Творческий исследовательский проект «Кристаллы - природные многогранники» 2023г

Творческий исследовательский проект

«Кристаллы - природные многогранники»

                                                                                                   Автор: Балакирева София,

                                                                           ученица 6А класса

                                                                                              МАОУ «Средняя школа № 7»

                                                                   Руководитель:

                                                                                               Амин Наталья Александровна

                                                                                                МАОУ «Средняя школа № 7»

г. Когалым, 2023 г.

Содержание

Введение……………………………………………………………………………..………….

1. Теоретическая часть

1.1. История возникновения многогранников………………...........…….………………….

1.2. Виды  многогранников и кристаллов………….….…………………...…………………

1.3. Применение кристаллов и многогранников…………………………………………….

2. Практическая часть

2.1. Организация рабочего места ……………………………………………………………

2.2. Порядок и технология выращивания кристаллов………………………………………

2.3. Реактивы, посуда и инструменты …………………………………………….…………

2.4. Техника безопасности при выполнении работ…………………………………………...

Технологическая карта…………………………………………………………………………

Заключение…….…………………..…….………………………………………….…………..
Список источников информации……………….…………………………………………….

Введение.

Воздействие на облик земной поверхности таких природных факторов, как ветер, вода, солнечный свет, весьма стихийно и часто носит беспорядочный характер. Однако песчаные дюны, галька на морском берегу, кратер потухшего вулкана имеют правильную геометрическую форму. В земле иногда находят камни такой формы, как будто их кто-то тщательно выпиливал, шлифовал, полировал. Это - многогранники с плоскими гранями, с прямыми ребрами. Правильные и совершенные формы этих камней, совершенная гладкость их граней поражает нас. Трудно поверить, что такие идеальные многогранники образовались сами, без помощи человека. Камни, не сделанные руками человека, а самой природой, правильной, симметричной, многогранной формой называются кристаллами.

Удивителен и разнообразен мир кристаллов, являющихся природными многогранниками. Кристаллы в нашей жизни встречаются повсюду. Мы ходим по кристаллам, строим из кристаллов, обрабатываем кристаллы на заводах, выращиваем кристаллы в лабораториях и в заводских условиях, создаем приборы и изделия из кристаллов, широко применяем кристаллы в науке и технике, едим кристаллы, лечимся кристаллами, находим кристаллы в живых организмах, проникаем в тайны строения кристаллов, выходим на просторы космических дорог с помощью приборов из кристаллов и растим кристаллы в домашних условиях. Вот и я решила провести в домашних условиях практический опыт по выращиванию кристаллов.

Цель проекта: изучить правильные многогранники через выращивание и исследования искусственных кристаллов.

Задачи проекта:

• изучить историю возникновения кристаллов;
• разработать технологическую карту выращивания кристаллов;
• познакомиться с кристаллами и многогранниками, их применением в окружающем мире, получить представление о возможных видах кристаллов и многогранников, вырастить кристаллы;
• результат практической работы представить в классе.

Этапы проекта:

1. Информационный (поиск информации по теме проекта).
2. Технологический (закупка химических реактивов, подготовка посуды и материалов, практическая работа по выращиванию кристаллов, создание технологической карты).
3. Обобщение деятельности, выводы.
4. Представление результатов деятельности.

1.Теоретическая часть

1.1. История возникновения многогранников.

С кристаллами человечество познакомилось в глубокой древности. Связано это, в основном, с их часто реализующейся в природе способностью само ограняться, т. е. самопроизвольно принимать форму изумительных по совершенству многогранников.

Криста́ллы  (от греч. означают «лёд», в  дальнейшем «горный хрусталь; кристалл») - это твёрдые тела с очень строгим расположением составляющих их невидимых частиц. Поэтому они имеют правильную форму, ровные грани и всегда очень красивы.

     Наверное, трудно назвать области жизни и деятельности, где не применялись бы эти природные многогранники. С раннего детства каждый знает, что снежинки – это хрупкие и нежные «веточки» изо льда. Чуть позднее, повзрослев, мы понимаем, что снежинки – это кристаллики замерзшей воды, но чудо кружения снежинок в воздухе не дает принять до конца это не сказочное объяснение. А домашние кристаллы – соль и сахар? Сколько сложено про них сказок, пословиц! И представить дом без этих кристаллов очень сложно.  Современный человек, впервые столкнувшись с природными кристаллами, чаще всего не верит, что эти многогранники не являются делом рук искусного мастера. Форме кристаллов издавна придавалось магическое значение, о чём свидетельствуют некоторые археологические находки. В прикладном искусстве древности иногда в качестве образцов для подражания использовались кристаллические многогранники. Например, в Государственном Эрмитаже хранится нитка бус, форма которых с высокой точностью воспроизводит характерную форму кристаллов красивого полудрагоценного минерала граната. Бусины эти изготовлены из золота. Таким образом, кристаллы с давних пор оказывали заметное воздействие на основные сферы интересов человека: эмоциональную (религия, искусство), интеллектуальную (искусство).

