Исследовательский проект «Выращивание кристаллов в домашних условиях»

Филиал МБОУ  «Шалинская СОШ №90»-«Саргинская СОШ»

Исследовательский проект

«Выращивание кристаллов в домашних условиях»

Исполнитель: Мещерякова Виктория

ученица 8 класса

Руководитель:   Орлова О.Н.

учитель физики

п.Сарга

2022 г.

Содержание

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

Основная часть.

1. Теория кристаллов.

1.1 Что такое кристалл ?……………..………………………………………………...5

1.2 Происхождение слова «кристалл» ………………………………………………..5

1.3 Структура кристалла……………………………………………………………….6

1.4 Применение кристаллов……………………….…………………………..............7

2. Образование кристаллов

2.1 Образование кристаллов в природе……………………………………………….9

2.2 Выращивание кристаллов в промышленности……………………………….…10

3. Выращивание кристаллов в домашних условиях………………………………...12

Заключение…………………………………………………………………………….14

Использованные источники и  литература……………………..………………...…15

Приложение 1………………………………………………………………………...16

Приложение 2………………………………………………………………………...17

Приложение 3………………………………………………………………………...18

Приложение 4………………………………………………………………………...19

Приложение 5………………………………………………………………………...20

Введение

Кристаллы окружают нас повсюду. Кто не рассматривал песчинки на речном берегу или не любовался снежинками? И морозные узоры на стеклах окон и иней, украшающий зимой голые ветки деревьев. 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, правильной, многогранной формой и называются кристаллами.

Твердые тела, из которых строят дома, делают станки, вещества, которые мы употребляем в быту- почти все они относятся к кристаллам.

Представление древних о кристаллах было похоже на легенды. Верили, что хрусталь образуется изо льда, а алмаз – из хрусталя. Кристаллы наделялись множеством таинственных свойств: исцелять от болезней, предохранять от яда, влиять на судьбу человека…

Многие кристаллы идеально чисты и прозрачны, как вода. Недаром существуют выражения: «прозрачный, как кристалл», «кристально чистый». Слово «кристалл» происходит от греческого «крюсталлос», то есть «лед». Полагали, что лед, находясь длительное время в горах, на сильном морозе, окаменевает и теряет способность таять.

Актуальность работы: работа интересная и познавательная. Кристаллы играли и играют до сих пор немаловажную роль в жизни человека. Они обладают оптическими и механическими свойствами, именно поэтому первые линзы, в том числе и для очков, изготавливались из них. Кристаллы до сих пор применяются для изготовления призм и линз оптических приборов. Кристаллы сыграли важную роль во многих технических новинках XX века.

Кроме того, кристаллы можно выращивать из раствора. Это удивительное свойство кристаллических тел!

Цель работы: провести исследование по выращиванию кристаллов поваренной соли  в домашних условиях.

Гипотеза исследования: я предположила, что кристаллы могут появляться при создании определенных условий; значит, если изменить условия кристаллизации и растворить различные вещества, то можно получить кристаллы разной формы и цвета в домашних условиях.

Объектом исследования являются кристаллы.

Предметом исследования–процесс кристаллизации.

Задачи исследования:

1. Проанализировать текстовый и иллюстративный материал по данной теме.
2. Изучить условия образования кристаллов, их формы, цвета.
3. Выполнить опытно-экспериментальную работу по изученным методикам.
4. Проанализировать полученные результаты.

Методы исследования:

• Накопление теоретического материала.
• Проведение опытно-экспериментальной деятельности с целью получения кристаллов из поваренной соли.
• Анализ полученных результатов исследования.

1 Теория кристаллов

1.1 Что такое кристалл?

Кристалл – это твердое состояние вещества. Он имеет определенную форму и определенное количество граней вследствие расположения своих атомов. Все кристаллы одного вещества имеют одинаковую форму, хоть и могут отличаться размерами.

В природе существуют сотни веществ, образующих кристаллы. Вода – одно из самых распространенных из них. Замерзающая вода превращается в кристаллы льда или снежинки.

Вы, конечно, обращали внимание на бесконечное разнообразие снежинок. Еще в 17 веке 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

Кристаллы – вещества, в которых мельчайшие частицы (атомы, ионы или молекулы) «упакованы» в определенном порядке. В результате при росте кристаллов на их поверхности самопроизвольно возникают плоские грани, а сами кристаллы принимают разнообразную геометрическую форму.

