Исследовательский проект Выращивание кристаллов

Школьная научно-практическая конференция  

Муниципальное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа №4»

Жидкова Татьяна

Научно-исследовательский проект

«Выращивание кристаллов»

РУКОВОДИТЕЛЬ:

Андреева Лариса Александровна

учитель химии и биологии

 МОУ «СОШ №4»

2017

г. Тихвин

Аннотация

Каждый из нас привык видеть вещества в трёх состояниях: газообразном, жидком и твёрдом. Ту же самую воду мы видим в этих состояниях. Когда мы выходим на улицу зимой и ловим рукой  снежинку (это и есть твёрдое состояние воды) и она тает у нас на ладони, превращаясь в каплю воды (это жидкое состояние воды), то мы при этом видим два состояния воды, и как она из одного переходит в другое. Если рассмотреть снежинку поближе, то можно увидеть много маленьких кристаллов различной формы, из которых она состоит. Также и узоры, которые мороз рисует на окнах, тоже можно назвать кристаллическими. Когда мы смотрим на эти узоры, мы задумываемся, насколько бывают разнообразны формы кристаллов.

  Нас это заинтересовало, и нам захотелось узнать из чего и как можно получить кристаллы ещё больше и красивее. А самое главное, что мы сами можем получить кристаллы и для этого достаточно химической лаборатории, которая находится у нас в школе. И поэтому мы решили изучить эту тему получше, побольше узнать о кристаллах, их строении, из чего и как их выращивают, сделать несколько опытов для получения кристаллов. И описание этих опытов, интересная информация и факты о кристаллах, которые мы нашли в ходе нашей работы, находятся в нашем проекте.

Отзыв

на исследовательскую работу  «Выращивание кристаллов»  учениц  6а класса, МОУ СОШ № 4,  Титовой Анастасии.

Данная исследовательская работа выполнена в рамках внеурочной деятельности,  кружка  «Чудеса вокруг нас».

Содержит 19 страниц. В ходе выполнения исследования автор использовала 11 научных,  литературных и Интернет  источников. Авторы четко наметила задачи соответственно  цели данной работы и умело осветила проблему данного вопроса. 

Действуя принципу «Думай глобально, но действуй локально» авторы проекта умело наметили и провели  ряд экспериментов: приготовили горячий насыщенный раствор какой-либо соли (хлорида натрия, сульфата меди или железа,  и т. д.), осторожно охладили его, чтобы излишек растворенного вещества не выпал в осадок (такой раствор называется пересыщенным), и, наконец, ввели затравку - кристаллик той же соли, подвешенный на нитке. После этого   прикрыли сосуд листком бумаги, поставили в вытяжной шкаф и следили, пока не вырастет крупный кристалл, на что несколько месяцев; в течение этого времени изредка подливали понемногу насыщенный раствор по мере испарения. Все результаты проведенных экспериментов авторы зафиксировали в виде дневника наблюдений, проанализировали и использовали в заключительной части проекта. 

Результаты данного проекта заключаются в том, что:

1. Узнали много нового и интересного о формах и размерах, о способах выращивания кристаллов.

2. Сделали много опытов по выращиванию кристаллов. Большинство опытов получилось.

3. Выращенные кристаллы оставили в кабинете химии как экспериментальный

материал для отработки данной темы в рамках школьного научного общества, а также в качестве дидактического материала на уроках химии.

4. Удалось вырастить крупный кристалл медного купороса. Кристалл получился правильной формы, что может служить хорошим наглядным пособием для учителя на уроках химии.

В исследовании авторами  научного проекта принадлежит достаточная степень самостоятельности, так как большинство  результатов исследований проводились ими самостоятельно. Данная работа проводилась под руководством педагога, по составленной программе, включающей эксперименты.

Выявлены незначительные погрешности, не влияющие на  качество данного проекта.

Заключение: рекомендую продолжить данные исследования по теме. Работу по выращиванию кристаллов можно продолжить, исследуя процесс роста кристаллов из растворов солей.

Научный руководитель: учитель химии  и биологии МОУ СОШ № 4    Андреева Л.А.