1.2. Виды  многогранников и кристаллов.

Все кристаллические соединения можно разделить на моно- и поликристаллические. Монокристалл представляет собой монолит с единой ненарушенной кристаллической решеткой. Природные монокристаллы больших размеров встречаются очень редко. Большинство кристаллических тел являются поликристаллическими, то есть состоят из множества мелких кристалликов, иногда видных только при сильном увеличении.

Многогранники - это простейшие фигуры в пространстве, ограниченные плоскими многоугольниками, называемыми гранями. Стороны и вершины граней называют рёбрами и вершинами самого многогранника.

Правильный многогранник это фигура, обладающая следующими свойствами:

- он выпуклый;

- все его грани являются равными правильными многоугольниками;

- в каждой его вершине сходится одинаковое число граней;

- все его двугранные углы равны.

Доказано существование только пяти правильных многогранников.

Названия этих фигур запомнить очень легко. В переводе с греческого «эдра» означает грань, «тетра» - 4, «гекса» - 6, «окта» - 8, «икоса» - 20, «додека» - 12.

Иногда в природе можно встретить кристаллы, очень похожие на правильные многогранники. В кристаллическом многограннике можно найти разные сочетания элементов симметрии – у одних мало, у других много. По симметрии кристаллы делятся на три категории. К высшей категории относятся самые симметричные правильные кристаллы, к ним относятся куб, октаэдр, тетраэдр и др. Из кристаллов к высшей категории относятся: алмаз, квасцы, гранаты, германий, кремний, медь, алюминий, золото, серебро, серое олово, вольфрам. Кристаллы средней категории: призмы, пирамиды и другие, к которым относятся графит, рубин, кварц, цинк, магний, белое олово, турмалин, берилл, поваренная соль. У кристаллов низшей категории структура самая сложная: звездчатые многогранники. Это - гипс, слюда, медный купорос.

1.3. Применение кристаллов и многогранников

 Примерно 80% применяемых в технике алмазов идет на заточку инструментов и резцов «сверхтвердых сплавов». Алмазы служат опорными камнями (подшипниками) в хронометрах высшего класса для морских судов и в других особо точных навигационных приборах. На алмазных подшипниках не обнаруживается никаких следов износа даже после 25000000 оборотов.

Несколько уступая алмазу по твердости, соревнуется с ним по разнообразию технического применения - рубин. Новая область для широкого применения рубинов в научных исследованиях и в технике открылась с изобретением рубинового лазера - прибора, в котором рубиновый стержень служит мощным источником света, испускаемого в виде тонкого светового луча.

Исключительная роль выпала на долю кристаллов в современной электронике. Большинство полупроводниковых электронных приборов изготовлено из кристаллов германия или кремния.

Полупроводниковые кристаллы позволяют создавать сложные электронные полупроводниковые приборы, интегральные схемы. Новая область техники называют твердотельной электроникой.

Жидкие кристаллы имеют не менее широкую сферу применения. В повседневной жизни мы сталкиваемся с часами, термометрами на жидких кристаллах.

Например, всем известны часы с индикатором на жидких кристаллах, но не все еще знают, что те же жидкие кристаллы используются для производства наручных часов, в которые встроен калькулятор. Многогранники окружают нас повсюду:  детские кубики, мебель, архитектурные сооружения, живопись и т. п. Использование многогранников в архитектурных сооружениях можно наблюдать и в нашем городе. В первую очередь, это современные здания с яркими многогранниками, церкви, мечети.

2. Практическая часть.

Удивительно, но выращивать кристаллы можно не только в химических и промышленных лабораториях, но и в домашних условиях. В интернете можно найти много инструкций по поводу того, как выращивать кристаллы из различных химических веществ. Я решила вырастить кристаллы в домашних условиях из различных веществ, и посмотреть, чем они схожи и имеют ли различие, и на какие многогранники будут похожи.

2.1. Организация рабочего места.

Помещение для проведения эксперимента должно быть просторным и не должно находиться вблизи с пищевыми продуктами. Оно должно быть хорошо освещено и проветрено, находиться рядом с источником водоснабжения. Следует использовать прочный стол. После проведения эксперимента необходимо провести уборку помещения. Растворы переливать аккуратно.

2.2. Реактивы, посуда и инструменты.         

Для проведения экперимента мне  понадобилось: порошки солей (медной купорос, гексацианоферрат (III) калия, хромокалиевые квасцы), стеклянные или одноразовые стаканы, конические колбы (можно заменить одноразовыми стаканами), фильтровальная бумага, чайная ложка, ножницы, деревянная палочка или картонные полоски, нитка любого цвета, лист бумаги, мерный стакан, стеклянная воронка (при возможности).

2.3. Порядок и технология выращивания кристаллов.

Для начала мне необходимо приготовить затравку – стартовую для роста кристалла точку. В одноразовый или стеклянный стакан с помощью мерного наливаем 25 см3 кипятка. В кипяток добавляем по одной чайной ложке любого порошка, тщательно перемешивая. Добавляем порошок до тех пор, пока после очередной порции и тщательного перемешивания в течение 1-2 минут на дне стакана не начнет оставаться не растворившийся осадок.

