«Выращивание кристаллов из раствора солей»

Министерство образования Иркутской области

  Государственное бюджетное профессиональное

образовательное учреждение

Иркутской области

«Иркутский авиационный техникум»

(ГБПОУИО «ИАТ»)

2015 КС-15-1

 

«Выращивание кристаллов из раствора солей»

Председатель ЦК:	_______________________________________ (С.Н. Быкова) (подпись, дата)
Руководитель:	____________________________________ (Г.В. Перепияко) (подпись, дата)
Тьютор:	_______________________________________ (Е.П. Зайкова) (подпись, дата)

Обучающийся:

________________________________________ (Н.А.Петров) (подпись, дата)

Иркутск 2015

Содержание

1.Введение ..............................................................................................3

2.Общие сведения о кристаллах……………………………………...4

3.Кристаллы в природе………………………………………………..8

 3.1.Салактиты и сталагмиты……………………………………11

 3.2.Драгоценные камни………………………………………….12

 3.3.Физико-химические процессы при выращивании        кристаллов……………………………………………………..………14

 4.Экспериментальная часть…………………………………………16

5.Заключение………………………………………………………….28

6.Список использованных источников……………………………...29

1.Введение

Кристаллы - твёрдые тела, имеющие естественную форму правильных многогранников. Эта форма является следствием упорядоченного расположения в кристалле атомов, образующих трёхмерно-периодическую пространственную укладку - кристаллическую решётку.

Выращивание кристаллов   увлекательное занятие и, пожалуй, самое простое, доступное и недорогое для большинства начинающих химиков, максимально безопасное с точки зрения ТБ,  что немаловажно для тех, кто проводит эксперименты дома. Тщательная подготовка и выполнение оттачивают навыки в умении аккуратно обращаться с веществами и правильно организовывать план своей работы. Советская и современная литература по демонстрационному эксперименту зачастую охватывает этот раздел, но авторы, как правило, не всегда указывают на детали. Ниже я излагаю методику по выращиванию кристаллов, которой пользуются очень давно. Отнесёмся к данному опыту, как к любому химическому эксперименту, в котором также существует своя предварительная подготовка, стадии выполнения.

Цель: вырастить кристаллы из солей медного купороса и аммиачной селитры.

Задачи:

·        Изучить природу кристаллов

·        Познакомиться с разновидностями кристаллов

·        Провести эксперимент по выращиванию кристаллов

2.Общие сведения о кристаллах

Кристаллы - равновесное состояние твёрдых тел. 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, октаэдра, кубооктаэдра или многогранника более сложной формы, но грани куба {100} всегда пересекаются под прямыми углами.

Закон постоянства углов, открытый в 1669 г. датчанином Николаем Стено, является важнейшим законом науки о кристаллах - кристаллографии. 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.

Кристаллы правильной геометрической формы встречаются в природе редко. Совместное действие таких факторов, как неоднородность среды кристаллизации и неравномерное поступление к растущим граням питающих веществ, колебания температуры, влияние окружающих твердых тел, - часто не позволяют растущему кристаллу приобрести внешнюю форму, вполне соответствующую его кристаллической структуре.

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. 
               Каждый кристалл характеризуется определенным сочетанием элементов симметрии. Ввиду того, что число элементов симметрии невелико, задача отыскания всех возможных форм кристаллов не является безнадежной. Выдающийся русский кристаллограф Евграф Степанович Федоров установил, что в природе может существовать только 230 различных кристаллических решеток, обладающих осями симметрии второго, третьего, четвертого и шестого порядка. Иначе говоря, кристаллы могут иметь форму различных призм и пирамид, в основании которых могут лежать только правильный треугольник, квадрат, параллелограмм и шестиугольник. Е.С. Федоров является основоположником кристаллохимии - науки, занимающейся определением химического состава кристаллов путем исследования формы граней и измерения углов между ними. Кристаллохимический анализ по сравнению с химическим обычно занимает меньше времени и не приводит к разрушению образца. Для описания строения кристаллов используются их идеальные модели. Знание условий образования дефектов в кристаллах и способов их устранения играет большую роль при использовании кристаллов в практических целях. 

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 при изготовлении оптических приборов. Но в природе монокристаллы большинства веществ без трещин, примесей и дефектов встречаются редко. Поэтому кристаллы многих минералов являются драгоценными камнями (алмаз, рубин, сапфир, берилл, хризолит, аметист ценимы очень высоко в основном не за особые физические свойства, а прежде всего из-за своей редкости).

Развитие науки и техники привело к тому, что многие драгоценные камни или просто редко встречающиеся в природе кристаллы стали очень нужными для технических целей и для выполнения научных исследований. Удовлетворить потребность во многих кристаллах за счет расширения масштабов выработки старых и поисков новых месторождений оказалось невозможно. Кроме того, для многих научных исследований часто требуются монокристаллы очень высокий химической чистоты с совершенной кристаллической структурой, а природные кристаллы этим требованиям не удовлетворяют. Так возникла и была успешно решена задача разработки технологии искусственного выращивания монокристаллов многих химических соединений. 

            В древних культурах с присущими им традициями мифологического мышления, бытовали представления людей о том, что все кристаллы являются носителями чудесных магических и целебных сил. В средневековой Европе амулеты из драгоценных кристаллов носили в качестве целительных средств при разных заболеваниях, из некоторых кристаллов приготовляли также порошки и настойки, которые добавлялись в целебные снадобья. Но в наши дни, несмотря на достижения науки, далёкими от неё шарлатанами (а подчас просто не вполне адекватными умами) описываются фантастические магические и целебные свойства кристаллов, принимаемые доверчивыми людьми на веру, невзирая на отсутствие каких бы то ни было научно проверяемых доказательств и объективных фактов. 

