Применение кристаллов в быту и технике кратко

Обновлено: 30.06.2024

Урок-семинар с компьютерной презентацией. 10–11-й классы

Цели : показать роль моно- и поликристаллов в технике и науке, многообразие форм кристаллических решёток; рассмотреть различные методы выращивания монокристаллов и способы повышения их прочности.

1. Организационный этап (1 мин)

2. Изложение нового материала (43 мин)

Физика твёрдого тела (раздел физики, изучающий структуру и свойства твёрдых тел) – это одна из основ современного технологического общества. В сущности, огромная армия инженеров всего мира работает над созданием твёрдых материалов с заданными свойствами, необходимыми для использования в самых разнообразных станках, механизмах и устройствах в области связи, транспорта и компьютерной техники. Сегодня на уроке речь пойдёт о кристаллах. Наша задача: узнать, как устроены кристаллы; объяснить с физической точки зрения многообразие их форм и свойств; рассмотреть методы искусственного выращивания кристаллов и способы увеличения их прочности; увидеть, как и для чего используются кристаллы в быту и технике.

Главным отличием кристаллов от других твёрдых тел является, как уже говорилось, наличие кристаллической решётки – совокупности периодически расположенных атомов, молекул или ионов.

Примеры простых кристаллических решёток: 1 – простая кубическая; 2 – гранецентрированная кубическая; 3 – объёмно-центрированная кубическая; 4 – гексагональная

Кристаллические решётки металлов часто имеют форму гранецентрированного (медь, золото) или объёмно-центрированного куба (железо), а также шестигранной призмы (цинк, магний).

В основе классификации кристаллов и объяснения их физических свойств может лежать не только форма элементарной ячейки, но и другие виды симметрии, например, поворот вокруг оси. Осью симметрии называют прямую, при повороте вокруг которой на 360° кристалл несколько раз совмещается сам с собой. Число этих совмещений называют порядком оси. Существуют кристаллические решётки, обладающие осями симметрии 2-го, 3-го, 4-го и 6-го порядков. Возможна симметрия кристаллической решётки относительно плоскости симметрии, а также комбинация разных видов симметрии. (Слайд.)

Большинство кристаллических тел являются поликристаллами, т.к. в обычных условиях вырастить монокристаллы достаточно сложно, этому мешают всевозможные примеси. В свете растущей потребности техники в кристаллах высокой степени чистоты перед наукой встал вопрос о разработке эффективных методов искусственного выращивания монокристаллов различных химических элементов и их соединений.

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. Такой процесс можно продемонстрировать в лаборатории с водным раствором поваренной соли. Если дать воде возможность медленно испаряться, то в конце концов раствор станет насыщенным, и дальнейшее испарение приведёт к выпадению соли.

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. Порошок высыпают тонкой струйкой в кислородно-водородное пламя, где он плавится и каплями падает на стержень из тугоплавкого материала. На этом стержне постепенно и вырастает монокристалл рубина.

3. Применение кристаллов

1. Алмаз. Около 80% всех добываемых природных алмазов и все искусственные алмазы используются в промышленности. Алмазные инструменты используются для обработки деталей из самых твёрдых материалов, для бурения скважин при разведке и добыче полезных ископаемых, служат опорными камнями в хронометрах высшего класса для морских судов и других, особо точных приборах. На алмазных подшипниках не обнаруживается никакого износа даже после 25 млн оборотов. Высокая теплопроводность алмаза позволяет использовать его в качестве теплоотводящей подложки в полупроводниковых электронных микросхемах.

Конечно, алмазы используются и в ювелирных изделиях – это бриллианты.

2. Рубин. Высокая твёрдость рубинов, или корундов, обусловила их широкое применение в промышленности. Из 1 кг синтетического рубина получается около 40 000 опорных камней для часов. Незаменимыми оказались рубиновые стержни-нитеводители на фабриках по изготовлению химического волокна. Они практически не изнашиваются, в то время как нитеводители из самого твёрдого стекла при протяжке через них искусственного волокна изнашиваются за несколько дней.

Новые перспективы для широкого применения рубинов в научных исследованиях и в технике открылись с изобретением рубинового лазера, в котором рубиновый стержень служит мощным источником света, испускаемого в виде тонкого луча.

3. Жидкие кристаллы. Это необычные вещества, которые совмещают в себе свойства кристаллического твёрдого тела и жидкости. Подобно жидкостям они текучи, подобно кристаллам обладают анизотропией. Строение молекул жидких кристаллов таково, что концы молекул очень слабо взаимодействуют друг с другом, в то же время боковые поверхности взаимодействуют очень сильно и могут прочно удерживать молекулы в едином ансамбле.

Жидкие кристаллы: смектические (слева) и холестерические (справа)

Наибольший интерес для техники представляют холестерические жидкие кристаллы. В них направление осей молекул в каждом слое немного отличается друг от друга. Углы поворота осей зависят от температуры, а от угла поворота зависит окраска кристалла. Эта зависимость используется в медицине: можно непосредственно наблюдать распределение температуры по поверхности человеческого тела, а это важно для выявления скрытых под кожей очагов воспалительного процесса. Для исследования изготовляют тонкую полимерную плёнку с микроскопическими полостями, заполненными холестериком. Когда такую плёнку накладывают на тело, то получается цветное отображение распределения температуры. Этот же принцип используется в жидкокристаллических термометрах.