Далее из фильтровальной бумаги необходимо сделать конус и вставить фильтр в стеклянную воронку, поместить в стакан и аккуратно по маленьким частям выливать содержимое стакана в фильтр. Накрыть стакан листом бумаги и оставить его минимум на 10 часов в темном месте, где нет сквозняков и резкой смены температуры. За это время на дне стакана должны образоваться несколько затравочных кристаллов. Если кристаллы так и не образовались, надо раствор оставить еще на  10 часов.

После отведенного времени аккуратно выливаем в раковину раствор так, чтобы на дне стакана остались кристаллы. Можно выложить их на тарелочку и выбрать самый большой кристалл. Кристалл необходимо привязать к нитке, а другой конец нитки привязать к деревянной палочке или полоске плотного картона, отрегулировав длину нитки так, чтобы она не касалась дна стакана. Снова надо приготовить насыщенный раствор необходимых солей, налить его в стакан и опустить в него кристалл на нитке так, чтобы он не касался дна и стенок стакана, и накрыть стакан листом бумаги.

Каждую неделю необходимо наблюдать, как растет кристалл, чем больше я буду выдерживать кристалл в растворе, тем большего размера он получится. Растим кристалл до нужного нам размера, вытаскиваем его из раствора, обрезаем нитку, высушиваем его с помощью бумажного полотенца и покрываем фигурку лаком для волос. Теперь можно сравнить и изучить кристаллы.

Что же происходит с насыщенными растворами в течение времени? Используемые в эксперименте соли относятся к веществам, растворимость которых повышается с увеличением температуры воды. При остывании раствора растворимость снижается и начинается процесс выпадения кристаллов – кристаллизация. Постепенно вода из раствора испаряется, и рост кристаллов ускоряется. В естественных условиях кристаллизация происходит хаотично. В нашем же случае рост кристаллов начинается на затравке, на нитке.

2.4. Техника безопасности при выполнении работ.

- удалить маленьких детей, а также животных из помещения, где проводится эксперимент;

- мыть руки после окончания работы;

- не есть, не пить совместно с проведением эксперимента;

- избегать любых контактов химических веществ, с глазами, со слизистыми;

- не вдыхать порошок;

- работать с кипятком осторожно;

- использовать перчатки при работе с порошками.

Технологическая карта выращивания кристаллов показана в приложении                                                                                                                   

Заключение

В заключении хочу отметить, что в ходе проведения работы были выявлены многие интересные особенности строения кристаллов и их свойства.

Кристаллы имеют разный цвет: из медного купороса – голубые, из хромокалиевых квасцов - оранжевые, из гексациано-феррат калия – темно-фиолетовые. Все кристаллы очень прочные, кроме кристалла из гексациано-феррат калия, он хрупкий и рассыпается при прикосновении, а также на воздухе окисляется и покрывается светлым фиолетовым налетом. Потребовалось разное время для выращивания кристаллов: кристаллы из медного купороса и хромокалиевых квасцов росли 3 недели,  а кристаллы из  гексациано-феррат калия 2 недели. Я решила рассмотреть кристаллы под микроскопом. Структура кристаллов плотная, кристаллическая решетка не фиксируется, зато ее очень хорошо видно на работе из мелких кристалликов которая у меня образовалась на дне стакана при опытах.  

Многие формы многогранников изобрел не человек, а создала природа в виде кристаллов. Так, кристаллы поваренной соли имеют форму куба, кристаллы льда  и горного хрусталя (кварца) напоминает отточенный с двух сторон карандаш, то есть форма шестиугольной призмы, на основание которой поставлены шестиугольные пирамиды. Алмаз чаще всего встречается в виде октаэдра, иногда куба, и даже кубаоктаэдра. Исландский шпат, который раздваивает изображение, имеет форму, косого параллелепипеда; гранат ромбододекаэдра (двенадцатигранника), у которого все грани ромбы. Свои кристаллы я могу использовать в интерьере, например: разложить кристаллы на столе, на полке с сувенирами или даже выделить под них отдельную полку. Особенно эффектно будут смотреться в интерьере большие кристаллы. Очень оригинально будут выглядеть кристаллы, лежащие в горшках с комнатными растениями, или являющиеся частью миниатюрной инсталляции. Кристаллы, цветы и свечи — потрясающее сочетание. В вазочках, бутылках, колбах, можно делать небольшие композиции, которые затем ставить на полки или подвешивать. Можно изготовить из кристаллов  самодельные броши.

Список источников информации:

1. https://studbooks.net/2402670/matematika_himiya_fizika/mire_kristallov
2. https://obuchonok.ru/
3. Чупрунов Е. В., Хохлов А. Ф., Фаддеев М. А. Кристаллография. М., 2000;
4. Я познаю мир: Детская энциклопедия: Драгоценные камни и минералы. – М.: ООО                 «Издательство Астрель»; ООО «Издательство АСТ»; 2000