Оглавление

Цель и задача работы..................................................................................................... 6

Введение.......................................................................................................................... 7

1 Теория кристаллов....................................................................................................... 9

1.1 Что такое кристалл?.................................................................... ............................ 10

1.2 Происхождение слова «кристалл»......................................................................... 10

2 Образование кристаллов............................................................................................ 11

2.1 Образование кристаллов в природе....................................................................... 11

2.2 Выращивание кристаллов в промышленности..................................................... 12

2.3 Выращивание кристаллов в домашних условиях................................................. 14

2.3.1 Приготовление раствора...................................................................................... 14

2.3.2 Фильтрация раствора............................................................................................ 14

2.3.3 Выращивание крупных одиночных кристаллов................................................ 15

2.3.4 Выращивание сростков кристаллов (друз)......................................................... 16

3 Мои результаты........................................................................................................... 17

Заключение.......................................................................................................... .......... 18

Список используемой литературы............................................................................... 19

Цель работы:
 -  вырастить кристаллы  веществ искусственным путем и выявить их особенности.

Задачи научной работы:

—  ознакомится с научно-популярной литературой по заданной теме;

—  изучить методики о способах искусственного выращивания кристаллов;

—  вырастить кристаллы поваренной соли, медного купороса, сернокислого калия и чистой меди;

—  описать результаты наблюдений и сделать выводы;

—  закрепить навыки в умении аккуратно обращаться с веществами и правильно организовывать план своей работы.

Объект исследования: кристаллы

Предмет исследования: процесс кристаллизации

Гипотеза: мы предполагаем, что вырастить  кристаллы,  в лабораторных условиях возможно

Методы исследования:

-         работа с источниками информации

-         наблюдение

-         фиксирование результатов

Характер исследования: прикладной

Время проведения исследования: октябрь- март 2017 года

Прикладная ценность исследования:

·    выращенные  кристаллы  послужат в кабинете химии как экспериментальный материал для отработки этой темы в рамках школьного научного общества, а также в качестве дидактического материала на уроках химии.

Введение

Нередко в земле находят камни такой формы, как будто их кто-то нарочно вырезал, отшлифовал и отполировал. Правильная форма этих многогранников, безукоризненная плоскость их гладких, блестящих граней поражает нас. Такие камни с природной, т. Е. Сделанной не руками человека, многогранной формой называют кристаллами. Кристаллы льда и снега – звёздочки снежинок, а также кристаллы прозрачного кварца – горного хрусталя – еще с незапамятных времён привлекали к себе внимание людей.

Кристаллы очень разнообразны и по величине и по форме. Одни из них – маленькие, узкие, острые, как иголки; другие - как столбы, достигают нескольких метров в длину; бывают кристаллы виде лепестков тоньше листа бумаги и в виде пластов в метр толщиной.

Раньше кристаллы считали редкостью, «игрой природы» и люди совсем не знали их строения. Но когда были, изобретены лупа и микроскоп, новый мир раскрылся перед людьми. Посмотрите в лупу на свежий излом гранита, мрамора, песчаника. Эти породы тоже состоят  из кристаллов, только очень мелких и тесно соприкасающихся друг с другом. Все металлы сложены из кристаллов. В глине, каучуке, саже, костях, волосах, волокнах шерсти, шёлка, целлюлозы найдены мельчайшие, даже в микроскоп не различимые, зёрна кристаллического строения.

Мы живём в мире кристаллов. Наши дома и города построены из камня и металла, т. е. в основном из кристаллов.

Мы каждый день едим кристаллы. Сахар, соль – это тоже кристаллы; их легко различить даже невооружённым взглядом.

Нет такого места на Земле, где - бы не было кристаллов. И не только на Земле! Из межпланетного пространства иногда прилетают к нам осколки небесных тел- метеоритов. Оказалось, что их строение ничем не отличается от строения наших земных минералов и горных пород: они тоже состоят из кристаллов.   

Итак, кристаллы повсюду. Они разнообразны, красивы, загадочны.

Развитие науки и техники привело к тому, что многие редко встречающиеся в природе кристаллы стали необходимыми для изготовления деталей приборов и машин, для выполнения научных исследований. Потребность во многих кристаллах возросла настолько, что удовлетворить ее за счет расширения масштабов выработки старых и поисков новых природных месторождений оказалось невозможно.

Кроме того, для многих отраслей техники и, особенно, для выполнения научных исследований все чаще требуются кристаллы очень высокий химической чистоты с совершенной кристаллической структурой. Кристаллы, встречающиеся в природе, этим требованиям не удовлетворяют, так как они растут в условиях, весьма далеких от идеальных.

Таким образом, возникла задача разработки технологии искусственного изготовления кристаллов многих элементов и химических соединений.

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 (рис 1).

Рисунок 1 – Разнообразие снежинок.

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. Каждый, кто побывал в геологическом музее или на выставке минералов, не мог не восхититься изяществом и красотой форм, которые принимают «неживые» вещества (рис.2, 3).

