Исследовательская работа "Мир кристаллов вокруг нас" 3 класс
Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение
средняя общеобразовательная школа № 37
с углубленным изучением искусств и английского языка
___________________________________________________
И
И
с
с
с
с
л
л
е
е
д
д
о
о
в
в
а
а
т
т
е
е
л
л
ь
ь
с
с
к
к
а
а
я
я
р
р
а
а
б
б
о
о
т
т
а
а
п
п
о
о
т
т
е
е
м
м
е
е
:
:
«
«
М
М
и
и
р
р
к
к
р
р
и
и
с
с
т
т
а
а
л
л
л
л
о
о
в
в
в
в
о
о
к
к
р
р
у
у
г
г
н
н
а
а
с
с
»
»
ученика 3 «Б» класса
Кирюшина Александра
Руководитель:
Шевченко Надежда Геннадьевна
учитель начальных классов
Таганрог
2014
2
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ . . . . . . . . . 3
1. Кристаллы и их свойства . . . . . . 5
2. Кристаллы в природе . . . . . . . 7
3. Применение кристаллов в науке и технике . . . . 9
4. Производство искусственных кристаллов . . . . 13
5. Выращивание кристаллов в домашних условиях . . . 15
ЗАКЛЮЧЕНИЕ . . . . . . . . . 19
Используемая литература . . . . . . . 20
3
ВВЕДЕНИЕ
Для каждого из нас стали привычными слова лазер и устройства с его
использованием, стекловолокно и линии связи для высокоскоростной
передачи, приёма и обработки больших объёмов информации, процессор и
быстродействие компьютера, мобильный телефон и т.д. Эти понятия и
устройства прочно вошли в нашу повседневную жизнь. Мы больше
удивляемся тем результатам и эффектам, которые они создают, но почти не
задумываемся о том, что внутри этих устройств, о происходящих в них
явлениях. Какие при этом используются вещества и их свойства? Какие
чудесные кристаллы обеспечивают их работу? Существуют ли они в природе
или создание их возможно только искусственным путем? Какие условия
необходимо обеспечить для их получения и возможно ли это вне научных
лабораторий и современных производств?
Безусловно, ответы на эти и многие вопросы можно получить из
учебной, научно-популярной и другой литературы, привлекая на помощь
также названные выше компьютерные устройства.
Природные и искусственные кристаллы широко используются в
обрабатывающей и оптической промышленности, в радиоэлектронике и
компьютерах, в космических исследованиях и ультразвуковой технике.
Например, с помощью рубинового лазера можно с большой точностью
измерить расстояние от Земли до Луны. Самый ценный камень – алмаз – в
настоящее время является больше техническим камнем, чем камнем красоты.
С каждым десятилетием люди находят новые области применения
кристаллических веществ. Бурное развитие науки и техники требует
непрерывного получения новых видов кристаллических материалов,
обладающих теми или иными нужными свойствами, поэтому все более
расширяется синтез минералов, их искусственное производство на заводах.
Мы решили собрать как можно больше информации о кристаллах, их
свойствах и возможности использования в жизнедеятельности человека, тем
самым расширив представление об удивительных созданиях природы.
Однако изучить технические устройства, понять и глубже осмыслить
происходящие в них явления возможно, если дополнить эту информацию
знаниями, полученными лично при наблюдении за процессами,
аналогичными процессам в реальных условиях природы и производств, но
выполняемым в школьных или домашних опытах. Одним из таких опытов и
будут эксперименты по выращиванию кристаллов в домашних условиях из
веществ, используемых в обиходе людей.
Цель работы: расширить представление об образовании кристаллических
тел в природе на основе выращивания кристаллов различных веществ в
домашних условиях.
4
Из цели работы вытекают следующие задачи:
Изучить особенности кристаллических тел и пути их образования в
природе.
Рассмотреть возможности использования кристаллов в
жизнедеятельности человека.
Провести эксперимент по выращиванию кристаллов в домашних
условиях.
Сформировать коллекцию выращенных кристаллов разных веществ.
Для решения поставленных задач использованы следующие методы
исследования: сбор, теоретический анализ литературы по теме исследования
и обобщение информации; экспериментальная работа, наблюдение.
Этапы исследования:
Первый этап (октябрь 2013 г. - январь 2014 г.) – выявление
направления исследования на основе изучения и анализа научно-популярной
и учебной литературы по теме проекта, формулирование цели и задач;
начало экспериментальной работы (выращивание кристаллов поваренной
соли, медного купороса, железного купороса).