Утверждается, например, что "Каждый минерал, в том числе и драгоценные и полудрагоценные кристаллы, имеет свое энергетическое поле, которое сопоставляется с энергетическим полем человека и информацией сегодняшнего Лунного дня, причем для астрологии важны энергетическое поле камня, его химический состав, а кристаллическое строение - вторично. Кристаллы минералов являются для нас целителями, так как они могут снимать информацию о больных органах и трансформировать ее на другие уровни, а этого иногда достаточно, чтобы высшая сущность в человеке осознала причины нарушения гармонии и включила механизмы исцеления", или что "Каждый кристалл содержит в себе аккумулированную естественную энергию, которую можно использовать, настраиваясь с ним в резонанс, а после завершения работы с кристаллом его нужно подбросить в воздух, чтобы очистить от отрицательной энергии".

Иные недалёкие фантазёры пишут, что "Ношение кристаллов или наличие их поблизости повысит вашу энергию (турмалин, гранаты пироп и альмандин), очистит помещение (топаз) или привлечет богатство (цитрин, перидот-хризолит), а правильно расположенные кристаллы могут изменить вашу жизнь; усилить свою интуицию поможет кристалл апофиллита, развить ментальные способности, - зелёный турмалин, укрепить веру, - гематит". Есть "кристаллы, приносящие изобилие (хризоберилл), помогающие исцелению (берилл, данбурит, смитсонит), способные приворожить любимого (родонит, вульфенит)". А "Некоторые кристаллы, такие как дымчатого кварца и чёрного турмалина (шерла), способны поглощать негативную энергию и электромагнитный смог, они выделяют положительную чистую энергию, и при ношении шерла (чёрный турмалин) на шее он защитит от электромагнитных излучений от сотовых телефонов и компьютеров и отразит психические атаки...". 
Выдающийся русский минералог В.И.Степанов расценивал подобные рассуждения как "схоластический бред". Но любить и честно изучать природу, или находиться в плену бредовых идей и навязываемых шарлатанами представлений, - каждый решает себе сам. 
              Сегодня кристаллам практически всех известных минералов приписываются пёстрые букеты магических и лечебных "свойств"... каких только нелепых фантазий не навешивается на эти замечательные во многих отношениях творения природы! Чего стоит хотя бы глупейшая многосерийная книжка Джуди Холл "Магический кристалл", оставляющая впечатление, что автор писал в расчете на аудиторию из дураков или сумасшедших... Читать и пересказывать все нелепые домыслы - не хватит ни времени, ни места, а переубеждать легковерных дилетантов, как правило, бесполезно.

Заявления о лечебных свойствах кристаллов стали предметом многочисленных бытовых суеверий и коммерческих уловок. Обрушившаяся в начале XXI века лавина сомнительной информации про магические и лечебные свойства кристаллов распространяется не очень компетентными, а подчас и откровенно невежественными людьми, всё чаще носит шарлатанский характер и не имеет отношения к минералогии. Но, в силу ряда прискорбных причин, пользуется массовым спросом. Хотя есть и достойные научно-популярные издания. Например, в книге ученого XVIII в. доктора медицины Ф.Б. Бринкмана (в России переведена В. Беспаловым) критически рассматриваются "лечебные" свойства камней. В 1896 г. вышла интересная книга любителя камня и журналиста М.И. Пыляева, в которой помещены рассказы по истории камня и связанные с ними легенды.

3.Кристаллы в природе

Множество всех кристаллов можно классифицировать, разбить на несколько типов и видов, используя тот или иной характерный критерий классификации. Рассмотрим несколько из них.

Во-первых, кристаллы следует разделить на две большие группы: идеальные и реальные.

Идеальные кристаллы – это математическая абстракция, используемая учеными для описания свойств настоящих кристаллов. Характерными признаками идеального кристалла являются гладкие грани, строгий дальний порядок, определенная симметрия кристаллической решетки и прочие характерные для кристалла параметры.

Реальные кристаллы – это те кристаллы, с которыми мы сталкиваемся в реальной жизни. Они имеют различные примеси, которые могут понижать симметрию кристаллической решетки,  шероховатые грани, может иметь не правильную форму, дефекты оптических свойств (если кристалл прозрачный). Но есть одно свойство, которое присуще как идеальному, так и реальному кристаллам — это дальний порядок, правило, по которому атомы располагаются в кристаллической решетке.

Еще одним критерием деления кристаллов на виды является их происхождение. По этому критерию кристаллы делятся на природные (естественные) искусственные (выращенные человеком).  Природные кристаллы вырастают в недрах нашей планеты в естественных для роста условиях. 

Искусственные кристаллы выращиваются в лабораториях или в домашних условиях. «Ростовики» сами создают необходимые условия для выращивания того или иного кристалла. К примеру кристаллы медного купороса можно с легкостью вырастить дома. Многие кристаллы могут быть выращены как самой природой, так и людьми (например, рубин, см. картинку справа), но существует множество примеров кристаллов, которые в природе «не произрастают». Единственный способ получить их — это вырастить в лаборатории.

Так же кристаллы можно разделить по видам связи между атомами: ковалентные,металлические, ионные, жидкие.

