Исследовательская работа " Удивительный мир кристаллов"

«Удивительный мир кристаллов»

Районная научно – практическую конференция «Первые шаги в науку»

Направление: химия

Автор: Демкин Баин, ученик 10 класса.

ВВЕДЕНИЕ

       Наука о кристаллах началась с изучения горного хрусталя. Его блестящие бесцветные кристаллы впервые нашли ещё в древности, среди вечных снегов, в швейцарских Альпах. Некоторые кристаллы были настолько большие, что их с трудом могли поднять несколько силачей. Древние думали, что это особая форма замерзшей воды, и назвали вещество хрусталём (так по-гречески звучит слово «лёд»).  

       Со временем, стало конечно ясно, что горный хрусталь и лёд – разные вещества.

       Горный хрусталь – это чистый кристаллический кварц, соединение кремния и кислорода (SiO₂). Но не менее красивы кристаллы кварца, окрашенные примесями в различные цвета: фиолетовые аметисты, жёлтые цитрины, коричневый дымчатый кварц, переливающиеся всеми цветами радуги опал и яшма. В Оружейной палате Московского Кремля есть одежда и короны русских царей, сплошь усыпанные кристаллами-самоцветами.

Среди них особенно много аметистов. Огромными густо-фиолетовыми аметистами украшена корона русской царицы Ирины Годуновой. В церквах аметистами украшали иконы, алтари и кресты.

       Самые знаменитые кристаллы – алмазы, которые после огранки превращаются в бриллианты. Разгадать тайну этих драгоценных камней люди пытались многие века. Когда же установили, что алмаз – одна из разновидностей углерода, никто не поверил! Действительно, ведь алмаз – символ не только богатства, но и необыкновенной твёрдости. А другая, самая распространённая в природе кристаллическая форма углерода – графит.

       Оказалось, что кристаллы, с которыми связано столько романтических (и кровавых) историй, и невзрачный чёрный графит состоят из одних и тех же атомов углерода. Решающий опыт провёл знаменитый французский химик Антуан Лавуазье. Он обнаружил, что при сжигании алмаза и обычного угля получается одно и то же вещество – углекислый газ.

       И алмаз, и графит – кристаллы. Почему же их свойства так различаются?

       Объясняется это различными способами взаимного соединения атомов углерода. В алмазе все связи между атомами углерода одинаковые и прочные,  а в кристалле графита атомы прочно связаны только в одном слое, а между слоями находятся слабые связи. Такой кристалл похож на пачку бумаги, его трудно разрезать пополам, но легко рассыпать на листочки.

       В природе алмазы образуются в недрах земли при высокой температуре и огромном давлении. Создать в лаборатории условия, при которых можно осуществить превращение из графита в алмаз, ученые смогли лишь спустя два столетия после опыта Лавуазье. Среди них есть алмазы, использующиеся в ювелирном деле, но основная масса идет на изготовление разнообразных инструментов, так как алмазы получаются слишком мелкие.

       Люди научились получать искусственно очень многие драгоценные камни. Например, подшипники для часов и других точных приборов давно делают из искусственных рубинов.

Цель нашего исследования – популяризация знаний о лабораторных способах выращивания кристаллов.

Цель исследования определила следующие задачи:

1)изучение литературы по данному вопросу

2)изучение способов лабораторного получения кристаллов

3)определение условий, влияющих на скорость роста кристаллов.

Объект исследования: система знаний о кристаллографии

Предмет исследования: факторы, влияющие на скорость роста кристаллов.

Для решения поставленных задач в процессе исследования использовались следующие методы:

1)анализ научной литературы по кристаллохимии

2)эксперимент по выращиванию кристаллов разными способами

Практическая значимость заключается в систематизации сведений о способах выращивания кристаллов.

Глава 1

Удивительный мир кристаллов

1)История открытия кристаллов

Мы почти каждый день встречаемся с кристаллами: снег – это один из видов  кристаллов, некоторые детали в часах, но не все знают историю происхождения кристаллов, а так же что означает это слово.

С.И Ожегов трактует это слово, как твёрдое тело, имеющее упорядоченное, симметрическое строение. Даль считает что кристалл – это ископаемое, образующее от природы правильное геометрическое тело. В словаре естественных наук кристалл описывается, как твердое тело, состоящее из упорядоченных, периодически повторяющихся в пространстве частиц. Но все эти взгляды в общем похожи и просмотрев несколько словарей я пришла к выводу, что кристаллы это твёрдые тела, имеющие упорядоченною кристаллическое строение.