Жидкие кристаллы применяются в различного рода управляемых экранах, оптических затворах, плоских телевизионных экранах.

4. Полупроводники. Исключительная роль выпала на долю кристаллов в современной электронике. Многие вещества в кристаллическом состоянии не являются такими хорошими проводниками электричества, как металлы, но их нельзя отнести и к диэлектрикам, т.к. они не являются и хорошими изоляторами. Такие вещества относят к полупроводникам. Это большинство веществ, их общая масса составляет 4/5 массы земной коры: германий, кремний, селен и др., множество минералов, различные оксиды, сульфиды, теллуриды и др.

Наиболее характерным свойством полупроводников является резкая зависимость их удельного электрического сопротивления под воздействием различных внешних воздействий: температуры, освещения. На этом явлении основана работа таких приборов, как термисторы, фоторезисторы.

Объединяя полупроводники различного типа проводимости, можно пропускать электрический ток только в одном направлении. Это свойство широко используется в диодах, транзисторах.

Исключительно малые размеры полупроводниковых приборов, иногда всего в несколько миллиметров, долговечность, связанная с тем, что их свойства мало меняются со временем, возможность легко изменять их электропроводность открывают широкие перспективы использования полупроводников сегодня и в будущем.

5. Полупроводники в микроэлектронике. Интегральной микросхемой называют совокупность большого числа взаимосвязанных компонентов – транзисторов, диодов, резисторов, конденсаторов, соединительных проводов, изготовленных на одном кристалле. При изготовлении интегральной схемы на пластинку из полупроводника (обычно это кристаллы кремния) наносятся последовательно слои примесей, диэлектриков, напыляются слои металла. В результате на одном кристалле формируется несколько тысяч электрических микроприборов. Размеры такой микросхемы обычно 5 5 мм, а отдельных микроприборов – порядка 10 –6 м.

6. Вольфрам и молибден. На современном уровне технического развития резко возросли скорости нагрева и охлаждения деталей приборов и машин, значительно увеличился интервал температур, при которых им приходится работать. Очень часто требуется длительная работа при очень высоких температурах, в агрессивных средах. Также необходимы машины, способные выдерживать большое число температурных циклов.

При таких сложных условиях эксплуатации детали и целые узлы многих машин и приборов очень быстро изнашиваются, покрываются трещинами и разрушаются. Для работы при высоких температурах широко применяются тугоплавкие металлы, например, молибден и вольфрам. монокристаллы вольфрама и молибдена, полученные при помощи зонной плавки, используются для изготовления сопел реактивных и прямоточных воздушно-реактивных двигателей, обшивок головных частей ракет, ионных двигателей, турбин, атомных силовых установок и во многих других устройствах и механизмах. Поликристаллические вольфрам и молибден применяются для изготовления анодов, катодов, нитей накаливания в лампах, высокотемпературных электрических печей.

7. Кварц. Это диоксид кремния, один из самых распространённых минералов земной коры, по сути, песок. Природные кристаллы кварца имеют размеры от песчинок до нескольких десятков сантиметров, встречаются кристаллы размером до одного метра и более. Чистый кристалл кварца бесцветен. Ничтожные посторонние примеси вызывают разнообразную окраску. Прозрачные бесцветные кристаллы – это горный хрусталь, фиолетовые – аметист, дымчатые – раухтопаз. Оптические свойства кварца обусловили широкое применение его в оптическом приборостроении: из него делают призмы для спектрографов, монохроматоров. Кварц в отличие от стекла хорошо пропускает ультрафиолетовое излучение, поэтому из него изготавливают специальные линзы, применяемые в ультрафиолетовой оптике.

Кварц также обладает пьезоэлектрическими свойствами, т.е. способен преобразовывать механическое воздействие в электрическое напряжение. Благодаря этому свойству кварц широко применяется в радиотехнике и электронике – в стабилизаторах частоты (в том числе и в часах), всевозможных фильтрах, резонаторах и т.д. С помощью кристаллов кварца возбуждают (и измеряют) малые механические и акустические воздействия.

Из плавленного кварца изготавливают тигли, сосуды и другие ёмкости для химических лабораторий.

4. Способы повышения прочности твёрдых тел

Поликристаллическими являются стальные каркасы зданий и мостов, рельсы железных дорог, станки, детали машин и самолётов. Значения реальной и теоретической прочности расходятся в десятки, даже сотни раз. Причина кроется в наличии внутренних и поверхностных дефектов в кристаллических решётках.

Для получения высокопрочных материалов нужно выращивать монокристаллы по возможности без дефектов. Это очень сложная задача. Большинство современных методов упрочнения материалов основано на другом способе: в кристалле создаются препятствия перемещению дефектов. Ими могут служить дислокации (нарушения порядка расположения атомов в кристаллической решётке) и другие, специально созданные, дефекты.

