Образец проекта по теме "Кристаллообразные миры"

Комитет по делам образования города Челябинска

МУНИЦИПАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ «ГИМНАЗИЯ № 10 г. ЧЕЛЯБИНСКА»

 

 

 

 

Проектная работа

«Кристаллообразные миры»

Тип проекта: исследовательский

 

 

 

 

                                                                                                                                Выполнил:

Татаринцев

Артур Михайлович,

ученик 9-б класса

Руководитель проекта: Шумовская

Людмила Петровна

 

 

 

 

 

 

 

 

 

       

 

Челябинск, 2024 г.

 

Содержание

 

Введение                                                                                                               3

Основная часть                                                                                                     4

I.1 Теоретическая часть                                                                                       4

I.1.1 Что такое кристаллы                                                                                    4

I.1.2. Строение кристаллов                                                                                  5

I.1.3. Способы образования кристаллов                                                             6

I.1.4 Свойства кристаллов                                                                                   7

I.1.5 Применение кристаллов в быту                                                                  8

I.1.6 Интересное о кристаллах                                                                            9

II.1 Практическая часть                                                                                        10         

II.1.1 Условия выращивания кристаллов                                                           10         

II.1.2 Результаты социологического опроса                                                      11

II.1.3 Продукт проекта                                                                                         12         

Заключение                                                                                                           13         

Список источников                                                                                              14         

Приложения                                                                                                          15         

 

Введение

 

Актуальность выбранной темы

Я считаю, что эта тема актуальна для России на сегодняшний день. Кристаллы очень популярны в различных отраслях, к примеру их научная и техническая применимость. Изучение кристаллической структуры и свойств различных материалов является важной направленностью научных исследований. Кристаллы играют ключевую роль в различных областях науки, таких как физика, химия, материаловедение и наука о кристаллах. Понимание основ кристаллографии может привести к разработке новых материалов с уникальными свойствами и улучшенными характеристиками. Также кристаллические материалы находят широкое применение в различных отраслях, таких как электроника, оптика, медицина, энергетика и другие. Например, кристаллы используются в производстве полупроводниковых приборов, солнечных панелей, оптических линз, лазеров и многого другого. Таким образом, исследование, создание и применение кристаллических материалов имеет огромный потенциал для развития новых технологий и улучшения существующих.

Цель: Изучить строение, свойства кристаллов и вырастить кристалл в домашних условиях.

 Задачи:

1. Изучить историю открытия кристаллов.

2. Изучить интернет- ресурсы и литературу по теме проекта.

3. Узнать, как можно применять кристаллы в нашем мире.

4. Познакомиться с методами выращивания кристаллов.

5. Создать свой кристалл в домашних условиях.

Гипотеза: Если кристаллы могут образовываться в разных условиях в природе, то соблюдая определенные условия кристаллизации можно в домашних условиях вырастить кристаллы. Это я и решил проверить опытным путем.

Объект исследования: Кристаллы.

Предмет исследования: Способы выращивания кристаллов в домашних условиях.

Методы исследования: Эксперимент, сравнение, анализ, обобщение.

Продукт проекта: Кристаллы, выращенные способом кристаллизации в растворе.

 

 

 

 

Основная часть

I.1. Теоретическая часть

I.1.1. Что такое кристаллы

 

Кристаллы — твёрдые тела, в которых частицы (атомы и молекулы) расположены регулярно, образуя трёхмерно-периодическую пространственную укладку — кристаллическую решётку.

Кристаллы имеют естественную внешнюю форму правильных симметричных многогранников, которая основана на их внутренней структуре, то есть на одном из нескольких определённых регулярных расположений составляющих вещество частиц (атомов, молекул, ионов).

Современное определение кристалла дано Международным союзом кристаллографов: материал представляет собой кристалл, если он имеет преимущественно острую дифракционную картину.

Кристаллом (от греч. krystallos – «прозрачный лед») вначале называли прозрачный кварц (горный хрусталь), встречавшийся в Альпах. Горный хрусталь принимали за лед, затвердевший от холода до такой степени, что он уже не плавится. Первоначально главную особенность кристалла видели в его прозрачности, и это слово употребляли в применении ко всем прозрачным природным твердым телам. Позднее стали изготавливать стекло, не уступавшее в блеске и прозрачности природным веществам. Предметы из такого стекла тоже называли «кристальными». Еще и сегодня стекло особой прозрачности называется хрустальным, «магический» шар гадалок – хрустальным шаром. [6]

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.

