Научно-исследовательский проект "Выращивание кристаллов в домашних условиях"

Муниципальное бюджетное образовательное учреждение начальная общеобразовательная школа №6 с. Троицкое

Ученическая учебно-исследовательская конференция «За страницами учебника».

Город, село Троицкое

Школа №6

Класс 4А

Направление: ЗОЖ

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА

по теме: Выращивание кристаллов в домашних условиях

Руководитель: учитель начальных классов

Голубева Е.Ю.

Учащийся: Корж Софья

2018

Содержание

Введение                                                                                                                   3

1.     Теория кристаллов                                                                                        5

1.1.          Что такое кристалл?                                                                                 5

1.2.          Формы кристаллов                                                                                   6

1.3.          Применение кристаллов                                                                        10

2.     Образование кристаллов                                                                             10

2.1.          Образование кристаллов в природе                                                     10

2.2.          Выращивание кристаллов в промышленности                                   12

2.3.          Выращивание кристаллов в домашних условиях                               12

2.3.1.   Выращивание крупных одиночных кристаллов

из медного купороса                                                                              12

2.3.2.   Выращивание сростков кристаллов ( друз)                                         13

2.3.2.1.        Из поваренной соли                                                                          13

2.3.2.2.        Выращивание кристаллов сахара                                                    14

Заключение                                                                                                             16

Список литературы                                                                                                18

Приложения

Введение

Кристаллы встречаются нам повсюду. Мы ходим по кристаллам, строим из кристаллов, обрабатываем кристаллы на заводах, выращиваем кристаллы в лабораториях и в заводских установках, создаем приборы и изделия из кристаллов, широко применяем кристаллы в технике и в науке, едим кристаллы, лечимся кристаллами, находим кристаллы в живых организмах, проникаем в тайны строения кристаллов, выходим на просторы космических дорог с помощью приборов из кристаллов.

Кристаллами являются алмазы, рубины, сапфиры и другие драгоценные камни.  Но кристаллы также можно получить лабораторным путем. Например, за сутки в лаборатории можно вырастить кристалл соли массой около 1 килограмма. Выращивание кристаллов - это сложный технологический процесс, поэтому,  чем дольше ждёшь, тем более впечатляющими будут результаты. Я выбрала выращивание кристалла из соли и медного купороса и сахара.

Актуальность исследования состоит в том, что выращивание кристаллов - увлекательное занятие, самое простое, доступное и недорогое. Материалы для выращивания можно найти на кухне или при подготовке почвы к посеву в своем огороде.

Целью данной работы является: изучение процесса роста кристаллов
в домашних условиях из кристаллов соли и медного купороса, сахара.

Задачи исследования:

-       более подробно узнать о видах кристаллов и методах их выращивания;

-       узнать о значении кристаллов  в жизни человека;

-       вырастить кристаллы соли и медного купороса и сахара;

-       изучить условия образования кристаллов, их формы, цвета;

-       проанализировать полученные результаты.

Объект исследования:

-       соль и кристаллы соли;

-       кристаллы сахара;

-       медный купорос.

Предмет исследования - процесс кристаллизации.

Гипотеза: если создать определенные условия, то кристаллы можно вырастить в домашних условиях.

Использовались следующие методы исследования:

-       Исследовательский (подбор материала в соответствии с тематикой проекта, используя научную литературу);

-       Аналитический – обобщение полученных опытов.

1.                 Теория кристаллов

1.1.          Что такое кристалл

Кристаллы (от греч. "кристаллос" - лёд, горный хрусталь) - твёрдые тела, имеющие приобретённую путём естественного роста форму правильных многогранников. Эта форма является следствием упорядоченного расположения в кристалле атомов, образующих трёхмерно-периодическую пространственную укладку - кристаллическую решётку.