Примеры точечных дислокаций – нарушений порядка расположения атомов в кристалле

К таким методам относятся, например:

– легирование стали: вводят в расплав небольшие добавки хрома или вольфрама, при этом прочность возрастает в три раза;

– высокоскоростная кристаллизация: чем быстрее отводится тепло от затвердевшего слитка, тем меньше размеры кристаллов. При этом улучшаются физические и механические характеристики. Для быстрого отвода тепла расплавленный металл струёй нейтрального газа распыляется в мельчайшую пыль, которую затем спрессовывают при высоких давлении и температуре.

Повышение прочности кристаллических тел даёт выигрыш в размерах различных агрегатов, позволяет уменьшить их массу, повышает рабочую температуру и увеличивает срок службы.

Физическая энциклопедия, т. 3: Под ред. А.М.Прохорова. – М: Советская энциклопедия, 1990.

Эти удивительные вещества, созданные природой, до такой степени стали частью нашей жизни, что, сталкиваясь с ними практически ежедневно, мы не всегда задумываемся об их происхождении. Может, тебе приходилось обращать внимание на белый налет в кастрюле или на дне стакана после испарения соленой воды или очень сладкого чая? Если внимательно рассмотреть этот налет под лупой, то можно увидеть очень мелкие кристаллики соли или сахара. Крупинки соли и сахара, песок и снежинки, минералы и драгоценные камни — вот далеко не полный список кристаллов.

Что такое кристалл?

Кристалл — это твердое вещество, все мельчайшие частицы которого (молекулы, атомы или ионы) находятся в строго определенном, повторяющемся порядке. Именно такая структура позволяет формировать кристаллы уникальной формы.

Почему у каждого кристалла своя форма?

Все кристаллы растут, но каждый из них растет со своей скоростью и в определенном направлении. Во время роста любого кристалла на его поверхности самопроизвольно образуются плоские грани, а сам кристалл принимает какую-либо геометрическую форму. Это означает, что грани кристалла растут в строго определенном направлении. Ученые неоднократно убеждались в этом в ходе следующего опыта. У стандартного кристалла геометрической формы они обрезали все углы, превратив его в шар, и поместили в раствор или расплав того же вещества.

Спустя некоторое время на поверхности шара стали образовываться ровные площадки граней кристалла. По мере роста граней площадки становились все больше и больше и постепенно соединились в многогранник неправильной формы. Чаще всего кристаллы вынужденно принимают такую форму. А происходит это потому, что одни грани растут быстрее других и мешают их свободному росту.

Правильный многогранник может образоваться только в том случае, если ничто не мешает его росту. А если один кристалл столкнулся с другим, то больше расти в сторону этого кристалла он не может, поэтому меняет направление. В результате такого роста и образуются многогранники разной формы.

Как образуются кристаллы?

В недрах Земли находится магма, в процессе медленного остывания и затвердевания которой образуются кристаллы различных минералов с разным кристаллическим строением. Почему так происходит? Ты уже знаешь, что у каждого вещества своя температура плавления, или кристаллизации, или затвердевания. Поэтому все вещества, находящиеся в магме, затвердевают по очереди, в соответствии с той температурой, при которой они способны принять кристаллическую форму. Большинство из таких кристаллов является драгоценными камнями.

Кристаллы также могут образовываться из пара. Так, например, пар, который ты выдыхаешь во время сильных морозов, превращается в небольшие белые хлопья. Во время первых осенних заморозков трава и ветви низкорослых кустарников могут покрыться удивительными кристаллами инея, который исчезает по мере повышения температуры.

Испарение из раствора — еще один способ образования кристаллов. Например, после испарения воды из насыщенного соляного раствора на дне емкости останутся кристаллы соли. Подобные процессы происходят и в природе. Под лучами жаркого летнего солнца вода в морях и соляных озерах начинает испаряться. Кристаллы соли сначала плавают на поверхности воды, а затем оседают на дно.

Так образуются природные месторождения солей.

В чем секрет уникальности кристаллов?

Уникальность кристаллов заключается в их особой форме и гранях, которые они образуют. Если внимательно присмотреться к кристаллам соли и сахара, то разницу можно увидеть даже без микроскопа.

Все кристаллические решетки представляют собой различные геометрические фигуры: треугольники, прямоугольники, квадраты, ромбы и т.д., причем форма зависит от типа молекул и атомов каждого вещества.

ЗАПОМНИ! Процесс образования кристалла называется кристаллизация. В природе кристаллы довольно часто образуются в момент охлаждения жидкости и ее последующего затвердевания: определенные молекулы жидкости собираются вместе в виде особой решетки, которая неоднократно повторяется.

Снежинкa

Одними из самых интересных и необычных кристаллов являются снежинки. Снежинки — это кристаллы льда в форме игл, призм, шестиугольников, пластинок и др.

Когда молекулы воды кристаллизуются, они могут образовывать только трех или шестиугольные фигуры. Вот в этом и заключается основная причина шестиугольной формы снежинок!

От чего зависит форма снежинок?

