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.
В наши дни широкое применение находят
нанотехнологии, базирующиеся на применении жидких кристаллов.
Данная тема заинтересовала нас, и мы решили
более подробно изучить мир кристаллов и попытаться вырастить кристаллы в
лабораторных условиях.
Цель нашей работы: изучение строения и
свойств кристаллов, выращивание их в лаборатории.
Задачи:
1. Пользуясь литературными источниками, изучить
материал по данной теме.
2.Познакомиться с различными способами выращивания
поликристаллов, монокристаллов и дендритов в лаборатории.
3. Вырастить кристаллы, наблюдая за процессом
кристаллизации.
4. Определить область применения природных и
искусственных кристаллов.
Объектом исследования являются кристаллические
вещества, а предметом исследования – кристаллы, выращенные в лаборатории.
Гипотеза: возможность выращивания кристаллов в
лабораторных условиях различными способами.
При выполнении работы применялись следующие
методы: теоретический уровень – изучение научной литературы по данной теме,
экспериментальный – изучение и применение различных методик выращивания
кристаллов.
Глава 1. Теоретическая часть.
Кристаллическими называются твердые тела, физические
свойства которых неодинаковы в различных направлениях, но совпадают в
параллельных направлениях. Именно анизотропия физических свойств является
важнейшим признаком кристаллического тела.
Простейший пример анизотропии кристаллов –
неодинаковая их прочность по различным направлениям.
Различают следующие
структуры кристаллических решеток (упаковок): гексогональная, кубическая, тетрагональная,
ромбоэдрическая, ромбическая, моноклинная, триклинная.
Гексагональной плотной упаковке
атомов соответствует, например форма кристаллов цинка, магния, кадмия.
Кубической плотной упаковке соответствует форма кристаллов меди, алюминия,
серебра, золота и ряда других металлов.
В основе кристаллической решетки лежит
элементарная ячейка – фигура наименьшего размера, последовательным
переносом которой можно построить весь кристалл. Сравнение элементарных
ячеек кристаллических решеток различного типа может проводиться по разным
параметрам, среди которых часто употребляются атомный радиус, плотность
упаковки и количество атомов в элементарной ячейке. Доля объема, занятая
атомами в элементарной ячейке, называется плотностью упаковки. Классификация
кристаллов и объяснение их физических свойств оказываются возможными только на
основе изучения их симметрии. Для количественной оценки степени симметричности
служат элементы симметрии – оси, плоскости и центр симметрии.
С самых ранних времен человеческой культуры люди
ценили красоту драгоценных камней. Алмаз, рубин, сапфир и изумруд – самые
дорогие и излюбленные камни. За ними следуют александрит, топаз, шпинель,
горный хрусталь, аметист, гранат, аквамарин, хризолит. Урал, Алтай, Сибирь и
другие области необъятной страны таят в своих недрах прекрасные алмазы, темно –
синие сапфиры, нежно – голубые аквамарины, зеленые изумруды, фиолетово –
красные, золотистые и голубые топазы, лиловые аметисты, небесно – голубые
эвклазы, желтоватые фенакиты, золотисто – желтые хризолиты, переливчатые
жемчуга… нет возможности даже перечислить их.
Кристаллы могут расти не только из
растворов или расплавов, но и из пара. Каждый может наблюдать этот процесс в
морозную погоду, подышав на поверхность холодного стекла. Первые кристаллики
льда на стекле – это всегда шестилучевые звездочки или шестигранные стебельки,
которые, разрастаясь и взаимодействуя друг с другом, образуют скелетные или
ветвистые кристаллы, называемые дендритами. Дендриты часто образуются при
кристаллизации металлов. Дендрит (греч.) – природное изображение на камне,
похожее на деревце (толковый словарь Даля). Дендрит [dendrite] – выросший из
расплава кристаллит с древовидным строением. Дендритный рост кристаллов
реализуется в большинстве случаев на литье слитков и опилок. Впервые дендритные
кристаллы в стальных слитках были выявлены и подробно описаны в 1870-1880 гг.
Д. К. Черновым.
Дендрит – это древовидные
кристаллические образования, обнаруживаемые в монокристаллах и слитках
металлов, полуметаллов, полупроводников и их сплавах. Максимальная скорость
роста кристаллов наблюдается по таким плоскостям и направлениям, которые имеют
наибольшую плотность упаковки атомов. При кристаллизации зародыши развиваются с
разными скоростями в разных кристаллографических направлениях.