 Рост кристалла начинается с образования "зародышей", после чего при длительном равномерном поступлении вещества формируются гранные кристаллические формы. Основное условие зарождения - переохлаждение или перенасыщение. Зарождение кристаллов может идти самостоятельно. Но иногда для роста кристаллов достаточным бывает наличие мельчайших кристалликов самого кристаллизуемого вещества или близких к нему по строению частиц других твердых веществ. При большой скорости образования центров кристаллизации возникает много мелких кристаллов, при малом количестве центров возникают крупные кристаллы. Рост кристаллов может происходить в насыщенном растворе, расплаве, газообразной или твёрдой среде в основном за счёт новых слоёв вещества, откладывающихся на гранях кристаллического многогранника. Согласно теории совершенного роста идеального кристалла новые частицы присоединяются к растущему кристаллу так, чтобы при этом выделялось наибольшее количество энергии. С наибольшей долей вероятности такие частицы будут притягиваться во входящие углы. Соответственно на кристалле не должно образовываться нового слоя до тех пор, пока растущий слой целиком не покроет грани кристалла. В итоге возникает идеально образованный кристалл в виде выпуклого многогранника с плоскими гранями.
     Если кристалл вырос в неравновесных условиях и не имеет в силу этого правильной огранки, или утратил её в результате тех или иных внешних причин (природные и иные повреждения, ювелирная обработка и т. п.), он тем не менее сохраняет основной признак кристаллического состояния - внутреннюю решётчатую атомную структуру и все определяемые ею физические и внешние свойства. Этим объясняется способность осколков кристалла (или его фрагментов любой неправильной внешней формы) при попадании в благоприятную для кристаллизации данного вещества среду покрываться новыми гранями и дорастать до более или менее правильного многогранника с соответствующей симметрией. Это явление известно под названием  регенерация.

 Регенерация - зарастание поверхностей скола и иных повреждений на кристаллах.  При регенерации зарастание начинается во многих точках поверхности и в начале процесса получается многоглавый рост, причем сначала возникают грани, наиболее близкие по положению (насколько это допускает кристаллическая структура) к сколу. Затем эти грани последовательно заменяются другими, стремящимися к равновесной форме; головки новообразований постепенно сливаются, и в результате может получиться одна новая грань или вершина кристалла. Способность к такому "самозалечиванию" в каком-то смысле, пусть и формально, но  роднит кристаллы с живыми организмами. Ведь любой кристалл, получивший те или иные повреждения, будет "пытаться" при наличии благоприятных к тому внешних условий к восстановлению утраченной формы насколько возможно, к избавлению от дефектов и повреждений.

1.2.          Формы кристаллов 

 Кристаллы могут иметь всевозможные формы. Все известные в мире кристаллы могут быть разделены на 32 вида, которые в свою очередь могут быть сгруппированы в шесть видов. Кристаллы могут иметь форму различных призм, основанием которых могут быть правильный треугольник, квадрат, параллелограмм и шестиугольник.

Рисунок 1.

Кристаллы могут иметь и разные размеры. Некоторые минералы образуют кристаллы, которые разглядеть можно только с помощью микроскопа. Другие же образуют кристаллы, вес которых составляет несколько сотен фунтов.

Кристаллическими считаются вещества, атомы которых расположены регулярно, так, что образуют правильную трёхмерную решётку, называемую кристаллической. Кристаллам ряда химических элементов и их соединений присущи замечательные механические, электрические, магнитные и оптические свойства.

Кристаллические решётки металлов часто имеют форму гранецентрированного (медь, золото) или объёмно-центрированного куба (железо), а также шестигранной призмы (цинк, магний).

Кристаллические минералы – стибнит, пирит, орпимент (Королевский музей Онтарио (г. Торонто)

Образец кристаллов кварца. (Королевский музей Онтарио (г. Торонто)

Кристаллы гроссулярита (Королевский музей Онтарио (г. Торонто)

Следует разделить идеальный и реальный кристаллы.

Идеальный кристалл — является математическим объектом, лишённым любых дефектов строения, а также имеющим полную, свойственную ему симметрию, идеализированно ровные гладкие грани.

Реальный кристалл — всегда содержит различные дефекты внутренней структуры решетки, искажения и неровности на гранях и имеет пониженную симметрию многогранника вследствие специфики условий роста, неоднородности питающей среды, повреждений и деформаций. Не обязательно обладает кристаллографическими гранями и правильной формой, но у него сохраняется главное свойство — закономерное положение атомов в кристаллической решётке.

1.3.          Применение кристаллов.

Промышленность и наука часто нуждаются в более или менее крупных одиночных кристаллах. Колоссальное значение для техники имеют кристаллы сегнетовой соли и кварца, обладающие замечательным свойством преобразовывать механические действия (например, давление) в электрическое напряжение.