Металлические кристаллы. В кристаллах данного вида атомы с легкостью отдают свои валентные электроны, сами становятся положительно заряженными ионами, а электроны становятся «общими» и могут свободно перемещаться в толще металла. Именно за счет этих электронов, связь в  металлических кристаллах очень прочная и имеет электрическую природу. Примерами кристаллов этого вида являются все металлы, например меди. Кристаллы красной меди можно вырастить в домашних условиях.

Ковалентные кристаллы. Атомы кристаллической решетки ковалентных атомов «делятся» электронами только со своими соседями, тем самым образуя с ними общие электронные пары. За счет этих общих электронных пар и осуществляется связь между атомами ковалентных кристаллов. Если сила действия двух соседних атомов на общую пару одинакова, то общая пара находится «посередине» между атомами и в этом случае связь называется ковалентной неполярной. В противном случае, сила действия одного из атомов больше, поэтому пара смещается в ту или иную сторону. В этом случае связь, и кристалл, носят название ковалентной полярной. Представителями ковалентных кристаллов являются: алмаз, германий и кремний.

Ионные кристаллы. Соседние узлы решетки ионных кристаллов представлены противоположно заряженными ионами, которые притягиваются друг к другу за счет электрического взаимодействия, образуя связь между атомами в кристалле. По характеристикам, ионные кристаллы находятся между металлическими и ковалентными.

Жидкие кристаллы — особый вид кристаллов. В привычном понимании, это вообще никакие не кристаллы. Жидкими кристаллами называют органические вещества, которые находятся в особом состоянии, в котором они одновременно проявляют себя и как жидкости и как кристаллы. От жидкостей они взяли текучесть, а от кристаллов — определенную упорядоченность (хотя, в данном случае, тут не идет речь о дальнем порядке присущем обычным кристаллам) и анизотропию некоторых физических свойств. Сегодня науке известно несколько тысяч соединений, которые можно отнести к этому типу кристаллов.

3.1.Сталактиты и  сталагмиты

Сталактиты и сталагмиты представляют собой каменные образования из материала, похожего на мрамор, в форме конусообразных или заостренных колонн, встречающиеся в пещерах. Они образуются, когда дождевая вода стекает по известняковым камням. Вода» насыщенная двуокисью углерода, растворяет часть этих камней. Когда вода просачивается сверху в пещеру, она понемногу капает внутрь, и растворенные материалы свисают с потолка, это и есть сталактиты. Если капли воды и с ними часть осадков падает на пол пещеры, то они образуют сталагмиты. Когда сталактиты и сталагмиты соединяются, они образуют колонны.

Рис.Сталактиты и сталагмиты

В узком смысле сталактитами называют кальцитовые натёчно-капельные образования, имеющие форму сосульки с внутренним питающим каналом («трубчатые сталактиты») или без такового. В широком смысле это могут быть как висящие на потолке натёчные образования разнообразных форм, так и образования в форме сосульки, но имеющие принципиально иной механизм возникновения (ледяные, глиняные, гипсовые, соляные, лавовые сталактиты).

3.2Драгоценные камни

Желание получать золото и драгоценные камни из подручных материалов присуще человечеству с давних пор. Мечты о дармовом богатстве нашли свое отражение в сказках и легендах, в которых человек вдруг получал возможность превращать любые предметы вокруг себя в золото. И несмотря на то, что ничем хорошим такие истории ни разу не заканчивались, жажда сравняться с природой в возможностях и получить в лаборатории алхимические камни не оставляла ума и сердца ученых.

Не всегда удачные попытки бывают честными: история искусственных камней началась в восемнадцатом веке, когда австриец Георг Фридрих Штрасс нашел способ продавать стекло под видом благородных бриллиантов. На берегу реки Рейн Штрасс обнаружил кусочки минералов, которые, при определенном освещении были похожи на бриллианты. Путем обработки, огранки и введения в состав стекла солей свинца были получены искусственные камешки, очень похожие на настоящие, которые продавались умелым дельцом как драгоценные. Для того чтобы «драгоценности» сильнее блестели, на их поверхность наносилось тончайшее металлическое напыление. Великий комбинатор не только не был наказан за продажу поддельных камней, но, напротив, ему был пожалован титул ювелира во дворце короля, а стеклянные украшения назвали в его честь – стразами.

На сегодняшний день самыми известными в мире считаются стразы, носящие название «Кристаллы Сваровски». Очень символично, что изготавливают их на Родине Штрасса – в Австрии. Основными материалами для изготовления Кристаллов Сваровски являются хрусталь, синтетические и драгоценные камни природного происхождения, поэтому они имеют достаточно высокую стоимость.

Что касается камней, то первый камень, выращенный человеком, словно экзотический цветок, был явлен общественности в далеком 1891 году. До этого предпринимались неоднократные попытки по выращиванию камней. Однако результаты имели такие микроскопические размеры, что говорить об их использовании в промышленности (например, в ювелирной) не приходилось. Не имели успеха и «сиамские» камни, которые получали путем сплава обломков камней природного происхождения.

Искусственный рубин, полученный в лаборатории, достигал десяти карат, и создал его француз Огюст Вернейль. Все оборудование для получения камней было изобретено им же и позволяло за несколько часов получать чистые синтетические рубины в два-три раза больше полученного образца. При этом в отличие от природных камней, они не имели вкраплений и дефектов, были чисты и прозрачны. Годом позже этим же ученым был получен первый корунд синтетического происхождения. Сырьем для него послужил очищенный оксид алюминия.

