Статья на тему: "Выращивание кристаллов и исследование их физических свойств"

Выращивание кристаллов

и исследование их физических свойств

Оглавление

Введение……………………………………………………………………………………..	3
I.      Основная часть……...……………………………………………………………………	4
I.1. Сущность кристаллов…………………………………………………………………..	5
I.2. Процесс роста кристаллов……………………………………………………………...	5
I.3. Практическое применение кристаллов………………………………………………..	6
II.                Практическая часть……………………………………………………………........	7
II.1. Выращивание кристаллов. Дневник наблюдений…………………………………..	7
II. 2.Исследование физических свойств кристаллов	9
Заключение…………………………………………………………………………………	11
Библиографический список………………………………………………………………	12
Приложения………………………………………………………………………………..	13

Введение

Большинство окружающих нас тел – вещества в твердом состоянии. Специальная область физики – Физика твёрдого тела – занимается изучением строения и свойств твёрдых тел. Эта область физики является ведущей во всех физических исследованиях. Она составляет фундамент современной техники. Знать свойства твёрдых тел жизненно необходимо.

В любой отрасли техники используются свойства твёрдого тела: механические, тепловые, электрические, оптические и т.д. Всё большее применение в технике находят кристаллы. Учёные, лауреаты Ленинской и Нобелевской премии А.М. Прохоров и Н.Г. Басов разработали квантовый генератор (лазер). Действие лазеров основано на использовании свойств монокристаллов. Поэтому я считаю, что выбранная мною тема актуальна.

Цель: вырастить монокристаллы следующих солей – NaCl хлорид натрия (поваренной соли), K₃[Fe(CN)₆] гексацианоферрат (III) калия (кровяная соль), CuSO₄•5H₂O (медный купорос), (NH₄)₂SO₄ (сульфат аммония) и исследования их физические свойства полученных кристаллов, а также путем наблюдения условия роста кристаллов.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

1.        Рассмотреть строение кристаллов.

2.        Проанализировать литературу по данному вопросу;

3.        Разработать схему эксперимента;

4.        Определить, как влияют внешние условия на рост и развитие кристаллов;

5.        Описать результат;

6.        Исследовать физические свойства кристаллов;

7.        Поставить цели на следующий год.

Объектом исследования является процесс изучения физических свойств кристаллов.

Предмет исследования – условия роста кристаллов, расчёт микротвёрдости при внешнем механическом воздействии, электропроводности, теплопроводности, плотности выращенных кристаллов.

Гипотеза: на рост кристаллов и их свойства влияют внешние условия.

Методы исследования:

· наблюдение:

· проведение эксперимента;

· сравнение и анализ полученных результатов.

I.                        

II.                    Основная часть

I.     1. Сущность кристаллов

Кристаллические тела являются одной из разновидностей минералов.
Кристаллическими называют твердые тела, физические свойства которых не одинаковы в различных направлениях, но совпадают в параллельных направлениях.
Семейство кристаллических тел состоит из двух групп монокристаллов и поликристаллов. Первые иногда обладают геометрически правильной внешней формой, а вторые, подобно аморфным телам, не имеют присущей данному веществу определенной формы. Но в отличие от аморфных тел структура поликристаллов неоднородна, зерниста. Они представляют собой совокупность сросшихся друг с другом, хаотически ориентированных маленьких кристаллов - кристаллитов. По размерам кристаллы бывают различными. Многие из них можно увидеть только в микроскоп. Но встречаются гигантские кристаллы, массой в несколько тонн.
    Разнообразие кристаллов по форме очень велико. 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 одинаковы. Кристаллы каменной соли, например, могут иметь форму куба, параллелепипеда, призмы или тела более сложной формы, но всегда их грани пересекаются под прямыми углами. Измерение углов между гранями кристаллов имеет очень большое практическое значение, так как по результатам этих
измерений во многих случаях может быть достоверно определена природа минерала.

