Загадочный мир кристаллов

Российская научно­социальная программа для молодежи и школьников «Шаг в КОНФЕРЕНЦИЯ   ­  2А1 будущее» ЮЖНО­УРАЛЬСКАЯ    ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНО­СОЦИАЛЬНАЯ    ПРОГРАММА ДЛЯ МОЛОДЕЖИ  И  ШКОЛЬНИКОВ  "ШАГ  В  БУДУЩЕЕ ­ СОЗВЕЗДИЕ ­ НТТМ" ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­ ЧЕЛЯБИНСКИЙ  ГОРОДСКОЙ  ГОЛОВНОЙ КООРДИНАЦИОННЫЙ  ЦЕНТР  НТТМ «ИНТЕЛЛЕКТУАЛЫ    XXI   ВЕКА» «Загадочный мир кристаллов» Исследовательская работа  на Российский форум научной молодежи  «Шаг в будущее» Секция 2.1   (2A1)  Физика и познание мира Автор: Сражетдинова Севара МАОУ СОШ №9, 7 класс Научный руководитель:  Хрущева А.Р.,  учитель физики г. Златоуст, 2015г. ОГЛАВЛЕНИЕ 2 ВВЕДЕНИЕ ………………………………………………………………………… 3 4 ГЛАВА 1. ЗАГАДОЧНЫЙ МИР КРИСТАЛЛОВ……………………………... 1.1. История возникновения кристаллов……..………………………… 4 1.2. 4 Что такое кристалл? ………………………………………………… 1.3. 5 ГЛАВА 2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ………………………………………….. 5 Практическая значимость кристаллов для человека………………. 2.1. 2.2. 2.3. Образование кристаллов ­ удивительное действие природы…….. Зависимость роста кристаллов от температуры …………… Зависимость роста кристаллов от удаления воды из насыщенного  5     8 9 раствора………………………………………………………………. 10 ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………………….. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ……………………………….. 11 ПРИЛОЖЕНИЯ………………………………………………………….................. 12 3 Введение                                                    «Чем больше вглядываешься в кристалл, тем                                                             глубже он  затягивает вас в свою глубину очарования»                                                                                                                                    И.Е.Репин Кристалл.   Что   можно   себе   представить,   услышав   это   слово?   Природные кристаллы   всегда   возбуждали   любопытство   у   людей.   Их   цвет,   блеск   и   форма затрагивали человеческое чувство прекрасного, и люди украшали ими себя и жилище. Сегодня  кристаллы, помимо их свойства соблазна, нашли очень большое применение в науке и технике. 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.  Но,   где   взять   столько   кристаллов?   Думаю,   что   в   природе   найти   нужный кристалл  сложно,  да  и  нахождение  в  природе  крупных  однородных кристаллов  ­ явление   нечастое,   а   человек   все   чаще   нуждается   в   таких   подарках   природы. Актуальность  проблемы   очевидна,   человеку   необходим   способ   искусственного создания кристаллов. На уроке физики было дано задание – вырастить кристалл, меня это очень заинтересовало, и я решила исследовать данную тему. Обозначив для себя проблему, мы с учителем определили объект и предмет нашего исследования: Объект исследования – кристаллы Предмет исследования – способы выращивания кристаллов в домашних условиях Цель: выращивание кристаллов в домашних условиях. Задачи:  познакомиться с историей возникновения  кристалла;  выяснить практическое значение кристалла;   определить условия выращивания кристаллов в домашних условиях. 4 Методы   исследования:  обзор   эксперимент. Гипотеза: Кристалл можно вырастить в любых условиях.   литературных   источников,   анализ,   сравнение, Глава 1. Загадочный мир кристаллов 1.1. История возникновения кристаллов Кристаллы многих минералов и драгоценных камней были известны и описаны ещё несколько тысячелетий  назад. 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».  Удивительной   особенностью   горного   хрусталя   и   многих   других   прозрачных минералов являются их гладкие плоские грани. В конце 17 века было подмечено, что имеется определенная симметрия в их расположении. Было установлено также, что некоторые непрозрачные минералы также имеют естественную правильную огранку и что форма огранки характерна для того или иного минерала. Возникла догадка, что форма может быть связана с внутренним строением. Поэтому, кристаллами стали называть все твердые вещества, имеющие природную плоскую огранку.  1.2. Что такое кристалл? 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 по­разному соединяются 5 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, выстраиваются в строгом порядке “как солдаты в строю” (в отличие от частиц в газах, жидкостях и в аморфных твёрдых телах), т. е. получаются узоры правильной формы. Благодаря такой повторяющейся структуре кристаллы сами могут принимать странные и интересные формы.  1.3. Практическая значимость кристаллов для человека Применения кристаллов в науке и технике так многочисленны и разнообразны, что их трудно перечислить. Перечень видов применения кристаллов уже достаточно длинен и непрерывно растет. Поэтому ограничусь несколькими примерами.  