Через десять лет после первого успеха исследования были закончены, а оборудование для выращивания синтетических камней было успешно внедрено в производство. Метод Вернейля оказался прост и надежен, он позволил выращивать рубины необходимой величины и подтолкнул ученых к созданию прочих синтетических камней.

Двадцатый век подхватил эстафету, были открыты дополнительные методы по выращиванию камней «в пробирках». Их ассортимент расширился, и такие камни стали очень популярны у ювелиров, ведь при меньшей стоимости можно было получить камень большего размера и невиданной для природных драгоценных камней чистоты.

В Советском Союзе в середине прошлого века синтетические камни были весьма востребованы, их можно встретить во многих украшениях той эпохи: ярко-красные, пылающие рубины и синие прозрачные сапфиры, выращенные с помощью метода, предложенного французским ученым. Кроме них, известны другие синтетические камни: александрит, изумруд, кварц и алмаз. А часто встречающийся любимый дамами фианит, имитирующий бриллиант, вообще не имеет аналогов в природе – он на все 100% является заслугой ученых.

3.3.Физико-химические процессы при выращивании кристаллов

Выращивание кристаллов физико-химический процесс.

Растворимость веществ в любых растворителях можно отнести к физическим явлениям со следующей позиции: происходит разрушение кристаллической решётки, теплота при этом поглощается из окружающей среды (иногда так сильно, что это можно ощутить тактильно, например, при растворении нитрата NH₄NO₃ или роданида аммония NH₄SCN, иодида калия KI, красной кровяной соли K₃[Fe(CN)₆] и др.). Это растворение называется эндотермическим. Другой физический процесс –диффузия. Возьмите несколько кристалликов марганцовки и киньте в высокий цилиндр. Вы увидите, как вокруг них появятся розовые завихрения. Диффузию можно наблюдать и на бесцветных веществах: влейте тонкой струйкой в высокий стакан с насыщенным раствором поваренной соли дистиллированную воду – обратите внимание, как происходит самоперемешивание раствора. Подобным перемешивание происходит, когда пресная вода рек попадает в солёное море или океан, так рождаются течения.

Однако зачастую мы наблюдаем и химические процессы: гидролиз и сольватацию.

Гидролиз – (греч. «гидрос» - вода, «лизис» - разложение) разрушение веществ под действием молекул воды, наглядный пример – в пробирку с 10 мл воды внесите каплю концентрированного раствора соли серебра, свинца (II), олова (II) или (IV), висмута (III), сурьмы (III) или (V), будете наблюдать помутнение раствора (рис. 2):

SnCl₂ + H₂O ⇄ Sn(OH)Cl↓ + HCl

Кстати, как видно, уравнение гидролиза иллюстрирует причину изменения окраски индикаторов в растворах данных солей подобно в кислотах. Для многих веществ, образованных сильной кислотой и слабым основанием, гидролиз обратим. Для его предотвращения можно добавить кислоту с соответствующим соли кислотным остатком. Несмотря на противоречие (химики поймут), увеличение концентрации исходного вещества в какой-то момент подавит гидролиз, муть исчезнет и раствор станет насыщенным и бесцветным.

В водных растворах многие вещества образуют так называемые «аквакомплексы». К примеру, сульфат меди (II) CuSO₄ – белый порошок, а его кристаллогидрат – пентагидрат сульфата меди (II) или медный купорос CuSO₄·5H₂O – голубого цвета, а разбавленные растворы солей меди (II)– синие или голубоватые (возьмите тот же зелёный дигидрат хлорида меди (II) CuCl₂∙2H₂O и разбавьте посильнее водой). Так вот это всё образование аквакомплексов, и тот же купорос можно записать: [Cu(H₂O)₅]SO₄. Другой пример – растворение серной кислоты в воде, вспомните, сколько теплоты выделяется при этом процессе:

H₂SO₄ + nH₂O = H₂SO₄∙nH₂O

При растворении таких веществ (обезвоженные кристаллогидраты, щёлочи, концентрированные кислоты), наблюдается выделение теплоты –экзотермическое растворение. Вот таблица некоторых кристаллогидратов и их безводных солей:

Таблица: «Безводные соли и кристаллогидраты»
Безводная соль (название)	Цвет безводной соли	Кристаллогидрат (название)	Цвет кристаллогидрата
CuSO4 cульфат меди (II)	белый	CuSO4 ∙ 5H2O пентагидрат cульфата меди (II)	синий
CoCl2 хлорид кобальта (II)	синий	CoCl2∙ 7H2O гептагидрат хлорида кобальта (II)	розовый
NiCl2 хлорид никеля (II)	грязно-жёлтый	NiCl2∙ 7H2O гептагидрат хлорида никеля (II)	салатовый
CuCl2 хлорид меди (II)	горчичный	CuCl2∙ 2H2O гептагидрат хлорида меди (II)	Зелёный
FeSO4 cульфат железа (II)	бесцветный	FeSO4∙ 7H2O гептагидрат cульфата железа (II)	светло-зелёный

Таблица1: «Безводные соли и кристаллогидраты»

4.Экспериментальная часть

В каждой методике выращивания можно выделить несколько подпунктов:

- приготовление маточного раствора;

- получение кристалла-затравки;

- выращивание монокристалла.