Рисунок 2 – Кристаллы лазурита.

Рисунок 3 – Кристаллы витерита.

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 (рис.4). 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

Рисунок 4 – Друза горного хрусталя.

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.5). Мегакристаллы селенита были сформированы гидротермальными жидкостями, исходящими от пещер, расположенных ниже.

Рисунок 5 – Пещера кристаллов

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. 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 2000^оС. Капли расплавленного материала падают на стержень, на котором образуется шарик кристалла, медленно приобретающий грушевидную форму.

                     

Рисунок 6 – Схема аппарата Вернейля

и монокристалл корунда, полученный этим методом.

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 (рис.7).

Рисунок 7 – Фианит.

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.

2.3 Выращивание кристаллов в домашних условиях

2.3.1 Приготовление раствора

Раствор готовят из слегка тёплой (не горячей!) воды. Воду лучше брать дистиллированную, но можно и кипячёную. Химический стакан на половину объёма наполняют водой и небольшими количествами (~по 10гр) добавляют соль. После каждой новой порции соли раствор тщательно перемешивают. При этом раствор может начать охлаждаться, т. к. при растворении вещества расходуется тепловая энергия на расщепление его на ионы. После того, как вещество перестаёт растворяться, добавляют последние 10гр вещества и перемешивают. Уже готовый раствор фильтруют во второй химический стакан, в котором и будет происходить рост кристалла. Стакан накрывают листком бумаги и ждут появления первых кристалликов.

2.3.2 Фильтрация раствора

Конечно же, для фильтрации раствора лучше всего использовать хороший, лабораторный фильтр из фильтровальной бумаги и стеклянную воронку. Если готового фильтра нет, то его можно сделать из обычной промокашки. Для этого из неё вырезают круг диаметром не менее 10см, сгибают его вдвое и затем ещё вдвое. Если теперь отогнуть крайний листок получившегося конуса, то получится бумажная воронка. Её вкладывают в стеклянную и фильтруют раствор. Это надо делать очень осторожно, следить за тем, чтобы уровень жидкости в стеклянной воронке не был выше краёв фильтра.

В самом крайнем случае, если под рукой нет даже промокашки, то фильтр делается из ваты. Вату плотно вставляют в горлышко воронки и затем фильтруют раствор. Естественно, чем плотнее вата, тем медленнее и качественнее происходит фильтрация.

2.3.3 Выращивание крупных одиночных кристаллов

Для того, чтоб кристалл вырос крупным и геометрически ровным, т. е. имел природную форму, необходимо довольно много времени. Обычно кристалл вырастает на 0,1-0,8мм в сутки, что во многом зависит от соли. Т. е. за месяц – полтора можно вырастить довольно крупный кристалл.

Выращивание крупного одиночного кристалла – очень длительный и сложный процесс, требующий терпения и осторожности. Для начала вам потребуется затравка – маленький кристаллик, который и будет центром кристаллизации. Обычно кристаллик, используемый как затравка, представляет собой уменьшенную копию выращиваемого кристалла.

Для того, чтобы получить затравку, используется очень простой метод: готовится максимально концентрированный раствор соли, переливается в стакан с вертикальными стенками и накрывается листком бумаги. Через несколько дней на дне стакана появляются первые кристаллики. Обычно они все имеют разную форму. Именно из них и отбираются те, которые имеют более правильную форму.

Раствор, в который собираются погрузить затравку, желательно приготовить заранее и оставить на пару дней для выпадения первых кристалликов (чтобы быть уверенным, что затравка не растворится). Раствор фильтруют от выпавших кристалликов, переливают в чистый стакан и погружают туда затравку. Стакан накрывают бумагой и оставляют на полке. Уже через неделю можно заметить, что кристалл заметно подрос. Чем дольше он будет оставаться в растворе, тем крупнее он станет.

Раствор со временем испаряется и если верхняя часть кристалла окажется на воздухе, то это может испортить весь кристалл. Для того, чтобы этого не произошло, необходимо добавлять раствор по мере необходимости.

В процессе выращивания кристалла может возникнуть ещё одна проблема: в ходе роста основного кристалла на дне появляются и растут другие, случайно выпавшие кристаллы. Их желательно удалять хотя бы раз в 1-2 недели.

2.3.4 Выращивание сростков кристаллов (друз)

Это – один из самых быстрых способов выращивания кристаллов. Если выращивание одиночных кристаллов занимает много времени и рассчитано на постепенный, правильный рост кристаллов, то выращивание друзы гораздо легче, потому что оно ориентируется на быстрое, хаотическое выпадение кристаллов.

