Исследовательский проект по химии "В удивительном мире кристаллов"

Муниципальное казённое общеобразовательное

 учреждение «Средняя школа № 17»

Проект по химии на тему:

«В удивительном мире кристаллов»

Авторы: обучающиеся 9 класса «А»

                                                                                    МКОУ СШ № 17

                                                                                       Киселева Анастасия и

                                                                                  Коршик Екатерина

Руководитель: Барышникова

Мария Владимировна

г. Палласовка, 2018 г.

Оглавление

        I.            Введение                                                                                                                           3 стр.

     II.            Основная часть                                                                                                     5 стр.

2.1.Общая информация о кристаллах                                                                            5 стр.

2.2.Природные кристаллы                                                                                              5 стр.

2.3.Искусственные кристаллы                                                                                       5 стр.

  III.            Практическая часть

3.1.Выращивание кристаллов хлорида меди                                                                7 стр.

3.2.Выращивание кристаллов медного купороса                                                   8 стр.

3.3.Выращивание кристаллов меди                                                                       8 стр.

3.4.Выращивание кристалла нитрата калия                                                          10 стр.

3.5.Выращивание кристалла перманганата калия                                                 10 стр.

3.6.Выращивание кристаллов поваренной соли                                                   11 стр.

  IV.            Заключение                                                                                                         12 стр.

    V.            Список литературы и Интернет-ресурсов                                                                   13 стр.

Приложение №1                                                                                                             14 стр.

Приложение №2                                                                                                             15 стр.

I. Введение

Всякий кристалл, как и всё существующее в природе,

 претерпевает со временем ряд изменений,

 составляющих то, что условно называют «жизнью».

                                                                                             А.В. Шубников

     Издавна внимание человека привлекают изумительные по совершенству творения неживой природы — кристаллы. О них мы знаем с глубокой древности, но лишь в XVII-XVIII вв. начала формироваться наука о кристаллах - кристаллография. Долгое время объектами исследования  были природные минералы. В дальнейшем с развитием  химии начала формироваться кристаллохимия, позволившая объяснить многие явления в кристаллах. Развитие теории образования кристаллов, особенностей их возникновения и роста стимулировало разработки методов синтеза искусственных кристаллов. Кристаллография создала целый ряд специальных методик и способов, имеющих большое практическое значение и распространение.

            Гипотеза исследования:

    Читая дополнительную литературу, мы узнали, что кристаллы могут появляться при использовании разных способов выращивания и при создании определенных для них условий. Значит, если изменять условия кристаллизации и растворять различные вещества, то можно получать кристаллы разной формы и цвета? Это мы и решили проверить опытным путем.

 Цель нашей работы: изучение методики получения кристаллов и их исследование в лабораторных условиях.

Задачи:

•      изучить материал  о процессе кристаллизации, о способах и методах получения кристаллов, их форме, видах, свойствах и областях применения;

•      апробировать опытно-экспериментальным путем способы получения кристаллов из растворов

•      исследовать  форму полученных кристаллов;

•      исследовать влияние примесей на форму кристаллов.

            Объект исследования: кристаллы веществ

Предмет исследования: процесс кристаллизации

Методы исследования:

•    эксперимент;

•    наблюдение;

•    анализ;

•    сравнение;

•    обобщение;

•    изучение специальной литературы;

•    работа с Интернет - источниками

Новизна работы состоит в том, что она позволила почувствовать себя в роли экспериментаторов и самостоятельно получить образцы кристаллов.

      Эксперимент по выращиванию кристаллов различными способами мы проводили в течение месяца. За это время мы хорошо освоили способы приготовления растворов, приемы фильтрования, выпаривания.       Проведенная работа позволила удовлетворить наш большой практический интерес к химии кристаллов, расширила научные познания в данной области и позволила совершенствовать практические умения и навыки. 

