"Кристаллы" исследовательская работа

Исследовательская работа

Секция: физико-математическая

Кристаллы

Работу выполнила:

10 класс

Научный руководитель:

Городечная Ольга Михайловна

ТМКОУ «Диксонская средняя

школа»

Учитель физики и математики

г.п. Диксон,

2019-2020 уч.г

Аннотация

Автор:

Тема: «Кристаллы»

Руководитель: Городечная Ольга Михайловна, ТМКОУ «Диксонская средняя школа», учитель физики и математики

Цель научной работы: изучить свойства и виды кристаллических веществ и их практическое применение, а так же вырастить кристаллы из перенасыщенного раствор соли и медного купороса

^{Методы проведенных исследований}: поисковый метод с использованием научной и учебной литературы, интернета. Лабораторный метод выращивание кристаллов из перенасыщенных растворов соли медного купороса

Основные результаты научного исследования: изучение теоретического материала по теме кристаллы; изучение способов выращивание кристаллов применение этих знаний при выращивание кристаллов.

Ход выполнения работы

• Изучение теоретического материла, о свойствах кристаллов и способах е выращивания

• Приготовление насыщенного соляного раствора

• Приготовление насыщенного раствора медного купороса

• Наблюдение за ростом кристаллов соли и медного купороса

• Вывод

«Почти весь мир кристалличен.

В мире царит кристалл и его твердые, прямолинейные законы»

академик А.Е. Ферсман

В природе существует множество кристаллов, природных самоцветов: рубины сапфиры, аметисты, топазы. Неописуемая их красота завораживает, появляется желание понять, как образуются эти удивительные произведения природы, изучить их свойства. Ведь поразительно красивые кристаллы - это не только украшения; они находят разностороннее применение и в технике: алмазное бурение, применение рубинов в часовых механизмах и измерительных приборах, существуют кристаллы, применяемые в полупроводниковых приборах. А металлы – основной материал, применяемый в технике. Все металлы имеют кристаллическое строение.

Основные законы кристаллов:

Правильная многогранная форма кристалла, прежде всего, бросается в глаза наблюдателю, но не она составляет главную особенность кристаллического тела. Кристалл можно разбить на мелкие кусочки, так, что и не останется прежней красоты, и все-таки каждый кусочек останется кристаллом, самое главное в кристалле не наружная его форма, а своеобразие его внутренних свойств: правильность формы кристалла, его симметрия. По выражению нашего знаменитого кристаллографа Е.С. Федорова, «кристаллы блещут симметрией»

Если тело симметрично, то оно должно иметь следующие элементы: плоскость симметрии, ось симметрии, центр симметрии. Относительно этих элементов симметрии повторяются одинаковые части фигуры или тела. У шестиугольной снежинки легко обнаруживается шесть плоскостей симметрии

Ось симметрии имеет то свойство, что при повороте вокруг неё на некоторый определенный угол соответствующие части фигуры совмещаются с друг другом. Смотря по тому, на какой угол приходится повернуть при этом тело, различают у кристаллов оси 2, 3, 4,и 6 порядка. Например, у снежинок имеется одна ось шестого порядка (перпендикулярная плоскости чертежа)

Центром симметрии называется точка внутри тела, на равном расстоянии от которой в диаметрально противоположных направлениях расположены одинаковые элементы тела. Куб имеет три оси симметрии 4-ого порядка, четыре оси 3-го порядка ( соединяющие противоположные трехгранные углы) и шесть осей 2-го порядка ( соединяют середины противоположных ребер) Количество плоскостей симметрии в кубе 9. В кубе имеется ещё и центр симметрии. Такое богатство элементов симметрии обеспечивает поразительную симметричность этой формы.

Разнообразие кристаллов

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 пересекаются они 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 120°. Закон постоянства углов, открытый в 1669 г. датчанином Николаем Стено, является важнейшим законом науки о кристаллах кристаллографии. Как бы не был искажен во время роста кристалл, его двугранные углы всегда сохраняют постоянную величину для данного вида кристалла. Простейшим прибором для измерения углов кристаллов является прикладной гониометр. 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.

В форме куба кристаллизуется каменная и поваренная соль, сернистый свинец (свинцовый блеск, или галлен) Алмаз находится в природе в природе в виде октаэдров. Гранат в виде ромбического додекаэдра Кристалл медного купороса имеет только центр симметрии

В природе все кристаллы подразделяются на монокристаллы и поликристаллы.

