Lui-kafe.ru

Кафе "Луи"
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Из каких агрегатных состояний выращивают кристаллы

Выращивание кристаллов в домашних условиях

Введение

1. Теория кристаллов.
Кристаллы — это твердые тела, атомы или молекулы которых занимают определенные, упорядоченные положения в пространстве. Поэтому кристаллы имеют плоские грани. Например, крупинка обычной поваренной соли имеет плоские грани, составляющие друг с другом прямые углы. Кристаллическую структуру имеют металлы. Если взять сравнительно большой кусок металла, то на первый взгляд его кристаллическое строение никак не проявляется ни во внешнем виде куска, ни в его физических свойствах. Металлы в обычном состоянии не обнаруживают анизотропии. Дело здесь в том, что обычно металл состоит из огромного количества сросшихся друг с другом маленьких кристалликов. Свойства каждого кристаллика зависят от направления, но кристаллики ориентированы по отношению друг к другу беспорядочно. В результате в объеме, значительно превышающем объем отдельных кристалликов, все направления внутри металлов равноправны и свойства металлов одинаковы по всем направлениям. Твердое тело, состоящее из большого числа одиночных кристалликов, называют поликристаллическим. Одиночные кристаллы называют монокристаллами. К поликристаллам относятся не только металлы. Большинство кристаллических тел — поликристаллы, так как они состоят из множества сросшихся кристаллов. Одиночные кристаллы — монокристаллы имеют правильную геометрическую форму, и их свойства различны по разным направлениям.

Жидкие кристаллы — вещества, которые ведут себя одновременно как жидкости и как твёрдые тела. Молекулы в жидких кристаллах, с одной стороны, довольно подвижны, с другой — расположены регулярно, образуя подобие кристаллической структуры (одномерной или двумерной). Часто уже при небольшом нагревании правильное расположение молекул нарушается, и жидкий кристалл становится обычной жидкостью. Напротив, при достаточно низких температурах жидкие кристаллы замерзают, превращаясь в твёрдые тела. Регулярное расположение молекул в жидких кристаллах обусловливает их особые оптические свойства. Свойствами жидких кристаллов можно управлять, подвергая их действию магнитного или электрического поля. Это используется в жидкокристаллических индикаторах часов, калькуляторов, компьютеров и последних моделей телевизоров. Соблюдая большие предосторожности, можно вырастить кристалл больших размеров — монокристалл.

В обычных условиях поликристаллическое тело образуется в результате того, что начавшийся рост многих кристаллов продолжается до тех пор, пока они не приходят в соприкосновение друг с другом, образуя единое тело — поликристалл (рис. 1).

Рисунок 1. Поликристалл меди

Чтобы вырастить кристалл, полезно знать, какие процессы управляют его ростом; почему разные вещества дают кристаллы различной формы, а некоторые вовсе не образуют кристаллов; что надо сделать, чтобы кристаллы получились большими и красивыми.

Если кристаллизация идёт очень медленно, то получается один большой кристалл, если быстро — множество мелких кристаллов Выращивание кристаллов производят разными способами:

1. Охлаждение насыщенного раствора.

С понижением температуры растворимость большинства веществ уменьшается, и они, как говорят, выпадают в осадок. Сначала в растворе и на стенках сосуда появляются крошечные кристаллы-зародыши. Когда охлаждение медленное, а в растворе нет твёрдых примесей (скажем, пыли), зародышей образуется немного, и постепенно они превращаются в красивые кристаллы правильной формы. При быстром охлаждении центров кристаллизации возникает много, сам процесс идёт активнее, и правильных кристаллов при этом не получится (см. рис. 2)

Рисунок 2. На стенках сосуда образовались множество различных мелких кристалликов

2.Постепенное удаление воды из насыщенного раствора

В этом случае, чем медленнее удаляется вода, тем лучше получаются кристаллы. Можно оставить открытый сосуд с раствором при комнатной температуре на длительный срок — вода при этом будет испаряться медленно (особенно если сверху положить лист бумаги или прикрыть марлей). Растущий кристалл можно либо подвесить в насыщенном растворе на тонкой прочной нитке, либо положить на дно сосуда. В последнем случае кристалл периодически надо поворачивать на другой бок. По мере испарения воды в сосуд следует подливать свежий раствор (см. рис. 3).

Рисунок 3. Кристалл, полученный на дне сосуда из раствора медного купороса с добавлением соли и железных опилок

3. Быстрое удаление воды из насыщенного раствора

В этом случае кристаллы получаются правильной формы, с острыми гранями, но мелкими (раствор находился в широком сосуде рядом с нагревателем) (см. рис. 4)

Рисунок 4. Монокристаллы, полученные при быстром испарении раствора

Выращивание кристаллов — процесс интересный, занимательный, но требующий бережного и осторожного отношения к своей работе. Время от времени кристаллизатор необходимо чистить: сливать раствор и удалять мелкие кристаллики, наросшие на основном, а также на стенках и дне сосуда. Теоретически размер кристалла, который можно вырастить таким способом, неограничен. Если выращенный кристалл оставить открытым в сухом воздухе, он, постепенно теряя содержащуюся в нём воду, превратится в невзрачный серый порошок. Чтобы предохранить кристалл от разрушения, его можно покрыть бесцветным лаком.

Методы выращивания кристаллов

В исследовательских лабораториях и промышленности выращивают кристаллы из паров, расплавов и растворов, из твердой фазы, синтезируют путем химических реакций, осуществляют электролитическую кристаллизацию, кристаллизацию из гелей и другие. В настоящее время для получения совершенных кристаллов большого диаметра чаще всего применяют следующие методы выращивания:
— из газовой (паровой) фазы при градиенте давления,
— из расплавов при температурном градиенте,
— из растворов при градиенте концентрации на границе раздела кристалл-раствор.

Кристаллизация из паровой (газовой) фазы широко используется для выращивания как массивных кристаллов, так и эпитаксиальных пленок, тонких (поликристаллических или аморфных) покрытий, нитевидных и пластинчатых кристаллов. Конкретный метод выращивания выбирают в зависимости от материала. В методах выращивания, основанных на физической конденсации кристаллизуемого вещества, вещество поступает к растущему кристаллу в виде собственного пара, состоящего из молекул их ассоциаций – димеров, триммеров и так далее. В методе синтеза в паровой фазе кристаллизуемое соединение образуется в результате реакции между газообразными компонентами непосредственно в зоне кристаллизации.

Кристаллизация из расплава – это наиболее распространенный способ выращивания монокристаллов. В настоящее время более половины технически важных кристаллов выращивают из расплава. Веществами, наиболее подходящими для выращивания из расплава, являются те, которые плавятся без разложения, не имеют полиморфных переходов и характеризуются низкой химической активностью [1]. Методами кристаллизации из расплава выращивают элементарные полупроводники и металлы, оксиды, галогениды, халькогениды, вольфраматы, ванадаты, ниобаты и другие вещества. В ряде случаев из расплава выращиваются монокристаллы, в состав которых входит пять и более компонентов. При кристаллизации из расплава важно учитывать процессы, влияющие на состав расплава (термическая диссоциация, испарение, взаимодействие расплава с окружающей средой), процессы на фронте кристаллизации, процессы теплопереноса в кристалле и расплаве, процессы массопереноса (перенос примесей, обусловленный конвекцией и диффузией в расплаве) [2].

Кристаллизацию из растворов применяют при выращивании веществ, разлагающихся при температурах ниже температуры плавления. Рост кристаллов осуществляется при температурах ниже температуры плавления, поэтому в выращенных такими методами кристаллах отсутствуют дефекты, характерные для кристаллов, выращенных из расплава. При выращивании кристаллов из растворов движущей силой процесса является пересыщение. Методом температурного перепада выращивают, например, кристаллы дигидрофосфата калия и дигидрофосфата аммония. Скорость роста кристаллов в таких условиях составляет около 1 мм/сут. Кристаллы весом 400 г. растут в течение 1,5-2 месяцев [2].

Кристаллы и их применение.

Живя на Земле, сложенной кристаллическими породами, мы, безусловно, никак не можем отвлечься от проблемы кристалличности: мы ходим по кристаллам, строим из кристаллов, обрабатываем кристаллы на заводах, выращиваем их в лабораториях, широко применяем в технике и науке, едим кристаллы, лечимся ими. Изучением многообразия кристаллов занимается наука кристаллография. Она всесторонне рассматривает кристаллические вещества, исследует их свойства и строение. В давние времена считалось, что кристаллы представляют собой редкость. Действительно, нахождение в природе крупных однородных кристаллов – явление нечастое. Однако мелкокристаллические вещества встречаются весьма часто. Так, например, почти все горные породы: гранит, песчаники, известняк–кристалличны. По мере совершенствования методов исследования кристалличными оказались вещества, до этого считавшиеся аморфными. Сейчас мы знаем, что даже некоторые части организма кристалличны, например, роговица глаза, витамины, миелиновая оболочка нервов – это кристаллы. Долгий путь поисков и открытий, от измерения внешней формы кристаллов в глубь, в тонкости их атомного строения еще не завершен. Но теперь исследователи довольно хорошо изучили его структуру и учатся управлять свойствами кристаллов.