  Данная работа может быть полезной для других. Здесь можно взять идеи по использованию самостоятельно выращенных кристаллов, продолжить изучение кристаллов при их нарастании и найти причины нетипичного поведения некоторых из них

     Прежде чем провести свои практические исследования, мы должны узнать, что такое процесс кристаллизации, какие при этом кристаллы образуются и как влияют различные условия на процесс образования кристаллов. Поэтому мы обратились к теоретическим источникам в этой области. Для этого мы использовали научно-методическую литературу и Интернет.

II. Основная часть

2.1 Общая информация о кристаллах

 Кристаллы – твердые тела, атомы, ионы или молекулы которых образуют упорядоченную периодическую структуру (кристаллическую решетку). Кристаллы могут иметь от четырех до нескольких сотен граней. Но при этом они обладают замечательным свойством –какими бы ни были размеры, форма и число граней одного и того же кристалла, все плоские грани пересекаются друг с другом под определенными углами. Углы между соответственными гранями всегда одинаковыми.Закон постоянства углов, открытый в 1669 г. датчанином Николаем Стено, является важнейшим законом науки о кристаллах — кристаллографии. 

2.2 Природные кристаллы

  Самый известный кристалл в природе – это кристалл поваренной соли.  Обыкновенная столовая соль, хлористый натрий, без которого человек не может обойтись, представляет собой очень мелкие кристаллики, в земле же соль встречается иногда в виде очень больших кристаллов - так называемой каменной соли.

   Особенно интересна кристаллизация подземных вод в пещерах. Капля за каплей просачиваются воды и падают со сводов пещеры вниз. Каждая капля при этом частично испаряется и оставляет на потолке пещеры вещество, которое было в ней растворено. Так постепенно образуется на потолке пещеры маленький бугорок, вырастающий затем в сосульку. Эти сосульки сложены из кристалликов. Навстречу им начинают расти вверх такие же длинные столбы сосулек со дна пещеры. Иногда сосульки, растущие сверху (сталактиты) и снизу (сталагмиты), встречаются, срастаются вместе и образуют колонны. 

   Драгоценный камень жемчуг тоже построен из мелких кристаллов, которые вырабатывает моллюск жемчужница. Если в раковину жемчужницы попадает песчинка или камешек, то моллюск начинает откладывать перламутр вокруг пришельца. Слой за слоем нарастает на песчинке перламутр, образующий шарики жемчуга.

2.3 Искусственные кристаллы

      Сегодня растят не только то, что необходимо для промышленного применения, но и просто красивые камни для украшений, типа фианитов и изумрудов. Значение сверхчистых кристаллических материалов в нашей жизни огромно. Электроника использует особо чистый кристаллический кремний, сапфир, рубин и кварц, машиностроение — искусственные алмазы, корунд, рубин, нитевидный углерод. [3]

Особый класс материалов составляют так называемые жидкие кристаллы. Эти уникальные вещества, сочетающие в себе подвижность жидкости и анизотропию твердого тела, по сути кристаллами не являются и выглядят, как обычная мутная жидкость, если их налить в стакан. Но в виде тонкого слоя, заключенного между двумя стеклянными пластинами с токопроводящим покрытием, они превращаются в тот самый ЖК-дисплей, без которого не обходятся сегодня ни сотовые телефоны, ни персональные компьютеры.

Таким образом, мы выяснили, что КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ - процесс образования кристаллов из паров, растворов, расплавов, из вещества в другом кристаллическом или аморфном состоянии. Кристаллизация начинается при достижении некоторого предельного условия, например, переохлаждения жидкости или пресыщения пара, когда практически мгновенно возникает множество мелких кристалликов — центров кристаллизации. Кристаллики растут, присоединяя атомы или молекулы из жидкости или пара. Зависимость скорости роста от условий кристаллизации приводит к разнообразию форм роста и структуры кристаллов. В процессе кристаллизации неизбежно возникают различные дефекты.

III. Практическая часть

3.1 Выращивание кристаллов хлорида меди CuCl₂

Приготовили насыщенный раствор хлорида меди, перелили раствор в плоскодонную чашку и поставили на подоконник. Через 14 дней раствор из колбы испарился и образовались кристаллы.