Оптическая промышленность нуждается в крупных кристаллах кальцита, каменной соли, флюорита и др.

Для часовой промышленности очень важны кристаллы рубинов, сапфиров и некоторых других драгоценных камней. Дело в том, что отдельные подвижные части обыкновенных карманных часов делают в час до 20 000 колебаний. Такая большая скорость предъявляет исключительно серьёзные требования к кончикам осей и к подшипникам. Истирание будет наименьшим, когда подшипником для кончика оси диаметром 0,07–0,15 мм служит рубин или сапфир. Искусственные кристаллы этих веществ обладают очень большой прочностью и очень малым трением по отношению к стали. Замечательно, что искусственные камни оказываются при этом лучше таких же, находимых в природе.

Природные кристаллы не всегда достаточно крупны, часто они неоднородны и имеют разные примеси. При искусственном выращивании можно получить кристаллы крупнее и чище, чем в природе.

2.        Образование кристаллов

2.1.          Образование кристаллов в природе.

В природе кристаллы образуются при различных геологических процессах из растворов, расплавов, газовой или твердой фазы.

Значительная часть минеральных видов произошла путем кристаллизации из водных растворов. Примеры выпадения кристаллов из раствора - выпадение кристаллов солей в замкнутых водоемах; рост кристаллов на стенках трещин и полостей при гидротермальных процессах, на больших глубинах в условиях высоких давлений и температур; образование отдельных кристаллов вторичных минералов в зонах окисления рудных месторождений.

Следует заметить, что кристаллы могут расти не только в жидких средах, но также и в воздушной или газообразной среде при условии питания насыщенным раствором по капиллярным каналам. Об этом убедительно свидетельствует следующий опыт. Если в стакан с насыщенным раствором поваренной соли опустить хорошо смачивающуюся раствором хлопчатобумажную нить, то через некоторое время в условиях воздушной среды на нити образуется кристаллический агрегат за счет раствора, подымающегося под влиянием капиллярных сил вверх. В воздушной среде этот раствор за счет испарения воды подвергается сильному перенасыщению, что и обусловливает кристаллизацию растворенного в нем вещества.

Нет никакого сомнения в том, что при медленном испарении растворителя таким путем могут возникнуть и хорошо образованные кристаллы. Многим, вероятно, известны также случаи роста из влажной почвы игл льда, наблюдаемых после ясных морозных ночей. Подобные же иглы вырастают в результате медленного высыхания влажных порошков легко растворимых в воде солей, например хлористого кальция. Весьма возможно, что встречающиеся в пустотах длинно игольчатые кристаллы многих минералов возникли этим путем.

Наконец, образование кристаллов может происходить в газообразной среде и без питания жидким раствором, т. е. в случаях перехода вещества из парообразного состояния сразу в твердое при соответствующих температурах (ниже температуры плавления) и давлениях. Примером может служить образование снежинок в виде звездчатых кристаллов в воздухе или различных минералов как продуктов возгона в районах вулканической деятельности.

Образование кристаллов из расплавов. Если магматический очаг располагается на большой глубине и его остывание идет медленно, то магма успевает хорошо раскристаллизоваться и кристаллы вырастают достаточно крупными и хорошо ограненными. Если магма застывает внезапно, могут образоваться некристаллические минералы и горные породы. Внезапное застывание магмы происходит при извержении вулканов. Потоки застывшей лавы дает начало не кристаллическим, а стекловидным породам.

2.2.          Выращивание кристаллов в промышленности.

Промышленность и наука часто нуждаются в более или менее крупных одиночных кристаллах. Колоссальное значение для техники имеют кристаллы сегнетовой соли и кварца, обладающие замечательным свойством преобразовывать механические действия (например, давление) в электрическое напряжение.

Оптическая промышленность нуждается в крупных кристаллах кальцита, каменной соли, флюорита и др.

Для часовой промышленности очень важны кристаллы рубинов, сапфиров и некоторых других драгоценных камней. Дело в том, что отдельные подвижные части обыкновенных карманных часов делают в час до 20 000 колебаний. Такая большая скорость предъявляет исключительно серьёзные требования к кончикам осей и к подшипникам. Истирание будет наименьшим, когда подшипником для кончика оси диаметром 0,07–0,15 мм служит рубин или сапфир. Искусственные кристаллы этих веществ обладают очень большой прочностью и очень малым трением по отношению к стали. Замечательно, что искусственные камни оказываются при этом лучше таких же, находимых в природе.