Второй этап (февраль 2014 г. - март 2014 г.) – продолжение
экспериментальной работы.
Третий этап (апрель 2014 г.) – анализ и обработка результатов
эксперимента, подведение итогов, выступления перед учащимися 1-4
классах.
Практическая значимость работы заключается в том, что собранный
нами материал о кристаллах, особенностях применения кристаллических
веществ человеком и собранная коллекция выращенных кристаллов могут
быть использованы на уроках окружающего мира, биологии, химии, физики.
5
1. Кристаллы и их свойства
Известно, что в обычных условиях все объекты окружающие нас
находятся в трех основных состояниях: жидком, твердом и газообразном.
Одно из свойств твердых тел, в отличие от газообразных и жидких, в
обычных условиях сохранять свои объем и форму.
Выяснить другие свойства твердых тел, можно при их нагреве. Одни
тела начнут гореть (дерево, уголь) - это органические вещества. Другие будут
размягчаться (смола) даже при невысоких температурах - это аморфные.
Третьи не будут изменять свое состояние при
нагревании. Это и есть кристаллические тела. Такое
поведение кристаллических тел при нагревании
объясняется их внутренним строением, которые
состоят из миллиарда частиц, взаимодействующих
между собой.
Но, говоря о кристаллах и имея в виду
только красивые, крупные, большей частью прозрачные образования
(минералы), найденные в природе или изготовленные искусственным
образом, мы делаем ошибку. Кристаллы - это не только драгоценные камни:
медная проволочка или алюминиевая кнопка состоят из материала,
имеющего кристаллическое строение. Здания и промышленные сооружения,
самолеты и спутники, корабли и тепловозы, горные породы и минералы
слагаются из кристаллов. Мы едим кристаллы, лечимся ими и частично сами
состоим из кристаллов.
Поэтому можно сказать – поскольку окружающий нас мир состоит из
кристаллов, то мы живем в мире кристаллов.
Кристаллы – это вещества, в которых мельчайшие частицы (атомы,
молекулы), расположены в определенном порядке и имеющие естественную
форму правильных многогранников.
Интересно происхождение слова «кристалл».
Древние римляне и греки, находя отдельные
разновидности кварца (горный хрусталь), считали его
замершим льдом и называли его «кристаллос» (по-
гречески – лед). Философ Теофраст считал, что это лед,
который замерз настолько, что потерял способность
таять. Аристотель писал, что «кристаллос рождается из
воды, когда она полностью утрачивает теплоту».
В Средние века этот термин применялся исключительно к кварцу.
Позднее, начиная с 17 века, кристаллами стали называть все твёрдые
тела, имеющие природную форму плоскостного многогранника. Такие
многогранники ограничены плоскостями - гранями, которые пересекаются по
прямым линиям - рёбрам. Именно эта правильность формы и является
наиболее отличительным свойством кристаллов, привлекающим к ним
внимание и очаровывающим всякого, кто впервые сталкивается с этим
интересным объектом.
6
Люди начали осознавать тот факт, что независимо от своего
происхождения кристаллы одного сорта имеют одинаковые внешние формы и
внутреннее строение. В 1669 году датчанин Николай Стено открыл закон
постоянства углов между гранями кристалла. С этого открытия началась
научная кристаллография - наука о кристаллах и кристаллическом состоянии
материи. Учение о кристаллах развивалось совместно с минералогией, как
один из её разделов. Лишь с конца 19 в. кристаллография выделяется в
самостоятельную науку. Она изучает возникновение и рост кристаллов, их
внешнюю форму, физические свойства и внутренние строение. Настоящий
расцвет кристаллографии начался в первые годы XX века.
Наряду с этим углублялись связи между кристаллографией и разными
науками - геологией, химией, физикой, электроникой и другими. Ученые
утверждают, что развитие и современный уровень этих наук были бы
совершенно невозможны без широкого применения достижений в области
кристаллографии.
В настоящее время понятие «кристалл» является
более широким, и к кристаллическим телам относят все
твердые образования, обладающие закономерным
внутренним строением. Закономерность эта заключается в
строго упорядоченном расположении частиц, слагающих
кристаллическое тело.
Кристаллические тела состоят из двух групп –
монокристаллов и поликристаллов. Первые иногда обладают геометрически
правильной внешней формой, а вторые, не имеют присущей данному
веществу определенной формы. Структура поликристаллов неоднородна.
Они представляют собой совокупность сросшихся друг с другом маленьких
кристаллов - кристаллитов.