Заметной вехой в истории кристаллографии явилась книга, написанная в 1784 году французским аббатом Р. Гаюи. Он выдвинул предположение, что кристаллы возникают в результате правильной укладки крохотных одинаковых частиц, которые он назвал «молекулярными блоками». Гаюи показал, каким образом можно получить гладкие плоские грани кальцита, укладывая такие «кирпичики». Различия в форме разных веществ он объяснил разницей, как в форме «кирпичиков», так и в способе их укладки.

 

 

 

I.1.2. Строение кристаллов

 

Кристаллы имеют определенное строение, которое является результатом упорядоченного расположения атомов или молекул в трехмерной решетке. Основные виды строения кристаллов включают:

1. Кубическое: атомы или молекулы располагаются в кубической решетке, где все три оси имеют одинаковые длины и углы между ними равны 90 градусам.

2. Гексагональное: атомы или молекулы располагаются в гексагональной решетке, где две оси имеют одинаковую длину и углы между ними равны 120 градусам.

3. Тетрагональное: атомы или молекулы располагаются в тетрагональной решетке, где две оси имеют одинаковую длину, а третья отличается от них и углы между ними равны 90 градусам.

4. Октаэдрическое: атомы или молекулы располагаются в октаэдрической решетке, где углы между основными осями не являются прямыми.

5. Ромбоэдрическое: атомы или молекулы располагаются в ромбоэдрической решетке, где все три оси имеют одинаковую длину, но углы между ними не равны 90 градусам. [2]

Кристаллы обладают рядом уникальных свойств, связанных с их структурой. Например, они обладают определенными оптическими свойствами, такими как дисперсия света или двойное лучепреломление. Они также могут обладать пьезоэлектрическими свойствами, способностью генерировать электрический заряд при деформации.

В целом, строение кристаллов определяется их химическим составом, типом симметрии и методом формирования. Кристаллы могут иметь различные формы и свойства, которые определяются их структурой.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I.1.3. Способы образования кристаллов

 

Существует множество способов образования кристаллов: кристаллизация из расплава, из раствора и из газовой фазы. Примером кристаллизации из расплава может служить образование льда из воды (ведь вода – это расплавленный лёд), а также образования вулканических пород. Пример кристаллизации из раствора в природе – выпадение сотен миллионов тонн соли из морской воды. При охлаждении газа (или пара) электрические силы притяжения объединяют атомы или молекулы в кристаллическое твёрдое вещество – так образуются снежинки.

Наиболее распространёнными способами искусственного выращивания монокристаллов являются кристаллизация из раствора и из расплава. В первом случае кристаллы растут из насыщенного раствора при медленном испарении растворителя или при медленном понижении температуры.

Если твёрдое вещество нагреть, оно перейдёт в жидкое состояние – расплав. Трудности выращивания монокристаллов из расплавов связаны с высокой температурой плавления. Например, для получения кристалла рубина нужно расплавить порошок оксида алюминия, а для этого его нужно нагреть до температуры 2030 °С. [5]

            Ещё несколько способов образования кристаллов:

1. Из пара: кристаллы могут образовываться из парового состояния, когда пары материала конденсируются в кристаллическую структуру на поверхности твердого тела.

2. Из раствора: кристаллы могут образовываться из раствора, когда растворенные вещества выделяются из раствора и образуют кристаллическую структуру.

3. Из расплава: кристаллы могут образовываться из расплавленных веществ, когда расплавленные материалы охлаждаются и кристаллизуются.

4. Биологическим путем: в природе кристаллы могут образовываться в живых организмах, например, кристаллы костей, зубов, органических соединений.

5. Химическим путем: кристаллы могут образовываться путем химических реакций, когда химические вещества соединяются и образуют кристаллическую структуру.

6. Электростатическим путем: кристаллы могут образовываться под действием электрических полей, когда ионы вещества ориентируются в кристаллической структуре под воздействием полей.

 

 

 

 

 

 

I.1.4. Свойства кристаллов

 

Основными свойствами кристаллов являются их однородность, анизотропность, способность самоограняться и иметь симметричность.

Однородным обычно называют тело, которое обнаруживает одинаковые свойства во всех своих частях. Кристаллическое тело однородно, т. к. различные участки его имеют одинаковое строение, т. е. одинаковую ориентировку слагающих частиц, принадлежащих одной и той же пространственной решётке. [4]

Сами кристаллы обладают свойствами, такими как:

1. Симметрия: Кристалл обладает определенной симметрией, которая проявляется в его форме и внутреннем строении.

2. Индекс преломления: Кристаллы имеют различные показатели преломления для различных плоскостей, что определяет их оптические свойства.