 

3.2 Выращивание кристаллов медного купороса CuSO₄

Налили в сосуд горячей кипячённой воды. Добавили медный купорос и тщательно размешали. Медный купорос добавляли до тех пор, пока соль не перестала растворяться в воде. Получили перенасыщенный раствор, который потом отфильтровали.  Раствор разлили в две емкости, в одну опустили медную проволоку, а второй оставили на подоконнике – остывать. При  остывании раствор еще становится более перенасыщенным и, кристаллы выпадают  на медную проволоку  и на дно. Вода испаряется, и  количество кристаллов увеличивается.

3.3 Выращивание кристаллов меди

 В стакан насыпали медный купорос тонким слоем, чтобы он покрыл дно и утрамбовывали. Сверху насыпали хлорид натрия, он должен превышать количество медного купороса в 3-5 раз. Слой также утрамбовали. Поверх слоёв уложили круг из фильтровальной бумаги так, чтобы он вплотную прикасался к стенкам стакана. На фильтр высыпали железные предметы. Теперь удерживая фильтр стеклянной палочкой, налили медленно и тоненькой струйкой концентрированный раствор хлорида натрия. Чтобы все слои хорошо пропитались и воздух вышел, вдоль стенки опустили тонкую упругую проволоку, давая лишний канал раствору до дна. Стакан закрыли фильтровальной бумагой и оставили стоять при комнатной температуре.

Спустя пару суток слои солей окрасились в зелёный цвет, это, очевидно, связано с образованием в слоях хлорида меди (II) CuCl₂. После того, как “зелень” дойдёт до фильтра, начнут появляться в слое хлорида натрия розовые нити-дендриты (не сформировавшиеся кристаллы) меди, которые иногда приобретают удивительный вид папоротниковых и еловых веточек.  

Мы дали им разрастись, вскоре получили обещанные ярко-розовые кристаллы меди, имеющие вид призм и октаэдров.

1                                                          2

                              3

3.4 Выращивание кристалла нитрата калия KNO₃

 В 100 г горячей воды мы растворили 50 г очищенного нитрата калия, и сосуд, накрытый бумагой, оставили в комнатной температуре на несколько дней. Через два дня наблюдали выпадение кристаллов игольчатой формы.

3.5 Выращивание кристалла перманганата калия KMnO₄

 Приготовили в химическом стаканчике при нагревании насыщенный раствор перманганата калия. Тщательно очистили предметное стекло от пыли и отпечатков пальцев. Нанесли на предметное стекло пипеткой раствор соли и немного нагрели  в пламени спиртовки до  появления первых кристаллов. Наблюдали кристаллы серого цвета, игольчатого типа.

В отличии от кристаллов хлорида меди, эти кристаллы одиночные.

 

3.6 Выращивание кристаллов поваренной соли NaCl

Бесцветные кристаллы поваренной соли имеют форму куба. Многие кристаллы имеют внутри полости, заполненные раствором, из которого соль выкристаллизовалась. Чем крупнее кристаллы, тем больше в них жидкости. Поэтому даже совершенно сухая с виду поваренная соль, особенно крупная, трещит и «разбрызгивается», если её бросить на горячую сковороду: вскипающая вода «взрывает» кристаллы. Одновременно с кубическими кристаллами мы обнаружили кристаллы, имеющие форму пирамид.

IV. Заключение

•      В нашем проекте мы рассказывали о кристаллах, их свойствах.

•      Мы  убедились на практике, что выращивать кристаллы – увлекательное занятие.

•      Вырастили кристаллы из поваренной соли, хлорида меди, медного купороса, нитрата калия, перманганата калия, меди.

•      Составили мини-коллекцию выращенных кристаллов и подготовили презентацию проекта.

•      Наша работа расширила научные познания в химии  и позволила совершенствовать практические умения и навыки.

