Исследовательская работа учащегося "Кристаллы"

Исследовательская работа на тему

«Выращивание в домашних условиях  монокристаллов

из насыщенного раствора солей и квасцов»

                                                                                                      Работу выполнил:

Ученик 10 класса

МКОУ «ЛСОШ №68»

Хюннинен Иван

Учитель:

Жулидова М.С           

Лодейное Поле

Содержание

Введение. 3

Глава 1. Подобен чуду рост кристалла…... 5

1.1.      История исследования кристаллов. 5

1.2.      Свойства кристаллов. 6

1.3.      Особенности внутреннего строения кристаллов. 6

1.4.      Способы выращивания кристаллов. 7

Глава 2. Практическое исследование. 9

2.1.      Опыт №1 «Выращивание монокристаллов морской и поваренной  соли». 9

2.2.      Опыт № 2 «Выращивание кристаллов из расплавленных веществ». 10

2.3.      Опыт №3 «Выращивание кристалла алюмокалиевого сульфата». 10

2.4.      Опыт №4 «Выращивание монокристаллов медного купороса». 11

        2.5.      Опыт №5 «Выращивание друз медного купороса»…… ……...…………….….11

        2.6.      Опыт№6 «Выращивание кристалла из смеси: (NH₄)₂Cr₂O₇ + CuSO4»..…...…12

Глава 3.Непредвиденные обстоятельства и устранение проблем, советы………..………...13

        3.1.      «Раствор коварен»………...…………………………………...…………….……13

        3.2.      «Кристалл»……………………...… ……………………………………..…….…13

      3.3.      «Нить»……………………………………………………………………………...13

                Заключение…………...…………………………………………………………………………15

Список литературы.. ………………………………….………………………………………....16

Приложения……………………………………………………………………………………..17

 

Введение

Актуальность темы:

Кристаллография — одна из классических наук, которая продолжает развиваться и в наши дни. Хотя многие фундаментальные проблемы кристаллографии уже решены, ее развитие непрерывно открывает новые возможности, связанные как с самим объектом исследования — с кристаллами, так и с проникновением идей и методов кристаллографии в смежные области знания, в технику и технологию.

Поначалу кристаллы были объектами исследования только минералогов, а затем стали и предметом пристального изучения у физиков, химиков, математиков и даже  биологов.

Кристаллография сегодня — это самостоятельная ветвь физического знания, связанная с другими естественными науками и находящая широкое применение в технике.

Химия неорганических соединений, особенно силикатов, является, по существу, химией твердого кристаллического состояния.

Кристаллография, занимая самостоятельное место в науке, примыкает ко многим областям знания, обогащая их своими теоретическими и экспериментальными методами и заимствуя их методы для расширения собственных возможностей.

Вершиной структурной кристаллографии явилось изучение биологических макромолекул. Эта отрасль знания хотя и служит молекулярной биологии, но не может быть оторвана от кристаллографии: из нее черпаются методы изучения биологических кристаллов и принципы истолкования структуры молекул белков и нуклеиновых кислот.

Природные кристаллы не всегда достаточно крупны, часто они неоднородны. При искусственном выращивании можно получить не имеющие природных аналогов кристаллы.

Практическая значимость работы.

Опыты по выращиванию кристаллов, проведённые мной и моими помощниками в домашних и лабораторных условиях, могут применяться на уроках химии, физики, биологии в качестве экспериментальных заданий при изучении соответствующих разделов.

Проблема исследования.

Вырастить монокристалл в домашних условиях сложно, но возможно. При искусственном выращивании можно получить кристаллы крупнее, однороднее и чище.

Цель исследования.

Вырастить в домашних условиях  кристаллы поваренной соли и медного купороса, существующие в природе, за короткий срок. Убедиться, что каждое кристаллическое вещество имеет уникальную форму кристалла.

Задачи исследования.

1.                  Провести анализ теоретических источников информации с целью ответа на следующие вопросы:

а) история исследования кристаллов;

б) свойства кристаллов;

г) способы выращивания кристаллов.

2.                  На основе полученных данных, провести эксперимент по выращиванию кристаллов

а)Из насыщенных растворов: поваренной соли; медного купороса.

