Исследовательская работа "Выращивание кристаллов в домашних условиях"

ВСЕРОССИЙСКАЯ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ

КОНФЕРЕНЦИЯ МОЛОДЫХ ИССЛЕДОВАТЕЛЕЙ

«ШАГ В БУДУЩЕЕ»

ВЫРАЩИВАНИЕ КРИСТАЛЛОВ

В ДОМАШНИХ УСЛОВИЯХ

                      Автор:        Галеев Данила Айратович

Россия, пгт. Пойковский

Нефтеюганского района

Тюменской области

МОБУ «Средняя общеобразовательная

школа № 1» 4 класс

              Учитель-куратор:         Голендухина Алёна Владимировна

учитель начальных классов

МОБУ «Средняя общеобразовательная

школа № 1» пгт. Пойковский

Нефтеюганского района

Тюменской области

пгт. Пойковский

2011-2012 учебный год

СОДЕРЖАНИЕ

Введение …………………………………………………………………………………...3

1. Что такое кристаллы? …………………………………………………………………4
2. Свойства кристаллов ……………………...…………………………………………..5
3. Методы выращивания кристаллов в природе и промышленности ………………6-7
4. Применение кристаллов……………………………………………………………….8
5. Анализ опытно-экспериментальной работы ………………………………..…….9-12

Заключение ……………………………………………………………………………….12

Библиографический список ……………………………………………………………...13

Приложение ………………………………………………………………………………14-24

Введение.

        Актуальность исследования.

XXI век называют веком компьютерных технологий. Сегодня мы не представляем жизнь современного человека без сотовых телефонов, персональных компьютеров и другой техники. Меня заинтересовал тот факт, что во всех этих устройствах присутствуют кристаллы. Но кристаллы, не созданные природой, а искусственно созданные человеком. Мне захотелось узнать, можно ли вырастить кристалл в домашних условиях.

Цель исследования: научиться выращивать кристаллы соли и других веществ в домашних условиях.

        Задачи  исследования:

- изучить литературу о кристаллах;

- узнать о значении кристаллов в жизни человека;

- подобрать доступное оборудование и сырье для выращивания кристаллов дома;

- вырастить кристаллы соли и других веществ;

- изучить условия образования кристаллов;

- проанализировать полученные результаты.

Предмет исследования: выращивание кристаллов.

        Объект исследования: кристаллы.

        Гипотеза исследования: если создать определенные условия, то можно вырастить кристаллы разной формы и размеров за короткий срок.

        Практическое значение исследования заключается в том, что с ним можно познакомить детей на классном часе, на уроках химии и окружающего мира. Выращенные в ходе эксперимента кристаллы позволят создать наглядное пособие «Кристаллы» и  декоративный настольный светильник.

Методы исследования:

- сравнительный анализ;

- наблюдение;

- сбор информации;

- работа с разными СМИ;

- практический эксперимент;

- анализ данных, полученных в ходе эксперимента.

1.  Что такое кристаллы?

        Кристаллы – вещества,  в которых мельчайшие частицы (атомы, ионы или молекулы) «упакованы» в определенном порядке. Поверхность кристаллов ограничена плоскостями, которые носят название граней. Места соединения граней называются рёбрами, точки пересечения – вершинами или углами.

В большинстве случаев кристаллические вещества не имеют ясно огранённой формы, хотя и обладают закономерным внутренним кристаллическим строением. Установлено, что кристаллы построены из материальных частиц - ионов, атомов или молекул, геометрически правильно расположенных в пространстве.

        В природе существуют сотни веществ, образующих кристаллы. Вода – одно из самых распространенных из них. Замерзающая вода превращается в кристаллы льда или снежинки. Еще в XVII в. знаменитый астроном Иоганн Кеплер написал трактат «О шестиугольных снежинках», а спустя три столетия были изданы альбомы, в которых представлены коллекции увеличенных фотографий тысяч снежинок, причем ни одна из них не повторяет другую.

Интересно происхождения слова «кристалл» (оно звучит почти одинаково во всех европейских языках). Много веков назад среди вечных снегов в Альпах, на территории современной Швейцарии, нашли очень красивые, совершенно бесцветные кристаллы, очень напоминающие чистый лед. Древние натуралисты так их и назвали – «кристаллос», по-гречески – лед. Это слово происходит от греческого «криос» – холод, мороз.

Полагали, что лед, находясь длительное время в горах, на сильном морозе, окаменевает и теряет способность таять. Один из самых авторитетных античных философов Аристотель писал, что «кристаллос рождается из воды, когда она полностью утрачивает теплоту». Римский поэт Клавдиан в 390 году то же самое описал стихами:

Ярой альпийской зимой лед превращается в камень.