Имеются разные точки зрения происхождения кристаллов.

Один исследователь считает, что с древних времен кристаллы, находимые в земле, вызывают  восторг и удивление. А ведь они бывают громадными, в рост человека и больше. Много веков кристаллами называли только тела, имеющие естественную многогранную форму, и полагали, что они рождены какими-то таинственными силами, сотворены готовыми и не меняются далее. Ранние исследования структуры кристаллов были морфологическими, т. е. основывались на внешних признаках кристаллов. Однако скоро стало ясно, что правильность внешней структуры обусловлена закономерным внутренним строением. Еще Доменико Гуглилимини заметил, что направление раскалывания кристалла является постоянным, причем образующиеся при раскалывании плоские грани являются характерными для данного вещества. Это привело Гуглилимини к заключению, что кристалл построен из микроскопических кристаллических единиц и раскалывание кристалла происходит по плоскости касания этих единиц. Любая хорошо растворимая соль может кристаллизоваться. Форма и цвет кристаллов каждой соли индивидуальны и зависят от кристаллической решетки и входящих в соединение атомов

          Интересно происхождения слова «кристалл» (оно звучит почти одинаково во всех европейских языках). Много веков назад среди вечных снегов в Альпах, на территории современной Швейцарии, нашли очень красивые, совершенно бесцветные кристаллы, очень напоминающие чистый лед. Древние натуралисты так их и назвали – «кристаллос», по-гречески – лед; это слово происходит от греческого «криос» – холод, мороз.

Полагали, что лед, находясь длительное время в горах, на сильном морозе, окаменевает и теряет способность таять. Один из самых авторитетных античных философов Аристотель писал, что «кристаллос рождается из воды, когда она полностью утрачивает теплоту».

Римский поэт Клавдиан в 390 то же самое описал стихами:

Ярой альпийской зимой лед превращается в камень.
Солнце не в силах затем камень такой растопить.

Аналогичный вывод сделали в древности в Китае и Японии – лед и горный хрусталь обозначали там одним и тем же словом. И даже в 19 в. поэты нередко соединяли воедино эти образы. Например А.С.Пушкин

Едва прозрачный лед, над озером тускнея,
Кристаллом покрывал недвижные струи.

Рассказывают, что способность кристаллов сохранять правильную форму, была обнаружена случайно. Французский ученый, аббат Рене-Жюст Гаюи (1743-1826) однажды, будучи в гостях у своего знакомого, большого любителя камней и минералов, уронил на пол самый лучший кристалл из коллекции. Экспонат раскололся, но каждый из осколков повторял форму прежнего кристалла, только был поменьше. Наблюдательность аббата Гаюи помогла ему из обидного случая сделать замечательный вывод. Если разбивать кристалл на все меньшие и меньшие части, можно постепенно дойти и но "элементарной" ячейки, состоящей из отдельных атомов или ионов вещества, и эта ячейка будет состоять из отдельных атомов или молекул...

На самом деле разбить кристалл "на атомы", конечно, обычными способами невозможно (разве что растворить его). Тем не менее ученые установили, что кристаллическая решетка, как гигантский многоэтажный сборный дом, состоит из совершенно одинаковых "клеточек". А от того, каковы эти клеточки, в каком порядке и насколько прочно они скреплены друг с другом, зависит все многообразие кристаллических форм, существующих в природе.

2. Наука кристаллохимия

Кристаллы имеют свои свойства и особенности, которые изложены в науке кристаллохимии.

Кристаллохимия имеет важное практическое значение. С её помощью получены высокотемпературная сверхпроводящая керамика, твёрдые электролиты и многие другие материалы. Её теоретические выводы оказали влияние на развитие химии и физики твёрдого тела, геохимии, минералогии и материаловедения.

  Многие физические и химические свойства кристаллов зависят от наличия в их структуре дефектов (примесей, дислокаций), вызванных условиями роста кристаллов ( среда, температура, давление) в природе , лаборатории, промышленных установках. Дефекты могут улучшать качество материала. Но иногда они просто необходимы. Так, вначале 1960-ых годов с целью получения одного кристалла, добавляли в другой примеси.