1.2 Происхождение слова «кристалл»

Слово «кристалл» 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 в 19 в. поэты нередко соединяли воедино эти образы:

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

А.С.Пушкин. К Овидию

1.3 Структура кристалла

Кристаллы – это твердые тела, атомы или молекулы которых занимают определенные, упорядоченные положения в пространстве. Поэтому кристаллы имеют плоские грани. Например, крупинка обычной поваренной соли имеет плоские грани, составляющие между собой прямые углы. Это можно заметить, рассматривая соль с помощью лупы. А как геометрически правильна форма снежинки! В ней также отражена геометрическая правильность внутреннего строения кристаллического тела – льда.

Не все кристаллы одинаковы. Существуют монокристаллы и поликристаллы. Твердое тело, состоящее из большого числа маленьких кристаллов, называют поликристаллическим. Одиночные кристаллы называются монокристаллами.

Соблюдая большие предосторожности, можно вырастить металлический кристалл больших размеров – монокристалл. В обычных условиях поликристаллическое тело образуется в результате того, что начавшийся рост многих кристаллов продолжается до тех пор, пока они не приходят в соприкосновение друг с другом, образуя единое тело.

К поликристаллам относятся не только металлы. Кусок сахара, например, тоже имеет поликристаллическую структуру. Большинство кристаллических тел – поликристаллы, так как состоят из множества сросшихся кристаллов. Одиночные кристаллы - монокристаллы, так как имеют правильную геометрическую форму, и их свойства различны по разным направлениям.

Кристаллы образуются при охлаждении расплавов или насыщенных растворов (с понижением температуры растворимость обычно уменьшается и при испарении растворителя). Иногда кристаллы образуются непосредственно при охлаждении паров (снег) или на холодных поверхностях (сублимация). Кристаллы растут с ограниченной скоростью, так как частицы вещества отлагаются, образуя грани.

1.4 Применение кристаллов
Из кристаллов делают   много нужных вещей и их область применения достаточно велика. Кристаллы сыграли важную роль во многих технических новинках 20 века.

1. В оптике их используют для изготовления линз, призм и других элементов оптических установок;
2. В часовой промышленности опорные инструменты изготавливают из искусственных кристаллов рубина или сапфира, также кристаллы рубина используются в лазерах. Первый лазер на рубине был создан в 1960 году. Оказалось, что кристалл рубина усиливает свет. Луч лазера обладает огромной мощностью, он может прожигать листы железа, сваривает провода. Применяется в глазной хирургии.
3. В акустике не обойтись без пьезокристаллов. Их применяют для воспроизведения, записи и  передачи звука. Также их используют для измерения слабых изменений температур, для измерения давления крови, давления соков в стеблях растений, давления при выстреле в стволе артиллерийского орудия и т.д.
4. Самый твердый из природных материалов – алмаз. Благодаря своей твердости он играет огромную роль в технике. Буровые инструменты, алмазные пилы, сверла, граверные инструменты и это ещё далеко не все области применения алмаза.
5. Большая область полупроводниковой электроники основана на полупроводниковых кристаллах (германий и кремний). Компьютеры, системы связи, транзисторы, микросхемы, солнечные батарее – это лишь небольшая область применения полупроводников.
6. Также существует много интересных методов применения кристаллов в области терапии, нужно приложить к больному месту камень или просто носить его как украшение.

Здесь приведены только примеры применения кристаллов в технике, но ведь и дома в которых мы живем, дороги по которым мы ходим, и транспорт на котором мы ездим, сделаны из кристаллов. Ну и, конечно, же, нельзя не упомянуть ещё об одной отрасли, где кристаллы нашли свое применение – это ювелирная промышленность. Зайдя в любой ювелирный салон можно найти огромный выбор украшений с камнями, перед которыми не могут устоять как женщины, так и мужчины.

А знаете ли вы, что существует много интересных методов применения кристаллов в области терапии. Нужно приложить к больному месту камень или просто носить его как украшение.

Так что можно смело утверждать: без кристаллов большая часть деятельности человека окажется невозможной. Можно еще долго и более подробно продолжать рассказ о применении кристаллов в нашей жизни. Но мы этого делать не будем, потому, что это может быть темой другой исследовательской работы. А мы же ещё должны рассмотреть вопрос выращивания кристаллов в промышленных условиях.

2 Образование кристаллов

2.1 Образование кристаллов в природе

Минеральные кристаллы образуются в ходе определенных породообразующих процессов. Огромные количества горячих и расплавленных горных пород глубоко под землей в действительности представляют из себя растворы минералов. Когда массы этих жидких или расплавленных горных пород выталкиваются к поверхности земли, они начинают остывать.