I. Приготовление маточного раствора (прямой и обратный способ):

Примечание: Многие авторы в своих книгах для простоты указывают таблицы веществ, и сколько их требуется в граммах на приготовление насыщенного раствора [8]. Я буду использовать «столовую» терминологию Вы, вдруг, скажите: «Точность никогда не бывает лишней. Скока вешать в граммах?!» А я отвечу: «У большинства начинающих химиков, экспериментирующих дома, лабораторные весы, как правило, отсутствуют; во-вторых, точность массы здесь не всегда обязательна, – вещества может требоваться очень много («комнатная температура» у всех разная), а определить насыщенность раствора ещё проще – по прекращению растворения вещества в сосуде». Когда вещество имеется в ограниченном количестве (до 500 грамм), с ним получают небольшие монокристаллы (длина ребра до 2 см), и расходуют его частями, имея запас. Так иодид калия KI (см. в «Фото кристаллов») вырос у меня из 50 мл концентрированного (но ненасыщенного) раствора, который находился в открытой аптекарской бутылочке, его рост – чистая случайность: вода испарялась, и кристалл рос. Как видите, для малых количеств методика сохраняется, но меняются объёмы посуды и растворителя.

Самое важное условие: для выращивания кристаллов используют только свежеприготовленные растворы!!! Так как в процессе стояния в растворах у многих веществ накапливающиеся определённого состава комплексы (например, аквакомплексы) меняют структуру кристалла (такие кристаллы могут начинать быстрее выветриваться). Какие-то растворы сильно гидролизуются (их ещё можно очистить фильтрованием). В некоторых могут начать процветать случайно попавшие споры грибов (алюмокалиевые квасцы и чаще всего органические вещества).

Прямой способ. Для приготовления маточного раствора требуется чистый, хорошо вымытый термостойкий стакан на 1 л. В него наливают горячую (t=50^оС, при высоких температурах вещество сильно гидролизуется) 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» – т. е. 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 кристаллизация – лишнее вещество выкристаллизуется из раствора. Помните: чтобы кристаллы росли как можно правильно, кристаллизация должна идти медленно, на бесцветных веществах, чьи кристаллы должны быть прозрачны как стекло,  скорость роста проявляется заметнее – при быстром росте кристаллы мутнеют!!!

Возможен и обратный способ приготовления насыщенного раствора. Вы максимально растворяете вещество при комнатной температуре, и когда растворение достигнет предела (вещество будет оставаться на дне), добавляете ещё 1-2 порции и греете сосуд с раствором на плите до t=50-60^оС. Условие этого способа – используемая посуда должна быть термостойкой, а конфорка плиты ровной, это может создать неудобство при нагревании объёмов, например, в 1 л. Но есть из чего выбирать.

Примечание: Экспериментатору следует знать, что любая примесь в растворе может стать включением в кристалле или быть источником дефекта. В итоге вместо монокристалла появятся «химеры», состоящие из наростов и искажений (это возникшие из-за разных центров кристаллизации микрокристаллики пробуравили друг друга); они будут увеличиваться по мере роста кристалла. Иногда это выглядит более эффектно, чем правильный монокристалл (вырастить который, кстати, задача сложная). Но помните, всякое отклонение следует расценивать, как не соблюдение каких-либо условий. В природе попадающие примеси становятся включением в кристалле и иногда не искажают его форму: рост одних минералов в других, явление изоморфизма для квасцов (рис. 7), насекомые, попавшие в воду и закристаллизовавшиеся там (например, град) и т. п.

Рис. 7. Изоморфизм.

«Кристалл в кристалле» - такое выращивание, когда один кристалл растёт поверх затравки другого кристалла, можно осуществлять с веществами одинаковой природы, например, с квасцами общей формулы

Me^IMe^III(SO₄)₂∙12H₂O (Me^I= щелочной металл и NH₄⁺, Me^III=Al³⁺, Cr³⁺, Fe³⁺ и др.)

На следующий день осматривают раствор. В нём не должны плавать примеси; если это раствор алюмокалиевых квасцов, то он должен быть бесцветным и прозрачным. Раствор же медного купороса не должен содержать мути.  На дне должен выпасть избыток вещества в виде кристаллов. В том случае, если обнаружены примеси, раствор подогревают на 20^оC (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. Поскольку нам осадок не нужен, зачем усложнять процесс фильтрования. Кусочек ваты должен лежать неплотно на дне воронки, не затруднять ток жидкости, но и не проваливаться с нею в стакан, иначе фильтровать придётся заново, смачивать вату водой, как фильтр не надо. 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 запастись им дополнительно. Хранить его можно в колбе, либо пластиковых бутылках из-под воды, не содержащей красителей и ароматизаторов (объём которых варьирует от 0,33 до 30 л), с притёртой пробкой (если пробка резиновая, то её оборачивают полиэтиленовой плёнкой, чтобы она не взаимодействовала с раствором), на дне должны оставаться кристаллы вещества.

II. Получение кристалла-затравки:

Готовый очищенный раствор аккуратно сливают с осадка кристаллов и в количестве 1 л помещают в термостойкую круглодонную колбу. Туда же помещают 1 чайную ложку (с горкой) химически чистого вещества (это могут быть те же выпавшие кристаллы). Теперь колбу нагревают на водяной бане, добиваясь полного растворения, как правило, в окрашенных растворах окраска, из-за избытка вещества, становится интенсивнее. Полученный раствор греют ещё 5 мин на водяной бане при температуре не выше 60-70^оС, после чего его переливают в чистый, подогретый до температуры раствора термостойкий стакан (можно ополоснуть кипятком). Стакан обворачивают плотно сухим полотенцем, накрывают фильтровальной бумагой и оставляют остывать. Сейчас раствор надо беречь от сквозняков, от резких перепадов температур.