3. Эластичность: Кристаллы могут деформироваться под воздействием механических сил, но при удалении этих сил возвращаются к исходной форме.

4. Расщепление: Некоторые кристаллы могут расщеплять лучи света на два или более компонента, что называется двойным лучепреломлением.

5. Пироэлектричество: Некоторые кристаллы могут генерировать электрический заряд при изменении температуры, называемый пироэлектрическим эффектом.

6. Пьезоэлектричество: Некоторые кристаллы могут генерировать электрическое напряжение при механическом напряжении, что называется пьезоэлектрическим эффектом.

7. Термоэлектричество: Некоторые кристаллы могут генерировать электрический заряд при неравномерном нагреве, что называется термоэлектрическим эффектом.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I.1.5. Применение кристаллов в быту.

 

Кристаллы находят довольно широкое применение в технике и быту.

Они используются в компьютерах и мобильных телефонах, аудио- и видеотехнике. Без кристаллов не могут работать многие сложные современные устройства для обработки, передачи и хранения информации, применяются для трансформации одного вида энергии в другой. Также нужны для создания когерентных источников света и управления лазерным излучением. Великолепие кристаллов издревле вдохновляет людей на создание красивейших ювелирных украшений и декоративных изделий.  Кристаллы необходимы для обработки поверхностей. Потребность в кристаллах в мире очень высока. Десятки тысяч тонн разнообразных кристаллов выращиваются ежегодно, и специалисты по росту и исследованию кристаллов постоянно востребованы как у нас в стране, так и за рубежом.  Так, благодаря высочайшей твердости алмазы, природные и искусственные, используются в промышленности для изготовления высокопрочных режущих инструментов, специальных опорных элементов для особо точных хронометров и других приборов, а ограненные алмазы (бриллианты) считаются одними из самых дорогих драгоценных камней. Рубины также являются драгоценными камнями. Они, как и алмазы, широко применяются в часовой промышленности, на фабриках по изготовлению химического волокна. [3]

Кристаллы кварца нашли применение в радиотехнике. Работы по созданию технологий кристаллических материалов входят в Перечень Приоритетных направлений развития науки, технологий и техники Российской Федерации, утвержденный Президентом РФ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I.1.6. Интересное о кристаллах.

 

Каждый кристалл имеет свои уникальные свойства и энергетику, которые могут влиять на окружающую среду и человека. Они используются для лечения и оздоровления организма, для защиты от негативных воздействий и для привлечения положительной энергии. Кристаллы также могут усиливать медитацию, помогать в достижении целей и развитии интуиции.

Интересно, что кристаллы обладают своими особыми цветами и оттенками, которые имеют свои символические значения. Например, аметист - символ мудрости и духовного развития, розовый кварц - символ любви и гармонии, сапфир - символ мудрости и истины.

Список интересных фактов о кристаллах:

1. Кристаллы - это твёрдые вещества, структура которых характеризуется регулярным распределением атомов или молекул в пространстве.

2. Кристаллы могут образовываться естественным путем (например, минералы) или быть синтезированы в лабораторных условиях.

3. Кристаллы обладают уникальными оптическими свойствами, такими как дисперсия света, двойное лучепреломление и оптическая активность.

4. Кристаллы могут быть изучены с помощью методов рентгеноструктурного анализа, которые позволяют определить их строение на молекулярном уровне.

5. Некоторые кристаллы способны обладать пьезоэлектрическими свойствами, то есть изменять свою форму под действием электрического поля.

6. Существуют различные виды кристаллов, такие как металлические, ионные, ковалентные, молекулярные и сетчатые кристаллы. [1]

Таким образом, кристаллы - это не просто красивые минералы, но и мощные инструменты для духовного и физического развития человека. Они могут помочь нам обрести внутренний покой, гармонию и равновесие, а также привлечь к нам нужные изменения и возможности в жизни.