Форма снежинок зависит от нескольких факторов:

температуры, при которой снежинка образуется,
высоты над уровнем моря,
содержания водяного пара в облаке, в котором эта снежинка образовалась.

Жеода - чудо природы

Природа создала множество удивительных творений, и одно из них — жеоды. Жеоды — это необычные, полые внутри камни, полностью или частично заполненные разросшимися кристаллами. Жеоды бывают любой формы, но чаще всего встречаются округлые или овальные.

Размеры жеод варьируются от 1 см до 1 м, самые маленькие экземпляры (менее 1 см) называют миндалинами. Кристаллы, образовавшиеся в жеодах, зависят от минерального вещества, изначально попавшего в подземные пустоты. Чаще всего встречаются жеоды кварца, аметиста, горного хрусталя, агата, халцедона.

Применение кристаллов

Кристаллы находят довольно широкое применение в технике и быту.

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.

Кристаллы и кристаллические материалы находят применение во многих приборах и устройствах, с которыми мы сталкиваемся каждый день. Кристаллы используются: В компьютерах и мобильных телефонах, Аудио- и видеотехнике. Без кристаллов не могут работать многие сложные современные устройства для обработки, передачи и хранения информации, Кристаллы применяются для трансформации одного вида энергии в другой Кристаллы 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. Работы по созданию технологий кристаллических материалов входят в Перечень Приоритетных направлений развития науки, технологий и техники Российской Федерации, утвержденный Президентом РФ.

Использование алмазов Так выглядят алмазные резцы для обработки контактных линз. В промышленности часто используются инструменты, покрытые алмазным порошком. Прочность алмаза делает его наиболее подходящим материалом, который применяется при изготовлении тонкой проволоки, в частности нитей накаливания электрических лампы.

Хотя почти все драгоценные камни царапают стекло, успешно отрезать полоску стекла можно только алмазом Алмазный стеклорез Два ребра кристалла сходятся под острым углом. Этим требованиям лучше всего отвечают два ребра ромбододекаэдра. .

Лазер Лазер (англ.) – это усиление света в результате вынужденного излучения. Основа лазера - рубиновый стержень . Торцы его строго параллельны друг другу. Работает в импульсном режиме на длине волны 694 мм (темно-вишневый свет), мощность излучения может достигать в импульсе 106–109 Вт.

Важнейшую роль в получении лазерного луча играет кристалл рубина (Al2O3 ) с добавкой хрома. На схеме обозначены:1. Рабочая среда2. Энергия накачки лазера3. Непрозрачное зеркало4. Полупрозрачное зеркало5. Лазерный луч Лазеры нашли широкое применение в промышленности для различных видов обработки материалов: Сверление отверстий сварки тонких изделий. Основная область применения маломощных импульсных лазеров с микроэлектроникой: В электровакуумной промышленности Машиностроении Медицине.

Небольшой лазер, однако он может прожечь материалы различного типа и на достаточно большом расстоянии . В качестве источника питания используется 8 достаточно немаленьких батареек. Их хватит на 100 выстрелов. Мощность выходного потока - 3 Дж/с.

Кварцевые часы — часы, в которых в качестве колебательной системы применяется кристалл кварца. Высокая твёрдость рубинов, или корундов, обусловила их широкое применение в промышленности. Из 1 кг синтетического рубина получается около 40 000 опорных камней для часов. Незаменимыми оказались рубиновые стержни-нитеводители на фабриках по изготовлению химического волокна. Они практически не изнашиваются. Нитеводители из самого твёрдого стекла при протяжке через них искусственного волокна изнашиваются за несколько дней.

Жидкие кристаллы Жидкие кристаллы. Это необычные вещества, которые совмещают в себе свойства кристаллического твёрдого тела и жидкости. Подобно жидкостям они текучи, подобно кристаллам обладают а н и з о т р о п и е й . .

Полупроводники Многие кристаллы не являются хорошими проводниками электричества, как металлы, но их нельзя отнести и к диэлектрикам, т.к. они не являются и хорошими изоляторами. Это полупроводники. 4/5 массы земной коры: германий, кремний, селен и др., множество минералов, различные оксиды, сульфиды - являются полупроводниками.

Полупроводники в микроэлектронике Под воздействием температуры, освещения изменяется удельное электрическое сопротивление полупроводника. На этом явлении основана работа термисторов, фоторезисторов. Изготавливают фоторезисторы из сернистого свинца, сернистого кадмия, селенистого кадмия, имеющих кристаллическую структуру. Фоторезисторы находят широкое применение: 1.Контроль за запыленностью и задымленностью помещений 2.Автоматические выключатели уличного освещения 3.Турникеты в метрополитене 4.Сортировка и счёт готовой продукции 5.Контроль качества и готовности различных деталей.

Исключительно малые размеры полупроводниковых приборов (иногда всего в несколько миллиметров), долговечность, связанная с тем, что их свойства мало меняются со временем, возможность легко изменять их электропроводность дают широкие возможности для использования полупроводников. Терморезистор нового поколения безупречно обеспечивает срабатывание при заданной температуре.