По размерам кристаллы бывают различными. Многие из них можно
увидеть только в микроскоп. Но встречаются гигантские кристаллы массой в
несколько тонн.
По форме кристаллы весьма разнообразны.
Кристаллы могут иметь от четырех до нескольких сотен
граней. При этом они обладают примечательным
свойством - какими бы ни были размеры, форма и число
граней одного и того же кристалла, все грани пересекаются
друг с другом под определенными углами.
Например, кристаллы каменной соли, могут иметь
форму куба, параллелепипеда, призмы, но всегда их грани пересекаются под
прямыми углами. Грани кварца имеют форму неправильных
шестиугольников, но углы между гранями всегда одни и те же –120°.
Кристаллы ещё бывают жидкими. Жидкие кристаллы – это 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. Часто уже при небольшом нагревании правильное расположение
7
молекул нарушается, и жидкий кристалл становится обычной жидкостью.
Напротив, при достаточно низких температурах они замерзают, превращаясь
в твёрдые тела.
Таким образом, сегодня понятие «кристалл» является более широким. К
кристаллическим телам относят все твердые образования, которые состоят из
миллиарда частиц, взаимодействующих между собой и обязательно
выстроенных в определенном порядке. Этот порядок называется
кристаллической структурой.
Отсюда вытекает следующее определение кристаллическому
веществу: ”Кристаллическими называются все твердые тела, имеющие
решётчатое строение”.
2. Кристаллы в природе
Вопрос о происхождении большинства минералов (физически и
химически однородное, как правило твердое природное тело, возникшее в
результате физико-химических процессов в глубинах и на поверхности
Земли, имеют кристаллическую структуру) в природе тесно связан с
проблемой происхождения и развития Земли. Согласно современным
представлениям Земля образовалась путем объединения первоначально
холодного вещества, имевшегося в солнечной системе в виде твердых частиц
пыли. За счет выделения энергии при столкновении частиц, Земля должна
была разогреться до 1000—2000° С. При такой высокой
температуре слои, близкие к поверхности должны были
расплавиться. В этом слое произошло разделение пород:
менее плотные породы, типа гранитов, всплыли на
поверхность, под ними расположился слой более
плотных базальтов и еще ниже – другие породы. Газы,
освободившиеся при расплавлении вещества верхнего
слоя земного шара, образовали атмосферу Земли.
При последующем остывании Земли расплавленные слои затвердели
и образовали земную кору, пары воды после конденсации из атмосферы
создали Мировой океан.
Многие минералы и горные породы образовались при охлаждении
земной коры подобно тому, как образуется лед при замерзании воды. По мере
охлаждения магмы в ней постепенно образовались разные кристаллы.
При затвердевании объем земной коры уменьшался и в ней
появлялись трещины и пустоты. В таких пустотах рост кристаллов
происходит беспрепятственно.
8
Многие минералы возникли из пересыщенных водных растворов.
Первым среди них следует назвать каменную соль NaCl являющуюся одним
из наиболее знакомых каждому человеку минералов. Толщина пластов
каменной соли, образовавшихся при испарении воды соленых озер, достигает
в некоторых месторождениях нескольких сотен метров.
Также известен способ образования кристаллов из пара. Снежинки,
морозные узоры на стеклах окон и иней, покрывающий зимой ветки
деревьев, представляют собой кристаллы льда, выросшие из паров воды.
Аналогичным образом образуются и кристаллы некоторых
минералов. На стенках кратеров «действующих» вулканов постоянно
образуются кристаллы серы и других веществ, достигающих поверхности
Земли в виде пара.
Многие кристаллы являются продуктами
жизнедеятельности организмов. Некоторые виды
моллюсков обладают способностью наращивать на
инородных телах, попавших в раковину, перламутр.
За 5 –10 лет образуется драгоценный камень жемчуг,
имеющий поликристаллическое строение.
В морской воде растворено много различных солей. Большое
количество организмов, населяющих моря, строят свои раковины и скелеты
из углекислого кальция. Выпадая в осадок, раковины и скелеты умерших
организмов образуют мощные пласты осадочных пород. Рифы и целые
острова в океанах сложены из кристалликов этого вещества (углекислого
кальция), составляющих основу скелета беспозвоночных животных –
коралловых полипов.
Мощные слои известняка в земной коре являются результатом
многовековых отложений раковин и панцирей различных организмов. В
результате процессов в земной коры часть известняка оказалась на
значительной глубине, где под действием давления и температуры
превратилась в мрамор.