Для начала вам потребуется приготовить перенасыщенный раствор соли в горячей воде. После охлаждения раствора в него вносят затравку – подвешенный на ниточке кристаллик. Уже через 5-10 часов можно увидеть большое количество кристалликов на нитке, на затравке, на дне стакана. Раствор оставляют в покое в течение 3-5 дней, затем вынимают нитку с кристаллом, раствор нагревают, добавляют воды и снова делают максимально концентрированным. После охлаждения в него вновь вносят нитку с уже подросшим кристаллом и оставляют на 3-5 дней.

Эту процедуру повторяют до тех пор, пока кристалл не достигнет необходимого размера. Кстати, довольно неплохие результаты получаются, если смешать оба метода: сначала вырастить друзу, а потом погрузить её в раствор для медленной кристаллизации.

Изучив литературу, мы приступили к выращиванию кристаллов

3 Мои опыты

3.1 Медный купорос

Самые быстрорастущие и красивые кристаллы в моей коллекции. Мною были выращены монокристаллы и друза (рис.9).

Рисунок 8 – Монокристаллы и друза медного купороса.

3.2 Поваренная соль

После приготовления раствора, я поместил в насыщенный раствор нитку. На следующий день нитка покрылась кристаллами соли. Взяв один из получившихся кристаллов, я решил использовать его в качестве затравки для монокристалла. К сожалению, монокристалл NaCl мне получить не удалось, ребро грани кристалла составляет всего 2 мм, поэтому вместо роста монокристалла, начинают образовываться рядом соседние кристаллики. Таким образом, получилась друза, напоминающая кубик. Неудивительно, ведь поваренная соль имеет кубическую сингонию.

Рисунок 9 – Кристаллы NaCl (поваренной соли)

 

3.4 Мои результаты

Выращивание кристаллов – очень интересный и увлекательный процесс.

К сожалению, в данном процессе присутствует элемент случайности. Вроде и раствор насыщенный, и охлаждается медленно, а кристалл не образовывается, или готовишь новый раствор для бóльшего роста кристалла, а утром видишь, что кристалл не только не стал больше, но и совсем растворился … Тем не менее, можно выделить общие признаки роста кристаллов.

Во-первых, чем насыщеннее раствор, тем быстрее вероятность образования кристалла. Чем лучше отфильтрован раствор, тем больше вероятность образования монокристалла, т.к. примеси, оставшиеся в растворе, служат дополнительными центрами кристаллизации. Если раствор охлаждать недостаточно медленно, то это, с большой долей вероятности, приведет к образованию друзы (сростка кристаллов), т.к. его молекулы не успеют построить правильный кристалл. А при слишком резком охлаждении образуется аморфное (стеклообразное) состояние вещества. Например, при очень быстром охлаждении (миллионы градусов в секунду) даже металлы можно получить в некристаллическом стеклообразном состоянии.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, в ходе исследования гипотеза полностью подтвердилась. Задачи исследования выполнены.

Проведя научно-исследовательскую работу, пришли к следующим выводам:

1.     Медный купорос, поваренная соль и железный купорос при одинаковой температуре, в одинаковом объеме воды растворяются в разных  количествах.

2.     Чем выше температура воды, тем больше вещества в ней можно растворить

3.     Кристаллы можно выращивать из насыщенных растворов различных солей.

4.     У медного купороса кристаллы растут быстрее, чем у поваренной соли и железного купороса, т.е. кристаллы разных веществ растут с разной скоростью.

5.     Кристаллы различных веществ могут иметь различные цвет, форму и размеры.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список используемой литературы

1.     Ахметов Н.С. «Общая и неорганическая химия» - М.: «Высшая школа», 1981

2.      Глинка Н.Л. «Общая химия» - Л.: «Химия», 1984

3.      Детская энциклопедия. Том 2.- М.: 1990.

4.     Турова Н.Я. «Общая и неорганическая химия в таблицах» г.Москва, 1999

5.     Шаскольская, М. П. Кристаллы. Издательство “Наука”. – М.: 1978. – 208с.

6.      Энциклопедический словарь юного физика . – М.: Педагогика, 1995

7.      www.bestreferat.ru

8.      www.megabook.ru

9.      www.xumuk.ru

10.   www.yandex.ru

 11. www.wikipedia.ru

12. http://www.ximuk.ru/encyklopedia/2/4738.html