Они охлаждаются очень медленно. Минералы превращаются в кристаллы, когда переходят из состояния горячей жидкости в холодную твердую форму. Например, горный гранит содержит кристаллы таких минералов, как кварц, полевой шпат и слюда. Миллионы лет тому назад гранит был расплавленной массой минералов в жидком состоянии. В настоящее время в земной коре имеются массы расплавленных горных пород, которые медленно охлаждаются и образуют кристаллы различных видов.

Природа продолжает преподносить нам сюрпризы, создавая все новые чудеса. Совсем недавно, в 2000 году, в мексиканской пустыне Чихуахуа была открыта необычная пещера, где находятся самые большие природные кристаллы, которые когда-либо создавала природа (рис.1). Мегакристаллы селенита были сформированы гидротермальными жидкостями, исходящими от пещер, расположенных ниже.

Селенит – разновидность гипса, отличающаяся характерным параллельно-волокнистым строением. Свое название селенит получил за красивые желтовато-серебристые лунные переливы на его поверхности (в Древней Греции Селеной называли богиню Луны).

В горе Найса на глубине 300 метров, в рабочей шахте, где велась добыча цинка, серебра и свинца, шахтеры совершенно случайно обнаружили пустоты, в которых их взору открылись огромные кристаллы селенита. Эти невероятно красивые образования, созданные природой, образуют три полости, которые получили поэтические названия «Глаз Королевы», «Пещера Парусов» и «Стеклянная пещера».

Это самые большие из известных на сегодня природных кристаллов – полупрозрачные лучи неимоверной длины до 15 метров, диаметром 1,2 метра, весом не менее 55 тон каждый – волшебно-причудливым образом переплетены между собой и создают в пещере неимоверной красоты пейзаж. Но полюбоваться этой красотой непросто. Попасть в пещеру без специального обмундирования и оборудования невозможно без риска для жизни. Температура воздуха там составляет около 50 градусов Цельсия, а влажность – практически 100%! Даже в специальном костюме находиться в этих пещерах можно не очень долго – около часа.

Но не только это мешает спелеологам в путешествии по пещере гигантских кристаллов. Нагромождения кристаллов так причудливо сплетены, что порой между ними нельзя пройти человеку, но разрушать эту красоту у ученых и исследователей рука не поднимается.

Увидеть это природное чудо света все же возможно – здесь нам на помощь приходит фотография (Приложение А), но она, к сожалению, не может полностью передать «холодную» кристаллическую красоту подземных пустот, заполненных огромными кристаллами.

Исследователи уверены, что подобных пещер в мексиканской пустыне еще несколько, и они ждут своих первооткрывателей!

2.2 Выращивание кристаллов в промышленности

Начиная с XIX века появились технологии выращивания искусственных кристаллов. Некоторые из этих ювелирных камней настолько совершенны, что их крайне сложно отличить от натуральных. Синтетические кристаллы востребованы в промышленности и на рынке ювелирных изделий.

Первые успешные попытки синтеза драгоценных камней приходятся на конец XIX века. В 1877 году Эдмон Фреми и Шарль Фейль получили кристаллы рубина.

В 1902 году Огюст Вернейль смог синтезировать рубины методом плавления в пламени, положив начало промышленному синтезу ювелирных камней. Данный метод, с некоторыми изменениями, до сих пор остается одним из самых распространенных способов выращивания кристаллов ювелирного качества.

 Схема аппарата Вернейляи монокристалл корунда, полученный этим методом.

Порошковая шихта, состоящая из оксида алюминия с добавлением 2% оксида хрома, помещается в печь. Под ударами молотка шихта попадает вниз, контактирует с кислородом и водородом, достигая в пламени температуры 2000оС. Капли расплавленного материала падают на стержень, на котором образуется шарик кристалла, медленно приобретающий грушевидную форму.

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 – их название происходит от сокращения ФИАН – Физический институт Академии наук, где они впервые были получены. Фианиты – искусственные кристаллы, которые внешне очень похожи на бриллианты.

Исследователи из США сумели вырастить огромные кристаллы пирофосфата калия. Самый крупный из кристаллов весит 318 килограмм. Он рос в большом баке, где при температуре 65 градусов Цельсия испарялся раствор пирофосфата калия. Молекулы отлагались на затравке размером меньше наперстка, и через 52 дня вырос прозрачный гигант почти без дефектов.

Кристаллы будут использоваться для сооружения сверхмощных лазеров.

3. Выращивание кристаллов в домашних условиях

Выращивание кристаллов поваренной соли.

Процесс выращивания не требует наличия каких-то особых химических препаратов. У нас всех есть пищевая соль (или поваренная соль), которую мы принимаем в пищу. Её также можно назвать и каменной. Кристаллы поваренной соли NaCl представляют собой бесцветные прозрачные кубики. В идеале должны получиться прямоугольные кристаллы (это связано с тем, что NaCl имеет кубическую кристаллическую решетку).