Резкий перепад температур, как и резкое перемешивание остывшего раствора, могут вызвать преждевременную кристаллизацию, но кристаллы при этом получатся мелкие и бесформенные, они плотно осядут на стенках раствора и нагревание придётся повторять снова.

Спустя сутки, убирают полотенце, не стараясь колыхать стакан, чтобы не вызвать незапланированную кристаллизацию. Осматривают содержимое – на дне и на стенках должны образоваться  небольшие плоские синие кристаллики-параллелограммы.  

–       Если образовалось множество мелких сросшихся бесформенных кристалликов, как после резкого охлаждения, то количество соли уменьшают и повторяют описанную стадию.

–       Если кристаллики не образовались, Ваша вина – Вы не насытили раствор как следует и поэтому раствору следует постоять ещё сутки; либо следует увеличить количество растворяемого вещества, повторив этап заново.

Эта стадия эксперимента должна вас обучить правильно выращивать затравку, которая далее будет исходным кирпичиком для получения «огромной конструкции». Отберите подходящие по структуре кристаллики (с длинной ребра от 0,3 см и более) и храните их отдельно в банке с притёртой пробкой вдали от источников высоких температур и света. С каким-то одним вы будете продолжать эксперимент.

Помните: чем меньше выбранная вами затравка, чем она правильнее, тем легче раствору (системе) подстроиться под неё (как перламутру к песчинке, попавшей в мантию моллюска).

III. Выращивание монокристалла:

Монокристалл выращивают из полученной затравки. Используя суровую нить, плотно на 1-2 раза обвивают затравку, чтобы она не соскользнула после намокания нити, желательно за самую длинную грань, либо выберите затравку с длинной гранью.  Придётся помучиться, создавая петельку, в которую ляжет кристалл размером около 3-5 мм. Главное – терпение, попросите кого-нибудь помочь Вам, пусть разделяют Ваше увлечение, скажем, родители. Это не сложнее, чем попасть ниткой в ушко иголки. Второй конец нити можно примотать к крестовине из деревянных или пластиковых палочек, чья длина больше диаметра стакана. Намотайте нить так, чтобы при повороте крестовины Вы могли легко регулировать высоту подъёма затравки.

Снова готовят насыщенный раствор на основе исходного маточного. Для этого готовый раствор ставят на водяную баню и добавляют 0,5 чайной ложки вещества (иногда меньше). Чем меньше Вы добавите его на этом этапе, тем лучше (можно также просто нагреть насыщенный раствор, без добавления вещества). Греют и перемешивают. Как только вещество растворилось, колбу вынимают, и раствор переливают в заранее приготовленный нагретый стакан. Стакан с раствором ставят на выбранное место, и дают 20-30 секунд постоять, чтобы жидкость немного успокоилась. Наш раствор непересыщенный, поэтому «лишние градусы» могут вызвать растворение затравки, что нам не нужно. Если раствор тёплый, ему дают остыть до 30^оC или чуть меньше. Желателен термометр, но проверить при его отсутствии приблизительную температуру – легко, температура нашего тела 36,6^оC, поэтому всё, что кажется теплее – выше её, наоборот – ниже. Следить за остыванием раствора следует очень внимательно, чтобы не допустить её понижения до комнатной (обычно на остывание раствора выделяю около двух часов, в зависимости от температуры воздуха в помещении). Затем затравку располагают в тёплом растворе (температура на 5-7^оС выше комнатной) таким образом, чтобы кристаллик как бы висел в нём, на высоте1/2 или 3/5 от дна. Поместив затравку в раствор, понаблюдайте на просвет не оплывают ли грани у Вашей затравки, не создаются ли вокруг неё волнообразные завихрения. Если да – раствор ещё тёплый для затравки, такое бывает с хорошо растворимыми в воде веществами, надо затравку вынимать и подождать ещё. Мой обычный температурный предел выжидания: раствор должен быть минимум на 5^оС выше комнатной температуры. Когда, наконец, разместили – всё, осталось только ждать, при этом стакан вертеть, наклонять, перемешивать раствор не рекомендуется.

Бывает и такое: пришли на утро смотреть на затравку, а в растворе только петля болтается и затравка лежит на дне. Если нить была толстая, она набухла, петля увеличилась и кристалл выпал. Но стоп, трогать, вынимать что-либо, а уж тем более расстраиваться не нужно! Читайте ниже.

Следует сказать, что можно вырастить кристалл и без нити. Для этого требуется широкий стакан с плоским дном, так как для этой цели затравку аккуратно укладывают на середину дна (можно помочь ей лечь нагретой стеклянной палочкой), и она повторит его рельеф. Здесь рост кристалла будет ограничен стенками стакана, и преимущественно, он будет расти в стороны – это хорошо для медного купороса и для плоских кристаллов в принципе (жёлтая кровяная соль, гидрофталат калия). Если такое получилось случайно, следите, чтобы на дне не стали расти ещё кристаллы, а то они врастут в исходный. На петле со временем тоже могут начать расти кристаллы, иногда их бывает несколько, а иногда растёт 1-2 правильных и выросшие таким образом, они окажутся лучше затравки.