Солнце не в силах затем камень такой растопить.

Аналогичный вывод сделали в древности в Китае и Японии – лед и горный хрусталь обозначали там одним и тем же словом. И даже еще в XIX в. А.С. Пушкин в стихотворении «У Овидию» написал:

Едва прозрачный лед, над озером тускнея,

Кристаллом покрывал недвижные струи.

Особое место среди кристаллов занимают драгоценные камни, которые с древнейших времен привлекают внимание человека. Люди научились получать искусственно очень многие драгоценные камни. Например, подшипники для часов и других точных приборов уже давно делают из искусственных рубинов. Получают искусственно и прекрасные кристаллы, которые в природе вообще не существуют, например, фианиты, внешне очень похожие на бриллианты.

        Всеми вопросами, касающимися формы кристаллов, занимается кристаллография. Она изучает структуру, возникновение и свойства кристаллов, их внешнюю и внутреннюю геометрию.  

Все известные в мире кристаллы могут быть разделены на 32 вида, которые в свою очередь могут быть сгруппированы в 6 видов. Кристаллы могут иметь и разные размеры. Некоторые минералы образуют кристаллы, которые разглядеть можно только с помощью микроскопа. Другие же образуют кристаллы, вес которых составляет несколько десятков килограмм. На форму кристаллов, прежде всего, влияют условия, в которых они растут. В целом мир кристаллов удивительно разнообразен и красив.

2. Свойства кристаллов

Кристаллические вещества обладают такими свойствами, как:

• анизотропность (т.е. неравносвойственность). Анизотропными называются такие вещества, которые имеют одинаковые свойства в параллельных направлениях и неодинаковые - в непараллельных. Различные физические свойства кристаллов, такие, как теплопроводность, твердость, упругость, распространение света и другие, изменяются с изменением направления.
• способность самоограняться. Этой специфической особенностью обладают только кристаллические вещества. При свободном росте кристаллы ограничиваются плоскими гранями и прямыми рёбрами, принимая многогранную форму.
• симметрия. Симметрией называется закономерная повторяемость в расположении предметов или их частей на плоскости или в пространстве. Все кристаллы являются телами симметричными.

3.  Методы выращивания кристаллов в природе и промышленности

         Природные кристаллы не всегда достаточно крупны, часто они неоднородны, в них имеются нежелательные примеси. Природные кристаллы зачастую имеют дефекты и природных запасов кристаллов недостаточно для обеспечения жизнедеятельности человека. Поэтому люди стали сами выращивать кристаллы, зачастую значительно улучшая их качества. Искусственные кристаллы пробовали выращивать еще в XVI веке, но научились этому делу только в середине XX столетия.

При искусственном выращивании можно получить кристаллы крупнее и чище, чем в природе. В лабораториях и на заводах совершенствуют методы создания искусственных кристаллов с нужными свойствами, благодаря которым выращивают кристаллы, как для техники, так и для изучения новых явлений и свойств самих кристаллов. А самое главное – искусственно выращивая кристаллы, создают вещества, каких вообще нет в природе.

В промышленности и исследовательских лабораториях кристаллы выращивают из паров, растворов, расплавов, из твердой фазы и другими способами, например, синтезируют путем химических реакций, при высоких давлениях, осуществляют электролитическую кристаллизацию, кристаллизацию из гелей и др.

Основными методами получения совершенных кристаллов большого диаметра являются методы выращивания из расплава, из растворов и из паровой (газовой) фазы.

Выращивание из расплава. В настоящее время более половины технически важных кристаллов выращивают из расплава. Этими методами выращивают элементарные полупроводники, металлы, оксиды и другие вещества. В ряде случаев из расплава выращиваются монокристаллы, в состав которых входит пять и более компонентов.

Примером выращивания кристаллов из расплава в природе является кристаллизация магмы. Магма – огненно-жидкий расплав, содержащий различные химические соединения, в том числе и газы. При медленном остывании магмы образуется множество центров кристаллизации, кристаллы растут, мешая друг другу, и в результате образуется кристаллическая зернистая порода.

Кристаллизация из растворов. Под кристаллизацией из растворов подразумевается рост кристалла соединения, химический состав которого заметно отличается от химического состава исходной жидкой фазы. Растворителями могут быть вода, многокомпонентные водные и неводные растворы, расплавы каких-либо химических соединений.

В природе и технике особенно широко распространено образование кристаллов при переходе вещества из жидкого состояния в твердое. Примерами образования кристаллов из растворов могут служить образование льда и выпадение различных солей.