Практическая  значимость  кристаллов для  человека Производство  тонкой  электротехники  компьютеры) Оптические  технологии Ювелирные  украшения                              . Глава 2. Выращивание кристаллов 2.1. Образование кристаллов ­ удивительное действие природы Вместе с папой, я прочитала в интернете, что природные кристаллы не всегда достаточно крупны, часто они неоднородны, в них имеются нежелательные примеси. При искусственном выращивании можно получить кристаллы крупнее, однороднее и чище, чем встречаются в природе. Очень   эффектно   выглядят   "доморощенные"   кристаллы   медного   купороса   ярко­ синего цвета и хромокалиевых квасцов (фиолетовые), хороши и бесцветные кубики 6 поваренной   соли.  Мне  показалось   странным,  что  кристалл   растёт.  Почему   же  он может расти? Ведь это не растение.  Прочитав инструкцию и изучив меры предосторожности, свою деятельность я начала   с   выращивания   кристаллов   из   поваренной   соли.   Данное   исследование является   моим   первым   опытом   работы   в   проведении   научно­   практического изучения. Опыт 1  Выращивание кристалла поваренной соли: 1. Приготовила нитки разного качества, соль, банку. (Приложение 1) 2.Развёла   раствор   поваренной   соли   следующим   образом:   налила   воды   в   банку   и поставила его в кастрюлю с тёплой водой. 3. Насыпала пищевую соль в банку и оставила минут на 5, предварительно помешав. За это время банка с водой нагрелась, а соль растворилась.  4.Добавляла и перемешивала соль ещё несколько раз до тех пор, пока соль уже не перестала   растворяться   и   начала   оседать   на   дно   банки.  Я   получила   насыщенный раствор соли.  5.Перелила его, избавившись при этом от лишней соли на дне. 6.Опустила в банку нитки разного качества, закрепила их так, чтобы один конец был в банке с раствором, а другой конец был с внешней стороны.  В   результате   этого   опыта   кристалл   начал   расти   на   нити,   находящейся   с внешней   стороны,   У   меня   получилась   красивая   кристаллическая   нить   из   мелких кристалликов,   похожая   на   украшение,   но     кристалл   был   очень   хрупкий,   при неосторожном движении рассыпался.  Мне стало интересно, а можно ли вырастить кристалл большой формы и более прочный.   Я   решила   продолжить   исследования,   и   вырастить   кристалл   медного купороса.  Опыт 2 Выращивание кристалла медного купороса: 1.Выбрала место с постоянной температурой, где кристалл никто не будет трогать, пока он растёт.   2.Вскипятила воду и налил её в ведёрко. 3.Высыпала порошок для выращивания кристаллов в ведёрко с кипятком. 7 4.Перемешала   раствор   до   полного   растворения   порошка.   Перемешивала   в   одном направлении. 5.Опустила в ведёрко камешек. 6.Закрыла ведёрко, подождала один час, чтобы раствор остыл. 7.Осторожно высыпала заправочные кристаллы в центр ведёрка на камешек.               8.Ждала появление первого кристалла 24 часа. 9.Каждый день наблюдал за ростом кристаллов с помощью фонарика. 10.Через 30 дней кристалл начал выступать над поверхностью воды.  Я вылила раствор из ведёрка.               11.Надев перчатки, я вытащила кристалл из ведёрка на два дня, чтобы он обсох.  Вывод: В результате проведённого опыта я получила, можно сказать, чудо какое­то, большой, крепкий кристалл, красивого голубого цвета, т.к.   это кристалл медного купороса. Но кристалл боится высокой температуры и солнечных лучей.  Примечание: Если удалось растворить весь купорос в воде, значит его недостаточно и нужно добавить еще. В банке на дне должен в итоге оставаться нерастворимый осадок.  Главная наша цель ­ добиться насыщенного состояния раствора (т.е. такого раствора, в котором еще больше вещества раствориться уже не может). Для этого нужно в данном объеме жидкости растворить как можно больше грамм медного купороса. *Как   добиться   насыщенного   раствора   или   сколько   купороса   нужно разбавлять в воде? Чтобы ответить на этот вопрос, посмотрим, как изменяется растворимость сульфата меди с температурой (рисунок 1). Рисунок 1. Изменение растворимости CuSO4 с температурой (в гр на 100 гр воды)   Как видно из графика с увеличением температуры растворимость  сульфата меди довольно быстро растет. Но когда температура достигает примерно 80 °С, то дальнейшее нагревание почти не ведет к увеличению растворимости. 8 Кроме того, при нагревании выше 90 градусов раствор мутнеет и происходит выпадение черных хлопьев в виде осадка, что влияет на чистоту кристалла. Поэтому   оптимальная   температура   растворения   медного   купороса   для выращивания кристалла – 80 градусов.  2.2. Зависимость роста кристаллов от температуры Например,   охлаждая   насыщенный раствор. растворимость     С   понижением   температуры веществ большинства   уменьшается, и они, как говорят, выпадают в осадок.   Сначала   в   растворе   и   на   стенках сосуда появляются крошечные кристаллы­зародыши. 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.  