2.3.          Выращивание кристаллов в домашних условиях.

2.3.1.   Выращивание крупных одиночных кристаллов из медного купороса

Для того чтобы вырастить одиночный кристалл из жидкой среды необходимо приготовить раствор из горячей воды, из которого у нас получится затравка для будущего кристалла. Воду лучше брать дистиллированную, т.к. она не содержит хлоридов и примесей, но в домашних условиях это сложно осуществимо, поэтому берем кипяченую воду. На 730 мл банку я приготовила два пакетика по 100 гр. медного купороса, на половину объёма банки наполняем водой и небольшим количеством медного купороса, постоянно перемешиваем. Добавляем ещё медный купорос и снова перемешиваем. Повторяем этот этап до тех пор, пока вещество  не будет растворяться,  и станет оседать на дно сосуда. Получился насыщенный раствор. Готовый раствор необходимо профильтровать и перелить во вторую банку, в которой будет происходить рост кристаллов. Банку накрываем листком бумаги, чтобы не попадали инородные тела, и ждем появления первых кристалликов. (Приложение 1).

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 обычного бумажного полотенца. Через сутки на дне банки выпадет осадок, состоящий из множества кристаллов. Отбираем самый ровный, обвязываем ниткой (лучше использовать леску), затем подвязываем к карандашу и опускаем в наш раствор. Для того чтобы кристалл рос равномерно, необходимо поддерживать насыщенность раствора. Поэтому через день я подсыпала медный купорос и фильтровала полученный раствор для исключения примесей. (Приложение 1, рис. 1)

Через две недели у меня вырос красивый кристалл. (Приложение 1, рис. 2).

Для того чтобы 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. Таким образом, можно сказать, что за месяц – полтора можно вырастить довольно крупный кристалл.

2.3.2.   Выращивание сростков кристаллов (друз)

2.3.2.1.        Из поваренной соли.

Для эксперимента с выращиванием кристаллов поваренной соли берем также банку на 0,5-0,7 л., заполняем теплой водой и растворяем в ней стакан поваренной соли. Затем опускаем хлопчатобумажную нить, чтобы у нас было на чем выращивать кристаллы. (Приложение 2).

В ходе эксперимента по выращиванию кристалла из соли, я сделала вывод, что в моем случае кристалл рос на нити над поверхностью насыщенного раствора, при попадании кристаллов в воду они растворялись. Вероятно это обусловлено тем, что раствор был недостаточно насыщенным.

В конце эксперимента на нити над поверхностью воды образовался кристаллический друз поваренной соли, а в самом растворе на нити выпали кристаллы идеальной кубической формы. (Приложение 2, рис. 1, рис. 2).

2.3.2.2.                    Выращивание кристаллов из сахара.

Для эксперимента с сахаром нам понадобится 2 деревянные палочки, стакан воды, два прозрачных стакана, две большие бельевые прищепки, и непосредственно сам сахар.

Для начала сделаем затравку, на которой будут расти сахарные кристаллы. Для этого готовим сироп – в кастрюлю выливаем ¼  стакана воды и насыпаем несколько столовых ложек сахара. Для того чтобы наш сахар растворился,  ставим кастрюлю на огонь и нагреваем полученный сироп. Затем на плотную бумагу насыпаем небольшое количество сахара. Обмакиваем деревянную палочку в сваренный сироп, а затеи откладываем в сторону до полного высыхания. (Приложение 3).

Для второго этапа эксперимента берем кастрюлю. Насыпаем в нее 1,5 стакана сахара и вливаем стакан воды. Нагревая наш раствор нам нужно добиться полного растворения сахара. После того, как сахар растворится, насыпаем еще 1,5 стакана и варим до тех пор, пока весь сахар полностью не раствориться. Далее горячий сироп разливаем в стаканы, содержимое одного стакана подкрашиваем любым пищевым красителем. В центр стаканов опускаем палочки с сахарными кристаллами так, чтобы до дна стакана оставалось 1,5-2 см. Это расстояние можно регулировать с помощью прищепки.