3.                  Обобщить результаты опытов и сделать выводы о выращивании кристаллов в домашних условиях при определенных  условиях различными способами.

Объект исследования: кристаллы

Предмет исследования: условия и возможности выращивания монокристаллов из насыщенного раствора солей вышеперечисленными способами в домашних условиях.

Рабочая гипотеза: вырастить в домашних условиях  монокристаллы из насыщенного раствора солей возможно.

Степень изученности вопроса:

 Мною проведено исследование источников информации по данной проблеме            Ч. Банна «Кристаллы их роль в природе и науке», О. Ольгина «Опыты без взрывов», М.П. Шаскольской «Кристаллы». Исследователи предлагают  разные способы выращивания кристаллов  и утверждают, что вырастить монокристалл в домашних условиях возможно.

 

 

                                                                                                                                                                      Глава 1. Подобен чуду рост кристалла…

«Почти весь мир кристалличен.

В мире царит кристалл и его твёрдые,

прямолинейные законы»

Ферсман

1.1.      История исследования кристаллов

 Издавна внимание человека привлекают изумительные по совершенству творения неживой природы — кристаллы. Каждый, кто побывал в музее минералогии или на выставке минералов, не может не восхититься изяществом и красотой форм, которые принимают "неживые" вещества. Завораживающий мир кристаллов удивителен.

Первыми, кто проявил научный интерес  к кристаллам, были алхимики. Их интерес породил целые отрасли наук, занимающихся  изучением кристаллов в разных аспектах: кристаллографию, минералогию, химию. Основателем кристаллографии стал Рене Жюст Гаюн.  Большой вклад в развитие учения о кристаллах внёс Ловиц Товий Егорович. Он исследовал кристаллизацию солей из растворов. Обнаружил явление пересыщения и переохлаждения растворов; установил условия выращивания кристаллов.

С начала ХХ века, с развитием исследований физических свойств материалов, кристаллы широко применяются в оптике, электротехнике, металлургии, медицине. Современная промышленность не может обойтись без кристаллов. Они широко применяются в науке и технике: полупроводники, призмы и линзы для оптических приборов, оптические и электрооптические кристаллы,

Свойства кристаллов

С кристаллами человечество познакомилось в глубокой древности. Связано это, в первую очередь, с их способностью самоограняться, т. е. самопроизвольно принимать форму полиэдров. Даже современный человек, впервые столкнувшись с природными кристаллами, чаще всего не верит, что эти многогранники не являются делом рук искусного мастера.

Кристаллы — вещества, в которых мельчайшие частицы (атомы, ионы или молекулы) "упакованы" в определенном порядке. Каждое кристаллическое вещество имеет уникальную форму кристалла, которая зависит от структуры и размера частиц данного вещества (атомов, ионов или молекул), а также от того, как они друг с другом взаимодействуют. При росте кристаллов частицы выстраиваются объёмно, непрерывно двигаясь и выбирая место, где им будет наиболее удобно. Если процесс кристаллизации идет не слишком быстро, а частицы обладают удобной для укладки формой и высокой подвижностью, они легко находят свое место. Если же резко снизить подвижность частиц с низкой симметрией, то они "застывают", как попало, образуя прозрачную массу. Такое состояние вещества называют стеклообразным.

1.2.      Способы выращивания кристаллов

Кристаллизацию можно вести разными способами. Один из них — охлаждение насыщенного горячего раствора. При каждой температуре в данном количестве растворителя (например, в воде) может раствориться не более определенного количества вещества. Например, в 100 г воды при 90°С может раствориться 200 г алюмокалиевых квасцов. Такой раствор называется насыщенным. С понижением температуры растворимость большинства веществ уменьшается. Так, при 80°С в 100 г воды можно растворить уже не более 130 г квасцов. Куда же денутся остальные 70 г? Если охлаждение вести быстро, избыток вещество просто выпадет в осадок. При охлаждении раствора частички вещества (молекулы, ионы), образуют крошечные кристаллы-зародыши. Образованию зародышей способствуют примеси в растворе, например, пыль, мельчайшие неровности на стенках сосуда (химики иногда специально трут стеклянной палочкой по внутренним стенкам стакана, чтобы помочь кристаллизации вещества). Если раствор охлаждать медленно, зародышей образуется немного, и, обрастая постепенно со всех сторон, они превращаются в кристаллики правильной формы. При быстром же охлаждении образуется много зародышей, причем частички из раствора будут "сыпаться" на поверхность растущих кристалликов.