Чтобы вырастить кристалл необходимо подготовить:

- соль;

- воду;

- кастрюлю;

- нитки;

- ложку, чтобы размешивать раствор;

- ёмкость, где будет находиться раствор.

Разведем раствор поваренной соли следующим образом: нальем воду (не более 50 °С – 60 °С). Насыпаем пищевую соль в стакан и оставляем на 5 минут, предварительно помешав. За это время соль растворится. Желательно, чтобы температура воды пока не снижалась. Затем добавим ещё соль и снова перемешаем. Повторяем этот этап до тех пор, пока соль уже не будет растворяться, и будет оседать на дно стакана. Мы получили насыщенный раствор соли. Переливаем его в чистую ёмкость такого же объёма, избавившись при этом от излишек соли на дне. Выбираем любой понравившийся более крупный кристаллик поваренной соли и помещаем его на дно стакана с насыщенным раствором. Можно кристаллик привязать за нитку и подвесить, чтобы он не касался стенок стакана. Переносим ёмкость с насыщенным раствором и кристалликом в место, где нет сквозняков, вибрации и сильного света (выращивание кристаллов требует соблюдение этих условий).Накрываем чем-нибудь сверху ёмкость с кристалликом от попадания пыли и мусора.

Уже через пару дней можно заметить значительный для кристаллика рост. С каждым днём он будет увеличиваться. А если проделать всё ещё раз (приготовить насыщенный раствор соли и опустить в него этот кристаллик), то он будет расти гораздо быстрее.( Приложение 1).

Вывод: у веществ разного химического состава кристаллы имеют разную форму и отличаются по таким свойствам, как симметрия, выращивание, к тому же углы, образованные соответственными гранями, в кристаллах разных веществ будут неравными. Но есть и сходства, например, оба кристалла имеют кристаллическую решётку.

Выращивать соль - одно удовольствие! Вам стоит попробовать!

 Заключение

При выполнении этой работы я выяснила, что мир кристаллов красив и разнообразен. Каждый его «представитель» уникален по своим свойствам, размерам и особенностям строения. Кроме того, что кристаллы красивы, они играют важную роль в жизни человека.

В ходе работы я исследовала очень интересное свойство кристаллов – их рост в искусственной среде. Оказывается, кристаллы можно вырастить дома, без каких- либо усилий. Для быстрого выращивания нужны оптимальные условия. Например, чтобы вырастить кристалл поваренной соли (за короткий срок), нужно поставить стакан с раствором в тёплое место, но раствор приготовить оптимальной концентрации – 50 мл воды и 30-50 г соли. Если кристаллизация происходит медленно, то вырастет монокристалл, а если быстро – поликристалл.

При изучении кристаллов я убедилась: свойства их настолько разнообразны, что я смогла исследовать лишь некоторые из них.

Полученные результаты подтвердили мою гипотезу:

• при благоприятных условиях поваренная соль принимают форму кристаллов;
• кристаллы различных веществ имеют разную форму;
• кристаллы различных веществ имеют различные свойства (одни кристаллы окрашиваются, другие – бесцветны; одни кристаллы растут хорошо, другие – плохо).
• быстрее и легче кристалл растёт тогда, когда в насыщенный раствор помещается кристалл- «затравка».

Список литературы

1. Большая советская энциклопедия. В 50-ти томах. Т.23. 2-е изд./Ред. Б.А.Введенский. – М.: Изд-во «Большая советская энциклопедия», 1953.
2. Википедия [Электронный ресурс]. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/
3. Грааль И. Легенды и предания о силе кристаллов и камней//Сайт «Ярмарка мастеров»  [Электронный ресурс]. URL:

http://www.livemaster.ru/topic/128263-legendy-i-predaniya-o-sile-kristallov-i-kamnej

4. Детская энциклопедия . В12-ти томах. Т.3. Вещество и энергия. 3-е изд./Ред. Петрянов И.В.- М.: Педагогика, 1973.
5. Кристаллы//Сайт «Энциклопедия Кругосвет» [Электронный ресурс]. URL: http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/himiya/KRISTALLI.html
6. Что такое. Кто такой: детская энциклопедия/сост. М.С.Ханова. – М.: Астрель, АСТ, 2008.
7. Шаскольская М.П.. Кристаллы. - М.: Наука, 1978 г.
8.  http://www.geologiazemli.ru/articles/112 - Геология Земли .
9. http://www.kristallov.net/mineraly.html - Кристаллов.NET.
10.  http://mirkristallov.com/- Мир кристаллов.