Кристаллы – это красиво, можно сказать, чудо какое-то, они притягивают к себе, являются промежуточным звеном между живой и неживой материей. Кристаллы могут зарождаться, стареть, разрушаться. Кристалл, когда растет на затравке (на зародыше), наследует дефекты этого самого зародыша.

Кристалл чудодейственен своими свойствами, он выполняет самые разные функции. Эти свойства заложены в его строении, которое имеет решетчатую трехмерную структуру. Как пример использования кристаллов можно взять кристалл кварца, который используется в телефонных трубках. Если на пластинку из кварца воздействовать механически, то в ней в соответствующем направлении возникнет электрический заряд. В трубке микрофона кварц преобразует механические колебания воздуха, вызванные говорящим, в электрические. Электрические колебания в трубке абонента преобразуются в колебательные, и, соответственно, он слышит речь. Будучи решетчатым, кристалл ограняется и каждая грань, как личность, своеобразна. Если грань плотно упакована в решетке материальными частицами(атомами или молекулами), то это очень медленно растущая грань. Например, алмаз. У него грани имеют форму октаэдра, они очень плотно упакованы атомами углерода, и отличаются в силу этого и блеском, и прочностью.

Практическая часть

Название работы: Выращивание кристаллов поваренной соли, медного купороса и сахара в домашних условиях

Цель: Вырастить кристаллы из насыщенных растворов соли, медного купороса, сахара и убедиться на опыте в том, что кристаллы данных веществ имеют правильную форму.

Актуальность выбранной темы.

Окружающий нас мир состоит из кристаллов, можно сказать, что мы живем в мире кристаллов. Жилые здания и промышленные сооружения, самолеты и ракеты, теплоходы и тепловозы, горные породы и минералы слагаются из кристаллов. Мы едим кристаллы, лечимся ими и частично состоим из кристаллов.
Кристаллы – это вещества, в которых мельчайшие частицы “упакованы” в определенном порядке. В результате при росте кристаллов на их поверхности самопроизвольно возникают плоские грани, а сами кристаллы принимают разнообразную геометрическую форму. Интересно происхождение слова “кристалл”. Много веков назад в снегах Альп на территории современной Швейцарии нашли очень красивые бесцветные кристаллы, напоминающие чистый лед. Древние натуралисты так их и назвали – “кристаллос”, по-гречески лед. Полагали, что лед, находясь длительное время в горах, на сильном морозе, окаменевает и теряет способность таять. Аристотель писал, что “кристаллос рождается из воды, когда она полностью утрачивает теплоту”. Еще в средних веках этот термин “кристалл” применялся исключительно к кварцу. Вместе с тем большая часть природных минералов обладает кристаллическим строением. Первые минералоги интересовались прежде всего, именно формой кристаллов, разнообразие которой поражает. Знаменитый русский кристаллограф Е.С. Федоров, который теоретически вывел законы построения кристаллов, говорил: “Кристаллы блещут симметрией”. Кристаллы действительно так хороши собой, что ими можно любоваться часами. Многие ученые, внесшие большой вклад в развитие химии и минералогии, начинали свои первые опыты с выращивания кристаллов, пытаясь понять, как они образуются.

И я решил начать свою исследовательскую работу, поставив цель: получить кристаллы различных веществ в домашних условиях.

Цель исследования: исследование зависимости формы и размеров кристаллов от температуры

Задачи исследования:
1. Вырастить монокристалл.
2. Вырастить поликристалл.

Объект исследования:
1. раствор медного купороса
2. раствор поваренной соли
3. раствор сахара

Предмет исследования: кристаллы соли и сахара

Эксперимент № 1.Выращивание кристаллов поваренной соли

Этот процесс не требует наличия каких-то особых химических препаратов. Кристаллы поваренной соли NaCl представляют собой бесцветные прозрачные кубики.
Насыпал пищевую соль в стакан с водой при температуре 20°С и оставил на несколько минут, предварительно помешав. За это время соль растворилась. Затем добавил ещё соль и снова перемешал. Повторял этот этап до тех пор, пока соль уже не будет растворяться и будет оседать на дно стакана. Так я получил насыщенный раствор соли. Перелил его в чистый стакан такого же объёма, избавившись при этом от излишек соли на дне. Выбрал один более крупный кристаллик поваренной соли и положил его на дно стакана с насыщенным раствором. Уже через 3 дня было заметно значительный для кристаллика рост. С каждым днём он увеличивался. Затем проделал всё то же ещё раз (приготовил насыщенный раствор соли и опустил в него этот кристаллик), он стал расти гораздо быстрее — от размеров 0,3 до 0,9 см за следующие 3 дня (см. рис. 5)

Рисунок 5. Бесцветные прозрачные кубики поваренной соли

Эксперимент № 2. Выращивание кристаллов медного купороса

Раствор медного купороса приготовил следующим образом: налил воды в стакан (200 г) и поставил его в кастрюлю с тёплой водой при 50°С и начал растворять 100 г порошка медного купороса. Также, как и раствор поваренной соли, оставил на несколько дней. Сначала способом быстрого испарения в открытом сосуде на стенках получил монокристалл медного купороса (см. рис. 6)

Рисунок 6. Монокристалл, зародыш для поликристалла

Затем поместил его в новый раствор для дальнейшего наращивания при комнатной температуре и закрытом сосуде. Через 2 недели получил поликристалл размером 2,8 см (см рис. 7).

Рисунок 7. Поликристалл размером 2,8 см

Эксперимент №3. Выращивание кристаллов сахара

Для того, чтобы вырастить кристалл из сахара, нужно вскипятить воду и налить кипяток в стакан. Затем начать насыпать в воду сахар и постоянно помешивать. Продолжать делать это до тех пор, пока сахар не перестанет растворяться, т.е. пока раствор не станет перенасыщенным.

Возьмите не слишком длинную тонкую нитку. Один конец нитки привяжите к карандашу прямо по центру, а ко второму концу привяжите маленький кристаллик сахара (рис.8).

Рисунок 8. Затравка на карандаше

Положите карандаш на стакан с сахарным раствором, а нитку опустите. Дальше вам остается только ждать. В лучшем случае небольшой кристалл сахара сможет вырасти за 2-3 дня, а в худшем – вам придется ждать заметного результата полтора-два месяца (рис. 9).

Рисунок 9. Выращенный кристалл сахара

Заключение

Процесс выращивания кристаллов в домашних условиях – это очень интересное и увлекательное занятие, позволяющее сознательно отнестись к закономерностям природы. Работа по выращиванию кристаллов сделала меня более наблюдательным, расширила мой кругозор, приобщила к науке, позволила удивляться. Переживание “чуда” выращивания принесло мне много положительных эмоций и ярких впечатлений. Исследовательская работа приоткрыла мне дверь в загадочную страну кристаллов и минералов.

Полученные мною кристаллы можно использовать на уроках химии и физики как демонстрационный материал.

Литературные источники:

Работу выполнил: Смоленников Павел Сергеевич
ученик 11 «Б» класса

Научный руководитель: Крестьянникова Елена Валериевна
учитель химии, 1-ой категории

КГУ «Средняя школа №12 поселка Осакаровка»
акимата Осакаровского района
Карагандинской области
Республика Казахстан

Из каких агрегатных состояний выращивают кристаллы

Как растут кристаллы

Кристаллы железного купороса или пищевой соды, растущие буквально на наших глазах и поражающие своими строгими геометрическими формами, никогда не перестанут удивлять.
Каким образом природе удается буквально за считанные часы создавать столь совершенные творения? Очень быстро, в течение нескольких дней, из приготовленного раствора вырастают кристаллы каменной (поваренной) соли и меди, сахара и алюмокалиевых квасцов.

Механизм роста кристаллов прост и сложен одновременно. В домашних и лабораторных опытах кристаллы обычно выращивают из пересыщенных водных растворов. Но они могут расти и из расплавов, кристаллы могут образоваться и при раскристаллизации гелей. При определенных условиях кристаллы могут менять свое строение, переходя из одной кристаллической формы в другую, с сохранением химического состава. Этот процесс носит название перекристаллизация.