Метод выращивания кристаллов путем постепенного охлаждения насыщенного раствора неприменим к веществам, растворимость которых не зависит от температуры. К таким веществам относятся поваренная соль. Для получения кристаллов поваренной соли необходимо постепенное удаление удаление воды из насыщенного раствора. "Лишнее" вещество при этом кристаллизуется. И в этом случае, чем медленнее испаряется вода, тем лучше получаются кристаллы.

Выводы:

1.      С развитием исследований физических свойств кристаллов, они широко стали применяться в оптике, электротехнике, металлургии, медицине и других областях.

2.      Монокристалл представляет собой монолит с единой ненарушенной кристаллической решеткой.

3.      Способы выращивания кристаллов:

- охлаждение насыщенного горячего раствора;

- постепенное удаление воды из насыщенного раствора;

Глава 2. Практическое исследование

2.1   Опыт№1 «Выращивание монокристаллов морской и поваренной  соли»

Цель: вырастить кристалл поваренной Оборудование:  два стакана, ёмкость (например, кастрюля) с тёплой водой, морская или пова­ренная соль, фильтр из промокашки или вата, воронка для фильтрации.

Ход опыта:

1.Приготовление насыщенного раствора поваренной соли.

Налить воды в  стакан и поставить его в кастрюлю с тёплой водой (не более 50°С — 60°С). Насыпать пищевую соль (морскую соль) в стакан и оставьте минут на 5, предварительно поме­шав. За это время стакан с водой нагреется, а соль растворится. Желательно, чтобы тем­пература воды пока не снижалась. Затем добавьте ещё соль и снова перемешайте. Повто­рять этот этап до тех пор, пока соль уже не будет растворяться и будет оседать на дно стакана. Так мы получили насыщенный раствор соли.

2. Фильтрация раствора.

Перелить его в чистую ёмкость такого же объёма через фильтр, сделанный из обычной промокашки или через вату , избавившись при этом от излишек соли на дне.

3. Выбор кристалликов для затравки.

Выбрать любой понравившийся более крупный кристаллик поваренной соли и положить его на дно стакана с насыщенным раствором. Можно кристаллик привязать за нитку и подвесить, чтобы он не касался стенок стакана.

4. Наблюдение за ростом и формой кристалла.

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

Вывод: монокристаллы поваренной соли растут очень медленно, но имеют правильную кубическую форму и представляют собой   бесцветные прозрачные кубики, которые имеют небольшие размеры (4-30мм) и небольшую массу (2-3г).

2.4   Опыт№2 «Выращивание монокристаллов медного купороса».

Цель: вырастить кристалл медного купороса.

Оборудование: два стакана, ёмкость  с тёплой водой, мед­ный купорос, фильтр из промокашки или вата, воронка для фильтрации.

 Ход опыта:

(Выращивание кристаллов медного купороса — производится подобным образом, также, как с поваренной солью.)

1. Приготовление насыщенного раствора медного купороса.

2. Фильтрация раствора.

3. Появление первых кристалликов.

4. Выбор кристалликов для затравки.

5. Наблюдение за ростом и формой кристалла.

Вывод:  монокристаллы медного купороса хорошо растут, через неделю кристаллы начинают принимать правильную форму, края становятся гладкими и ровными. Монокристаллы имеют размеры 2-7 см и массу 25-40 г.

3.Непредвиденные обстоятельства и устранение проблем, советы.

3.1  «Раствор коварен».

В ходе работы я узнал, что растворимость солей зависит от температуры воду. При температуре воды  80°С  наблюдается почти самая высокая отметка растворимость соли, при последующем нагревании разница будет не так заметна.

Чем холоднее вода, тем меньше растворимость соли.