Если раствор охлаждать быстро, то кристаллы будут тоже расти быстро, но их форма может  оказаться неправильной Если раствор охлаждать медленно, то форма  может оказаться правильной 2.3. Зависимость роста кристаллов от удаления воды из насыщенного  раствора Выращивание   кристаллов   можно   осуществить   и   другим   способом   ­ постепенным   удалением   воды   из   насыщенного   раствора.   И   в   этом   случае,   чем медленнее   удаляется   вода,   тем   лучше   получаются   кристаллы.   Можно   оставить 9 открытый сосуд с раствором при комнатной температуре на длительный срок ­ вода при этом будет испаряться медленно (особенно если сверху положить лист бумаги, который заодно защитит раствор от пыли). 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. Даже если исходный кристалл имел неправильную форму, он рано или поздно сам выправит все дефекты и примет форму, свойственную данному веществу. Важно помнить! Выращивание кристаллов:  1.   Кристаллик   нельзя   при   росте   без   особой   причины   вынимать   из   раствора 2.   Не   допускать   попадание   мусора   в   раствор,   где   растёт   кристалл 3. Периодически (раз в неделю) менять или обновлять насыщенный раствор 10 Заключение Процесс выращивания кристаллов в домашних условиях это очень интересное и   увлекательное   занятие,   позволяющее   сознательно   отнестись   к   закономерностям   сделала   меня   более   наблюдательной,   терпеливой, природы.   Данная   работа   расширила мой кругозор, приобщила к науке. Мне было интересно работать вместе с моими родителями, им тоже было интересно.  В   ходе   работы   я   познакомилась   с   историей   возникновения     кристалла; выяснила   практическое   значение   кристалла   и   определила   условия   выращивания кристаллов   в   домашних   условиях.   Моя   гипотеза   не   подтвердилась   –   кристаллы растут   только   при   определенных   условиях   и   имеют   зависимость   роста   от температуры, от времени и от удаления воды из насыщенного раствора. Выращенные мною кристаллы получились красивыми, разными, яркими, но не практичными. На них можно смотреть и любоваться, но использовать их в жизни трудно,  т.к.  кристалл   соли   –  хрупкий,  а  из   медного   купороса  –  боится   высокой температуры и солнечных лучей; В   будущем   хочу   вырастить   красивые   кристаллы   разных   цветов   другими способами; В результате, проделанной работы, мы пришли к следующим выводам: 1. Работу мы делали с большим удовольствием и интересом. 2. Кристаллы необходимы на уроках физики при прохождении соответствующей темы как наглядные пособия, которых в школе нет. 3. Обогатился наш теоретический запас знаний по физике 4. Мы привлекли внимание наших родителей, им тоже было интересно. В   дальнейшем,   я   хочу   вырастить   кристаллы   медного   купороса   и   квасцов методом испарения и охлаждения. Закончить свою работу хочу словами Ильи Репина     «Кристаллы будоражат наше воображение гармонией, поражают яркостью и многообразием окраски, своими замечательными   свойствами,   немеркнущей   со   временем   красотой,   тайнами 11 зарождения и роста».                    Список используемых источников 1. Всё обо всём / Пер. с англ. ­ М.: Махаон — 160 с.      2. Энциклопедический словарь / Пер. с Англ. М.: Ридерз Дайджест ­368 с.     3. Энциклопедия для детей т.4 М. Аванта . 1995 г Электронные ресурсы: 1.   Выращивание   кристаллов   в   домашних   условиях.   Как   вырастить   кристалл   // Занимательная   химия   http://www.kristallikov.net/page6.html [Электронный   ресурс].   —   Режим   доступа: 2.   Жидкие   кристаллы   //   Википедия   [Электронный   ресурс].   —   Режим   доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki. 3.   История   кристалла   //   Кристаллы   [Электронный   ресурс].   —   Режим   доступа: http://kristal.21428s12.edusite.ru/p2aa1.html  4.   Кристаллы   //   "Рисуя   Минералы..."   [Электронный   ресурс].   —   Режим   доступа: http://nsportal.ru/ap/drugoe/library/pochemu­rastet­kristall ­   #http://mindraw.web.ru/cristall1.htm 5.   Применение   кристаллов   в   науке   и   технике   //   Мир   кристаллов   [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://course­crystal.narod.ru/p2aa1.html 12 Приложение Фото 1. Кристалл медного купороса, выращенный при температуре 10 градусов.  Раствор: 70мл. воды на 60 г. медного купороса. Фото 2. Кристалл медного купороса, выращенный при температуре 21 градус.  Раствор: 70 мл. воды на 60 г. медного купороса 13 Фото 3. Кристалл медного купороса, выращенный при температуре 30 градусов.  Раствор: 70 мл. воды на 60 г. медного купороса                                               Диаграмма 1. Зависимость размера кристалла от температуры окружающей среды и концентрации раствора. 14 Фото 4. Кристалл медного купороса, выращенный учениками нашего класса. Фото 5. Кристаллы поваренной соли, выращенные учениками младших классов.