В случае с квасцами лучше использовать нить. Но здесь требуется следить за тем, чтобы она не обрастала. Если такое произошло, то нить с кристаллом вынимают, счищают лишнее и заново готовят раствор¹ (греют, подготавливают к температуре кристалл и т.п.) Порой нить трудно очищать, соскабливая лишние кристаллические наросты, высок риск её разорвать. Для этого надо поднести нить к тонкой струе горячей воды, и поводить «проблемный» участок так, чтобы вода не задела затравку до их растворения.

Помните: чтобы не было наростов на нити, нить должна быть тонкой без волосков, и должна быть опущена с затравкой в раствор на 5-7^оС теплее комнатной температуры. Такая нить успевает пропитаться раствором и «сливается» с системой в единое целое. О.Ольгин советует смазать нить вазелином [1], но мне это не помогало, при этом часто загрязнялся раствор маслянистой плёнкой. Но я не спорю с идеей, в своей книге «Опыты без взрывов» он не преследует целей вырастить крупный однородный кристалл, а жаль…

Затравку иногда советуют прилеплять супер-клеем, лично я не пробовал.

          Теперь следует следить за ростом кристалла каждый день, ни в коем случае не поднимая, не поворачивая и не сотрясая стакан с раствором, иначе эта встряска породит в системе незапланированную, иногда мгновенную кристаллизацию.

Так многие авторы советую доливать раствор в систему по мере его испарения. Для небольших объёмов очень сложная операция, поскольку возникшая сильная диффузия также может вызвать сбои в росте кристалла. В насыщенную систему растворы я не доливаю, я готовлю большой объём вещества сразу и выращиваю кристаллы в стаканах от 1 л и выше, когда уровень жидкости опускается до верхушки кристалла, я переподготавливаю раствор снова и вношу подросший кристалл в новую систему. Иногда эти повторения могут отражаться на кристалле тонкими полосками – одна полоска, значит, раствор меняли один раз (типа годичных колец на дереве).

Вначале вы увидите, как система будет «обживать» затравку, как они будут подстраиваться друг под друга. По мере роста нить начнёт уходить внутрь кристалла, получится что-то вроде кулона. В итоге вы должны получить следующее:

Рис.8. Выращенные кристаллы медного купороса (I) и алюмокалиевых квасцов (II)², один кристалл - за одну неделю.

Как видите, у кристаллов есть своя особенность, они должны быть гладкими и прозрачными, как стекло. Однако, при частом прикасании к кристаллу, хранении на открытом воздухе, на свету, мы наблюдаем его помутнение: кристалл выветривается, т.е. теряет, всегда входящую в его состав воду. Есть несколько веществ, которые в моей практике превосходно сохранились и не потеряли вошедшую в их состав воду: гидрофталат калия, красная кровяная соль, хлорид натрия. Вода в кристалл входит в разных количествах и в красной кровяной соли, алюмокалиевых квасцах, к примеру, она удерживается лучше, чем в жёлтой кровяной соли и в хромокалиевых квасцах. Избежать выветривания для кристаллов, выращенных из растворов, сложно. Поэтому хранить  кристаллы следует в герметичных пакетах или баночках в холодильнике (см. ранее). Хромокалиевые квасцы лучше хранить в концентрированном сотрясённом растворе в банке с плотно прилегающей пробкой в месте, где температура может измениться максимум на 5^о.

Более подробная информация о росте кристаллов представлена на отдельной ссылке рядом с их фотографиями.

Примечание:

1). Некоторые кристаллы (гидрофталат калия) можно выращивать, погрузив только один раз в раствор, в слегка тёплых растворах. При высокой (или наоборот – низкой) температуре кристалл покрывается трещинами и мутнеет. Идеальный кристалл гидрофталата калия  – шестиугольная призма-таблетка, прозрачная как стекло. Если вы посмотрите на химическую формулу (рис.9), которая отражает его состав, вы поймёте, почему у кристаллов такая форма:

Рис. 9. Гидрофталат калия (С₈Н₅О₄К).

2).  Очень часто, вместо идеального октаэдра (т.е. тетрагональная бипирамида) у квасцов получается усечённый октаэдр – кубоктаэдр. Поэтому обращайте внимание на выбор затравки (кристалл создаётся по подобию затравки), тупая грань повториться везде! Так устроена система: она влияет на рост кристалла и сам кристалл влияет на свой рост.

3).Выращивание кристаллов хромокалиевых квасцов сопряжено с трудностями: во-первых, раствор не прозрачен, во-вторых, полученные кристаллы можно хранить только под слоем раствора при постоянной температуре или под толстым слоем лака (бесцветный лак для ногтей) в холодильнике. Однако смеси полученные при смешении растворов алюмокалиевых и содержащие от 5% до 30% хромокалиевых квасцов дают растворы различного оттенка от нежно-розового до цвета аметиста и граната, выращенные из них кристаллы, также имеют форму октаэдра, и хранятся намного дольше хромокалиевых без какой-либо защиты.

4). При выращивании кристаллов бихромата калия, в раствор добавляют немного хромового ангидрида CrO₃ (количество его приходится угадывать на практике), полученные кристаллы не совсем отвечают формуле K₂Cr₂O₇, скорее формуле  K₂Cr₃O₁₀  (трихромат калия), и имеют вид ярко-красных и почти коричневых параллелепипедов. А вот для роста K₂CrO₄ подобные условия излишни, да и кристаллы у хромата калия – гексагональные бипирамиды.