 Кристаллическая решетка - пространственная структура, которую формируют частицы, образующие кристаллы. (Приложение №1) Основу кристаллической решетки составляет элементарная решетка определенной геометрической формы, в вершинах (узлах) которой расположены атомы, молекулы или ионы. Существуют макеты кристаллических решёток для наглядного обучения в школе.

В зависимости от строения, кристаллы делятся на ионные, ковалентные, молекулярные и металлические.  Нам удаётся выращивать кристаллы благодаря кристаллизации - процессу образования кристаллов из паров, растворов, расплавов. Кристаллизация начинается при достижении некоторого предельного условия, например, переохлаждения жидкости или пересыщения пара, когда практически мгновенно возникает множество мелких кристалликов - центров кристаллизации. 

 Кристаллики растут, присоединяя атомы или молекулы из жидкости или пара. Рост граней кристалла происходит послойно, края незавершенных атомных слоев при росте движутся вдоль грани. Зависимость скорости роста от условий кристаллизации приводит к разнообразию форм и структуры кристаллов.

Чтобы вырастить красивые красные кристаллы меди нужно как то замедлить реакцию, чтобы атомы меди достраивали уже образовавшиеся кристаллы. Замедлить реакцию можно так : положить на дно сосуда немного медного купороса и засыпать его мелкой поваренной солью – она и будет затормаживать процесс.Затем прикрыть соль кружком, вырезанным из фильтрованной бумаги так, чтобы кружок касался стенок сосуда. А положить железный кружок немного поменьше (кружок заранее протереть наждачной бумагой и вымыть). Налить в сосуд насыщенный раствор поваренной соли, чтобы он закрыл железный кружок. Через несколько дней вы обнаружите красные кристаллы меди.

Выращивать кристаллы – не пустая забава. Кристаллизация- процесс образования кристаллов из раствора, сплава, а иногда и из газовой фазы. На нём основывается производство искусственных кристаллов технического и ювелирного назначения. В больших масштабах производиться искусственный кварц. Синтетический кварц получают из природного-низкосортного, мелкокристаллического, из речного песка. Сырьё помещают в автоклав, который затем заполняют концентрированным раствором соды аппарат закрывают крышкой, к которой подвешены затравочные тонкие пластины из природного или синтетического монокристалла кварца. При повышенных температурах и давлении в автоклаве образуется насыщенный и даже перенасыщенный раствор кремнезема, и из него на затравку постепенно нарастают всё новые и новые количества кристаллов.

Монокристалл кварца растёт со скоростью порядка 1 мм в сутки и достигает нескольких килограммов. Подобным образом выращивают и другие искусственные кристаллы: корунд, карборунд, криолит, фианиты, слюды и так далее.

Кристаллизация очень распространенный в химии процесс, редко какое производство без него обходится. Но конечно на заводе кристаллы выращивают не ради красоты. Там задача совсем иная. Но если за одно получается красиво – разве это плохо.         

Наиболее удобно использовать для выращивания кристаллов  кристаллогидраты различных солей металлов средней активности. Еще одно  преимущество  их использования в том, что данные соли имеют  цветную окраску. Кристаллы, выросшие в  естественных условия, имеют форму правильных многогранников той или иной  симметрии. Грани любого кристалла  всегда плоские, ребра  между гранями прямолинейные. Существует 32 класса симметрии  кристаллических веществ. Составляющие кристалл частицы расположены в нем упорядоченно и периодически.  Работа с кристаллами нетороплива, ростом и  формами кристаллов можно управлять: ненужные наросты в кристалле можно удалить, слегка потерев влажной тряпочкой, можно смазать грань вазелином; смазав провазелиненную поверхность кристалла ацетоном, можно наоборот стимулировать её рост.                                                                                      

 Кристаллы используются людьми, как украшения, но выращивают их не только для украшений и красоты. Например, искусственные ярко-красные рубины играют роль опоры для вращающихся деталей в часах.

      Как и всякая наука, кристаллохимия,  имеет свои методы, язык, законы. Есть в кристаллохимии 2 основных закона сформулированные В. М. Гольдшмидтом (Норвегия) и А. Ф. Капустинским (СССР). Эти законы говорят о факторах, определяющих структуру и энергию кристалла.  