Геометрический отбор растущих кристаллов при образовании друзы (схема)

Рост кристаллов (за исключением перекристаллизации) всегда является переходом из одного агрегатного состояния в другое (из газообразного — в твердое; из жидкого — в твердое). Для того, чтобы начался рост кристаллов из раствора, нужно, чтобы раствор был пересыщенным. Тогда, при снижении температуры, в растворе возникнут центры кристаллизации, микроскопические «зародыши» будущих великолепных кристаллов. Рассмотрим, для примера, поваренную (каменную) соль, формула которой известна каждому со школьных времен — NaCl. Если раствор пересыщен ионами натрия и хлора, они находятся на близком расстоянии друг к другу и между ними устанавливается химическая связь. Несколько молекул строятся в кубическую решетку, а к ним уже присоединяются другие ионы. Так образуется «зародыш» кристалла. Молекулы соединяются с друг с другом, в результате микроскопический кристаллик увеличивается и скоро становится видимым кубиком. Это идеальный вариант роста кристалла, который никогда не осуществляется на практике. Для того, чтобы получить идеальный кубик соли, нужно, чтобы «зародыш» неподвижно висел в растворе, не тонул и ни к чему не прикреплялся (хотя, в невесомости, возможно, когда-то и проведут такой опыт). К тому же, к кристаллу непрерывно и равномерно должен с определенной скоростью подаваться пересыщенный раствор и равномерно омывать его.

Читать еще:  Где выращивают зерновые культуры в краснодарском крае

В условиях реального опыта (или в природе) раствор поступает к «зародышу» неравномерно, может меняться как скорость поступления, так и температура раствора. К тому же, в растворе образуется множество «зародышей». Поэтому из раствора вырастает множество кристаллов в виде агрегатов или друз (на твердой поверхности — основе), которые нарастают друг на друга, растут рядом, перекрывают друг друга.

При неравномерном, волнообразном поступлении пересыщенного раствора искажается форма кристалла, некоторые его грани не могут приобрести совершенные формы. Такой же процесс с образованием множества центров кристаллизации и зародышей происходит при росте кристаллов из насыщенной газами среды.

Самые совершенные кристаллы вырастают в тех местах, где раствор поступает равномерно и есть пространство для роста. Поэтому в любой друзе самыми большими и красивыми являются верхние кристаллы.

Исследования показывают, что самые большие и красивые кристаллы вырастают в условиях, когда центров кристаллизации мало, а пространство между ними велико.
Важен и еще один момент — чем дольше растет кристалл при сохранении оптимальных условий — тем совершеннее его грани. При очень быстром изменении температурных условий и концентрации вещества в растворе кристаллики вырастают очень мелкими (иногда их размеры не превышают несколько микрон).

В природе вырастают как очень мелкие, так и очень большие кристаллы. Так, кристаллы природного гипса могут достигать в длину 5-6 метров и более.

Цвет кристалла одного и того же минерала может быть различным из-за примесей, которые в момент его роста находились в растворе. Они встраиваются в кристаллическую решетку кристалла.

О том, как провести опыты по выращиванию кристаллов в домашних условиях, можно узнать, пройдя по ссылке.

Мексика, штат Чиуауа, пещера Найка. Кристаллы гипса

Твердые тела разделяют на аморфные тела и кристаллы. Отличие вторых от первых состоит в том, что атомы кристаллов располагаются согласно некоторому закону, образуя тем самым трехмерную периодическую укладку, что называется – кристаллическая решетка.

Этимология

Примечательно, что название кристаллов происходит от греческих слов «застывать» и «холод», и во времена Гомера этим словом называли горный хрусталь, который тогда считался «застывшим льдом». Сперва данным термином называли лишь ограненные прозрачные образования. Но позже, кристаллами стали звать также непрозрачные и не ограненные тела природного происхождения.

Кристаллическая структура и решетка

Идеальный кристалл представляется в виде периодически повторяющихся одинаковых структур – так называемых элементарных ячеек кристалла. В общем случае, форма такой ячейки – косоугольный параллелепипед.

Следует различать такие понятия как кристаллическая решетка и кристаллическая структура. Первая – это математическая абстракция, изображающая регулярное расположение неких точек в пространстве. В то время как кристаллическая структура – это реальный физический объект, кристалл, в котором с каждой точкой кристаллической решетки связана определенная группа атомов или молекул.

Кристаллическая структура граната — ромб и додекаэдр

Основным фактором, определяющим электромагнитные и механические свойства кристалла, является строение элементарной ячейки и атомов (молекул), связанных с ней.

Анизотропия кристаллов

Главное свойство кристаллов, отличающее их от аморфных тел – это анизотропия. Это означает, что свойства кристалла различны, в зависимости от направления. Так, например, неупругая (необратимая) деформация осуществляется лишь по определенным плоскостям кристалла, и в определенном направлении. В связи с анизотропией кристаллы по-разному реагируют на деформацию в зависимости от ее направления.

Однако, существуют кристаллы, которые не обладают анизотропией.

Виды кристаллов

Сравнение структур монокристаллов и поликристаллов

Кристаллы разделяют на монокристаллы и поликристаллы. Монокристаллами называют вещества, кристаллическая структура которых распространяется на все тело. Такие тела являются однородными и имеют непрерывную кристаллическую решетку. Обычно, такой кристалл обладает ярко выраженной огранкой. Примерами природного монокристалла являются монокристаллы каменной соли, алмаза и топаза, а также кварца.

Сульфат алюминия-калия монокристалл

Немало веществ имеют кристаллическую структуру, хотя обычно не имеют характерной для кристаллов формы. К таким веществам относятся, например, металлы. Исследования показывают, что такие вещества состоят из большого количества очень маленьких монокристаллов — кристаллических зерен или кристаллитов. Вещество, состоящее из множества таких разноориентированных монокристаллов, называется поликристаллическим. Поликристаллы зачастую не имеют огранки, а их свойства зависят от среднего размера кристаллических зерен, их взаимного расположения, а также строения межзеренных границу. К поликристаллам относятся такие вещества как металлы и сплавы, керамики и минералы, а также другие.

Возможные способы роста и образования

  1. Кристаллизация путем возгонки. Подобный метод кристаллизации подразумевает переход вещества из газообразного состояния к твердому, минуя жидкую фазу. Подобный процесс в природе имеет место в вулканических трещинах или кратерах, когда вещество быстро остывает. Однако простейший пример – образование зимой снежинок из воды.

Кристалл воды — снежинка

Монокристалл рубина (корунд)

Другие факты

  • Имеет место такое явление как прорастание кристаллов. Это означает процесс, когда индивиды взаимно пересекаются и прорастают друг друга.
  • Существуют так называемые ионные кристаллы, которые состоят в основном из ионов, связь которых образуется за счет электростатического притяжения. К таким телам относят фторид калия и натрия, хлорид и бромид калия и др.
  • Существует 47 простых форм, из которых может состоять кристалл. Среди них: призма, пирамида, тетраедр, трапецоедр, ромбоедр и т.п.

Цель работы – самостоятельно вырастить кристаллы в домашних условиях из различных веществ. Задачи работы: * Узнать, что такое кристалл, какие бывают кристаллы, — презентация

Презентация была опубликована 5 лет назад пользователемВячеслав Самошкин

Похожие презентации

Презентация на тему: » Цель работы – самостоятельно вырастить кристаллы в домашних условиях из различных веществ. Задачи работы: * Узнать, что такое кристалл, какие бывают кристаллы,» — Транскрипт:

2 Цель работы – самостоятельно вырастить кристаллы в домашних условиях из различных веществ. Задачи работы: * Узнать, что такое кристалл, какие бывают кристаллы, где они применяются; * Попробовать изменить цвет и форму кристалла; * Научиться соблюдать требования техники безопасности при проведении эксперимента.

3 Перед тем, как приступить к выполнению работы, я посетил Уральский Геологический музей. Музей разносторонне показывает уральский камень и руды Урала не только в том виде, в каком они встречаются в природе, но и во всевозможных продуктах и изделиях из них. Хотя музей в настоящее время насчитывает свыше 30 тысяч экспонатов, в постоянной экспозиции музея находится только около десяти тысяч собранных богатств. Остальные, скрытые от глаз, таятся в многочисленных запасниках фондах.