Для выращивания кристаллов  используют только свежеприготовленные растворы.

Не рекомендуется сливать раствор в  канализационную систему.

3.2 «Кристалл».

Чем меньше выбранная вами затравка, чем она правильнее, тем легче раствору (системе) подстроиться под неё .

Чтобы кристаллы росли как можно правильно, кристаллизация должна идти медленно, на бесцветных веществах, чьи кристаллы должны быть прозрачны как стекло,  скорость роста проявляется заметнее – при быстром росте кристаллы мутнеют!!!

У кристаллов есть своя особенность, они должны быть гладкими и прозрачными, как стекло. Однако, при частом прикасании к кристаллу, хранении на открытом воздухе, на свету, мы наблюдаем его помутнение: кристалл выветривается, т.е. теряет, всегда входящую в его состав воду.

Эту проблему можно решить двумя способами:

1-Покрыть кристалл бесцветным лаком.

2-Хранить в  герметичных пакетах.

3.3 «Нить»

Чтобы не было наростов на нити, нить должна быть тонкой без волосков, и должна быть опущена с затравкой в раствор на 5-7^оС теплее комнатной температуры. Такая нить успевает пропитаться раствором и «сливается» с системой в единое целое. 

Выводы:

1. Твердые кристаллы вызывают быструю кристаллизацию только в перенасыщенном растворе.
2. Для быстрого выращивания монокристалла  необходима затравка.
3. Для лучшего растворения соли необходимо использовать теплую воду.
4. Что бы защитить кристалл от разрушения надо покрыть его бесцветным лаком.

Заключение.

Современная промышленность не может обойтись без самых разнообразных кристаллов. Они широко применяются в науке и технике. Природные кристаллы не всегда достаточно крупны, часто они неоднородны. Поэтому для промышленности чаще всего используются синтетические кристаллы. При искусственном выращивании получаются кристаллы крупнее, однороднее и чище.

В ходе лабораторных опытов мы убедились в том, что вырастить монокристаллы в домашних условиях сложно, но возможно.

Установили, что каждое кристаллическое вещество имеет уникальную форму кристалла.

Более эффективным является выращивание монокристалла из затравки, что потвердели результаты опытов.

Полученные кристаллы разрушаются под воздействием окружающей среды и для сохранения их надо покрывать защитным слоем лака.

 

Список литературы:

1. Банн Ч. Кристаллы. Их роль в природе и науке. М., "Мир", 1970

2. Китайгородский А.И. Порядок и беспорядок в мире атомов. М., "Наука", 1977

3. Шаскольская М.Л. Кристаллы. М., "Наука", 1978

4. Шаскольская М.Л. Очерки о свойствах кристаллов. М., "Наука", 1978

5. Харгиттаи И., Харгиттаи М. Симметрия глазами химика. М., "Мир", 1989

6.Учебник Физика 10 класс Классический курс Авторы: Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, Соцкий; Москва, Просвещение, 2009.

7.Учебник Физика 10 класс  Автор: В.А. Касьянов; Дрофа, Москва, 2003

8.Интернет — ресурсы:  
- school-collection.edu.ru
- class-fizika.narod.ru
- www.fizika.ru 
- http://fiz.1september.ru

Приложения.

Результаты:

Описание…	Размер, см.	Масса, г.
1.Синего цвета, имеет форму параллелограмма.	6.7	36.2
2.Синего цвета, имеет форму ромба.	6	30.5
3.Синего цвета, друза.	8	9.2
4.Синего цвета, друза.	10	11.6
5.Зеленого цвета, имеет форму параллелограмма.	5.4	19.6
6.Зеленого цвета, имеет форму параллелограмма.	4.9	17.1
7.Зеленого цвета, имеет форму треугольника.	3	6.3
8.Прозрачный, друза.	1.5	3.1
9.Прозрачный, имеет форму куба (м. соль, сред. рез.)	1,3	2.4
10.Белый, в некоторых местах прозрачный, имеет форму куба (п. соль, сред. рез.)	1,6	2.9
Белые, непрозрачные, имеет форму параллелограмма (сред. рез.) из распл.	0,9	2.1

Краткая фотоинструкция.