Интегральные микросхемы Это совокупность большого числа взаимосвязанных компонентов – транзисторов, диодов, резисторов, конденсаторов, соединительных проводов, изготовленных на одном кристалле. На пластинку из полупроводника (кристаллы кремния) наносятся последовательно слои примесей, диэлектриков, напыляются слои металла. На одном кристалле формируется несколько тысяч электрических микроприборов. Размеры такой микросхемы обычно 5,5 мм, а отдельных микроприборов – порядка 10–6 м. Современный процессор Pentium-4 состоит из 42 млн. транзисторов. .Интегральные микросхемы- (две фотографии слева), и часть ядра Pentium ММХ (фотография справа)

Пьезоэффект Если из кристалла кварца (кварц-диэлектрик) вырезать определённым образом пластинку и поместить её между двумя электродами, то при сжатии кварцевой пластинки на электродах появятся равные по величине, но различные по знаку заряды. Пьезоэлектрический эффект в сильной степени проявляется в кристаллах титана, свинца, его производных. Такие кристаллы – основа пьезоэлектрических микрофонов и телефонов. Они преобразуют давление в электродвижущую силу в манометрах, служат для стабилизации частоты радиопередатчиков, измерения механических напряжений и вибраций.

Источники света В современных световых источниках холодный свет от прожектора по кабелям стекловолокна проходит к световому наконечнику (кристаллу), который дает направленный поток света, свободного от ультафиолетового и инфракрасного излучения, и следовательно благоприятного на глаз. Для декоративного светового отражения применяются гранёные кристаллы, имеющие остроконечные, полукруглые и круглые формы.

И так. На сегодняшний день можно смело утверждать: без кристаллов большая часть сфер деятельности человека станет не возможна, в связи с огромной областью их использования. Одни кристаллы используют для чипов, лазеров, ювелирных изделий, для нано электронных устройств. Из других делают термо индикаторы, сенсоры, имплантаты, подшипники, часовые стекла, скальпели, оптические стёкла. Третьи предназначены для оптических компьютеров, люминофоров, сцинтилляторов, дисплеев ноутбуков.

Кристаллы - синие, зелёные, красные, прозрачные , с металлическим блеском, самосветящиеся, магнитные, электрические, звучащие, вибрирующие, сверхтвердые и даже жидкие, сверхпрочные и пластичные, проницаемые, как сито, меняющие свой цвет и форму, ограненные, пластинчатые и даже волокнистые и деревообразные.Всё это физика твёрдого тела и многогранники!

Понятие кристалла, его основные свойства, строение и формы. Характеристика жидких кристаллов и их область применения в науке, технике и современной жизни. Изучение материала по выращиванию кристалла в обычных и лабораторных условиях, описание наблюдений.

Рубрика	Химия
Вид	практическая работа
Язык	русский
Дата добавления	12.05.2014
Размер файла	21,7 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Исследовательская работа

КРИСТАЛЛЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ

Г.Завитинска Амурской области

учитель физики МБОУСОШ №1

Г.Завитинска Амурской области

Завитинск.

2013г.

Содержание

Введение
1. Кристалл. Его свойства, строение и форма
2. Жидкие кристаллы
3. Применение ЖК
4. Применение кристаллов в науке и технике
5. Практическая часть
Заключение
Список литературы
ВведениеАктуальность работы:
Так как кристаллы имеют широкое применение в науке и технике, то трудно назвать такую отрасль производства, где не использовались бы кристаллы. Поэтому знать и разбираться в свойствах кристаллов очень важно для каждого человека.
Цель исследования: Выращивание кристалла из раствора в домашних условиях, изучение практического применения кристаллов в науке и технике.
Задачи: 1.Изучение теории о кристаллах.
2.Изучение материала по выращиванию кристалла в обычных условиях и в лабораторных условиях.
3.Наблюдение за образованием кристалла.
4.Описание наблюдений.
5.Изучение области применения кристаллов в современной жизни.

1. Кристалл. Его свойства, строение и форма

Образование кристаллов.

Кристаллы образуются тремя путями: из расплава, из раствора и из паров. Примером кристаллизации из расплава может служить образование льда из воды. кристалл жидкий выращивание лабораторный

В окружающем нас мире часто можно наблюдать образование кристаллов непосредственно из газовой среды, из растворов и из расплава. В тихую морозную ночь при ясном небе, в ярком свете луны или фонаря, мы иногда видим поблескивающие искорками медленно опускающиеся чешуйки инея. Это пластинчатые кристаллики льда, образующиеся тут же около нас из влажного и остывшего воздуха.

Структура твердых тел зависит от условий, в которых происходит переход из жидкого в твёрдое состояние. Если такой переход происходит очень быстро, например, при резком охлаждении жидкости, то частицы не успевают выстроиться в правильную структуру и образуется мелкокристаллическое тело. При медленном охлаждении жидкости получаются крупные и правильной формы кристаллы. В некоторых случаях, для того чтобы вещество закристаллизовалось, его приходиться выдерживать при различных температурах. Также на рост кристалла влияет внешнее давление. Кроме того, значительная часть кристаллов, имевших в далеком прошлом совершенную огранку, успела утратить ее под действием воды, ветра, трения о другие твердые тела. Так, многие округлые прозрачные зерна, которые можно найти в прибрежном песке, являются кристаллами кварца, лишившимися граней в результате длительного трения друг о друга.