4 Кристалл это обычно твердое вещество, но бывают и жидкие кристаллы. Каждое вещество состоит из маленьких частиц (молекул или атомов). Можно назвать их кирпичиками. Обычно в веществе кирпичики разные и по-разному соединяются друг с другом, т. е. получаются странные узоры. А в кристалле кирпичики одинаковые, они одинаково соединяются друг с другом, повторяются в точно такой же последовательности по всему веществу, т. е. получаются узоры правильной формы. Большинство горных пород и минералов состоит из кристаллов. ПИРИТГОРНЫЙ ХРУСТАЛЬКРИСТАЛЛ РУБИНА

5 Величина кристаллов иногда достигает человеческого роста. В Восточном Оренбуржье в бассейне р. Джаман-Акжар найден кристалл горного хрусталя длиной 170 см, 80 см в поперечнике и весом 784кг. Он назван «Малюткой». Его возраст миллионов лет. Кристалл «Малютка» установлен перед входом в Уральский геологический музей.

6 В 2000 г. в мексиканской пустыне Чиуауана глубине 300 метров была обнаружена Пещера Гигантских Кристаллов. Пещера является естественным скоплением гигантских кристаллов. Кристаллы состоят из селенита и являются самыми большими из когда-либо обнаруженных на Земле. Их размеры составляют до 4 метров в диаметре, 11 метров в длину, весом они до 55 тонн. Ближе к поверхности земли рядом с Пещерой Кристаллов на глубине 120 метров находится Пещера Мечей. Ее стены усеяны кристаллическими «кинжалами». В этой пещере гораздо больше кристаллов, но они намного меньше, как правило, до метра в длину.

7 В настоящее время кристаллы имеют большое распространение в науке и техники, так как обладают особыми свойствами. Кристаллы нашли своё применение в различных областях: для изготовления украшений, в технике, например рубиновый лазер, жидкокристаллические экраны и т.д

8 Кристаллы возникают при переходе вещества из любого агрегатного состояния (расплавы, растворы, пары) в твердое. Застывание магмы – это процесс роста кристаллов из расплавов Отложение солей из насыщенных соляных источников Примерами кристаллов из паров являются снежинки, иней Агат образуется в пустотах при застывании вулканической магмы

9 После посещения Горного музея возникло желание самостоятельно вырастить кристаллы из следующих веществ: — соль поваренная; — соль поваренная с добавлением раствора бриллиантовой зелени (зеленки); — соль морская; — квасцы жженые; — сахар; — медный купорос; — железный купорос; — детский набор для выращивания — кристаллов желтого и зеленого цветов.

10 Весь процесс выращивания кристаллов можно разделить на несколько этапов. Этап 1: Приготовление раствора. В кипящей дистиллированной воде растворяем вещество, из которого будет расти кристалл. Растворяется вещество до тех пор, пока не будем уверены, что вещество уже больше не растворяется (такой раствор называется насыщенный). Этап 2: Насыщенный раствор переливается в другую ёмкость, где можно производить выращивание кристаллов (с учётом того, что он будет увеличиваться). Этап 3: Привязывается на нитку «затравка» (крупный кристаллик вещества, который растворяли; пуговица; камешек и т.д.), нитку крепится, например, к карандашу который кладется на край стакана (ёмкости), где налит насыщенный раствор.«Затравка» опускается в насыщенный раствор. Этап 4: Ёмкость с насыщенным раствором и «затравкой»переносится в место, где нет сквозняков, вибрации и сильного света (выращивание кристаллов требует соблюдение этих условий). Этап 5: Ёмкость с насыщенным раствором и «затравкой» накрывается чем-нибудь сверху (например, бумагой), чтобы защитить раствор от попадания пыли и мусора. Оставляем раствор на несколько дней. Этап 6: Наблюдение за ростом кристаллов.

11 * детского набора для выращивания кристаллов желтого цвета. * соли морской; * соли поваренной (с «затравкой», без «затравки», с «затравкой» со сменой температуры); * медного купороса * соли поваренной с добавлением зеленки; * сахара; * квасцов жженых.

12 В одной банке с поваренной солью начался рост кристаллов. Кристаллик вырос примерно на 1 сантиметр и пять миллиметров В другой банке, где соли в растворе было очень много и не растворившаяся соль находилась на дне банки кристалл вырос на три сантиметра. На стенках банки образовался осадок Кристаллик из поваренной соли, в раствор которой была добавлена зеленка стал расти с чуть заметным зеленым оттенков. Оттенок появился от окрашенной зеленкой нитки.

13 Кристаллики из детского набора подросли еще примерно на сантиметр. Они сформировались в красивую друзу. Кристаллы из квасцов никак не изменились. В банке с медным купоросом я не заметил никаких изменений, кроме более сильного осадка на стенках банки и, поэтому не стал вытаскивать нитку из раствора.

14 Из морской соли вырос кристалл длиной примерно 7 сантиметров. Отдельные кристаллики имеют кубическую форму. Из поваренной соли выросли: * «Снежинка» примерно 4 сантиметра * В другой банке вырос кристаллик длиной примерно в 5 сантиметров

15 Самое интересное произошло с раствором медного купороса.

16 17 февраля 2013 г. из нового детского набора поставил выращиваться желтый кристалл. 25 февраля 2013 г. кристаллы из детского набора выглядели так: 26 февраля 2013 г. Поставил дополнительно раствор из железного купороса. Раствор был буро-коричневого цвета. Также я поставил новый раствор из детского набора зеленого цвета. Кристаллы железного купороса. 11 марта 2013 г.:

17 Во время проведения опыта, когда появились первые результаты, я задумался, а что будет, если в насыщенный раствор опустить какой-нибудь предмет? Вырастит ли кристалл на конкретном предмете так, как он растет на нитке? Для этого в насыщенный раствор соли погрузили пластмассовую снежинку и искусственный цветок. Закрыл все пленкой и в течение месяца не открывал. В результате на цветочке и на снежинке образовались маленькие кристаллики.

18 Выводы: * Эксперимент был завершен 11 марта 2013г. Кристаллы росли 45 дней. * Выросшие кристаллы оформлены в коллекцию. Кристаллы можно получить из некоторых веществ в домашних условиях, только нужно знать способы их выращивания. Кристалл растёт потому, что вода из насыщенного раствора постепенно испаряется, а кристаллическое вещество переходит из жидкого состояния в твёрдое, так как «кирпичики» притягиваются друг к другу и самостоятельно занимают своё место. У меня не получилось изменить цвет кристаллов при помощи зеленки. Для того чтобы вырастить большие и красивые кристаллы, нельзя при росте без особой причины вынимать их из раствора. Не нельзя допускать попадание мусора в насыщенный раствор, это может сильно замедлить рост кристалла (или кристалл вообще не вырастит). При выращивании кристаллов необходимо соблюдать правила техники безопасности, пользоваться перчатками, очками и выполнять все операции под наблюдением взрослых. Ведь большинство веществ, используемых при выращивании кристаллов, являются ядовитыми.

Из каких агрегатных состояний выращивают кристаллы

Как вырастить кристалл

Почти любое вещество может при известных условиях дать кристаллы. Кристаллы можно получить из раствора или из расплава данного вещества, а также из его паров (например, черные ромбовидные кристаллы иода легко выпадают из его паров при нормальном давлении без промежуточного перехода в жидкое состояние).

Начните растворять в воде столовую соль или сахар. При комнатной температуре (20°С) вы сумеете растворить в граненом стакане только 70 г соли. Дальнейшие добавки соли растворяться не будут и улягутся на дне в виде осадка. Раствор, в котором дальнейшего растворения уже не происходит,- называется насыщенным. .Если изменить температуру, то изменится и степень растворимости вещества. Всем хорошо известно, что большинство веществ горячая вода растворяет значительно легче, чем холодная.

Представьте себе теперь,- что вы приготовили насыщенный раствор, скажем, сахара при температуре 30°С и начинаете охлаждать его до 20°С. При 30°С вы смогли растворить 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, как говорят, выпадут из раствора. Итак, один из возможных способов получения кристаллов состоит в охлаждении насыщенного раствора.

Можно поступить и иначе. Приготовьте насыщенный раствор соли и оставьте его в открытом стакане. Через некоторое время вы обнаружите появление кристалликов. Почему они образовались? 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.

Как же происходит образование кристаллов из раствора?

Мы сказали, что кристаллы «выпадают» из раствора; надо ли это понимать так, что неделю кристалла не было, а в одно какое-то мгновение Он сразу вдруг возник? Нет, дело обстоит не так: кристаллы растут. Не удается, разумеется, обнаружить глазом самые начальные моменты роста. 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.

Опыт показывает, что зародыши чаще образуются при наличии в растворе каких-либо посторонних мельчайших пылинок. Всего быстрее и легче кристаллизация начинается тогда, когда в насыщенный раствор помещается маленький кристалл-затравка. При этом выделение из раствора твердого вещества будет заключаться не в образовании новых кристалликов, а в росте затравки.

Рост зародыша не отличается, конечно, от роста затравки. Смысл использования затравки состоит в том, что она «оттягивает» на себя выделяющееся вещество и препятствует, таким образом, 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.