Монокристалл – это образование, представляющее собой, единый целый кристалл. Возьмем например такое обычное вещество, как поваренная соль. Химики установили состав молекулы соли NaCl . Но в кристалле атомы натрия и хлора не образуют отдельных молекул, а соединяются между собой в определенную конфигурацию, называемую кристаллической или пространственной решеткой. Связь между атомами хлора и натрия электрическая. Один из валентных электронов на внешней оболочке атома натрия внедряется во внешнюю, не заполненную электронами оболочку атома хлора. Ведь в атоме хлора на третьей оболочке расположено семь электронов, а для полного числа их должно быть восемь.

Но в кристалле каждый ион натрия и каждый ион хлора принадлежит не одной молекуле, а всему кристаллу. Атом хлора одновалентен, т. е. может присоединить к себе только один электрон. В кристалле он окружен шестью атомами натрия, и нельзя сказать, который из них отдаст ему свой электрон. Электрическая валентность не имеет привилегированного направления. Таким образом, между химическим понятием молекулы NaCl и понятием о ней в кристалле получается резкое расхождение. Весь монокристалл как бы гигантская молекула.

Поликристаллы плотные группы мелких беспорядочно сросшихся кристалликов называют поликристаллами, к ним относятся все металлы и их сплавы. Металлы, как известно, легко теряют свои внешние электроны и последние , по всему кристаллу, образуют в нем своеобразный «электронный газ» Эти общие для всего кристалла электроны и создают силы цементирующие кристаллическую решетку.

Как же растут кристаллы? Рост кристалла можно сравнить с постепенным ростом какого – ни будь сооружения из кирпичей. Вот перед нами незаконченная кладка (см рисунок). Если рассматривать каждый кирпич как элементарную ячейку кристалла, то возникает вопрос: куда лучше положить следующий кирпич? Вот здесь- то выступают на сцену особенности энергетики кристалла. Кирпичик положенный сверху, на 1ый, испытывает притяжение только снизу; если же его положить рядом со вторым, то он будет притягиваться с двух сторон; а если положить рядом с третьим, то он будет притягиваться с трех сторон. Как известно из физики, при переходе из жидкого состояния в твердое , выделяется энергия – теплота плавления или кристаллизации. Количество энергии , выделяющейся в случаях 1, 2, 3, относятся между собой, как 0,06 : 0,18 : 0,87. Следовательно , первый способ кладки является наименее выгодным, так как при этом меньшая доля внутренней энергии расплава или раствора переходит в кинетическую( нагревание при кристаллизации). Из механики известно, что для большей устойчивости ее потенциальная энергия должна быть минимальной, а в этом случае уменьшается значительно меньше, чем по способу 3. Поэтому сначала достраивается столбик ( ряд), потом вся плоскость и только потом начинается укладка новой плоскости. Кристалл растёт слоями: пока один слой не достроен, следующий строиться не начинает.

Закон минимума потенциальной энергии выражается также в том, что поверхностная энергия кристалла (поверхностное натяжение в расчете на единицу площади) принимает минимальное значение в полном кристалле. Если обломать углы кристалла, то он залечит свои раны и снова примет свойственную данному веществу форму. Отметим также, что поверхностное натяжение является мерой прочности различных кристаллов: у NaCl оно равно 150 эрг/см² у алмазов 11400 эрг/см². Впрочем, полная форма кристалла – идеальный случай. В природных условиях она обычно нарушается из-за примесей и соседства других кристаллов. В металлах это особенно резко выражено и приводит к образованию мозаичной структуры поликристалла . на рисунке изображены последовательные стадии роста кристалла металла из расплава. Такое же поликристаллическое строение имеют кристаллы льда в узорах, которыми мороз расписывает зимой стекла наших окон. Ледяные иглы в эти в этих узорах ответвляются всегда под одним и тем же углом(60⁰)

Особенности процесса роста кристаллов объясняются и другим важным законом – свойством анизотропии, т. е. неодинаковости физических свойств в различных направлениях. Монокристаллы неодинаково проводят тепло в разных направлениях , неодинаково проводят электричество, обладают неодинаковой прочностью. Слюда, например, легко расщепляется по плоскости, кристалл каменной соли или свинцового блеска ударами молотка раскалывается по граням кубов.

Один и тот же химический элемент, с одним и тем же атомом может образовывать кристаллы разных систем с разными кристаллическими решётками, например алмаз и графит. Решётка графита разделена как на слои, которые легко сдвигаются. Когда пишешь карандашом, то сдвинутые нами чешуйки графита ложатся в виде черты на бумаге. Алмаз, наоборот, представляет собой образец максимальной твердости среди минералов, железо образует две кристаллически разные формы: альфа - железо и гамма - железо. На рисунке показано 165 – элементарная ячейка гамма – железа, справа альфа – железа.