Дендритообразование характерно для веществ, мало склонных к переохлаждению и
имеющих большую скорость кристаллизации. В металлическом расплаве формируется
остов древовидной формы – будущий кристаллит. Остающаяся часть расплава между
дендритными ветвями кристаллизуется, постепенно наслаиваясь на ветви. В
последнюю очередь идет кристаллизация в участках между осями дендрита. Размеры
дендритных ветвей зависят только от скорости охлаждения в интервале температур
кристаллизации.
Причина образования дендритов – очень
быстрый рост в условиях переохлаждения. Одна из особенностей дендритного роста
заключается в том, что ось дендрита и его ветви растут вдоль конкретного
кристаллографического направления, характерного для данного материала.
К дендритам относятся и снежные
кристаллы. Слово «кристалл» в переводе греческого языка означает «лед». Понятие
«дендрит» впервые появилось для обозначения формы именно ледяного кристалла. Звездчатые
дендриты имеют шесть симметричных основных клеток и множество расположенных в
произвольном порядке ответвлений. Обычно такие кристаллы достигают 5 мм и более
в диаметре, но, как правило, они бывают плоские и тонкие – всего 0,1 мм.
Монокристаллы ряда элементов и многих
химических веществ обладают замечательными механическими, магнитными и
оптическими свойствами. Алмаз тверже любого другого минерала, встречающегося на
Земле. Кристаллы кварца и слюды обладают рядом электрических свойств,
обеспечивающих им широкое применение в технике. Кристаллы флюорита, турмалина,
исландского шпата, рубина и многие другие находят применение при изготовлении
оптических приборов. В природе монокристаллы большинства веществ без трещин,
загрязнений и других дефектов встречаются редко. Это привело к тому, что многие
кристаллы на протяжении тысячелетий люди называют драгоценными камнями. Алмаз,
рубин, сапфир, аметист и другие драгоценные камни долгое время ценились людьми
очень высоко не за особые механические или другие физические свойства, а лишь
из – за своей редкости.
Развитие науки и техники привело к
тому, что многие драгоценные камни или просто редко встречающиеся в природе
кристаллы стали необходимыми для изготовления деталей приборов и машин, для
выполнения научных исследований. Потребность во многих кристаллах возросла на
столько, что удовлетворить ее за счет расширения масштабов выработки старых и
поисков новых природных месторождений оказалось невозможным. Для многих
отраслей техники и, особенно, для выполнения научных исследований все чаще
требуются монокристаллы очень высокой 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, монокристаллов многих элементов и химических соединений. Монокристаллы
ряда элементов и многих химических веществ обладают замечательными
механическими, магнитными и оптическими свойствами.
Получение кристаллов из раствора сводится к
двум способам. Первый из них состоит в медленном испарении растворителя из
насыщенного раствора, а второй – в медленном понижении температуры раствора.
Чаще применяют второй способ. В качестве растворителей используют воду, спирты,
кислоты, расплавленные соли и металлы. Недостатком методов выращивания
кристаллов из раствора является возможность загрязнения кристаллов частицами
растворителя.
Кристалл растет из тех участков пересыщенного
раствора, которые его непосредственно окружают. В результате этого вблизи
кристалла раствор оказывается менее пересыщенным, чем вдали от него. Так как
пересыщенный раствор тяжелее насыщенного, то над поверхностью растущего
кристалла всегда имеется направленный вверх поток «использованного» раствора
без такого перемещения раствора рост кристаллов быстро бы прекратился. Поэтому
часто дополнительно перемешивают раствор или закрепляют кристалл на вращающемся
держателе. Это позволяет выращивать более совершенные кристаллы.
Чем меньше скорость роста, тем лучшие получаются
кристаллы.
Глава 2. Практическая часть.
Известно,
что растворимость веществ зависит от температуры. Обычно с повышением
температуры растворимость увеличивается, а с понижением – уменьшается.
Мы
приготовили насыщенный раствор сахара при температуре 30°С и охладили его до
20°С. При 30°С растворили в 100 г воды 223 г сахара, при 20°С растворяется 205
г. Тогда при охлаждении от 30 до 20°С 18 г окажутся "лишними" и выпадут
из раствора. Один из возможных способов получения кристаллов состоит в
охлаждении насыщенного раствора.
Можно поступить иначе. Приготовим насыщенный раствор соли и оставим его в
открытом стакане. Через некоторое время мы обнаружим появление кристалликов.