Читать еще:  Как правильно выращивать вешенки в домашних условиях на пеньках?

Как распределяются на поверхности зародыша порции атомов или молекул, выделяющихся из раствора?

Опыт показывает, что 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 (мы уже знаем, что постоянство углов — важнейший признак кристалла, вытекающий из его решетчатого строения).

На рис. 4.6 даны встречающиеся очертания трех кристаллов одного и того же вещества при их росте. Подобные картины можно наблюдать в микроскоп. В случае, изображенном слева, число граней во время роста сохраняется. Средний рисунок дает пример появления новой грани (вверху справа) и снова ее исчезновения.

Очень важно отметить, что скорость роста граней, т. е. скорость перемещения их параллельно самим себе, неодинакова у разных граней. При этом «зарастают» (исчезают) именно те грани, которые перемещаются всего быстрее, например левая нижняя грань на среднем рисунке. Наоборот, медленно растущие грани оказываются самыми широкими, как говорят, наиболее развитыми.

Особенно отчетливо это видно на последнем рисунке. Бесформенный обломок приобретает ту же форму, что и другие кристаллы, именно из-за анизотропии скорости роста. Вполне определенные грани развиваются за счет других всего сильнее и придают кристаллу форму, свойственную всем образцам этого вещества.

Очень красивые переходные формы наблюдаются в том случае, когда в качестве затравки берется шар, а раствор попеременно слегка охлаждается и нагревается. При нагревании раствор становится ненасыщенным, и идет частичное растворение затравки. Охлаждение ведет к насыщению раствора и росту затравки. Но молекулы оседают при этом по-иному, как бы отдавая предпочтение некоторым местам. Вещество, таким образом, переносится с одних мест шара на другие.

Сначала на поверхности шара появляются маленькие грани в форме кружков. Кружки постепенно увеличиваются и, соприкасаясь друг с другом, сливаются по прямым ребрам. Шар превращается в многогранник. Затем одни грани обгоняют другие, часть граней зарастает, и кристалл приобретает свойственную ему форму (рис. 4.7).

При наблюдении за ростом кристаллов поражает основная особенность роста — параллельное перемещение граней. Получается так, что выделяющееся вещество застраивает грань слоями: пока один слой не достроен, следующий строиться не начинает.

На рис. 4.8 показана «недостроенная» упаковка атомов. В каком из обозначенных буквами положений прочнее всего будет удерживаться новый атом, пристроившись к кристаллу? Без сомнения, в А, так как здесь он испытывает притяжение соседей с трех сторон, тогда как в Б — с двух, а в В — только с одной стороны. Поэтому сначала достраивается столбик, затем вся плоскость и только потом начинается укладка новой плоскости.

В целом ряде случаев кристаллы образуются из расплавленной массы — из расплава. В природе это совершается в огромных масштабах: из огненной магмы возникли базальты, граниты и многие другие горные породы.

Начнем нагревать какое-нибудь кристаллическое вещество, например каменную соль. До 804°С кристаллики каменной соли будут мало изменяться: они лишь незначительно расширяются, и вещество остается твердым. Измеритель температуры, помещенный в сосуд с веществом, показывает непрерывный рост температуры при нагревании. При 804°С мы обнаружим сразу два новых, связанных между собой явления: вещество начнет плавиться, и подъем температуры приостановится. Пока все вещество не превратится в жидкость,; температура не изменится; дальнейший подъем температуры — это уже нагревание жидкости. Все кристаллические вещества имеют определенную температуру плавления. Лед плавится при 0°С, железо — — при 1527°С, ртуть — при -39°С и т. д.

Как мы уже знаем, в каждом кристаллике атомы или молекулы вещества образуют упорядоченную Г упаковку и совершают малые колебания около своих средних положений. По мере нагревания тела скорость колеблющихся частиц возрастает вместе с размахом колебаний. Это увеличение скорости движения частиц с возрастанием температуры составляет один из основных законов природы, который относится к веществу в любом состоянии — твердом, жидком или газообразном.

Когда достигнута определенная, достаточно высокая температура кристалла, колебания его частиц становятся столь энергичными, что аккуратное расположение частиц становится невозможным — кристалл плавится. С началом плавления подводимое тепло идет уже не на увеличение скорости частиц, а на разрушение кристаллической решетки. Поэтому подъем температуры приостанавливается. Последующее нагревание — это увеличение скорости частиц жидкости.

В интересующем нас случае кристаллизации из расплава вышеописанные явления наблюдаются в обратном порядке: по мере охлаждения жидкости ее частицы замедляют свое хаотическое движение; при достижении определенной, достаточно низкой температуры скорость частиц уже столь мала, что некоторые из них под действием сил притяжения начинают пристраиваться одна к другой, образуя кристаллические зародыши. Пока все вещество не закристаллизуется, температура остается постоянной. Эта температура, как правило, та же, что и температура плавления.

Если не принимать специальных мер, то кристаллизация из расплава начнется сразу во многих местах. Кристаллики будут расти в виде правильных, свойственных им многогранников совершенно так же, как мы это описывали выше. Однако свободный рост продолжается недолго: увеличиваясь, кристаллики наталкиваются друг на друга, в местах соприкосновения рост прекращается, и затвердевшее тело получает зернистое строение. Каждое зерно — это отдельный кристаллик, которому не удалось принять своей правильной формы.

В зависимости от многих условий, и прежде всего от быстроты охлаждения, твердое тело может обладать более или менее крупными зернами: чем медленнее охлаждение, тем крупнее зерна. Размеры зерен кристаллических тел колеблются от миллионной доли сантиметра до нескольких миллиметров. В большинстве случаев зернистое кристаллическое строение можно наблюдать в микроскоп. Твердые тела обычно имеют именно такое мелкокристаллическое строение.

Для техники представляет очень большой интерес процесс застывания металлов. События, происходящие при литье и при застывании металла в формах, физики исследовали чрезвычайно детально.

Большей частью при затвердевании растут древоподобные монокристаллики, носящие название дендритов. В иных случаях дендриты ориентированы как попало, в других случаях — параллельно друг другу.

На рис. 4.9 показаны стадии роста одного дендрита. При таком поведении дендрит может зарасти прежде, чем он встретится с другим аналогичным. Тогда в отливке мы не найдем дендритов. События могут развиваться и иначе: дендриты могут встретиться и прорастать друг в друга (ветки одного в промежутки между ветками другого), пока они еще «молоды».

Таким образом, могут возникнуть отливки, зерна которых (показанные на рис. 2.22) обладают самой различной структурой. А от характера этой структуры существенно зависят свойства металлов. Управлять поведением металла при затвердевании можно, меняя скорость охлаждения и систему отвода тепла.

θТеперь поговорим о том, как вырастить крупный одиночный кристалл. Ясно, что требуется принять меры к тому, чтобы кристалл рос из одного места. А если уж начало расти несколько кристалликов, то во всяком случае надо сделать так, чтобы условия роста были благоприятны лишь для одного из них.

Вот, например, как поступают при выращивании кристаллов легкоплавких металлов. Металл расплавляют в стеклянной пробирке с оттянутым концом. Пробирку, подвешенную на нити внутри вертикальной цилиндрической печи, медленно опускают вниз. Оттянутый конец постепенно выходит из печи и охлаждается. Начинается кристаллизация. Сначала образуется несколько кристалликов, но те, которые растут вбок, упираются в стенку пробирки и рост их замедляется. В благоприятных условиях окажется лишь тот кристаллик, который растет вдоль оси пробирки, т. е. в глубь расплава. По мере опускания пробирки новые порции расплава, попадающие в область низких температур, будут «питать» этот единственный кристалл. Поэтому из всех кристалликов выживает он один; по мере опускания пробирки он продолжает расти вдоль ее оси. В конце концов весь расплавленный металл застывает в виде одиночного кристалла.

Та же идея лежит в основе выращивания тугоплавких кристаллов рубина. Мелкий порошок вещества сыплют струей через пламя. Порошинки при этом плавятся; крошечные капли падают на тугоплавкую подставку очень малой площади, образуя множество кристалликов. При дальнейшем падении капель на подставку все кристаллики растут, но опять-таки вырастает лишь тот из них, который находится в наиболее выгодном положении для «приема» падающих капель.

Для чего же нужны крупные кристаллы?

В крупных одиночных кристаллах часто нуждаются промышленность и наука. Большое 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 нужны кристаллы рубинов, сапфиров и некоторых других драгоценных камней. Дело в том, что отдельные подвижные части обыкновенных часов делают в час до 20 000 колебаний. Такая большая нагрузка предъявляет необычайно высокие требования к качеству кончиков осей и подшипников. Истирание будет наименьшим, когда подшипником для кончика оси диаметром 0,07-0,15 мм служит рубин или сапфир. Искусственные кристаллы этих веществ очень прочны и очень мало истираются сталью. Замечательно, что искусственные камни оказываются при этом лучше таких же природных камней.