II.                 2. Процесс роста кристаллов

Никто не видел, как образуется зародыш кристалла в растворе или расплаве. Можно высказать предположение, что беспорядочно движущиеся атомы или молекулы случайно могут расположиться в таком порядке, какой соответствует кристаллической решетке. Если раствор не насыщен или температура расплава выше температуры кристаллизации, то зародыши образуются и тут же растворяются или разрушаются тепловым движением. В перенасыщенном растворе или в расплаве, охлажденном до температуры, ниже температуры кристаллизации, скорость роста зародыша превышает скорость его разрушения.

Отличие реальных кристаллов от идеальных заключается в том, что реальные кристаллы не обладают правильной кристаллической решеткой, а имеют целый ряд нарушений в расположении атомов, называемых дефектами. Знание условий образования дефектов и способов их устранения играет большую роль при использовании кристаллов на практике.

Самые простые дефекты в идеальной кристаллической решетке возникают в результате замещения собственного атома чужеродным, внедрения атома в междоузлие, отсутствия атома в одном из узлов кристаллической решетки. Особую роль в процессе роста кристалла играют несовершенства его структуры, называемые дислокациями (смещениями).

Зарождение кристалла облегчается при наличии в растворе или расплаве мельчайших инородных тел, пылинок и других загрязнений. Очевидно, в данном случае зародыши кристаллов образуются не путем объединения при случайных столкновениях атомов или молекул, а в результате осаждения атомов на твердых инородных телах, пылинках, практически всегда присутствующих в расплаве или газе. Например, зародышами снежинок являются взвешенные в воздухе твердые пылинки, чаще всего мельчайшие кварцевые песчинки. Неправильная форма пылинки, на которой начинается зарождение кристалла, способствует возникновению в нем дислокации и резкому возрастанию скорости роста кристаллов. Способы зарождения новых слоев и скорости роста граней кристаллов различных веществ неодинаковы. Монокристаллы ряда элементов и многих химических веществ обладают замечательными механическими, электрическими, магнитными и оптическими свойствами. Так, например, 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 в изготовлении оптических приборов.

К сожалению, 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. Развитие науки и техники привело к тому, что многие драгоценные камни или просто редко встречающиеся в природе кристаллы стали очень нужными для изготовления деталей приборов и машин, для выполнения научных исследований. 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.

I.     3. Практическое применение кристаллов

Разработка сравнительно простого способа изготовления "драгоценного камня" приводит к тому, что он перестает быть драгоценным. Объясняется это тем, что большинство драгоценных камней является кристаллами широко распространенных в природе химических элементов и соединений. Так, алмаз это кристалл углерода, рубин и сапфир кристаллы окиси алюминия с различными примесями. Самый твердый и самый редкий из природных минералов - алмаз. За всю историю человечества его добыто всего около 150 т, хотя в мировой алмазодобывающей промышленности сейчас работает почти миллион человек. Сегодня алмаз в первую очередь камень-работник, а не камень-украшение.  Около 80% всех добываемых природных алмазов и все искусственные алмазы используются в промышленности. Роль алмазов в современной технике так велика, что, по подсчетам американских экономистов, прекращение применения алмазов привело бы к уменьшению мощности промышленности США вдвое. Примерно 80% применяемых в технике алмазов идет на заточку инструментов и резцов "сверхтвердых сплавов". Алмазы служат опорными камнями (подшипниками) в хронометрах высшего класса для морских судов и в других особо точных навигационных приборах.

Несколько уступая алмазу по твердости, соревнуется с ним, по разнообразию технических применений -  рубин, благородный корунд, окись алюминия с красящей примесью окиси хрома. Мировое производство искусственных рубинов превышает 100 т. в год. Из 1 кг синтетического рубина удается изготовить около 40 000 опорных камней для часов. Незаменимыми оказались рубиновые стержни на фабриках по изготовлению тканей из химического волокна. На изготовление 1 м ткани из искусственного волокна требуется израсходовать сотни тысяч метров волокна. Нитеводители из самого твердого стекла изнашиваются за несколько дней, при протяжке через них искусственного волокна, агатовые способны работать до двух месяцев, рубиновые нитеводители оказываются практически вечными. Новая область для широкого применения рубинов в научных исследованиях и в технике открылась с изобретением рубинового лазера прибора, в котором рубиновый стержень служит мощным источником света, испускаемого в виде тонкого светового луча.
Исключительная роль выпала на долю кристаллов в современной электронике. Большинство полупроводниковых электронных приборов изготавливаются из кристаллов германия или кремния. Практическое применение кристаллов достаточно большое.