           

 

 

 

 

 

 

II.1 Практическая часть

II.1.1. Условия выращивания кристаллов

 

Я решил выращивать кристалл методом кристаллизации из раствора. Для проведения данного эксперимента мне понадобились 2 банки, порошок медного купороса и марля. (Приложение 3. Фото 1)

Шаг 1:

В горячей чистой воде я растворил порошок медного купороса с расчетом 100-150 г на 200 мл воды. Перемешиваем раствор палочкой до тех пор, пока купорос не перестанет растворяться в воде. (Приложение 3. Фото 2)

Шаг 2:

Теперь фильтруем раствор.  Для этого складываем марлю или бинт в несколько слоев и переливаем через него нашу жидкость. (Приложение 3. Фото 3)

Шаг 3:

Берём любую палочку и наматываем на неё нитку. На конце нити завязываем узел, на который будет наращиваться впоследствии кристалл. (Приложение 3. Фото 4)

Шаг 4:

В отфильтрованный насыщенный раствор опускаем нитку с узелком так, чтобы узелок был в центре объема жидкости. Высоту узелка можно регулировать, наматывая и разматывая нитку вокруг палочки. (Приложение 3. Фото 5)

Шаг 5:

Накрываем банку слоем марли и ставим банку в спокойное место с постоянной температурой. Банку накрыли марлей, чтобы пыль и грязь не попадала в нее. А перепады температуры и сотрясения могут отрицательно отразиться на росте кристалла.

Шаг 6:

Ждем.

По мере остывания раствора (ближайший час) в банке будет резко повышаться концентрация медного купороса, т.к. при более низкой температуре в воде растворяется гораздо меньше вещества и лишнее вещество, образующееся при остывании, выпадает в осадок в виде кристаллов.

 Всё «лишнее» при данной температуре вещество переходит в твердую фазу, выстраивая кристаллическую структуру в очаге кристаллизации – на нитке. В итоге на нитке образуются много маленьких кристаллов, которые все новыми слоями наращиваются друг на друга, образуя красивое поликристаллическое тело. (Приложение 3. Фото 6)

 

 

 

II.1.2. Проведение опроса

 

Для того, чтобы определить уровень информированности моих одноклассников, я провел социологический опрос. В опросе принимали участие обучающиеся 9 «Б» класса МБОУ «Гимназия № 10 г. Челябинска» в возрасте от 15 до 16 лет. Всего проголосовало 26 участников. Всего было 4 вопроса закрытого типа. (Приложение 1.)

Исходя из результатов опроса, можно сделать вывод, что все из моего класса знают, что такое кристаллы. (Приложение 2. Диаграмма 1)

93,8% - знают, что такое кристаллы

6,3% - не знают, что такое кристаллы

Ответы на вопрос «Применяются ли кристаллы в быту?» можно увидеть на диаграмме (Приложение 2. Диаграмма 2)

56,3% - ответили « Да »

43,8% - ответили « Нет »

Ответы на вопрос «Были ли вы в каком-либо месте, где зарождаются кристаллы?» можно увидеть на диаграмме (Приложение 2. Диаграмма 3)

43,8% - были в таких местах

56,3% - не были

Ответы на вопрос «Доводилось ли вам когда-нибудь работать с кристаллами» можно увидеть на диаграмме (Приложение 2. Диаграмма 4)

93,8% - ответили « Нет »

6,3% - ответили « Да »

Исходя из результата опроса, я сделал вывод, что большинство моих одноклассников знают, что такое кристаллы, но не знают их способов применения в быту, методов получения и образования.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II.1.3. Продукт проекта

 

Взяв всё необходимое, я провёл несколько экспериментов. Использовались разные реактивы, а именно порошок медного купороса (сульфат меди), порошок перманганата калия и хлорид натрия (поваренную соль). Следуя по правилам моей выше приведённой инструкции, я вырастил кристалл из медного купороса. (Приложение 3. Фото 7). Можно увидеть, что кристалл растёт в длину. Я предположил, что это зависит от длины нити, помещённой в раствор. Дабы подтвердить свою точку зрения, я вырастил второй кристалл из медного купороса. (Приложение 3. Фото 8). На этот раз я поместил нить короткой длины в раствор. Увидев, что кристалл начал расти в ширину, моя точка зрения подтвердилась. (Приложение 3. Фото 9). При дальнейшем выращивании мною было замечено, что кристалл, который рос в длину начал разрушаться, то есть отпала его половина. Я долго думал и искал информацию в источниках и пришёл к выводу, что раствор был недостаточно концентрированным. (Приложение 3. Фото 10).

После некоторого времени, я принялся выращивать кристалл из перманганата калия. Порошка было слишком мало, а в магазинах больше эту соль не продают, поэтому мной было принято решение выращивать его в стеклянном стаканчике. (Приложение 3. Фото 11). Взяв те же приборы, которые использовались в прошлых экспериментах, я приступил к самому процессу. (Приложение 3. Фото 12). Через 3 дня после проведения эксперимента, я заметил, что, нитка на которую крепился кристалл, обуглилась. Произошло это по одной причине: кислород вступил в реакцию с перманганатом калия, и нитка сгорела из-за сильного окисления первым элементом. (Приложение 3. Фото 13). Я понял, что для выращивания кристалла из марганца нужно создать условия вакуума, то есть не давать кислороду проникнуть в стакан.