Однако наибольшее значение для промышленности имеет выращивание монокристаллов полупроводников — кремния и германия.

Из каких агрегатных состояний выращивают кристаллы

Кристаллы играли и играют до сих пор немаловажную роль в жизни человека. Кристаллы широко применяются в науке, промышленности, оптике, электронике. Кристаллы получают в лаборатории, но бывают они и в природе. Например, снежинки, морозные узоры на стеклах окон и иней, украшающий зимой голые ветки деревьев. Кроме этого, выращивание кристаллов – увлекательное занятие и, пожалуй, самое простое, доступное и недорогое для большинства юных химиков, максимально безопасное. Меня очень заинтересовала эта тема, и я решил попробовать вырастить кристаллы солей.

Тема нашей работы: Выращивание кристаллов

Цель работы: провести исследование по выращиванию кристаллов из различных химических веществ.

1) узнать, что такое кристалл;

2) провести анкетирование среди учащихся 3 классов «Что я знаю о кристаллах»;

3) выяснить, какие условия нужно создать для роста кристаллов;

4) выполнить опытно-экспериментальную работу по выращиванию кристаллов;

5) поделиться полученной информацией на классном часе.

1) Накопление теоретического материала.

2) Проведение опытно-экспериментальной деятельности с целью получения кристаллов

3) Анализ полученных результатов исследования.

Объектом исследования являются кристаллы.

Предметом исследования – процесс кристаллизации.

Гипотеза исследования: Мы исходим из предположения, что все соли, могут образовывать кристаллы из их водных растворов.

Практическое значение исследования состоит в том, что оно может быть использовано на уроках окружающего мира, во внеклассных мероприятиях, занятиях кружка «Юный химик».

Основные сведения о кристаллах и их свойствах

История получения искусственных кристаллов

Прежде чем провести свои практические исследования, я должен был узнать, что из себя представляют кристаллы, какие у них свойства. Поэтому я обратился к теоретическим источникам в этой области. Для этого я использовал ресурсы Интернета и книги.

Первую попытку получения искусственных кристаллов можно отнести к Средневековью, к периоду расцвета алхимии. И хотя конечной целью опытов алхимиков было получение золота из простых веществ, можно предположить, что они пытались вырастить кристаллы драгоценных камней.

Что же такое кристаллы? Кристаллы, в переводе с греческого языка, (krystallos) «лёд». По данным энциклопедии, кристалл – это твердое тело. Кристаллики растут, присоединяя частицы вещества из жидкости или пара. Кристаллы бывают естественного происхождения и искусственного, выращенные в специально-созданных условиях. И каждый человек, при желании может легко вырастить кристаллы у себя дома. Но для того, чтобы результат получился действительно красивым необходимо аккуратно выполнять все действия.

Кристаллы обладают особыми свойствами. Кристаллические твердые вещества встречаются в виде отдельных одиночных кристаллов – монокристаллов – и в виде поликристаллов, представляющих собой скопление мелких кристалликов. Кристаллы бывают разной формы. Иногда образуются дендриты – это кристаллы, похожие на веточки дерева; очень хрупкие, но очень красивые. Кристаллы бывают различными по размерам. Многие из них можно увидеть только в микроскоп. Но встречаются гигантские кристаллы массой в несколько тонн.

Способы выращивания кристаллов

Кристаллизацию можно вести разными способами:

1 способ: Охлаждение насыщенного горячего раствора или расплава.

Именно из-за охлаждения миллионы лет назад на Земле появились многие минералы. «Раствором» для этого «опыта» служила магма – расплавленная масса горных пород в недрах Земли. Поднимаясь к поверхности из раскалённой глубины, магма охлаждалась. И в результате этого охлаждения образовались те самые минералы, по которым мы ходим. Процесс этот очень длительный.

2 способ: Постепенное удаление воды из насыщенного раствора.

При испарении («высыхании») вода превращается в пар и улетучивается. Но растворённые в воде химические вещества не могут испариться вместе с ней и оседают в виде кристаллов. Самый простой пример – соль, которая образовывается при испарении воды из соляного раствора. И в этом случае, чем медленнее испаряется вода, тем лучше получаются кристаллы. Именно по такому способу я выращивал свой кристалл.

3 способ: При конденсации паров.

Кристаллы могут также расти при конденсации паров – так получаются снежинки и узоры на холодном стекле.

При использовании всех способов наилучшие результаты получаются, если используется затравка – небольшой кристалл правильной формы или камни. Таким способом получают, например, кристаллы рубина. Выращивание кристаллов драгоценных камней проводят очень медленно, иногда годами. Если же ускорить кристаллизацию, то вместо одного кристалла получится масса мелких.

В Интернете можно найти много инструкций по поводу того, как выращивать кристаллы из различных химических веществ. Мы решили проверить все самостоятельно, и в качестве основы взяли обычную поваренную соль, медный купорос, алюмокалиевые квасцы, соли кремниевой кислоты.

Проанализировав текстовый материал и определив методы исследования, провели экспериментальную работу по выращиванию кристаллов.

Я понял, что выращивание кристаллов – это искусство, поэтому немного настойчивости, упорства, аккуратности, и можно стать обладателем красивых кристаллов, но нужно обязательно соблюдать правила техники безопасности. Именно поэтому я обратился к учителю химии.

Опыт № 1. Выращивание кристаллов из поваренной соли

Берём соль, разводим раствор в ёмкости и ставим её в кастрюлю с тёплой водой, пока не раствориться. Добавляем ещё соль и снова перемешиваем. Повторяем этот этап до тех пор, пока соль не будет растворяться, и станет оседать на дно стакана. Мы получили насыщенный раствор соли. Переливаем его в чистую ёмкость. Выбираем любой понравившийся более крупный кристаллик поваренной соли, привязываем за нитку и подвешиваем, чтобы он не касался стенок стакана. Уже через пару дней можно заметить значительный для кристаллика рост. С каждым днём он будет увеличиваться (рис. 1).

Результат: мы получили кристалл поваренной соли.

1. Поваренная соль состоит из кристаллов.

2. При соприкосновении кристаллов соли с водой, они растворяются.

3. Быстрее всего кристаллы соли могут образовываться в насыщенном растворе поваренной соли.

4. По мере того как вода испаряется, соль снова образует кристаллы.

5. Можно вырастить кристаллы при необходимых условиях: наличие насыщенного солевого раствора и ниточки с затравкой.

Опыт № 2. Выращивание кристаллов из медного купороса

Берем банку с водой, добавляем медный купорос, тщательно перемешиваем до тех пор, пока он будет растворяться. Ёмкость с водой лучше всего постепенно подогревать для более быстрого растворения химиката. В процессе вода начнет менять цвет – от голубого до тёмно синего. После этого в стеклянную банку опускаем «затравку». Это обычная ниточка, привязанная на карандаш. И уже через пару дней мы видим, что на ниточку наросло множество маленьких кристалликов синего цвета. Продолжаем выращивание до тех пор, пока вода не станет светлого цвета, а кристаллы не перестанут расти (рис. 3).

Результат: мы получили кристалл медного купороса. Выращенные кристаллы небольшой формы можно использовать в качестве украшения, например, рамки для фотографий или других предметов.

Опыт № 3. Выращивание кристаллов из алюмокалиевых квасцов

Насыпать 4 чайные ложки порошка алюминиевых квасцов в половину чашки горячей воды. Помешивать для лучшего растворения. Через некоторое время порошок весь растворится, и раствор станет прозрачным.

Накрыть банку специальной крышкой, чтобы защитить от пыли. Через 1 день появляются красивые кристаллы.

Результат: мы получили кристаллы из алюмокалиевых квасцов.

Читать еще:  Зимние яблоки лучшие сорта

Опыт № 4. Выращивание кристаллов из солей кремниевой кислоты

Налили в химический стакан силикатный клей (водный раствор силиката натрия) и дистиллированную воду в соотношении 1:1. В стакан насыпали кристаллики солей разных цветов: кальция, никеля, меди, кобальта, железа, бария, цинка, хрома и марганца. Через 15–20 минут в стакане появились «заросли», напоминающие деревья или водоросли.

Результат: в химическом стакане появились «заросли водорослей», образованных кристаллами солей кремниевой кислоты.

Опыт № 5. Выращивание сталактитов и сталагмитов

Из плотной бумаги делается каркас будущей «пещеры». Замешивается немного алебастра с небольшим количеством воды до получения вязкой однородной массы. Пока алебастр не застыл, обмазывают им все стороны «пещеры» снаружи и изнутри. Спустя несколько часов алебастр окончательно затвердевает.