II.                 

III.             Практическая часть

II.1. Выращивание кристаллов. Дневник наблюдений

Цель 1: вырастить кристаллы поваренной соли и медного купороса

Оборудование: соли медного купороса и поваренной соли, кипяток, термометр, фильтровальная бумага, воронка, мензурки, необходимые для растворов

Дата наблюдения	Действия и результат
14.10.2013г.	Подготовка стеклянных ёмкостей для опытов (стерилизация). Приготовление перенасыщенного раствора медного купороса и поваренной соли следующим образом: в 100 мл кипятка растворяли соль до тех пор пока не прекратилось растворение, затем раствор отфильтровали (см. Приложение 1), бросили в него несколько крупинок соли, закрыли ёмкости с раствором бумагой, и оставили в кабинете химии (температура воздуха в кабинете 180С). Результат: отфильтрованный раствор с затравкой для роста кристаллов
14 -16.10.2013г.	Наблюдение. Результат появился лишь на 4-ый день, на дне емкости с раствором медного купороса, образовалась затравка, пригодная для выращивания кристаллов. Раствор поваренной соли – без изменений.
Принято решение – перенести растворы в лаборантскую кабинета информатики (температура воздуха 240С). Кроме того в лаборантской кабинета информатики, находится сервер и два монитора, что существенно увеличивает уровень электромагнитного излучения.
17.10.2013 г.		Из образовавшихся на дне кристаллов выбрали 3 самых больших, повесили на шерстяные нити. Отфильтровали раствор  и вылили его к кристаллам. Форма кристаллов пока не понятна, но точно видно, что выделяются с противоположных сторон углы. (см. Приложение 2) Результат: кристаллы продолжали увеличиваться
Сегодня мы увидели удивительную картину – внутренние и даже немного внешние стенки мензурки, в которой находился насыщенный раствор поваренной соли были сплошь покрыты кристаллами (вечером я прочитал, что это результат действия электромагнитного излучения). Таким образом – можно уже делать вывод – электромагнитное излучение ускоряет рост кристаллов.
21.10.2013г.	Отфильтровать раствор, выбрали 4 самых больших кристалла, повесили на нити и вылили раствор. Форма кристаллов – кубическая. (см. Приложение 3) Результат: на дне ёмкости с раствором поваренной соли образовалась затравка, пригодная для дальнейшего выращивания кристаллов.
21.10. – 28.10.2013 г.	Фильтрование растворов. Наблюдение за ростом кристаллов. Результат: кристаллы медного купороса выросли примерно на 1 см.
Пока кристаллы росли, была поставлена еще одна цель: вырастить цветные кристаллы поваренной соли. Сок свеклы и сок ягод не дал ожидаемого результата. Объяснением тому может служить сильная кристаллическая решетка, которая вытесняет органические соединения. Было принято решение поставить раствор соли для ванн.
29.10.2013 г.		Приготовление перенасыщенного раствора соли для ванн зеленого цвета (с экстрактом эвкалипта) способом аналогичным 14.10.2013 г. Результат: Отфильтрованный раствор с затравкой для роста кристаллов
02.12.2013 г.		Из образовавшихся на дне кристаллов выбрали 4 самых больших, повесили на шерстяные нити. Отфильтровали раствор  и вылили его к кристаллам. Форма кристаллов  - кубическая. Кристаллы имеют светло-зелёный оттенок. Внутри каждого кристалла виден крестик. Размеры кристаллов больше, чем у кристаллов поваренной соли. Результат: Образовавшиеся кристаллы.
9.12., 16.12., 23.12, 30.12, 8.01.2014 г.		Фильтрование растворов
16.01.2014 г. – по плану необходима была фильтрация раствора, а также добавление раствора медного купороса и соли для ванн. Кристаллы медного купопороса – достигали 1,5 см, кристаллы на основе раствора соли для ванн– 0,7 см. (см. Приложение 4) 17.01.2014 г. – утром мы не обнаруживаем кристаллов на основе раствора соли для ванн и кристаллы медного купороса уменьшились в размере на 7 мм. Анализируя свои действия, приходим к выводу: раствор был не достаточно насыщенным, температура раствора была 40°С, что на 13-15°С выше допустимой.
29.01.2014 г.		Фильтрование растворов медного купороса, поваренной соли. Приготовление новых растворов кровяной соли и сульфата аммония для роста кристаллов
30.01.2014 г.		За одну ночь образовалась затравка, пригодная для выращивания кристаллов. Алгоритм действий аналогичен 21.10.2013 г.
06.02, 13.02, 20.02, 27.02, 06.03, 13.03, 20.03 – фильтрование растворов, добавление насыщенных растворов.
20.03. 2014 г.		Прекращение эксперимента по выращиванию кристаллов.	Результат: полученные кристаллы (см. Приложение 5).