Кристаллизацию из растворов можно осуществлять за счет изменения температуры

раствора, за счет изменения состава раствора, а также использовать кристаллизацию при химической реакции.

Кристаллизация из паровой (газовой) фазы широко используется для выращивания массивных кристаллов, пленок, тонких покрытий, нитевидных и пластинчатых кристаллов. В природе образование кристаллов серы, нашатыря, борной кислоты происходит при охлаждении газов в кратерах вулканов. Наиболее обычным примером является образование снега.

4.  Применение кристаллов

Кристаллы нашли своё применение в различных областях: строительстве и машиностроении, электротехнике, теле- и радиовещании, оптике и ювелирном деле, обрабатываем кристаллы на заводах, выращиваем их в лабораториях, широко применяем в науке, едим кристаллы, лечимся ими...

По мере совершенствования методов исследования кристалличными оказались вещества, до этого считавшиеся аморфными (не имеющие кристаллического строения). Сейчас мы знаем, что даже некоторые части организма кристалличны, например, роговица глаза, витамины, мелиновая оболочка нервов – это все кристаллы. Долгий путь поисков и открытий, от измерения внешней формы кристаллов вглубь, в тонкости их атомного строения еще не завершен. Но теперь исследователи довольно хорошо изучили его структуру и учатся управлять свойствами кристаллов.

6. Анализ опытно-экспериментальной работы

Мной  проведено 6 практических экспериментов: 2 из них по выращиванию кристаллов соли пищевой, 3 – кристаллов медного купороса и 1 - кристаллов сахара. Вся экспериментальная работа была разбита на следующие этапы:

1. Подготовка необходимого оборудования и сырья для экспериментов.
2. Приготовление растворов солей (все образцы растворов были отфильтрованы через салфетку в чистую емкость, чтобы соринки не помешали образованию кристаллов).
3. Наблюдение за ростом кристаллов в течение 14-20 дней.
4. Анализ полученных результатов.

Выращивание кристаллов соли поваренной пищевой.

Оборудование:  поваренная соль,  вода, стеклянная палочка, емкость, грузик (гайка / пуговица), нить, марля (салфетка).

Опыт № 1 

(см. приложение, фото № 1- 5)

1. В приготовленную емкость налил 300 мл воды комнатной температуры, растворил в ней 180 г. соли.
2. Опустил в раствор нить с привязанной на конце гайкой в качестве грузика. Грузик не должен касаться дна емкости.
3. Наблюдал за ростом кристалла  в течение 14 дней. За это время на стенках емкости и на нитке образовались друзы мелких кристаллов. Друзы увеличились, но роста отдельных кристаллов не произошло.
4. Вывод: в домашних условиях можно получить из раствора кристаллы поваренной пищевой соли в виде друзы мелких кристаллов и налета

Опыт № 2.

(см. приложение, фото № 6-7)

1. В приготовленную емкость налил 300 мл воды температуры около 95ºC, растворил в ней 180 г. соли.
2. Опустил в раствор нить с привязанной на конце пуговицей в качестве грузика.
3. Наблюдал за ростом кристалла  в течение 10 дней. В первые 6 часов наблюдался интенсивный рост кристаллов, который со временем замедлился.
4. Вывод: была проведена попытка приготовить перенасыщенный раствор соли путем нагревания жидкости на плите до момента закипания (но не кипения). Эффекта ускорения роста кристаллов я не получил. Отсюда можно сделать вывод о том, что при нагревании раствор поваренной соли пищевой не перенасыщается.

Выращивание кристаллов медного купороса

Оборудование: медный купорос, вода, стеклянная палочка, емкость,  грузик (гайка / пуговица), нить, марля (салфетка).

Опыт № 3

(см. приложение, фото № 8-12)

1. В приготовленную емкость налил 300 мл воды комнатной температуры, растворил в ней около 100 г. медного купороса.
2. Опустил в раствор нить с привязанной на конце гайкой в качестве грузика.
3. Осуществлял наблюдение 14 дней.  На стенках емкости образовался налет синего цвета. Из раствора выпал осадок бурого цвета. Роста крупных кристаллов не произошло, но образовались мелкие друзы кристаллов. Железная гайка покрылась тонким налетом, предположительно кристаллами меди.
4.  Вывод: раствор без нагрева не получился насыщенным, из-за чего крупных кристаллов не образовалось. Вероятно, металл гайки вошел во взаимодействие с раствором. Вследствие этого гайка покрылась желтым налетом и выпал осадок бурого цвета.