Каждый день на палочке появляются все новые и новые кристаллы, через неделю наша заготовка выглядела следующим образом. (Приложение 3, рис. 1).

Заключение.

Выращивание кристаллов – очень интересный и увлекательный процесс. В результате проведенных исследований  гипотеза полностью подтверждается: нам удалось вырастить  кристаллы поваренной соли, сахара и медного купороса в домашних условиях.

При выполнении опытов я сталкивалась с некоторыми трудностями, которые в короткие сроки устраняла. В результате чего, я пришла к выводу, что, 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 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.

Выводы: 

·  при благоприятных условиях поваренная соль, сахар, медный купорос принимают форму кристаллов;

·  кристаллы различных веществ имеют разную форму, соль и сахар имеют одну кристаллическую решетку;

·  на форму кристаллов  оказывает влияние температура, т.к. кристаллы сахара стояли в тепле и получились неидеальной кубической формы, в свою очередь кристаллики соли в этом отношении вышли идеальные;

·  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».

Исследовательская работа мне очень понравилась. В ходе ее выполнения, я познакомилась со способами выращивания кристаллов. Но самое главное -  самостоятельно вырастила кристаллы соли, сахара и медного купороса в домашних условиях. Убедились на практике в том, что форма кристаллов бывает довольно разнообразной и это зависит от кристаллической решетки вещества.

Список используемой литературы:

1.     Шаскольская М.П. Кристаллы – Москва: Главная редакция физико-математической литературы, 1978 – с. 208 стр. с илл.

2.     Бетехтин А.Г. Курс минералогии – Москва: Государственное издательство геологической литературы, 1951 – с.543

3.     А. И. Китайгородский. Кристаллы. 2-е изд. — М.: Гостехиздат, 1955. — 64 с.

4.     Л. Д. Вайткене. Большая книга опытов и экспериментов для детей и взрослых  – Москва: Издательство АСТ, 2016. – 224 с.: илл.

Приложение 1

Выращивание кристаллов медного купороса

рИС. 1. пОЛУЧЕНИЕ ЗАТРАВКИ

рис. 2. Кристалл через две недели

приложение 2.

Выращивание кристалла соли

рис. 1. кристаллический друз

рис. 2. Кристаллы соли идеальной кубической формы.

Приложение 3

Выращивание кристаллов сахара

рис. 1. кристаллы сахара через одну неделю.

• 1 слайд

  Исследовательская работа:
  «Выращивание кристаллов в домашних условиях»
  Выполнил: Корж Софья,
  ученица 4-а класса МБОУ НОШ №6 с. Троицкое
  Руководитель: Голубева Елена Юрьевна, учитель начальных классов
  
  

• 2 слайд

  Цель: изучить процесс роста кристаллов в домашних условиях из кристаллов соли и медного купороса, сахара.
  

• 3 слайд

  Задачи исследования:
  1. более подробно узнать о видах кристаллов и методах их выращивания;
  узнать о значении кристаллов в жизни человека;
  2. вырастить кристаллы соли и медного купороса и сахара;
  изучить условия образования кристаллов, их формы, цвета;
  3. проанализировать полученные результаты.
  
  

• 4 слайд

  Объект исследования:
  соль и кристаллы соли;
  кристаллы сахара;
  медный купорос.
  Предмет исследования - процесс кристаллизации.
  Гипотеза: если создать определенные условия, то кристаллы можно вырастить в домашних условиях.
  
  
  

• 5 слайд

  Кристаллы (от греч. "кристаллос" - лёд, горный хрусталь) - твёрдые тела, имеющие приобретённую путём естественного роста форму правильных многогранников.
  

• 6 слайд

• 7 слайд

• 8 слайд

  Естественные
  Искусственные
  

• 9 слайд

  Кристаллы из медного купороса.
  

• 10 слайд

  Затравка кристалла
  

• 11 слайд

  Мой кристалл
  

• 12 слайд

  Выращивание сростков кристаллов (друз)
  
  

• 13 слайд

  Кристаллический друз
  

• 14 слайд

• 15 слайд

  Выращивание кристаллов из сахара.
  

• 16 слайд

• 17 слайд

  Спасибо за внимание!