Внимательное наблюдение покажет, что одновременно с образованием кристаллов
произошло еще одно изменение – уменьшилось количество воды. Вода испарилась, и
в растворе оказалось "лишнее" вещество. Итак, другой возможный способ
образования кристаллов – это испарение раствора. Опыты по выращиванию кристалла
из пересыщенного раствора более эффективны.
Сначала немногие из беспорядочно
движущихся молекул или атомов растворенного вещества собираются в том примерно
порядке, который нужен для образования кристаллической решетки. Такую группу
атомов или молекул называют зародышем.
Зародыши
чаще образуются при наличии в растворе каких-либо центров кристаллизации.
Центрами кристаллизации могут служить загрязнения на стенках посуды с
раствором, пылинки, мелкие кристаллики растворенного вещества. Всего быстрее и
легче кристаллизация начинается тогда, когда в насыщенный раствор помещается
маленький кристалл – затравка.
Смысл использования затравки состоит в том, что он "оттягивает" на
себя выделяющееся вещество и препятствует одновременному образованию большого
числа зародышей. Если же зародышей образуется много, то они будут мешать друг
другу при росте и не позволят нам получить крупные кристаллы.
Рост
зародыша или затравки заключается как бы в перемещении граней параллельно самим
себе в направлении, перпендикулярном к грани. При этом углы между гранями
остаются постоянными.
Опыт 1. Выращивание
кристаллов.
Оборудование: соль для
выращивания кристаллов (медный купорос), сосуды на 500 мл, фильтрованная бумага
или вата, толстые нитки.
Нальём
в сосуд на 500 мл горячей вскипячённой воды. Присыпим туда соль, из которой мы
собираемся растить кристаллы (медный купорос, алюмокалиевые квасцы и.т.д.) и
тщательно размешаем. Сделаем раствор пересыщенным (так, чтобы в нем больше нельзя
было растворить соли), а также профильтруем его. Опустим в раствор нитку так,
чтобы она не касалась стенок и дна банки, и не будем закрывать горло сосуда,
иначе вода не сможет испаряться. Далее поставим сосуд с ниткой остывать, и уже
через несколько часов мы увидим наросшие на нитку кристаллики. Дадим пару дней
им подрасти, потом вынем из раствора обросшую кристалликами нитку. Далее можно
подогреть сосуд с раствором до кипения, стараясь растворить осадок соли на дне
сосуда (если этого не будет хватать до насыщения раствора, добавить еще соли).
После того, как мы донасытим раствор, дать ему выстояться 3-5 часов, а затем
опустить туда нитку с кристалликами. Так мы порастим её ещё пару дней. Эту
процедуру можно повторять до тех пор, пока не удовлетворимся размером сростка
кристаллов.
Таким же образом можно вырастить кристаллы сульфата никеля (II), бихромата калия,
гексоцианоферрата (III) калия и других веществ.
Опыт 2. Выращивание
дендритов.
Оборудование: хлорид
аммония, колба, весы, кисточка, стеклянная пластинка, вода, стеклянная палочка,
измерительный цилиндр.
Приготовим
50 мл 30 % раствора хлорида аммония. Нанесем кисточкой этот раствор на чистое
стекло, после высыхания на стекле образуется красивый узор из кристаллов
хлорида аммония. Таким же образом получаются кристаллы дендритов воды зимой на
оконном стекле. Дендриты образуются и при десублимации паров воды при очень
низкой температуре.
Заключение
Для наиболее полного понимания
картины мира необходимо изучать не только отдельные науки, но и искать
взаимосвязь между ними.
В данной работе мы попытались
применить метапредметный подход к изучению кристаллических тел. Изучив материал
по данной теме, мы выяснили, что кристаллы имеют огромное значение в науке,
технике и промышленности.
Особое значение имеют жидкие
кристаллы. Жидкие кристаллы широко применяются в производстве наручных
часов и небольших калькуляторов. Создаются плоские телевизоры с тонким
жидкокристаллическим экраном.
Сравнительно недавно
было получено углеродное и полимерное волокно на основе жидкокристаллических
матриц.
Мы познакомились со
способами выращивания монокристаллов и дендритов и освоили методики их
выращивания. В лабораторных условиях вырастили кристаллы медного купороса,
алюмокалиевых квасцов, сульфата никеля, бихромата калия и хлорида аммония. В
процессе выращивания кристаллов мы исследовали зависимость роста кристаллов от
внешних условий.
Оставьте свой комментарий
Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.