5). Очень дорогая сегнетова соль может дать прозрачные кристаллы-цилиндры до 30 см длины, но раствор для этих целей должен быть очень чистым (прозрачным и бесцветным, не жёлтым!). Если раствор имеет желтизну, обусловленную органическими примесями, его подвергают очистке: перекристаллизации. Каждый раз выпадающие чистые без включений кристаллы отделяют от раствора, пока не останется осадок («грязь»), обуславливающий желтизну, который удаляют. Очистка активированным углём не помогает.  

6). Ромбические призмы, подобные медному купоросу дают тиосульфат натрия (фиксаж) и сульфит натрия, полученные кристаллы похожи на лёд, однако не стабильны и на воздухе рассыпаются в белый порошок спустя несколько часов. Хранение подобно хромокалиевым квасцам, но под лаком кристалл также мутнее.

7). У хлорида натрия можно вырастить небольшие кубики, для получения крупных кристаллов используют большие сосуды с затравками, поскольку растворимость его меняется слабо. Более другой, эффективный способ – выращивание из концентрированного раствора хлорида меди (II) CuCl₂, который, испаряясь, высаливает в первую очередь хлорид натрия. Однако полученные кристаллы имеют зелёный оттенок. И второй вариант – добавление к раствору соли мочевины (на 200 мл насыщенного раствора 3 ч/ложки карбамида) – эту методику предлагали в своей книге Кантор Б. З.; "Минерал рассказывает о себе", М.: Недра, 1985 г. [5], кристаллы будут уже крупнее – до 1см, но октаэдрических кристаллов NaCl, мне получить не удалось (есть какой-то авторский секрет, очевидно, заключённый в добавке чего-то ещё). При выращивании NaCl из растворов KCl, RbCl получаются смешанные соли.

8).  Иногда можно наблюдать и такой процесс. В насыщенном растворе с кристаллами на дне всегда существует круговорот: вещество из кристаллического осадка переходит в раствор и обратно. Каждый раз «возвращаясь» в кристалл вещество его укрупняет, так спустя несколько месяцев, мелкокристаллический осадок превращается в крупнокристаллический монолит, которые может дилетантами восприниматься как один большой кристалл.

9). Вы также можете вырастить свои «сталагмиты» и «сталактиты» (Л. Г. Катаева, г. Сосенский, Калужская обл.). Для этих целей готовят очень пересыщенные растворы тиосульфата натрия Na₂S₂O₃*5H₂O или ацетата натрия CH₃COONa. Их наливают в заранее приготовленные стаканы (рис.10) со стеклянными трубками разной длины (трубки должны быть тонкими, чтобы раствор через них капал!), заливают парафином (слой 0,5 см). Трубки заклеивают кусочками пластыря, и растворы ставят остывать при комнатной температуре. Стакан укрепляют в штативе (высота около 30 см), перевернув трубками вниз. Под стакан ставят кристаллизационную чашку, в которую насыпают ту же соль, из которой приготовлен раствор (тонкий слой). Открывают отверстия трубок, удалив пластырь, следует потереть их концы влажной чистой марлей. Раствор капает на соль, образуя искусственный сталагмит. Чем медленнее капает раствор, тем лучше получается кристалл. За пять учебных занятий можно получить «сталагмит» высотой 62 см.

Я предлагаю заменить данный прибор хорошо отрегулированной капельной воронкой, в которую доливать насыщенный раствор по мере его расходования удобнее. Авот некоторые ребята могут получить такой сталактит за несколько секунд, жаль, что временя этот результат сохраняет ненадолго. В химии опыты с ацетатом натрия известны, как «горячий лёд»:

9). Игольчатые, пушистые кристаллы камфары или салициловой кислоты длиной 0,3-0,8 см можно получить, оставив испаряться их спиртовые медицинские растворы (1-2%), разумеется, вдали от огня (поэтому работа с органическими растворителями крайне не удобна: они горючи и имеют запах).

10). Если приготовить раствор хлорида аммония NH₄Cl небольшой концентрации (40-50%) и кистью нанести на чистую стеклянную пластину, то при высыхании получится «морозный узор», такие узоры могут дать и любые другие вещества, если работать с их разбавленными растворами.  

11). Если из нержавеющей проволоки или спичек сделать буквы, их плотно обмотать ниткой и поместить в раствор для выращивания кристаллов, то можно получить красивые буквы для оформления стендов. Их вынимают из раствора, сушат и покрывают бесцветным лаком или клеем для склеивания пластмасс. Рекомендуемые соли: поваренная соль, хромат и бихромат калия, квасцы.

5.Заключение

·        Я смог изучить природу кристаллов.

·        Смог познакомится с разновидностями кристаллов.

·        Провел эксперимент по выращиванию кристаллов.

                               6.Список использованных источников

1. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.novate.ru/blogs/131008/10496/.- novate ” Построить дом, посадить дерево, вырастить... мебель” (Дата обращения: 28.11.2015).

2. Шаскольская М. П.; "Кристаллы", М.: Наука, 1985г.; (Дата обращения: 28.11.2015).

3. . [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.kristallikov.net/page6.html ”Выращивание кристаллов”;” Как вырастить кристалл” (Дата обращения: 28.11.2015).

4. . [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.zircon81.narod.ru/Metodica.html ”Кристаллы” (Дата обращения: 28.11.2015).

5. Здорик Т. Б., «Камень, рождающий металл», М.; «Просвещение», 1984г.; (Дата обращения: 28.11.2015).