Строение 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, все плоские грани пересекаются друг с другом под определенными углами. Углы между соответственными гранями всегда одинаковы. На форму оказывают влияние такие факторы, как температура, давление, частота, концентрация и направление движения раствора. Поэтому кристаллы одного и того же вещества могут обнаруживать большое разнообразие форм.

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.

Измерение углов между гранями кристаллов имеет очень большое практическое значение, так как по результатам этих измерений во многих случаях может быть достоверно определена природа минерала.

Простейшим прибором для измерения углов кристаллов является прикладной гониометр.

Виды кристаллов

Кроме того различают монокристаллы и поликристаллы.

Монокристалл представляет собой монолит с единой ненарушенной кристаллической решеткой. Природные монокристаллы больших размеров встречаются очень редко.

Монокристаллами являются кварц, алмаз, рубин и многие другие драгоценные камни.

Большинство кристаллических тел являются поликристаллическими, то есть состоят из множества мелких кристалликов, иногда видных только при сильном увеличении.

Поликристаллами являются все металлы.

2. Жидкие кристаллы

Жидкий кристалл - это особое состояние вещества, промежуточное между жидким и твердым состояниями. В жидкости молекулы могут свободно вращаться и перемещаться в любых направлениях. В жидком кристалле имеется некоторая степень геометрической упорядоченности в расположении молекул, но допускается и некоторая свобода перемещения.

Консистенция жидких кристаллов может быть разной - от легкотекучей жидкой до пастообразной. Жидкие кристаллы имеют необычные оптические свойства, что используется в технике.Жидкие кристаллы образуются из молекул, имеющих разную геометрическую форму. таких, как цвет, прозрачность и др. На всем этом основаны многочисленные применения жидких кристаллов.

3. Применение ЖК

Расположение молекул в жидких кристаллах изменяется под действием таких факторов, как температура, давление, электрические и магнитные поля; изменения же расположения молекул приводят к изменению оптических свойств, таких, как цвет, прозрачность и способность к вращению плоскости поляризации проходящего света. На всем этом основаны многочисленные применения жидких кристаллов. Например, зависимость цвета от температуры используется для медицинской диагностики. Нанося на тело пациента некоторые жидкокристаллические материалы, врач может легко выявлять затронутые болезнью ткани по изменению цвета в тех местах, где эти ткани выделяют повышенные количества тепла. Температурная зависимость цвета позволяет также контролировать качество изделий без их разрушения. Если металлическое изделие нагревать, то его внутренний дефект изменит распределение температуры на поверхности. Эти дефекты выявляются по изменению цвета нанесенного на поверхность жидкокристаллического материала.

Тонкие пленки жидких кристаллов, заключенные между стеклами или листками пластмассы, нашли широкое применение в качестве индикаторных устройств. Жидкие кристаллы широко применяются в производстве наручных часов и небольших калькуляторов. Создаются плоские телевизоры с тонким жидкокристаллическим экраном.

4. Применение кристаллов в науке и технике

В наше время кристаллы имеют очень широкое применение в науке, технике и медицине.

Алмазными пилами распиливают камни. Алмазная пила - это большой (до 2-х метров в диаметре) вращающийся стальной диск, на краях которого сделаны надрезы или зарубки. Мелкий порошок алмаза, смешанный с каким-нибудь клейким веществом, втирают в эти надрезы. Такой диск, вращаясь с большой скоростью, быстро распиливает любой камень.

Огромное значение имеет алмаз при бурении горных пород, в горных работах. В граверных инструментах, делительных машинах, аппаратах для испытания твердости, сверлах для камня и металла вставлены алмазные острия. Алмазным порошком шлифуют и полируют твердые камни, закаленную сталь, твердые и сверхтвёрдые сплавы. Сам алмаз можно резать, шлифовать и гравировать только самим же алмазом. Наиболее ответственные детали двигателей в автомобильном и авиационном производстве обрабатывают алмазными резцами и сверлами.

Корундом можно сверлить, шлифовать, полировать, точить камень и металл. Из корунда и наждака делают точильные круги и бруски, шлифовальные порошки и пасты. На полупроводниковых заводах тончайшие схемы рисуют рубиновыми иглами.

Гранат также используется в абразивной промышленности. Из гранатов изготовляют шлифовальные порошки, точильные круги, шкурки. Они иногда заменяют в приборостроении рубин.

Флюорит используется для изготовления линз телескопов и микроскопов, для изготовления призм спектрографов и в других оптических приборах.

5. Практическая часть

Выращивание кристаллов медного купороса.

Медный купорос -- пятиводный сульфат меди, так как крупные кристаллы напоминают цветное синее стекло. Медный купорос применяют в сельском хозяйстве для борьбы с вредителями и болезнями растений, в промышленности при производстве искусственных волокон, органических красителей, минеральных красок, мышьяковистых химикатов.