 В ходе проделанной мной работы я пришёл к следующим выводам:

Выводы:

1.      Раствор для роста кристаллов должен быть обязательно насыщенным (лучше перенасыщенным), температура раствора не должна превышать 30°С.

2.      В теплом помещении кристаллы растут быстрее.

3.      Электромагнитное излучение благоприятно влияет на рост кристаллов. Процесс роста кристаллов идёт быстрее. Кристаллы получаются более ровные.

4.      Для того, чтобы вырастить монокристалл – необходимо чаще фильтровать раствор.

5.      Кристаллы кровяной соли и сульфата аммония растут значительно быстрее, чем кристаллы медного купороса и поваренной соли.

II.2. Исследование физических свойств кристаллов

Одним из свойств кристалла является анизотропия.

Анизотропия – это зависимость физических свойств от направления внутри кристалла. И самое главное: все кристаллические тела анизотропны.

1.      Электропроводность кристаллов.(см. Приложение 6)

Цель: выяснить – проводят ли кристаллы электрический ток.

Оборудование: источник тока (4 В), вольтметр, амперметр, лампочка, соединительные провода, полученные кристаллы. (4 кристалла)

Ход эксперимента: из вышеуказанного оборудования собрана электрическая цепь, подавалось напряжение 4 В.

Результат: показатели амперметра равнялись нулю.

Вывод: кристаллы в опыте проявляют четко выраженные свойства изолятора, что полностью соответствует нормальным электрическим свойствам кристаллов.

1.1.                 Электропроводность растворов.

Цель: выяснить – проводят ли растворы солей электрический ток.

Оборудование: источник тока (4 В), вольтметр, ампертметр, лампочка, соединительные провода. Растворы вышеуказанных солей.

Результат: соли проводят электрический ток (см. Приложение 6).

2.             Теплопроводность кристаллов

Цель: исследовать кристаллы на теплопроводность.

Оборудование: кристаллы, свеча, спички, спица.

Ход эксперимента: мы наносили каплю парафина на разные грани кристаллов и давали ей застыть. Затем дотрагивались до этих граней хорошо прогретой спицей и наблюдали за формой таявшей капельки парафина. В одних случаях форма была круглая, а в других вытянутая, а это значит, что в первом случае тепло распространялось по всем направлениям одинаково, а во втором – тепло распространялось в одних направлениях медленнее, а в других – быстрее и форма «проталинки» была уже не круглой (см. Приложение 7).

Вывод: теплопроводность различна в разных направлениях. Вдоль слоёв она больше, чем по нормали к слоям: тепло легче передается в тех плоскостях и направлениях, где атомы плотнее упакованы.

3.      Спайность кристаллов

Случайный эксперимент.

Случайно уронив кристалл, я познакомился с ещё одним его свойством, которое называется спайность.