V. Список литературы и Интернет-ресурсов:

1. Леенсон И.А. Занимательная химия. 1 часть. М.: Дрофа, 1996

2. О. Ольгин, “Опыты без взрывов”, М.; “Химия”, 1995 г.;

3. Журнал «Вокруг света» статья «Феномен: Кристаллические премудрости», №3 2004 год

4. Журнал «Наука и жизнь» статья «Из чего все состоит» М. Каганова, №10, 2003 г.

5. Попов Г. М., Шафрановский И. И., Кристаллография, 5 изд., М., 1972.г.

6. Большая Советская энциклопедия, издательство «Советская энциклопедия» , 1990 г.

7. Матусевич Л.Н. Кристаллизация из растворов в химической промышленности. М. Химия.1968.

8. Шаскольская М. П.; «Кристаллы», М.: Наука, 1985 г.;

9. Шаскольская М. П.; «Очерки о свойствах кристаллов», М.: Наука, 1978 г.;

10. Журнал Химиков-Энтузиастов «Химия и Химики»  № 7 2010 

         http://chemistry-chemists.com/Video1/Crystals-b.html

11. Журнале «Химия и жизнь» №3 1972 статья «Вырастим кристаллы меди»

         http://himiklab.org.ua/cryst_cu.shtml

Приложение №1

Методика приготовления маточного раствора.

Помните!

Для выращивания кристаллов используют только свежеприготовленные растворы!!!

Для приготовления маточного раствора требуется чистый, хорошо вымытый термостойкий стакан на 1л. В него наливают горячую кипячёную воду или, что лучше, дистиллированную 700-800 мл. В стакан засыпают вещество небольшими порциями (1 порция = 1 столовая ложка без горки), каждый раз перемешивая и добиваясь полного растворения. Когда раствор “насытится” – вещество будет оставаться на дне, – добавляют ещё две порции и оставляют раствор при комнатной температуре на сутки. Чтобы в раствор не попала пыль, его накрывают листом фильтровальной бумаги и оставляют в той части помещения, где сохраняется постоянная температура, где в дальнейшем вы будете продолжать опыт. Если проходит отопительный сезон, то можно оставить стакан и около батареи, но помните, что растворимость у вещества теперь будет другая. И стоит измениться температуре, как возникнет быстрая избыточная кристаллизация.

Помните: чтобы кристаллы росли как можно правильно, а у бесцветного вещества они были прозрачными, кристаллизация должна идти медленно, иначе кристалл мутнеет!!!

Примечание: В том случае, если обнаружены примеси, раствор подогревают на 200C (поставьте стакан с раствором в таз с тёплой водой на 1-2 часа) и фильтруют на воронке, внутрь которой помещают фильтр или (что быстрее и лучше) кусочек ваты, затем повторяют охлаждение до комнатной температуры. Этот раствор будет необходим нам в большом количестве, поэтому вы должны иметь посуду для его хранения и по необходимости готовить дополнительно. Хранить его можно в колбе с притёртой пробкой, на дне должны оставаться кристаллы.

Приложение №2

Коллекция кристаллов

Перманганат калия KMnO₄                                                      Кристаллы меди

Нитрат калия KNO₃                                                                               Сульфат меди CuSO₄

  Хлорид меди CuCl₂

Хлорид натрия NaCl

Краткое описание документа:

Исследовательский проект по химии может стать примером написания подобных работ в курсе химии 9 класса. Издавна внимание человека привлекают изумительные по совершенству творения неживой природы — кристаллы. О них мы знаем с глубокой древности, но лишь в XVII-XVIII вв. начала формироваться наука о кристаллах - кристаллография. Долгое время объектами исследования были природные минералы. В дальнейшем с развитием химии начала формироваться кристаллохимия, позволившая объяснить многие явления в кристаллах. Развитие теории образования кристаллов, особенностей их возникновения и роста стимулировало разработки методов синтеза искусственных кристаллов. Кристаллография создала целый ряд специальных методик и способов, имеющих большое практическое значение и распространение.