы более 15 см в длину.

Но есть некоторые особенности их хранения. Кристаллы на воздухе начинают тускнеть, могут уменьшаться в размерах и даже разрушаться. Кристаллы медного купороса более стойки к воздействию окружающей среды, но для надёжности  их покрывают бесцветным лаком.

Своими опытами я заинтересовал всех в своей семье. Многие мои  друзья тоже стали выращивать кристаллы.

Данная исследовательская работа оказалась очень интересной и познавательной. Удалось вырастить достаточно крупные и красивые монокристаллы медного купороса. Таким образом, основная цель работы достигнута.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Аликберова Л.Ю. Савинкина Е.В. Основы строения вещества. Методическое пособие. М.: МХИХТ, 2004.
2. Аликберова Л.Ю. Занимательная химия: Книга для учащихся, учителей и родителей. М.: АСТ-ПРЕСС, 1999.
3. Брокгауз Ф., Ефрон И.. Энциклопедический словарь, М.: Эксмо, 2005.
4. Большая детская энциклопедия: Химия / сост. Люцис. К., М.: Русское энциклопедическое товарищество, 2000.
5.  Кошель П. Большая школьная энциклопедия. Точные науки. 2-е изд. М.: ОЛМА-ПРЕСС, 2005.
6. Роганин А.Н., Немченко К.Э. Современный справочник школьника. М.:Эксмо, 2011.
7. Е.В. Черныш., Белова Л.С. Пер. с немецкого. Большая энциклопедия знаний. М.: Эксмо, 2012.
8. http://www.crystalgrowing.com
9. http://www.crestals.ucoz.ru
10. http://www.kгistalikov.net
11. http://www.zircon81.narod.ru/Metodica.html