Имеется и ряд кристаллохимических законов, например «пять правил Полинга», названных по имени американского учёного Л. К. Полинга и отражающих принципы построения сложных ионных кристаллов.

Языком кристаллохимии служат термины кристаллографической симметрии, ведь эта наука возникла на стыке других наук - химии и кристаллографии.    Скорости роста кристаллов в разных  направлениях различны. Если бы они были  одинаковыми, кристалл рос бы во все стороны одинаково и вырастал бы шаром. Это - явление спайности, т. е. способности раскалываться по ровным, гладким плоскостям, так называемым плоскостям спайности. «Спайность» проявляется не у  всех кристаллов. По степени  совершенства ее классифицируют как  весьма совершенную, совершенную, несовершенную. Если у кристалла есть совершенная спайность, то из него легко получить плоские пластинки: не надо пилить, шлифовать, полировать кристалл, достаточно расколоть его по плоскостям спайности. Твердость кристаллов  зависит от направления. Одной из  основных характеристик   кристалла   является  его проводимость, т. е. способность пропускать сквозь себя электрический ток. Рост кристаллов и их вид напрямую зависят от состава образующих веществ (в данном случае солей). В результате экспериментов выяснилось, что из хлорида натрия кристаллы растут намного быстрее, чем из сульфата меди, но вырастают меньше по размеру. Из сульфата меди они растут долго, но по сравнению с поваренной солью получаются значительно больше  по размерам. К тому же из поваренной соли мы получаем прозрачные кристаллы, а из медного купороса они имеют ярко-синюю окраску (по форме они тоже разные). Свойства кристаллов нашли широкое применение в самых различных областях техники: в оптике, акустике, радиоэлектронике и квантовой электронике, в металловедении и металлургии, в химии, в медицине. Пожалуй, нет такой области техники, где не применялись бы кристаллы. Более того, многие области техники возникли и развиваются только благодаря использованию удивительных свойств кристаллов.

Глава №II Выращивание кристаллов.

ВЕЩЕСТВА ДЛЯ ОПЫТОВ С КРИСТАЛЛАМИ

Проще всего выращивать кристаллы из водных растворов. Но не все кристаллические соединения годятся для выращивания кристаллов. К примеру, вы  не сможете получить большие кристаллы из поваренной соли или из сахара. Насыщенный раствор сахара очень вязкий, при охлаждении становится совсем густым – в такой среде кристаллизация протекает с большим трудом, и результате образуется прозрачная масса, похожая на стекло.

             Из каких доступных веществ можно вырастить кристаллы? Ниже приведена таблица соединений, которые можно использовать для этого.

Соли, которые можно использовать при выращивании кристаллов

·          Количество соли на 0,5 л при температуре 30^оС

КАК РАСТЁТ КРИСТАЛЛ

       Учёных давно интересовало, как образуются кристаллы; почему разные вещества дают кристаллы разной формы, а некоторые вовсе не образуют кристаллов; что надо сделать, чтобы кристаллы получились большими и красивыми. Исследования показали, что кристаллы – это вещества, в которых мельчайшие частички (атомы, ионы или молекулы) упакованы в определенном порядке. Именно этот порядок и определяет форму кристалла. А зависит он как от геометрической формы частиц, из которых построен кристалл, - ионов или молекул, - так и от того, как они друг другу притягиваются, какими частями могут соприкасаться, какими нет.

Одни вещества кристаллизуются легко, другие с большим трудом или вовсе не образуют кристаллов.

       Кристаллизацию обычно ведут при охлаждении раствора. При разных температурах растворимость солей разная. Она прямо пропорциональна изменению температуры раствора. При охлаждении раствора растворимость вещества понижается,  и оно начинает выделяться из него, а при повышении – растворяется. Так, в 100 г воды при 90⁰C может раствориться 54 г хлорида калия, но если понизить температуру раствора до 80⁰С, то растворить можно не больше 51 грамма этой соли.

       Если охлаждение медленное, зародышей кристаллов образуется немного, и, постепенно обрастая частичками вещества со всех сторон, они превращаются в красивые кристаллики правильной кубической формы. При быстром же охлаждении образуется много центров кристаллизации, и кристаллы получатся неправильной формы, и к тому же слишком мелкие.