Моим последним экспериментом являлось выращивание кристалла из хлорида натрия (поваренной соли). Взяв всё необходимое, я приступил к самому процессу. (Приложение 3. Фото 14). Через 7 дней результат меня не обрадовал. Кристаллики на нити были очень мелкие и процесс выращивания был самым долгим. (Приложение 3. Фото 15).

Исходя из результатов экспериментов, я сделал вывод, что наиболее быстрый рост наблюдался у кристалла из медного купороса, а самый медленный из поваренной соли. Моя гипотеза с изменением условий выращивания кристаллов за счёт нити подтвердилась. Подводя итоги, можно сказать, что кристаллы меняют свою форму роста из-за изменения условий температуры, концентрации, длины нити в растворе.

 

 

Заключение

 

В ходе работы над проектом я рассмотрел выращивание кристаллов различных форм и цветов. Благодаря изменению условий эксперимента, удалось получить разнообразные миры, в которых каждый кристалл представлял собой уникальное и восхитительное творение природы. Проведя опрос, я понял, что что мои одноклассники знают, что такое кристаллы, но не знают их способов применения в быту, методов получения и образования.

Я смог доказать и подтвердить гипотезу своего проекта. Эксперимент позволил понять, как важно контролировать условия роста кристаллов, такие как температура, концентрация раствора, длина опущенной нити, скорость охлаждения и другие параметры. Каждое изменение в этих условиях приводило к удивительным и неожиданным результатам.

Таким образом, проект показал, что мир кристаллов является бесконечно разнообразным и удивительным. Существуют различные формы, техники выращивания кристаллов, интересные факты про них и их способы применения в быту. Полученные результаты открывают новые перспективы для изучения кристаллов и их применения в различных сферах науки и техники.

 

 

 

Список источников

 

1. Интересные факты о кристаллах // Sciencing URL: https://sciencing.com/interesting-crystals-6125347.html (дата обращения: 11.04.2024).

2. Как устроен кристалл // Skysmart URL: https://skysmart.ru/articles/chemistry/kristalicheskaya-reshetka (дата обращения: 4.03.2024).

3. Применение кристаллов в быту // Nsportal URL: https://nsportal.ru/ap/library/nauchno-tekhnicheskoe-tvorchestvo/2021/04/04/kristally-i-ih-primenenie (дата обращения: 15.03.2024).

4. Свойства кристаллов // StudFiles URL: https://studfile.net/preview/5679383/page:2/ (дата обращения: 10.03.2024).

5. Способы образования кристаллов // Geolib URL: https://www.geolib.net/crystallography/obrazovanie-i-rost-kristallov.html (дата обращения: 2.01.2024).

6. Что такое кристаллы // Большая Российская Энциклопедия URL: https://bigenc.ru/c/kristally-7029a6 (дата обращения: 9.02.2024).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приложения

 Приложение I

Социологический опрос

 

1. Знаете ли вы, что такое кристаллы?

1) Да

2) Нет

 

2. Применяются ли кристаллы в быту?

1) Да

2) Нет

 

3. Были ли вы в каком-либо месте, где зарождаются кристаллы?

1) Да

2) Нет

 

4. Доводилось ли вам когда - нибудь работать с кристаллами?

1) Да

2) Нет

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приложение II

Диаграмма 1

 

Диаграмма 2

 

 

 

 

 

 

Диаграмма 3

 

Диаграмма 4

 

 

 

 

 

 

 

Приложение III

Продукт проекта

            Фото 1 Порошок медного купороса

Фото 2 Банки для выращивания

Фото 3 Фильтрование насыщенного раствора

Фото 4 Нить для выращивания кристалла

 

 

Фото 5 Рост кристалла

Фото 6 Первые кристаллические образования

 

Фото 7 Активная кристаллизация

Фото 8 Начало выращивания второго кристалла из медного купороса

Фото 9 Первый выращенный кристалл из медного купороса разрушился

Фото 10 Результат роста второго кристалла, выращенного из медного купороса

 

Фото 11 Порошок перманганата калия

Фото 12 Готовка и фильтрация раствора

Фото 13 Нитка обуглилась и кристалл из перманганата калия разрушился

Фото 14 Начало выращивания кристалла из поваренной соли

Фото 15 Результат роста кристалла из поваренной соли

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Скачано с www.znanio.ru