Способ выращивания в домашних условиях:

1) Для начала приготовим раствор концентрированного купороса. После этого слегка подогреем смесь, чтобы добиться полного растворения соли. Для этого стакан поставим в кастрюлю с теплой водой.

2) Полученный концентрированный раствор перельем в банку или химический стакан; туда же подвесим на нитке кристаллическую "затравку" - маленький кристаллик той же соли - так, чтобы он был погружен в раствор. На этой "затравке" и предстоит расти будущему экспонату вашей коллекции кристаллов.

3) Сосуд с раствором поставим в открытом виде в теплое место. Когда кристалл вырастет достаточно большим, вынем его из раствора, обсушим мягкой тряпочкой или бумажной салфеткой, обрежем нитку и покроем грани кристалла бесцветным лаком, чтобы предохранить от "выветривания" на воздухе.

Наблюдение за процессом роста кристаллов медного купороса.

Для начала мы налили в химический стакан раствор медного купороса, привязали на нитку затравку. И опустили в стакан кристалл. Уже на следующий день у нас появился поликристалл довольно больших размеров, около 2 сантиметров в длине. Сам кристалл был очень неровный, с небольшими столбцами. Дальше кристаллизация не продолжалась, сколько бы мы не ждали.

Но мы на этом не останавливались и сделали ещё два кристалла медного купороса. Только затравку мы взяли из столбца неполучившегося кристалла. В одном растворе температура постоянно менялась, а в другом стакане была неизменной. Через несколько суток у нас получились два полноценных монокристалла медного купороса. Они получились с ровными гранями, абсолютно симметричные. Так я понял что для того чтобы сделать ровный кристалл надо чтобы затравка тоже была ровной и симметричной.

Наблюдение за процессом роста кристаллов в растворах солей под микроскопом.

Рассматривать кристаллы под микроскопом очень интересно, так как чем "моложе" кристалл, тем более правильную форму он имеет. Изучение кристаллов под микроскопом не занимает много времени и ресурсов: для приготовления раствора необходимо всего несколько грамм соли, да и времени на рост кристалла уходит не так много.

Наносили на предметное стекло микроскопа несколько капель насыщенного раствора различных солей. Стекло слегка подогревали пламенем спиртовки и помещали на столик микроскопа. Перемещением предметного стекла и регулированием увеличения добивались такого положения, чтобы капля заняла все поле зрения микроскопа. Через небольшой промежуток времени (около 1 мин) на краю капли, где она высыхает быстрее, начиналась кристаллизация. Возникшие мелкие кристаллы образовывали по краям капли сплошную непрозрачную корку, которая в проходящем свете кажется темной. Постепенно из этой массы кристаллов начинали проступать направленные внутрь капли отдельные острия индивидуальных кристаллов, которые, разрастаясь, образуют разнообразные формы. Чаще всего новые центры кристаллизации в свободном пространстве внутри капли, как правило, самопроизвольно не возникали. Через некоторое время все поле зрения заполнялось кристаллами, и кристаллизация практически заканчивалась.

Таким образом, кристаллы одни из самых красивых и загадочных творений природы. Мы живем в мире, состоящем из кристаллов, строим из них, обрабатываем их, едим их, лечимся ими… Изучением многообразия кристаллов занимается наука кристаллография. Она всесторонне рассматривает кристаллические вещества, исследует их свойства и строение. В давние времена считалось, что кристаллы представляют собой редкость. Действительно, нахождение в природе крупных однородных кристаллов - явление нечастое. Однако мелкокристаллические вещества встречаются весьма часто. Так, например, почти все горные породы: гранит, песчаники, известняк - кристалличны. Даже некоторые части организма кристалличны, например, роговица глаза, витамины, оболочка нервов. Долгий путь поисков и открытий, от измерения внешней формы кристаллов вглубь, в тонкости их атомного строения еще не завершен. Но теперь исследователи довольно хорошо изучили его структуру и учатся управлять свойствами кристаллов.

В результате проведенной работы я могу сделать следующие выводы:

1. Кристалл - это твердое состояние вещества. Он имеет определенную форму и определенное количество граней.

2. Кристаллы бывают разных цветов, но в большинстве своём прозрачны.

3. Кристаллы - совсем не музейная редкость. Кристаллы окружают нас повсюду. Твёрдые тела, из которых мы строим дома и делаем станки, вещества, которые мы употребляем в быту, - почти все они относятся к кристаллам. Песок и гранит, поваренная соль и сахар, алмаз и изумруд, медь и железо - всё это кристаллические тела.

4. Самые ценные среди кристаллов - драгоценные камни.

5. Я вырастил кристалл в домашних условиях из насыщенного раствора медного купороса.

Таким образом, цели и задачи, которые были обозначены мной в начале работы, достигнуты. В результате проведенной работы я опытным путём нашёл доказательство для предположения, которое было высказано английским кристаллографом Франком о ступенчатом росте кристаллов.