Спайность – это свойство кристаллов раскалываться (расщепляться) при ударе или давлении по определенным направлениям (чаще всего параллельно граням).

4.                      Оптические свойства

            Цель: выяснить – пропускают ли кристаллы свет.

Оборудование: кристаллы, лампочка.

Ход эксперимента: на белый лист бумаги направляли луч света через кристалл.

Вывод: все кристаллы пропускают свет.

5.      Определение плотности кристаллов

Цель: измерительный цилиндр, электрические весы, кристаллы.

Ход эксперимента: определяли объём с помощью измерительного цилиндра (метод разности объёмов), определили массу, рассчитали плотность (см. Приложение 8).

Вывод: кристалл обладающий большей плотностью – кристалл медного купороса.

Заключение

В результате проведённых исследований мы выяснили, что выдвинутая гипотеза полностью подтверждается: нам удалось не только вырастить кристаллы медного купороса, поваренной соли, кровяной соли и сульфата аммония, но и выяснить условия роста кристаллов – влияние электромагнитного излучения, температура окружающей среды и температуру раствора, насыщенность раствора. Кроме того, удалось определить опытным путём плотность кристаллов, теплопроводность, отсутствие электропроводности.

В ходе наблюдений за ростом кристаллов мы выяснили, что кристаллы разных солей растут с разной скоростью. Быстрее всего кристаллы кровяной соли и сульфата аммония, чуть медленнее медного купороса. Процесс кристаллизации происходил интенсивно без резкого перепада температур.

Так как я считаю выбранную тему актуальной и интересной, то планирую и дальше продолжить исследование физических свойств кристаллов (исследование микротвёрдости, вычисление показателя преломления кристаллов, магнитные и электромагнитные свойства кристаллов), а также выращивание их из различных солей.

Библиографический список

1.      Алексинский В.Н. Занимательные опыты по химии: Книга для учителя. - М.: Просвещение, 1995. – 95 с.

2.      Кабардин О.Ф. Физика. Справочные материалы. М., «Просвещение»,1985. – 110 с.

3.      Пёрышкин А.В., Каменецкий С.Е. Факультативный курс физики. 9 класс. – М.: Просвещение». – 1976. – 160 с.

4.      Чернов А.А. Современная кристаллография.Том 3. М.: «Просвещение» - 1980. – 250 с.

5.      Детская энциклопедия для старшего и среднего возраста. 2-е издание. Т.3.  М. «Просвещение», - 1966. – 500 с.

6.      Иллюстрированная энциклопедия школьника. Наука и техника. М., «Росмэн» - 1999. – 130 с.

Приложение 1

Приложение 2

Приложение 3

Приложение 4

Приложение 5

Приложение 6

Электропроводность раствор при напряжении 4В.

Раствор	Сила тока, А	Сопротивление, Ом
Поваренная соль	0,27	14,8
Медный купорос	0,14	28,6
Кровяная соль	0,20	20,0
Сульфат аммония	0,55	7,3

Приложение 7

Теплопроводность кристаллов

Приложение 8

Определение плотности кристаллов

Кристалл	Масса, г	Объём, см3	Плотность г/см3	Плотность кг/м3
Медного купороса	6,50	2,5	2,6	2600
Кровяной соли	0,92	1,00	0,92	920
Поваренной соли	0,10	0,50	0,2	200
Сульфата аммония	1,83	1,5	1,22	1220

Краткое описание документа:

Большинство окружающих нас тел – вещества в твердом состоянии. Специальная область физики – Физика твёрдого тела – занимается изучением строения и свойств твёрдых тел. Эта область физики является ведущей во всех физических исследованиях. Она составляет фундамент современной техники. Знать свойства твёрдых тел жизненно необходимо.

В любой отрасли техники используются свойства твёрдого тела: механические, тепловые, электрические, оптические и т.д. Всё большее применение в технике находят кристаллы. Учёные, лауреаты Ленинской и Нобелевской премии А.М. Прохоров и Н.Г. Басов разработали квантовый генератор (лазер). Действие лазеров основано на использовании свойств монокристаллов.