Кристаллы существуют искусственные и природные. Природные - Кораллы, Аметрин. Искусственные – жемчуг, Алмазы, Мрамор, Изумруд, Кварц.

Природные кристаллы

Природные кристаллы всегда возбуждали любопытство у людей. Их цвет, блеск и форма затрагивали человеческое чувство прекрасного, и люди украшали ими себя и жилище. С давних пор с кристаллами были связаны суеверия; как амулеты, они должны были не только ограждать своих владельцев от злых духов, но и наделять их сверхъестественными способностями. Позднее, когда те же самые минералы стали разрезать и полировать, как драгоценные камни, многие суеверия сохранились в талисманах «на счастье» и «своих камнях», соответствующих месяцу рождения.

Кристаллы существуют искусственные и природные. Природные - Кораллы, Аметрин. Искусственные - жемчуг Алмазы Мрамор Изумруд Кварц

Природные кристаллы

Природные кристаллы всегда возбуждали любопытство у людей. Их цвет, блеск и форма затрагивали человеческое чувство прекрасного, и люди украшали ими себя и жилище. С давних пор с кристаллами были связаны суеверия; как амулеты, они должны были не только ограждать своих владельцев от злых духов, но и наделять их сверхъестественными способностями. Позднее, когда те же самые минералы стали разрезать и полировать, как драгоценные камни, многие суеверия сохранились в талисманах «на счастье» и «своих камнях», соответствующих месяцу рождения.

В природе кристаллы образуются тремя путями:

• из расплава, из раствора и из паров. Примером кристаллизации из расплава является образование льда из воды

• Примером образования кристаллов из растворов, могут служить сотни миллионов тонн соли, выпавшей из морской воды.

• Примером образования кристаллов из пара и газа являются снежинки, иней. Воздух, содержащий влагу, охлаждается, и прямо из него вырастают снежинки той или иной формы

Искусственные кристаллы применяются во многих отраслях техники, для выполнения научных исследований требуются кристаллы очень высокой химической чистоты с совершенной кристаллической структурой. Кристаллы, встречающиеся в природе, этим требованиям не удовлетворяют, так как они растут в условиях, весьма далеких от идеальных. Кроме того, потребность во многих кристаллах превышает запасы в природных месторождениях. Из более чем 3000 минералов, существующих в природе, искусственно удалось получить уже больше половины. Синтетический кварц Искусственный жемчуг

Ученые все глубже проникают в тайны строения кристаллов и находят им большое применение. Кристаллы широко применяются в науке и технике: полупроводники, призмы и линзы для оптических приборов, лазеры, пьезоэлектрики, сегнетоэлектрики, оптические и лектрооптические кристаллы, ферромагнетики и ферриты, монокристаллы металлов высокой чистоты. Около 80% всех добываемых природных алмазов и все искусственные алмазы, используются в промышленности. Рентгеноструктурные исследования кристаллов позволили установить строение многих молекул, в том числе и биологически активных – белков, нуклеиновых кислот Сегодня трудно назвать такую отрасль производства, в которой бы не использовались кристаллы.

Ограненные кристаллы драгоценных камней, в том числе выращенных искусственно, используются как украшения. Однако грань между живым и неживым установить очень трудно и понятия «кристалл» и «жизнь» не являются взаимоисключающими. Кристалл обычно служит символом неживой природы.. Во –первых, простейшие живые организмы вирусы могут соединяться в Кристаллы – основа жизни ! Кристалл обычно служит символом неживой природы. кристаллы. В кристаллическом состоянии они не обнаруживают признаков живого, но при изменениях внешних условий на благоприятные (такими для вирусов являются условия внутри клеток живого организма) они начинают двигаться, размножаться. Во-вторых, в живых организмах молекула ДНК представляет собой двойную спираль, составленную из небольшого числа сравнительно простых молекулярных соединений, повторяющихся в строго определенном для данного вида порядке. Диаметр молекулы ДНК равен 2*10^-9 м, а длина может достигать нескольких сантиметров. Такие гигантские молекулы с точки зрения физики рассматриваются как особый вид твердого тела одномерные апериодические кристаллы. Следовательно, кристаллы это не только символ неживой природы, но и основа жизни на Земле. Молекула ДНК Кристаллы в клетках растений.