Молекулы ДНК физики рассматривают как
особый вид твердого тела — одномерные
кристаллы. Они не только управляют процессами
жизнедеятельности клетки, но и несут в себе
полную информацию о строении и развитии всего
живого организма из одной только клетки! С
полным основанием можно сказать, что молекула
ДНК является основой жизни.
Следовательно, кристаллы – это не только символ окружающей
нас неживой природы, но и основа жизни на Земле.
9
3. Применения кристаллов в науке и технике
Многие века удивительные минералы употреблялись в качестве
украшений (драгоценные природные камни (кристаллы) - это твердые соли
различных металлов, молекулы которых организованы в упорядоченную
структуру, так называемую кристаллическую решетку), и
люди даже не подозревали, какие огромные сокрытые
возможности таятся, к примеру, в бриллиантовом колье или
в рубиновом перстне. Шли годы, развитие
науки и техники привлекало в сферу
производства все новые и новые материалы,
и многие из тех свойств, которые определили драгоценность
минералов, оказались совершенно необходимыми в технике.
Электротехника, оптика, радиотехника, военное дело,
точная механика и многие другие отрасли промышленности используют
драгоценные камни вовсе не из-за их красоты, а именно из-за их
примечательных свойств.
Использование минералов для технических целей началось уже
давно, может быть раньше, чем их применение в качестве украшений. Когда
первобытный человек взял в руку обломок нефрита и стал рубить им дерево
– это и было первое применение камня. Потом человек усовершенствовал
свой инструмент: привязав обломок нефрита к палке, он получил каменный
топор. Конечно, современное применение минералов в технике намного
сложнее.
Развитие науки и техники привело к тому, что многие драгоценные
камни и встречающиеся в природе кристаллы стали очень нужными для
изготовления деталей машин и приборов, для проведения научных
исследований.
Широкое применение минералов, имеющих кристаллическое
строение, в современной технике определили следующие свойства.
Твердость.
Первым в ряду стоит алмаз, имеющий максимальную твердость,
равную 10. Недаром его название произошло от
греческого слова «адамас», что означает «непобедимый».
Это свойство алмаза определило его широкое применение
для изготовления режущих инструментов. Сегодня алмаз
в первую очередь камень-работник, а не камень-
украшение. Около 80% всех добываемых природных
алмазов и все искусственные алмазы используются в промышленности.
Самым простым из них является известный всем стеклорез. Это
наиболее древнее техническое применение алмаза, которое мы знаем.
Алмазы употребляют в металлообрабатывающей промышленности для
изготовления пил, резцов и т. д. Алмазными пилами распиливают камни.
Колоссальное значение имеет алмаз при бурении горных пород, в горных
10
работах. В граверных инструментах, аппаратах для испытания твердости,
сверлах для камня и металла вставлены алмазные острия.
Алмазы служат опорными камнями (подшипниками) в хронометрах
высшего класса для морских судов и в других особо точных навигационных
приборах. На алмазных подшипниках не обнаруживается никаких следов
износа даже после 25 миллионов оборотов.
Алмазным порошком шлифуют и полируют
твердые камни, закаленную сталь, твердые и
сверхтвердые сплавы. Сам алмаз можно резать,
шлифовать и гравировать тоже только алмазом.
Наиболее ответственные детали двигателей в
автомобильном и авиационном производстве
обрабатывают алмазными резцами и сверлами.
Разумеется, в технике применяются не ювелирные алмазы, а тем
более не бриллианты. В дело идут рядовые алмазы – крошка, а также черная
разновидность алмазов – «карбонады». Роль алмазов в современной технике
так велика, что, по подсчетам американских экономистов, прекращение
применения алмазов привело бы к уменьшению мощности промышленности
США вдвое.
С каждым годом растет потребление искусственных алмазов,
поскольку природные месторождения не удовлетворяют сейчас и половины
запросов промышленности.
С алмазом по твердости соперничает рубин (минерал – корунд). В
производстве используются не ювелирные рубины и
сапфиры, а их скромный, невзрачный брат: бурый,
непрозрачный, мелкий корунд - наждак, которым чистят
металл, из которого делают наждачную шкурку. Хорошо
известны твердые шлифовальные круги, порошки. В
настоящее время широко применяется искусственный
корунд – электрокорунд.
Незаменимыми оказались рубиновые стержни на фабриках по
изготовлению тканей из химического волокна. На изготовление 1 м ткани из
искусственного волокна требуется израсходовать сотни тысяч метров
волокна. Нитеводители из самого твердого стекла изнашиваются за
несколько дней при протяжке через них искусственного волокна, агатовые
способны работать до двух месяцев, рубиновые нитеводители оказываются
практически вечными.