Затем мы приступили к выращиванию в «пещере» «сталактитов» и «сталагмитов». В подходящем сосуде приготовили смесь силикатного клея (жидкого стекла) и воды в соотношении 1:1 по объему. Поместили «пещеру» в сосуд так, чтобы уровень жидкости не доходил до ее верхнего свода. К своду «пещеры» должен быть свободный доступ. С помощью шпателя внесли в «пещеру» сульфат магния и высыпали кристаллики в раствор. Таким же образом в раствор внесли кристаллический хлорид кальция. Через несколько минут наблюдали рост «сталагмитов» (время их роста зависит от объема сосуда).

Затем осторожно вынули «пещеру» из раствора, повернули ее на 180 градусов и снова опустили в раствор. Опять внесли в «пещеру» соли сульфата магния и хлорид кальция. Снова наблюдали появление в «пещере» причудливых наростов. Вынули «пещеру» из сосуда, осторожно промыли водой и оставили сушиться (рис. 4).

Результат: на сводах пещеры образовались причудливые наросты кристаллов.

В результате проведенных исследований гипотеза полностью подтверждается: нам удалось вырастить кристаллы поваренной соли, сахара и медного купороса.

Заинтересовавшись выращиванием кристаллов из различных химических веществ, я решил узнать у одноклассников: «Знают ли они, что такое кристаллы? Как их получают? И где они применяются?» С этой целью было проведено анкетирование среди учащихся параллели 3-х классов. Учащимся были предложены следующие вопросы:

1. Что такое кристаллы:

2. Выберите среди предложенных предметов кристаллы (ответов несколько):

3. Какими способами выращивают кристаллы (ответов несколько):

г) конденсация паров

Результат: анкета показала, что не все учащиеся знают, что такое кристаллы, как их получают и где они применяются. Все ответы сведены в диаграммы (рис. 5–7) поэтому на классном часе я познакомил ребят с результатами своей работы.

Я узнал, что многие видные ученые начинали свои первые опыты именно с выращивания кристаллов. Помимо чисто внешних эффектов, эти опыты заставляют задумываться над тем, как устроены кристаллы и как они образуются, почему разные вещества дают кристаллы разной формы, а некоторые вовсе не образуют кристаллов, что надо сделать, чтобы кристаллы получились большими и красивыми.

Гипотеза исследования полностью подтвердилась: кристаллы соли могут появляться при создании определенных условий и если изменять условия кристаллизации и растворять различные вещества, то можно получать кристаллы разной формы, цвета и в разные сроки.

Я учился работать с источниками информации.

Узнал что такое кристаллы, какие они могут быть, почему они растут и зачем они нужны.

Освоил некоторые способы выращивания кристаллов разных веществ.

Наблюдал рост кристалла в разных условиях.

Провел изучение растворимости медного купороса в воде при разных температурах.

Узнал, что у веществ разного химического состава кристаллы имеют разную форму и отличаются по таким свойствам, как симметрия.

Таким образом, после проведения исследования могу сделать следующие выводы:

1) при благоприятных условиях поваренная соль, медный купорос, алюмокалиевые квасцы, соли кремниевой кислоты принимают форму кристаллов;

2) кристаллы различных веществ имеют разную форму;

3) на форму кристаллов оказывает влияние температура;

4) кристаллы различных веществ имеют различные свойства (одни кристаллы окрашиваются, другие – бесцветны; одни кристаллы растут хорошо, другие – плохо).

5) быстрее и легче кристалл растёт тогда, когда в насыщенный раствор помещается кристалл – «затравка».

Кристаллография и кристаллохимия

Понятие о кристалле и кристаллическом веществе

Понятие о кристалле и кристаллическом веществе

Находящиеся в природе вещества встречаются в каком-то одном агрегатном состоянии-либо в газообразном, либо в жидком, либо в твердом.

Твердое, или иное состояние данного вещества устойчиво при определенных термодинамических условиях.

Каждое состояние отличается от другого состояния характером взаимного расположения и движением материальных частиц друг относительно друга

В газах материальные частицы (атомы) находятся на больших расстояниях друг от друга. Они слабо связаны между собой, движутся с большой скоростью, движение хаотично. При взаимном столкновении частицы отталкиваются друг от друга по закону упругих шаров.

В жидкостях расстояние между частицами значительно сокращены, движение их замедлено, между ними появляются силы притяжения, вследствие чего намечается некоторая временная упорядоченность (ближний порядок) в их расположении.

В твердых телах входящие в состав частицы не движутся поступательно. Частицы закреплены в отдельных точках пространства и совершают колебательные движения вокруг точек. Различают 2 вида твердого вещества: 1) аморфное и 2) кристаллическое. Определяющим здесь является степень упорядоченности частиц, их взаимная ориентировка.

Твердые тела, в которых частицы располагаются беспорядочно, называются аморфными. Аморфные тела подобны переохлажденным жидкостям. Примерами их служат стекла, пластмассы, клей и др. Аморфное состояние не является устойчивым и обнаруживает с течением времени тенденцию к кристаллизации. Так, например, стекло «закристаллизовывается», образуя агрегаты мелких кристаллов.

Кристаллическим веществом являются все твердые тела, в которых слагающие их частицы (атомы, ионы, молекулы) расположены закономерно, образуя упорядоченную трехмерно-периодическую структуру в виде пространственной решетки. Пространственная решетка представляет собой бесконечную закономерную систему узлов (точек), характеризующих общую для всех кристаллов геометрическую особенность их строения. Иными словами, пространственная решетка – это абстрактный геометрический образ, характеризующий наиболее общие закономерности расположения и периодичности повторения систем точек в пространстве.

В реальных кристаллических структурах на местах узлов пространственной решетки находятся конкретные частицы (атомы, ионы или молекулы). Каждая частица подобной структуры, имея закономерное ближайшее окружение, характеризуется определенным ближним порядком. Кроме того, любая частица, будучи фиксирована в конкретном месте структуры, имеет и определенных дальних соседей, т.е. характеризуется дальним порядком. При нагревании кристаллических тел и увеличении амплитуды тепловых колебаний частиц в структуре наступает такой момент, когда вещество плавится и переходит в жидкое состояние. Исчезает дальний порядок, хотя ближний порядок для частиц сохраняется.

Существуют вещества, промежуточные по своей структуре между кристаллическими, аморфными и жидкими. Это полиморфные вещества и жидкие кристаллы. Структуры жидких кристаллов образованы устойчивыми атомными группировками-молекулами, имеющими удлиненную форму и ориентирующимися соответствующим образом при упорядочивании.

Жидкие кристаллы текучие как обычные жидкости, но они анизотропны. Они имеют определенный температурный интервал существования, выше которого плавятся в изотропную жидкость и ниже которого кристаллизуются.

Вещества, способные в определенном температурном интервале выше точки плавления сочетать одновременно свойства жидкостей (текучесть, способность к образованию капель) и свойства кристаллических тел (анизотропию, упорядоченность), стали называть жидкими кристаллами или жидкокристаллическими.

В виде жидких кристаллов встречаются некоторые органические соединения, которые состоят из молекул достаточно больших размеров и имеющих определенную форму (палочковидную, дисковидную). Эти крупные молекулы имеют тенденцию к упорядоченному расположению в пространстве. В соответствие со способами взаимного расположения молекул выделяют типы жидких кристаллов:

Нематические жидкие кристаллы («нема» — по-гречески нить) — оптически одноосные жидкие кристаллы, имеют дальний ориентационный порядок, свободны в перемещении. Характеризуются наличием микроструктур в виде нитей, концы которых либо свободны, либо связаны со стенкой ёмкости, в которой находится изучаемое вещество. Ориентация осей молекул в этих кристаллах параллельна, однако они не образуют отдельные слои. Длинные оси молекул лежат вдоль линий, параллельных определённому направлению, а их центры размещены хаотично. Нематические жидкие кристаллы называются также нематиками.

Смектики — наиболее упорядоченные 2-мерные кристаллы. Имеют слоистую структуру. Бывают нескольких типов:

· А — с двойными слоями;

· C — длинные оси молекул, относительно слоя, находятся под неким углом;

· В — структурными слоями.

Смектические жидкие кристаллы имеют слоистую структуру, слои могут перемещаться друг относительно друга. Толщина смектического слоя определяется длиной молекул (преимущественно, длиной парафинового «хвоста»), однако вязкость смектиков значительно выше чем у нематиков и плотность по нормали к поверхности слоя может сильно меняться.