Выращивание кристаллов происходит благодаря кристаллизации - процессу образования кристаллов из паров, растворов, расплавов Кристаллизация начинается при достижении некоторого предельного условия, например, переохлаждения жидкости или перенасыщения 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

Способы выращивания кристаллов. Кристаллизацию можно вести разными способами. Один из них – охлаждение насыщенного горячего раствора. При охлаждении раствора частички вещества (молекулы, ионы), которые уже не могут находиться в растворенном состоянии, слипаются друг с другом, образуя крошечные кристаллы-зародыши. Если раствор охлаждать медленно, зародышей образуется немного, и, обрастая постепенно со всех сторон, они превращаются в красивые кристаллики правильной формы. При быстром охлаждении образуется много зародышей, правильных кристаллов при этом не получится, потому что находящиеся в растворе частицы могут просто не успеть «устроиться» на поверхности кристалла на положенное им место. Образуются друзы – скопления, грозди маленьких кристаллов. Друзы и кристаллики соли

Другой метод получения кристаллов – постепенное удаление воды из насыщенного раствора. «Лишнее» вещество при этом кристаллизуется. И в этом случае, чем медленнее испаряется вода, тем лучше получаются кристаллы Третий способ – выращивание кристаллов из расплавленных веществ, при медленном охлаждении жидкости. При использовании всех способов наилучшие результаты получаются, если используется затравка – небольшой кристалл правильной формы, который помещают в раствор или расплав. Таким способом получают, например, кристаллы рубина. Третий способ – выращивание кристаллов из расплавленных веществ, при медленном охлаждении жидкости. При использовании всех способов наилучшие результаты получаются, если используется затравка – небольшой кристалл правильной формы, который помещают в раствор или расплав. Таким способом получают, например, кристаллы рубина

Лабораторная работа 1. Получение насыщенного раствора.

В стакан с горячей водой я насыпаю поваренную соль. Насыпаю столько соли, сколько может раствориться; воду помешиваю, чтобы быстро происходило растворение. Когда соль перестанет растворяться и начнёт оседать на дно, сливаю раствор в другой стакан, а затем профильтровываю его через чистую тряпочку. В полученном растворе количество вещества как раз соответствует его растворимости при данной температуре; раствор получается насыщенным: он больше не может «поглотить» ни крупинки соли. При остывании раствор становится пересыщенным. Такой раствор не может долго существовать: лишнее вещество выделяется из него в виде кристалликов и оседает на дно стакана .Аналогичным способом я получила насыщенный раствор медного купороса.

Лабораторная работа 2. Выращивание кристалла.

Рост кристалла начинается тогда, когда в растворе есть центр кристаллизации, например в виде маленького кристаллика или пылинки. Чтобы вырастить один большой кристалл, в неостывший насыщенный раствор я подвесила нитку на которой есть несколько кристаллических частичек, в результате у меня выросла «нитка бус» из многогранных кристалликов соли Аналогичным способом я вырастила «нитку бус» из многогранных кристалликов медного купороса

Лабораторная работа. 3 Выращивание кристалликов поваренной соли на различных предметах

В кипящую воду (2,5 л) я всыпала 1кг поваренной соли и дала ей полностью раствориться. Из ветвей искусственной ёлки я сделала маленькую елочку, сердечко, снежинку и все эти предметы поместила в горячий раствор. Когда вода остыла, я вынула эти предметы из раствора. На ветвях искусственной ёлочки, на снежинке и сердечке образовалось (выпало) много кристаллов, получились «заснеженная ёлочка, снежинка, сердечко и плодоножки от хурмы»

Вывод

Я изучила свойства кристаллических веществ, узнала, что кристаллы имеют широкое применение в различных областях науки, научилась выращивать кристаллы. У меня появилось желание продолжить изучение свойств кристаллов, научиться выращивать искусственные драгоценные кристаллы такие как рубин, алмаз, жемчуг, сдавать их в ювелирную лавку и получать при этом денежный доход, организовать свой бизнес.

Литература

Банн Ч. Кристаллы. Их роль в природе и науке. М., «Мир», 2000 Китайгородский А.И. Порядок и беспорядок в мире атомов. М., «Наука», 2003 Шаскольская М.Л. Очерки о свойствах кристаллов. М., «Наука», 2003 Шаскольская М.Л. Кристаллы. М., «Наука», интернет ресурсы, М. И. Блудов беседы по физике Москва «Просвещение» 1972г

Лабораторная работа 1. Выращивание кристаллов из насыщенного раствора соли

Лабораторная работа 2. Выращивание кристаллов на различных предметах

Лабораторная работа 3. Выращивание кристаллов из насыщенного раствора медного купороса

10