Всем хорошо известно выражение «часы на 17 (или на 23) камнях».
Эти камни в часах есть вкладыши из рубина, в которых
вращаются оси шестеренок. Вы можете увидеть эти
красноватые рубины, открыв крышку часов. Качество
ручных или карманных часов зависит, в частности, от
того, сколько шестеренок вращается на рубиновых
подшипниках. Рубиновые камни определяют
11
долговечность часов. Из 1 кг синтетического рубина удается изготовить
около 40 000 опорных камней для часов.
Еще один минерал используется в промышленности – гранат. Из
гранатов изготовляют шлифовальные порошки, точильные круги, шкурки.
Иногда они заменяют в приборостроении рубин.
Таким образом, твердость, являющаяся необходимым свойством
драгоценных камней и определяющая их долгую жизнь в качестве
украшений – качество, необходимое и для промышленных целей.
Пьезоэлектрические свойства.
В Индии и на Цейлоне с древних времен, было известно, что
кристаллы турмалина, положенные в горячую золу, сначала притягивали, а
затем отталкивали частицы золы. Это явление стало известно в Европе в
1703г., когда голландские купцы привезли кристаллы турмалина с Цейлона.
Карл Линней в 1747 г. дал турмалину научное название – электрический
камень (tapis elektricus).
Среди минералов основными пьезоэлектриками являются
монокристаллы кварца и турмалина. Одно из применений пьезоэлектриков
известно буквально каждому. Это не только звукосниматели в
проигрывателях, которые превращают механические колебания иглы на
граммофонной пластинке в электрические токи, которые затем усиливаются
и подаются на динамик, но и акустические системы современных гаджитов.
На аналогичной основе пьезоэлектрические свойства кристаллов
используются в ультразвуковой гидроакустике, дефектоскопии, при изучении
свойств газов, жидкостей и твердых тел, для измерения давлений и вибраций,
при изготовлении стабилизаторов и фильтров радиочастот.
В технике все более и более используются искусственные кристаллы
кварца и других минералов.
Оптические свойства.
Каждый из нас хорошо знает искусственное «горное солнце» —
аппарат, широко применяемый в медицине. При включении этот аппарат
излучает удивительный свет — ультрафиолетовый. Лампа в аппарате
сделана из кварцевого стекла. Эти лучи являются
целебными, а кроме того, придают загар человеческой
коже. Применение кварцевой лампы не ограничивается
только медициной. Она используется в органической
химии, минералогии и других отраслях для изучения
веществ в ультрафиолетовых лучах.
Даже филателисты при изучении марок
прибегают к помощи этой лампы: она позволяет отличать фальшивые марки
от настоящих.
Кварц употребляется в технике и для других целей. Чистые
бездефектные кристаллы горного хрусталя идут на изготовление призм,
спектрографов, поляризующих пластинок.
Другим замечательным минералом, применяемым в оптике, является
флюорит. Это чистые прозрачные бесцветные или слабо окрашенные
12
кристаллы. Флюорит используется для изготовления
линз телескопов и микроскопов, для изготовления призм
спектрографов и в других оптических приборах.
Но, пожалуй, самое большое значение имеет
использование оптических свойств замечательных
минералов, связанное с изобретением лазера.
В 1960 г. был создан первый лазер на рубине. Оказалось, что
кристалл рубина усиливает свет. Лазер светит ярче тысячи солнц. Мощный
луч лазера обладает громадной мощностью. Он легко прожигает листовой
металл, сваривает металлические провода, прожигает металлические трубы,
сверлит тончайшие отверстия в твердых сплавах, алмазе, обеспечивает
запись и воспроизведение электронной информации.
С помощью рубинового лазера было проведено точное определение
расстояния от Земли до Луны. В настоящее время
применение лазеров в технике и быту все более
расширяется. Они используются при хирургических
операциях, в телевидении для съемок и передачи
изображения, для сверления и сварки металлов, в
компьютерах и т. д.
В технике также нашел своё применение поликристаллический
материал поляроид. Поляроид - это тонкая прозрачная пленка, сплошь
заполненная крохотными прозрачными игольчатыми кристалликами.
Поляроидные пленки применяются в поляроидных очках. Поляроиды гасят
блики отраженного света, пропуская весь остальной свет. Они незаменимы
для полярников, которым постоянно приходится смотреть на яркое
отражение солнечных лучей от заледеневшего снежного поля. Поляроидные
стекла помогут предотвратить столкновения встречных автомобилей,
которые очень часто случаются из-за того, что огни встречной машины
ослепляют шофера, и он не видит этой машины. Если же ветровые стекла
автомобилей и стекла автомобильных фонарей сделать из поляроида, то
ветровое стекло не пропустит света фонарей встречного автомобиля,
«погасит его».
Области применения минералов, все более расширяются, дальнейшее
развитие науки продолжает выявлять в них все новые и новые свойства.
Рубиновые стекла в иллюминаторах и приборах космических
кораблей, световоды из горного хрусталя, позволяющие практически
мгновенно передавать с помощью лазерного луча громадное количество
информации, алмазы в качестве детекторов ядерных излучений – даже
простое перечисление показывает, что минералы находятся на самом
переднем крае науки и техники.
13
4. Производство искусственных кристаллов
Потребность во многих кристаллах возрастает настолько, что
удовлетворить ее за счет расширения масштабов выработки старых и
поисков новых природных месторождений оказывается невозможно.
Кроме того, для многих отраслей техники и особенно для выполнения
научных исследований все чаще требуются монокристаллы с совершенной
кристаллической структурой.
Природные кристаллы правильной геометрической формы, без
трещин, загрязнений и других дефектов встречаются редко. Совместное
действие таких факторов, как колебания температуры, близкое окружение с
другими твердыми телами, не позволяют растущему кристаллу приобрести
характерную для него форму. Кроме того, большая часть кристаллов, имевших
в далеком прошлом совершенную огранку, успела утратить ее под действием
ветра, воды, трения о другие твердые тела. Это как раз и привело к тому, что
многие кристаллы на протяжении тысячелетий люди называют драгоценными
камнями, алмаз, рубин, сапфир, аметист и другие драгоценные камни долгое
время ценились людьми очень высоко в основном не за особые механические
или другие физические свойства, а лишь из-за своей редкости.
Таким образом, возникла задача разработки технологии
искусственного изготовления кристаллов многих элементов, необходимых
для удовлетворения потребностей новой и новейшей техники.
Большинство драгоценных камней является
кристаллами широко распространенных в природе
химических элементов и соединений. Так, алмаз – это
кристалл углерода, рубин и сапфир – кристаллы окиси
алюминия с различными примесями.
В природе кристаллы образовывались в течение
миллионов лет, в глубине земной коры, при высоких
температурах (до 2000 °С) и под огромным давлением. Ученые
воспроизводят в лабораторных условиях природные явления, причем в
ускоренном варианте.
Как и в природе, получение кристаллов из раствора сводится к двум
способам. Первый из них состоит в медленном испарении растворителя из
насыщенного раствора, а второй — в медленном понижении температуры
раствора. Чем меньше скорость роста, тем лучше получаются кристаллы. Это
правило справедливо для всех методов выращивания. Кристаллы сахара и
поваренной соли легко получить из водного раствора в домашних условиях.
Но, к сожалению, не все кристаллы можно вырастить так просто.
Например, получение кристаллов кварца из раствора происходит при
температуре 400°С и давлении 1000 ат.
Первые попытки искусственно получить замечательные
минералы человек предпринимал с давних пор. Еще в средние
века алхимики с помощью философского камня пытались
превратить простые вещества в драгоценные камни. В
14
настоящее время из более чем 3000 минералов, существующих в природе,
искусственно удалось получить уже несколько сот. Сейчас производятся
опыты по выращиванию кристаллов в космосе в условиях невесомости.
Около ста лет назад люди впервые попытались получить
синтетический алмаз. Первая удача пришла к англичанину Ганнею в 1889 г.
Он получил мелкие кристаллики алмаза. И только в 1955 г. была разработана
специальная аппаратура, создающая давление в десятки и сотни тысяч
атмосфер при температурах 1200—1500°С. По твердости синтетические
алмазы даже превосходят естественный алмаз.
Искусственный рубин был впервые получен в начале нашего века в
небольшой лаборатории в окрестностях Парижа. Искусственные рубины и
сапфиры чище, прозрачнее и дешевле природных.
Освоено искусственное получение горного
хрусталя. Сейчас в нашей стране практически все виды
аппаратуры, использующие горный хрусталь (кварц),
работают на синтетических кристаллах. Кристаллы
выращивают в специальных трубах – автоклавах высотой
несколько метров. В таких условиях выращивают
кристаллы горного хрусталя массой до 15 кг. Список драгоценных камней,
которые получают искусственно, все время растет.
Однако существует одна группа минералов, которые не существуют в
природе. Это минералы созданные человеком в лабораторных условиях. Эти
искусственные камни были названы фианитами в честь места их рождения
Физического института Академии наук имени П.Н. Лебедева (ФИАН).
Фианиты изготовляются для различных отраслей народного хозяйства:
оптики, электроники, производства лазеров, ювелирных изделий.
Для хирургии выпускается скальпель с фианитом. Установлено, что
некоторые люди страдают аллергией на металл, а лезвие из фианита
позволяет избежать аллергической реакции. Выращивать фианиты легко и
приятно, а добавление тех или иных примесей позволяет создавать
уникальные кристаллы не встречающихся в природе цветов, например
лаванды, или добиваться необычных оптических эффектов, таких как смена
цвета при изменении освещения - так называемый александритовый эффект.
Безусловно, производство искусственных кристаллов возможно в
лабораториях с использованием специального оборудования. Однако и в
домашних условиях можно выращивать различные кристаллы, используя
общедоступные исходные материалы.
15
5. Выращивание кристаллов в домашних условиях
Выращивание кристаллов – это очень интересный и увлекательный
процесс. Конечно, в домашней обстановке мы не можем создать условия для
выращивания кристаллов алмаза, кварца, но и дома возможно вырастить
кристалл из разных веществ.
В рекомендациях по выращиванию кристаллов в домашней обстановке
приводятся как правило общие условия выполнения этого процесса.
Существуют два простых способа выращивания кристаллов из пересыщенного
раствора: путем охлаждения насыщенного раствора или путем его
выпаривания.
Первым этапом при любом из двух способов является приготовление
насыщенного раствора.
Растворимость любых веществ зависит от температуры. Обычно с
повышением температуры растворимость увеличивается, а с понижением
температуры – уменьшается. При отсутствии центров кристаллизации это
вещество может оставаться в растворе, т. е. раствор будет пересыщенным. С
появлением центров кристаллизации избыток вещества выпадает в виде
кристаллов. Центрами кристаллизации могут служить загрязнения на стенках
посуды с раствором, пылинки, мелкие кристаллики вещества. Если дать
выпавшим кристалликам подрасти в течение суток, то среди них найдутся
чистые и совершенные по форме экземпляры. Они могут служить затравками
для выращивания крупных кристаллов.
Для выращивания крупного кристалла в тщательно отфильтрованный
насыщенный раствор вносят кристаллик – затравку, заранее прикрепленный
на нитке или тонкой леске. Можно вырастить кристалл и без затравки. Для
этого нитку или леску обрабатывают спиртом и опускают в раствор так, что
бы конец висел свободно. На конце нитки или лески может начаться рост
кристалла.
Во время роста кристалла стакан с раствором лучше всего держать в
теплом сухом месте, где температура в течение суток остается постоянной.
На выращивание крупного кристалла в зависимости от условий эксперимента
может потребоваться от нескольких дней до нескольких недель.
В этих рекомендациях не показано влияние температуры раствора,
количества затравок (центров кристаллизации), а также особенности
строения кристаллов разных веществ. Такую информацию можно получить
на основе результатов экспериментов по выращиванию кристаллов ряда
веществ в различных условиях. Так, изменяя количество затравок от одной
до числа произвольно образовавшихся центров кристаллизации и
поддерживания различную температуру растворов (например 18-20 С – при
размещении на подоконнике и 30-35 С – рядом с батареей отопления) будем
наблюдать за ростом кристаллов.
Опираясь на общие рекомендации и принятые условия эксперимента,
нами было намечено вырастить кристаллы различных веществ:
1. Поваренная соль (NaCl)
16
2. Сахар
3. Медный купорос (CuSO
2
•5H
2
O)
4. Железный купорос (FeSO
4
•7H
2
O)
5. Кристаллы меди (Cu)
6. Квасцы алюмо-калиевые (KAl(SO
4
)
2
•12H
2
O)
7. Дигидрофосфат аммония (NH
4
H
2
PO
4
) (набор для творчества)
8. Магния сульфат (MgSO
4
)
Использование общедоступных исходных веществ позволит
воспроизведение проводимого эксперимента другими учащимися.
Описание эксперимента
Мы опишем выращивание кристаллов поваренной соли.
Оборудование: поваренная соль, дистиллированная вода, воронка,
стеклянная палочка, вата, стаканы.
Порядок выполнения работы:
1. Взяли один стакан и посуду для наведения раствора.
2. Налили 200 гр. дистиллированной воды в посуду и нагрели ее.