       Ещё очень важно, чтобы раствор не содержал посторонних частичек (пылинок и т. д.), иначе в растворе на них начнется кристаллизация, и в результате получится то же самое, что и при быстром охлаждении раствора.

       Перед тем как приступить к работе, нужно знать, из каких веществ лучше всего получить кристаллы.

Ожерелье

В зависимости от вашего желания, вы можете вырастить один большой кристалл или сделать какое-либо декоративное укрощение.

Для начала можно вырастить так называемое «ожерелье королевы». Можно взять раствор хромокалиевых квасцов,  немного подогреть и опустить в него шерстяной жгут – он вскоре обрастёт кристаллами квасцов, напоминающими аметисты. Высушенное ожерелье нужно покрыть тонким слоем мебельного или ацетонного лака, иначе кристаллы начнут терять кристаллизационную воду, быстро потускнеют и рассыплются в порошок. Ещё можно опустить в перенасыщенный раствор несколько ниток, на них нарастут кристаллики. В раствор можно опускать разные фигурки сделанные из медной проволоки, обмотанной шерстяной ниткой.                                                                                             

Можно просто вырастить несколько кристаллов, они могут послужить впоследствии как затравочные кристаллы, или же для каких-нибудь других целей. Например, для украшения какого-нибудь изделия …

         Есть очень простой способ: можно просто на просто оставить открытый сосуд с раствором  при комнатной температуре – вода при этом будет испаряться очень медленно, особенно если его неплотно прикрыть листом бумаги: заодно защитить раствор от пыли или накрыть стеклянным колпаком. Для того, чтобы получить несколько кристалликов средних размеров, можно специально пустить в раствор несколько маленьких частичек – они будут служить центрами кристаллизации. На них будет выкристаллизовываться вещество, и вскоре они превратятся в кристаллы (Так же происходит и при образовании жемчужин в раковине).

Если вы хотите сделать какую-либо форму, а потом обрастить её кристаллами, нужна медная проволока. Её следует обмотать шерстяной ниткой и опустить в раствор. Шерстяная нитка играет дополнительную роль: она притягивает к себе частички, находящиеся в растворе, тем самым делая раствор чище – это снижает количество ненужных центров кристаллизации. Примерно уже через сутки будет виден результат.

Например, можно использовать раствор сульфата никеля (NiSO_{4 *} 7H₂O), или алюмокалиевые квасцы (KAl(SO₄)_{2 *} 12H₂O). Из сульфата никеля получаются изумрудные игольчатые кристаллы.

ВЫРАЩИВАЕМ КРИСТАЛЛ

Кристаллы могут расти как при охлаждении горячего раствора, так и при испарении воды из холодного раствора. Можно использовать оба метода.

Сначала получим затравочный кристаллик, а потом вырастим один

большой красивый кристалл. Чтобы в растворе с растущими кристаллами образовалось как можно меньше центров кристаллизации, посуда должна быть хорошо вымыта, а вода чистая и кипячёная, реактивы и растворы не должны быть загрязнены посторонними веществами.

Начнем с выращивания кристаллов из квасцов. Нам нужно получить хороший кристалл для затравки. Если просто приготовить горячий насыщенный раствор и оставить его остывать, то он начнёт быстро охлаждаться слишком быстро и в результате  образуется множество маленьких кристалликов. Нам же нужно получить кристаллы, чем крупнее, тем лучше. Замедлить понижение температуры раствора можно с помощью небольшого термоса (0,2 – 0,4л). В него засыпьте нужное количество квасцов, затем залейте кипяченой водой (нагретой примерно до 90^оС), и неплотно закройте крышкой и аккуратно взболтайте, чтобы вещество быстрее перешло в раствор. Оставьте его в безопасном месте. Идеальная форма кристаллов, полученных из квасцов, является правильным октаэдром (восьмигранник).

Как бы вы не старались, в растворе  никогда не вырастет один большой кристалл, через сутки в растворе окажется множество небольших кристаллов, однако среди них попадутся и относительно большие.

Кстати, если у вас нет термоса, можно воспользоваться пробиркой или другой ёмкостью. Пробирку нужно обмотать теплоизоляционной ватой и поставить в кружку так, чтобы она находилась в вертикальном положении. Теперь аккуратно насыпьте в неё квасцы примерно на ¼ по объему и залейте кипятком. Пробирку необходимо закупорить пробкой или бумагой, а сверху накрыть ватой или другим теплоизоляционным материалом.

         Выберете наиболее подходящий кристалл, а остальные оставьте, они  ещё понадобятся. Теперь его нужно поместить в кристаллизатор (кристаллизатором может быть стакан, банка или чашка). Сделайте крышку для кристаллизатора, лучше из картона с небольшим отверстием в центре. Обвяжите выбранный кристалл ниткой (лучше синтетической) и проденьте свободный конец в отверстие в крышке. Закрепите нитку так, чтобы кристалл повис на ней в центре кристаллизатора, не касаясь дна и стенок. Осторожно залейте кристаллизатор насыщенным раствором. Если раствор будет не насыщенным, то кристалл просто растворится и придется всё начинать сначала. Для того, чтобы этого не произошло, запасной раствор необходимо выдержать не менее суток. Банка с запасным раствором и кристаллизатор должны находится рядом, при одной температуре.

Итак, кристалл начал расти. Необходимо, чтобы температура кристаллизатора с течением времени оставалось постоянной, чтобы растущий кристалл всё время был покрыт слоем насыщенного раствора (его надо периодически подливать), иначе нить, стенки, дно кристаллизатора и сам кристалл не покрылся слоем новых маленьких кристаллов.  Время от времени кристаллизатор нужно чистить: сливать из него и переносить в запасной раствор наросшие кристаллики. Кристалл растет лучше всего, когда омывается раствором равномерно. Для этого можно просто перемешать раствор, но можно сделать приспособление из механического будильника.

Выращенный кристалл следует покрыть тонким слоем лака, в противном случае он начнет выветриваться и рассыплется.

Узоры на стекле

         Для этого опыта понадобится стеклянная пластинка и нашатырный спирт (хлорид аммония NH₄Cl). Необходимо приготовить насыщенный раствор. Для этого нужно подогреть ёмкость с водой, и тщательно перемешивая высыпать в неё хлорид аммония.

         Возьмите стеклянную пластинку или зеркальце, и кисточкой нанесите на неё приготовленный раствор. Покрытую пластинку оставьте на воздухе, чтобы нанесённый раствор медленно охлаждался, а чтобы на неё не попала пыль, можно спрятать её в коробке или в плотно закрывающемся шкафу.

         Спустя несколько часов вода испариться, а на стекле образуется узор, совсем такой же, как и зимой на окнах.

Силикатный сад

 В стакан с раствором силиката натрия опустим кристаллики окрашенных солей: бу­рого хлорида железа (III), розового сульфата кобальта(П), зелёного хлорида никеля {II), синего медного купороса. На поверхности кристал­ликов происходит реакция обмена. Возникают нерастворимые силикаты . Они растут в виде веточек. В результате образуется силикатный «сад» из нерастворимых силикатов.

Заключение

Исследовав свойства кристаллов, я пришел к выводу: интересное свойство кристалла - расти в правильной многогранной форме. В кристалле атомы колеблются около своих положений равновесия все в лад и в такт, все одинаково. Эта стройность, согласованность обусловлены закономерным внутренним строением кристалла, тем, что между атомами действуют силы связи, тем, что положение и колебания каждого атома согласованы со всеми атомами. 

         При изготовление кристаллов я понял несколько правил:

       1. Кристаллы можно выращивать только из насыщенных растворов  различных солей.

        2.  Кристаллы разной формы можно получить, меняя температуру, величину  кристаллов – зародышей, размеры  сосуда, создавая  тем самым оптимальные для роста условия

         3. Работа должна вестись с радостью, без принуждения, ведь кристаллы способны накапливать  энергию, излучать ее.

Список  литературы:

1.     Занимательные опыты по химии. В.Н. Алексинский. Москва

« Просвещение», 1995 г.

2.     Лекции по общей химии. Л.С. Гузей.: Москва «Первое сентября».

3.     Мир химии. Занимательные рассказы о химии. Санкт-Петербург. «Мим-экспресс» 1995г.

4.     Пособие по химии для поступающих в  ВУЗы.-изд. Московского университета, 1985 г.

5.     Опыты в домашней лаборатории.- М.: Наука, 1980г.

6.     Химия на досуге. Г.И. Штремплер. Москва « Просвещение», 1996 г.

Скачано с www.znanio.ru