Опыт № 4

(см. приложение, фото № 13-16)

1. В приготовленную емкость налил 300 мл воды температуры около 95ºC, растворил в ней около 250  г. медного купороса.
2. Опустил в раствор нить с привязанной на конце пуговицей в качестве грузика.
3. Наблюдал за ростом кристалла 14 дней. В первый час наблюдался интенсивный рост друзы кристаллов, который замедлился по мере остывания раствора. В дальнейшие дни происходило укрупнение отдельных кристаллов в друзе и образование новых кристаллов.
4.  Вывод: путем нагревания раствора удалось растворить большее количество медного купороса, тем самым получить перенасыщенный раствор. Из данного раствора в короткий срок (около 1 часа) удалось получить друзу красивых кристаллов среднего размера.

Опыт № 5

(см. приложение, фото № 17-20)

1. В приготовленную емкость налил 300 мл воды температуры около 95ºC, растворил в ней около 250  г. медного купороса.
2. Опустил в раствор нить с затравкой (небольшой кристалл медного купороса). Затравку подготовил заранее из горячего раствора медного купороса.
3. Наблюдал за ростом кристалла 14 дней. В первый час наблюдался интенсивный рост друзы крупных кристаллов, который замедлился по мере остывания раствора. В дальнейшие дни происходило укрупнение отдельных кристаллов в друзе и образование новых мелких кристаллов.
4.  Вывод: применение затравки позволило получить крупные кристаллы за счет роста мелких кристаллов из затравки.

Выращивание кристаллов сахара.

Опыт № 6

(см. приложение, фото № 21- 23)

Оборудование:  сахар-песок,  вода, стеклянная палочка, емкость, грузик (гайка), нить, марля (салфетка).

1. В приготовленную емкость налил 150 мл воды комнатной температуры, растворил в ней около 100 г. сахара.
2. Опустил в раствор нить с привязанной на конце гайкой в качестве грузика.
3.   Наблюдал за раствором в течение 20 дней. В первые 7 дней никаких изменений не происходило. По мере испарения воды из раствора (а значит и насыщения сахаром), начали образовываться мелкие кристаллы сахара. К концу наблюдения образовались кристаллы средней величины, а поверхность раствора покрылась коркой из кристаллов.
4.  Вывод: путем растворения сахара получить раствор необходимой насыщенности для образования кристаллов не получилось. Но по мере испарения воды из раствора, необходимая насыщенность была достигнута. После этого стали образовываться кристаллы.

Заключение.

Изучив литературу о кристаллах, я увидел, какую важную роль они играют в жизни человека. Подобрав необходимое оборудование и сырье из доступных материалов, мне удалось провести 6 экспериментов по выращиванию кристаллов соли, медного купороса и сахара в домашних условиях.  Таким образом, я делаю вывод о том, что цель исследования была мной достигнута.

Результаты проведенных практических экспериментов позволяют сделать следующие выводы:

• на скорость роста и количество кристаллов оказывает влияние температура раствора: изменяется форма и  число граней друзы кристаллов;
• кристаллы различных веществ имеют разную форму и размеры;
• кристаллы различных веществ имеют различные свойства: одни кристаллы окрашиваются, другие – бесцветны; одни кристаллы растут быстрее, другие – медленнее.
• кристаллы растут из растворов, когда испаряется вода, т.е. за счет перенасыщения раствора.

Следовательно, гипотеза исследования подтвердилась: если создать определенные условия, то можно вырастить кристаллы разной формы и размеров за короткий срок.

Материалы данной исследовательской работы можно использовать на классных часах, на уроках химии и окружающего мира. Выращенные в ходе эксперимента кристаллы позволили создать наглядное пособие «Кристаллы» и декоративный настольный светильник (см. приложение, фото № 24, 25). 

     Библиографический список.

1. Все обо всем: Популярная энциклопедия для детей. – Москва : Слово : АСТ, 1995. – 511 с.
2. Камни и минералы / Р.Ф. Саймз; пер. с англ. А. Щербакова. – Лондон, Нью-Йорк, Штутгард, Москва : Слово, 1999. – 64 с.
3. Кристаллы [Электронный ресурс] // Большая советская энциклопедия. – Электрон. дан. – Режим доступа: http://dic.academic.ru/dic.nsf/bse/164143/Кристаллы
4. Кристаллы [Электронный ресурс] // Энциклопедия Кругосвет : Универсальная научно-популярная онлайн-энциклопедия. – Электрон. дан. – Режим доступа: http://www. krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/himiya/KRISTALLI.html?page=0,0#part-1
5. Методы выращивания кристаллов [Электронный ресурс] // Мегаэнциклопедия Кирилла и Мефодия. Электрон. дан. – Режим доступа: http://www.megabook.ru /Article.asp?AID=651485