Приготовили насыщенный раствор соли (когда вновь добавляемое вещество
перестает растворятся) и слили его через ватный фильтр в два чистых стакана
по 100 гр. Закрыли стаканы крышкой. Подождали пока раствор остынет до
комнатной температуры, открыли стаканы и установили их в ранее
указанные места. Через некоторое время началось выпадение кристаллов,
причем вначале это произошло в растворах с более высокой температурой.
3. После образования на дне стаканов нескольких кристаллов, среди
них выбрали два самых чистых кристаллов правильной формы. Сделали
новый насыщенный раствор в двух стаканах и опустили в них по одной
затравке, прикрепленных к нитке. Поставили эти стаканы и стаканы с
оставшимися кристаллами на прежние места.
17
4. Начался рост кристаллов. За счет более сильного испарения воды
из раствора при более высокой температуры темп роста кристалла с одной
затравкой был выше, чем в стаканах с оставшимися кристаллами. Здесь
первоначальное ощущение начала роста – что это срослось множество
квадратиков и прямоугольников, такой вид имел кристалл.
Наблюдая за ростом кристаллов, мы установили, что кристаллы имеют
правильную геометрическую форму, и когда они сращиваются в один
поликристалл (в стаканах с множеством центров кристаллизации), то он
приобретает так же правильную геометрическую форму с небольшими
отклонениями.
В этой части экспериментальной работы нами освоена методика
выращивания кристаллов поваренной соли. Опираясь на нее, мы вырастили
кристаллы других веществ. В результаты были получены монокристаллы -
медного купороса, алюмо-калиевых квасцов, аммония дигидрофосфат, и
поликристаллы – поваренной соли, сахара, меди, железного купороса.
Сравнивая полученные кристаллы, мы увидели, что разные вещества имеют
18
свое, отличное от других строение. Кристаллы одного вещества имеют
строго ему присущую конструкцию.
Полученные образцы кристаллов позволили сформировать
коллекцию веществ, которая может служить наглядным пособием при
изучении строения твёрдых тел на уроках окружающего мира, физики,
химии.
19
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Кристаллы встречаются нам повсюду: мы ходим по кристаллам, строим
из них, выращиваем их в лабораториях. Сталь для машин, алюминиевые
сплавы для ракет и самолетов, полупроводниковые приборы и многое другое
содержат в основе кристаллы разного типа, с разными свойствами, но
объединенные одним общим главным качеством: правильным
расположением атомов или молекул в пространстве.
Кристаллы встречаются в природе и могут быть выращены
искусственно. Аналоги природных кристаллов с присущими им свойствами
нашли широкое применение в научной и практической деятельности
человека. Значительная потребность в них обуславливает непрерывный рост
их числа и совершенствование технологии получения.
За время своей исследовательской работы нам удалось вырастить
кристаллы различных веществ: поваренная соль, сахар, медный и железный
купорос, кристаллы меди, квасцы алюмо-калиевые, аммония дигидрофосфат,
магния сульфат. Кристаллы получились разной формы, присущей данному
веществу. На скорость роста и размеры кристаллов оказывает влияние: вид
вещества, температура раствора, количество центров кристаллизации
(затравок) и другие условия.
Образование кристаллов – это удивительное действие природы.
Проведенное исследование расширяет представление об образовании
кристаллических тел. Знакомство с ее результатами обеспечит рост знаний
учащихся в области нераскрытых тайн природы, и может способствовать их
профессиональной ориентации.
Изложенный порядок проведения эксперимента может быть
практическим советом другим молодым исследователям по выращиванию
крупных и красивых кристаллов в домашних условиях.
20
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРА:
1. Большая иллюстрированная энциклопедия. В 32 томах. Т. 14. КОН-
КУМ. – М.:АСТ: Астрель, 2010. С.344-350.
2. Бурмин Г. Царь камней: научно-художественная литература. М.:
Дет. лит., 1979. 142 с.
3. Корнилов Н.И., Солодова Ю.П. Ювелирные камни. – М.: Недра,
1986. 282 с.
4. Ландау Л.Д., Китайгородский А.И. Физика для всех: молекулы. –
М.: Наука, 1982. С. 37-57, 95-103.
5. Энциклопедический словарь юного физика / Сост. В.А. Чуянов. –
М.: Педагогика, 1991. С. 127-128.
6. Энциклопедический словарь юного химика / Сост. В.А. Крицман,
В.В. Станцо. - М.: Педагогика, 1990. С. 126-127.