Холестерические жидкие кристаллы (ХЖК, холестерики) — это жидкие кристаллы, обладающие свойством спиральности, то есть в них отсутствует центральная симметрия. Холестерическая фаза существует только у веществ, молекулы которых не обладают зеркальной симметрией. Поэтому холестерик при нагревании или охлаждении не может стать ни нематиком, ни смектиком.

Кристаллы-все твердые тела, образующиеся в природе в виде многогранников.

Слово «кристаллос» у древних греков обозначало «лед» или более правильно «застывший на холоде», так же они называли и водяно-прозрачный кварц, считавшийся, по их мнению, окаменевшим льдом.

Впоследствии этот термин был распространен на все тела, имеющих правильную кристаллическую форму, хотя было бы правильным относить его к конкретным индивидуумам, конечным телам, разделенным граничными поверхностями. В некоторых случаях кристаллы имеют правильную геометрическую форму многогранников, морфологическими элементами которых являются грани, ребра и вершины. Грани – это плоскости, ограничивающие подобные многогранники. Они могут иметь различные размеры и очертания, или, как говорят, различаться по сортам. Бывают многогранники, образованные гранями одного сорта, чаще – гранями нескольких сортов. Плоскости пересекаются по прямым линиям, называемым ребрами. Точки, в которых сходятся ребра, являются вершинами многогранников. В общем случае в многогранниках присутствуют ребра и вершины разного сорта. Число элементов ограничения кристалла связаны между собой следующей зависимостью, найденной Эйлером: p + e = r + 2, где p – число граней; e – число вершин; r – число ребер.

Кристаллы имеют самые разнообразные размеры от едва видимых под микроскопом до кристаллов-гигантов (В ЛГУ кристалл кварца высотой 2,7м, ширина у основания 1,5м, вес 10 тонн, кристалл берилла длина 5,5м, ширина 1,2м, вес 18 тонн, кристалл слюды площадью 6,7м 2 , кристалл полевого шпата размерами 10х10х10, вес 100 тонн).

Кристалличными являются металлы, сплавы, горные породы.

Кристаллы могут и не иметь правильной геометрической формы, а встречаться в виде зерен, имеющих неправильные контуры, но они, так же как и обломки любого кристалла, обладают рядом свойств, позволяющих отличить их от аморфных твердых тел. В большинстве случаев исследователь имеет дело со скоплениями многих кристаллов, каковыми являются природные минералы, горные породы, металлы и сплавы, разнообразные синтетические твердые вещества, применительно к которым используют термин — кристаллический агрегат.

Что такое кристалл?

Ответ был получен при исследовании вещества рентгеновскими лучами. Все кристаллы построены из материальных частиц геометрически правильно расположенных в пространстве в виде узлов пространственных решеток. В реальных структурах места узлов пространственных решеток могут заниматься отдельными атомами, ионами или группами атомов и ионов.

Строго говоря с узлами пространственной решетки совмещаются центры тяжести этих частиц или центральные точки их колебательных движений внутри кристалла. Т.о. кристаллами следует называть все твердые тела, в которых частицы расположены закономерно по определенной «решетчатой» системе. Из этого следует, что понятие «кристалл» и «кристаллическое вещество» близки друг к другу и являются синонимами. Кристалл представляет собой физическое тело, имеющее какие-то конечные размеры и поверхности раздела с другими кристаллами, тогда как кристаллическое вещество рассматривается как бесконечное во всех измерениях, и в этом случае речь идет не о кристалле, а, как подчеркивал крупный кристаллохимик Бокий, о кристаллическом пространстве.

Основные свойства кристаллов:

  1. Одним из основных свойств является анизотропия, т.е. неравносвойственность. Под этим термином понимается изменение свойств в зависимости от направления. Вырезанные из кристаллов различно ориентированные образцы характеризуются разными значениями тех или иных свойств. Все кристаллы в отношении хотя бы некоторых свойств обязательно анизотропны. Ярким примером анизотропии твердости является минерал дистен. Кристаллическая структура связана с анизотропностью свойств.
  2. Однородность проявляется и в одинаковости физических, физико-химических и других свойствах кристалла в любых его участках по параллельным направлениям. В каком бы месте монокристалла мы не вырезали одинаково ориентированный образец некоторой формы и размеров, все его свойства будут идентичными. Понятие однородности дает возможность рассматривать кристаллическое вещество как непрерывную тождественную среду.
  3. Симметрия. Она дает возможность произвести преобразование объекта, совмещающего его с собой поворотами и (или) отражениями. Симметрия проявляется во внешней форме многих кристаллов, которые оказываются образованными повторяющимися равными гранями, ребрами и вершинами, что, в конечном счете, является следствием симметричного трехмерного периодического атомного строения кристаллической среды.
  4. Способность кристалла образовывать плоскостные многогранники или самоограняться. т.е. принимать естественную форму в результате свободного роста в подходящей среде, или же при процессах обратных росту – при растворении или испарении кристаллов. Аморфные тела могут быть однородными и даже анизотропными, но ни при каких условиях они не могут принимать многогранную форму. Выточенный из кристалла шарик в подходящей среде со временем покрывается гранями. В противоположность этому стеклянный шарик такой способностью не обладает.
  5. Кристаллическое вещество обладает минимальной внутренней энергией. Материя, находящаяся а кристаллическом состоянии обладает меньшей энергией, чем в аморфном, жидком или газообразном состоянии. Атомы, ионы, молекулы, образующие кристалл прочно соединяются друг с другом. При этом выделяется теплота, т.е процесс кристаллизации экзотермичен. Процесс разрушения кристаллов-эндотермический процесс

Предмет кристаллографии.

Разделение кристаллографии и связь с другими науками.

Кристаллография-наука о кристаллическом состоянии вещества. Она изучает кристаллические индивидуумы, т.е. отдельные кристаллы, процессы образования и разрушения кристаллов, их состав, строение, химические, физические и физико-химические свойства, а так же закономерности срастания кристаллов.

В силу того, что кристаллическое вещество имеет упорядоченную атомную структуру, методы кристаллографии резко отличается от методов других наук. Особенностью этих методов является последовательное применение принципа симметрии во всех случаях. Симметрия проявляется во внешней форме кристаллов, в их структуре, в физических явлениях, протекающих в кристаллах, во взаимодействии кристалла с окружающей средой.

Кристаллография делится на 4 раздела:

  1. геометрическая кристаллография;
  2. кристаллогенезис, т.е. учение о зарождении и росте кристаллов;
  3. химическая кристаллография или кристаллохимия
  4. физическая кристаллография (кристаллофизика)

Последние 2 раздела могут изучаться не зависимо друг от друга, но все они базируются на геометрической кристаллографии

Главнейшими наукам, на которые опирается кристаллография и с которыми она тесно связана, являются математика, физика, физическая химия и химия.

Относительное расположение атомов в кристаллическом веществе зависит от качества самих атомов, от химической природы. В связи с этим атомы образуют различные пространственные постройки. Отсюда возникает тесная связь кристаллографии с химией. Вместе с тем условия кристаллизации и возникновения кристаллов, вопросы перекристаллизации, существования различных веществ определяются физико-химическими процессами окружающей среды, обуславливая взаимосвязь с наукой, изучающей эти процессы, с физической химией.

Атомы и молекулы в кристаллах, располагаясь в строго определенном порядке, образуют геометрически правильные комплексы. Совокупность их определяет форму кристаллов в виде многогранников. Изучением же различных многогранников и пространственных решеток, из которых построены кристаллы, занимаются геометрия и некоторые другие разделы математики.

Кристаллография рассматривает главным образом электрические, оптические, механические свойства кристаллов и их симметричные закономерности и непосредственно примыкает к физике твердого тела. В последние годы интенсивно развивается промышленность по производству и использованию монокристаллов с определенными свойствами.

Очевидна связь кристаллографии и с геологическими дисциплинами, прежде всего с минералогией, петрографией, геохимией и учением о рудных месторождениях. Подавляющее большинство минералов кристалличны и многие из них встречаются в виде хорошо образованных кристаллов. Долгое время природные минералы были единственными объектами кристаллографических исследований, поэтому кристаллография, будучи вполне самостоятельной дисциплиной, рассматривалась как часть минералогии. Внешняя форма кристаллов и их сростков остается и до сих пор важнейшими диагностическими признаками минералов. Кроме того, кристаллохимические исследования атомных структур минералов являются основой их современной систематики.

Учение о кристаллическом состоянии материи является основополагающим для науки о горных породах, являющихся сочетанием различных минералов – петрографии и науки, изучающей распределение и миграцию химических элементов в земной коре – геохимии. Первая широко пользуется кристаллооптическими методами исследования, вторая исходит из основных законов кристаллохимии.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector