Исследовательский проект «Строение и свойства кристаллов»

Государственное казённое общеобразовательное учреждение

 Ленинградской области «Школа-интернат, реализующая адаптированные образовательные программы, «Красные Зори»

(ГКОУ ЛО «Школа-интернат «Красные Зори»)

Исследовательский проект

«Строение и свойства кристаллов»

Автор материала: Лебедева Полина

                                                                                         ученица 7б класса

                                                    Куратор: воспитатель Кузеванова Е.П

Санкт-Петербург

2020г.

В ученическом исследовательском проекте по физике на тему «Строение и свойства кристаллов» автор изучает процесс роста кристаллов в природе, в промышленности и в домашних условиях, а также проводит практический опыт по выращиванию кристаллов соли в домашних условиях.

В рамках исследовательской работы по физике о строении и свойствах кристаллов автор вырастил кристаллы соли, при этом рассмотрел имеющиеся теоретические данные о строении кристаллов природного и искусственного происхождения, выяснил, какими физическими свойствами обладают те или иные кристаллы, определил, какую роль играют кристаллы в природе и как они используются в промышленности.

В ходе учебного исследовательского проекта по физике «Строение и свойства кристаллов» учащейся были рассмотрены теоретические сведения о видах кристаллов и методах их выращивания, о значении кристаллов в жизни человека. Для проведения практического опыта ученица подобрала доступное оборудование и сырье для производства кристаллов и вырастила кристаллы соли. В рамках проекта обучающаяся 8 класса познакомилась и использовала необходимые меры безопасности и защиты при проведении эксперимента; изучила условия образования кристаллов, их формы и цвета.

Все мы знаем, что кристаллы встречаются в природе, но также их можно получить в лабораторных условиях. Кристаллы широко применяются в науке, промышленности, оптике, электронике. Выращивание кристаллов, по истине, увлекательное занятие и, пожалуй, самое простое, доступное и недорогое, а также максимально безопасное с точки зрения техники безопасности, что немаловажно для тех, кто проводит эксперименты дома.

Чтобы вырастить кристалл, полезно знать, какие процессы управляют его ростом, почему разные вещества образуют кристаллы различной формы, а некоторые вещества их вовсе не образуют; что надо сделать, чтобы они получились большими и красивыми. Если кристаллизация идёт очень медленно, получается один большой кристалл, если быстро - то множество мелких. Поэтому представляется важным и интересным попробовать вырастить кристалл в домашних условиях без применения специальных приспособлений.

Целью данной работы является изучение процесса роста кристаллов в природе, в промышленности и в домашних условиях, а также научиться выращивать кристаллы соли в домашних условиях.

Задачи исследования:

·         более подробно узнать о видах кристаллов и методах их выращивания; узнать о значении кристаллов в жизни человека;

·         подобрать доступное оборудование и сырье для производства кристаллов;

·         вырастить кристаллы соли;

·         познакомиться и использовать необходимые меры безопасности и защиты при проведении эксперимента;

·         изучить условия образования кристаллов, их формы, цвета; проанализировать полученные результаты.

Объект исследования: соль и кристаллы соли.

Предметом исследования является процесс кристаллизации.

Использовались следующие методы исследования: исследовательский (подбор материала в соответствии с тематикой проекта, используя научную литературу и интернет ресурсы); аналитический – обобщение полученных опытов.

СТРОЕНИЕ КРИСТАЛЛОВ

Кристалл – это твердое тело природного происхождения либо образованное в лабораторных условиях, имеющее форму правильного многогранника. Правильность формы кристалла основана на его внутренней структуре – частицы вещества, из которых слагается кристалл (молекулы, атомы и ионы), располагаются в нем в определенной закономерности и образуют периодично – повторяющуюся трехмерную пространственную укладку, иначе называемую «кристаллической решеткой».

Разнообразие кристаллов по форме очень велико. Кристаллы могут иметь от четырех до нескольких сотен граней. Но при этом они обладают замечательным свойством – какими бы ни были размеры, форма и число граней одного и того же кристалла, все плоские грани пересекаются друг с другом под определенными углами. Углы между соответственными гранями всегда одинаковы. Кристаллы каменной соли, например, могут иметь форму куба, параллелепипеда, призмы или тела более сложной формы, но всегда их грани пересекаются под прямыми углами. Грани кварца имеют форму неправильных шестиугольников, но углы между гранями всегда одни и те же.

Измерение углов между гранями кристаллов имеет очень большое практическое значение, так как по результатам этих измерений во многих случаях может быть достоверно определена природа минерала. Простейшим прибором для измерения углов кристаллов является прикладной гониометр. Кристаллы правильной геометрической формы встречаются в природе редко.

Совместное действие таких неблагоприятных факторов, как колебания температуры, тесное окружение соседними твердыми телами, не позволяют растущему кристаллу приобрести характерную для него форму. Кроме того, значительная часть кристаллов, имевших в далеком прошлом совершенную огранку, успела утратить ее под действием воды, ветра, трения о другие твердые тела. Так, многие округлые прозрачные зерна, которые можно найти в прибрежном песке, являются кристаллами кварца, лишившимися граней в результате длительного трения друг о друга.

Существует несколько способов, позволяющих узнать, является ли твердое тело кристаллом. Самый простой из них, но очень малопригодный для использования, был открыт в результате случайного наблюдения в конце XVIII века французским ученым Ренне Гаюи, нечаянно уронившим один из кристаллов своей коллекции. Рассмотрев осколки кристалла, он заметил, что многие из них представляют собой уменьшенные копии исходного образца.

Замечательное свойство многих кристаллов давать при дроблении осколки, подобные по форме исходному кристаллу, позволило Гаюи высказать гипотезу, что все кристаллы состоят из плотно уложенных рядами маленьких, невидимых в микроскоп, частиц, имеющих присущую данному веществу правильную геометрическую форму. Многообразие геометрических форм Гаюи объяснил не только различной формой "кирпичиков", из которых они состоят, но и различными способами их укладки.

В XVIII веке английский ученый Роберт Гук и голландский ученый Христиан Гюйгенс обратили внимание на возможность построения правильных многогранников из плотно укладываемых шаров. Они предположили, что кристаллы построены из шарообразных частиц – атомов или молекул. Внешние формы кристаллов согласно этой гипотезе являются следствием особенностей плотной упаковки атомов или молекул. Независимо от них к такому же выводу пришел в 1748 году великий русский ученый М. В. Ломоносов.

При плотнейшей укладке шаров в один плоский слой каждый шар оказывается окруженным шестью другими шарами, центры которых образуют правильный шестиугольник. Если укладку второго слоя вести по лункам между шарами первого слоя, то второй слой окажется таким же, как и первый, только смещенным относительно него в пространстве.

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КРИСТАЛЛОВ

Рассматривая различные кристаллы, мы видим, что все они разные по форме, но любой из них представляет симметричное тело. И действительно, симметричность – это одно из основных свойств кристаллов. Симметричными мы называем тела, которые состоят из равных одинаковых частей.

Стоит упомянуть два основных свойства кристаллов. Одним из них является анизотропия. Под этим термином подразумевается изменение свойств в зависимости от направления. Это свойство называется еще неравносвойственностью. Выражается она в том, что физические свойства кристаллов (твердость, прочность, теплопроводность, электропроводность, скорость распространения света) неодинаковы по разным направлениям.

Вместе с тем кристаллы являются телами однородными. Однородность кристаллического вещества состоит в том, что два его участка одинаковой формы и одинаковой ориентировки одинаковы по свойствам.

Электрические свойства. Кристаллы относятся к так называемым одномерным проводникам. При температурах, близких к комнатной, электропроводность имеет ионный характер, т.к. основными носителями заряда являются ионы.

Такие свойства твёрдых тел как упругость, прочность, поверхностное натяжения определяются силами взаимодействия между атомами и строением кристаллов. Изучая силы межатомного взаимодействия, можно, например, определить величину модуля упругости, предела прочности материала, энергии связи кристалла и коэффициента поверхностного натяжение.

Однородность выражается в том, что любые элементарные объемы кристаллического вещества, одинаково ориентированные в пространстве, абсолютно одинаковы по всем своим свойствам: имеют один и тот же цвет, массу, твердость и т.д. таким образом, всякий кристалл есть однородное, но в то же время и анизотропное тело.

Способность к самогранению. Способность к самогранению выражается в том, что любой обломок или выточенный из кристалла шарик в соответствующей для его роста среде с течением времени покрывается характерными для данного кристалла гранями. Эта особенность связана с кристаллической структурой. Стеклянный же шарик, например, такой особенностью не обладает.

Кристаллы одного и того же вещества могут отличаться друг от друга своей величиной, числом граней, ребер и формой граней. Это зависит от условий образования кристалла. Неизменными остаются углы между соответственными гранями растущего кристалла. Эта особенность кристаллов известна как закон постоянства гранных углов.

Постоянная температура плавления выражается в том, что при нагревании кристаллического тела температура повышается до определенного предела; при дальнейшем же нагревании вещество начинает плавиться, а температура некоторое время остается постоянной, так как все тепло идет на разрушение кристаллической решетки.

Спайностьюназывается свойство кристалловраскалываться или расщепляться по определенным кристаллографическим направлениям с образованием ровных гладких плоскостей, называемых плоскостями спайности.

Окраска. Некоторые кристаллы имеют настолько чистый и красивый цвет, что их используют как краски или лаки. Часто их названия применяют в обиходной речи: изумрудно-зеленый, рубиново-красный, бирюзовый, аметистовый и др.

Прозрачность. Прозрачностью называется свойство вещества пропускать сквозь себя свет. Прозрачность кристаллов обуславливается отсутствием в них сильных электронных или колебательных переходов в видимой области спектра электромагнитных волн

Меры безопасности выращивания кристаллов в домашних условиях

Ещё до того, как начать выращивать дома кристаллы нужно помнить о том, что хотя соль, сахар и медный купорос не ядовиты, но соблюдать меры безопасности необходимо:

·         Проводить опыты по выращиванию кристаллов можно только в присутствии взрослых;

·         Не пробовать на вкус;

·         Посуду и приборы, применяемые для выращивания кристаллов нельзя использовать для приготовления пищи;

·         Нельзя принимать пищу во время проведения опытов;

·         Не попадать раствором в рот и глаза, но если это произошло промыть рот и глаза большим количеством воды;

·         Опыты проводите лучше в специальной одежде;

·         При проведении опытов использовать резиновые перчатки;

·         Проявляйте осторожность при работе с горячей водой;

·         Хранить растворы в отдельных баночках от других;

·         Аккуратно работать с газовыми плитами, не забывайте их выключать;

·         После проведения опытов обязательно вымойте руки;

·         Не используйте железные ложки и посуду для кристаллов, опыт может не получиться

·         Выращивание кристаллов в домашних условиях

·         Для того чтобы вырастить соляной кристалл дома, мы подготовили необходимое оборудование, материалы и инструменты. (Приложение 1) Основным компонентом является соль. Чем она чище, тем успешнее будет результат эксперимента, и тем четче получатся грани кристалла. Учитывая то,

·         что поваренная соль в большинстве случаев содержит в себе большое количество мелкого мусора, мы предпочли взять морскую соль без красителей и всевозможных добавок.

·         Воду мы взяли дистиллированную, т.к. она считается чистой без разнообразных примесей. Для выращивания нашего кристалла мы использовали тщательно вымытую стеклянную емкость.

·         Также нам понадобилась деревянная палочка для помешивания раствора, бумажные салфетки, марля, лак для покрытия готового соляного кристалла.

·         В стеклянной чашке мы приготовили насыщенный солевой раствор из 100 мл горячей воды и 40 г соли, дали жидкости остыть и пропустили ее через марлю.

·         Далее мы выбрали предмет (медную проволоку) и на нитке привязали (кусочек соли), вокруг которого впоследствии сформируется кристалл, поместили предмет в емкость с соляным раствором.

·         Чашку с кристаллом накрыли салфеткой для исключения попадания в нее мусора и пыли. Далее отправили емкость на хранение в темное прохладное место без сквозняков и обеспечили ей полное спокойствие.

·         На протяжении развития кристалла не допускали изменения влажности воздуха и резких скачков температуры в помещении, где он находится, исключили его встряхивание и слишком частые передвижения.

·         Когда кристалл вырос до необходимых размеров, мы аккуратно вынули его из жидкости, выложили на чистую бумажную салфетку и осторожно промокнули мягкой тканью. Для того чтобы хрупкий кристалл приобрел определенную прочность, мы покрыли его бесцветным маникюрным лаком.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выращивание кристаллов - очень интересный и увлекательный процесс. В результате проведенных исследований нам удалось вырастить кристаллы поваренной соли в домашних условиях.

На основании опытов сделали выводы:

·         Соль состоит из кристаллов

·         При соприкосновении с водой соль растворяется

·         По мере испарения воды, соль снова образует кристаллы.

Исследовательская работа мне очень понравилась. В ходе ее выполнения, мы познакомились со способами выращивания кристаллов. Узнали много интересного, познавательного. Но самое главное, мы самостоятельно вырастили кристаллы соли в домашних условиях.

Мы узнали многое, об образовании кристаллов. В дальнейшем хотелось бы провести и другие опыты по выращиванию кристаллов из сахара и медного купороса, чтобы в дальнейшем сравнить их.