Проведенная работа была очень интересной и занимательной. Мне бы хотелось ещё вырастить кристаллы из других веществ, ведь их так много вокруг нас…

Подобные документы

Твёрдые кристаллы: структура, рост, свойства. "Наличие порядка" пространственной ориентации молекул как свойство жидких кристаллов. Линейно поляризованный свет. Нематические, смектические и холестерические кристаллы. Общее понятие о сегнетоэлектриках.

курсовая работа [55,4 K], добавлен 17.11.2012

Примеры применения монокристаллов. Семь кристаллических систем: триклинная, моноклинная, ромбическая, тетрагональная, ромбоэдрическая, гексагональная и кубическая. Простые формы кристаллов. Получение перенасыщенного раствора и выращивание кристалла.

презентация [391,6 K], добавлен 09.04.2012

История открытия жидких кристаллов, особенности их молекулярного строения, структура. Классификация и разновидности жидких кристаллов, их свойства, оценка преимуществ и недостатков практического использования. Способы управления жидкими кристаллами.

курсовая работа [58,4 K], добавлен 08.05.2012

Общая характеристика поверхностных явлений в жидких кристаллах. Рассмотрение отличительных особенностей смектических жидких кристаллов, различных степеней их упорядочения. Исследование анизотропии физических свойств мезофазы, степени упорядочения.

реферат [655,6 K], добавлен 10.10.2015

Жидкокристаллическое (мезоморфное) состояние вещества. Образование новой фазы. Типы жидких кристаллов: смекатические, нематические и холестерические. Термотропные и лиотропные жидкие кристаллы. Работы Д. Форлендера, способствовавшие синтезу соединений.

Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику

Зарегистрироваться 15–17 марта 2022 г.

Описание презентации по отдельным слайдам:

Кристаллы и кристаллические материалы находят применение во многих приборах и устройствах, с которыми мы сталкиваемся каждый день.

Кристаллы используются:
В компьютерах и мобильных телефонах,
Аудио- и видеотехнике.
Без кристаллов не могут работать многие сложные современные устройства для обработки, передачи и хранения информации,
Кристаллы применяются для трансформации одного вида энергии в другой
Кристаллы 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. Работы по созданию технологий кристаллических материалов входят в Перечень Приоритетных направлений развития науки, технологий и техники Российской Федерации, утвержденный Президентом РФ.

Так выглядят алмазные резцы для обработки контактных линз.

В промышленности часто используются инструменты, покрытые алмазным порошком. Прочность алмаза делает его наиболее подходящим материалом, который применяется при изготовлении тонкой проволоки, в частности нитей накаливания электрических лампы.
Алмазные буры

Хотя почти все драгоценные камни царапают стекло, успешно отрезать полоску стекла можно только алмазом.

Алмазный стеклорез Два ребра кристалла сходятся под острым углом. Этим требованиям лучше всего отвечают два ребра ромбододекаэдра.

Плотная упаковка атомов в кристаллической решетке алмаза

.
Лазер (англ.) –
это усиление света в результате вынужденного излучения.
Лазер
Основа лазера - рубиновый стержень . Торцы его строго параллельны друг другу. Работает в импульсном режиме на длине волны 694 мм (темно-вишневый свет), мощность излучения может достигать в импульсе 106–109 Вт.

Сверление отверстий
сварки тонких изделий.
Основная область применения маломощных импульсных лазеров с микроэлектроникой:
В электровакуумной промышленности
Машиностроении
Медицине.

В качестве источника питания используется 8 достаточно
немаленьких батареек. Их хватит на 100 выстрелов.
Мощность выходного потока - 3 Дж/с.

Это небольшой лазер, однако он может прожечь материалы различного типа и на достаточно большом расстоянии .

Кварцевые часы — часы, в которых в качестве колебательной системы применяется кристалл кварца.
Высокая твёрдость рубинов, или корундов, обусловила их широкое применение в промышленности.
Из 1 кг синтетического рубина получается около 40 000 опорных камней для часов.
Незаменимыми оказались рубиновые стержни-нитеводители на фабриках по изготовлению химического волокна. Они практически не изнашиваются.
Нитеводители из самого твёрдого стекла при протяжке через них искусственного волокна изнашиваются за несколько дней.

Жидкие кристаллы
Жидкие кристаллы. Это необычные вещества, которые совмещают в себе свойства кристаллического твёрдого тела и жидкости. Подобно жидкостям они текучи, подобно кристаллам обладают а н и з о т р о п и е й . .

Строение молекул жидких кристаллов таково, что концы молекул очень слабо взаимодействуют друг с другом, в то же время боковые поверхности взаимодействуют очень сильно и могут прочно удерживать молекулы в едином ансамбле.

Полупроводники
Многие кристаллы не являются хорошими проводниками электричества, как металлы, но их нельзя отнести и к диэлектрикам, т.к. они не являются и хорошими изоляторами. Это полупроводники. 4/5 массы земной коры: германий, кремний, селен и др., множество минералов, различные оксиды, сульфиды - являются полупроводниками.

Фоторезисторы находят широкое применение: 1.Контроль за запыленностью и задымленностью помещений 2.Автоматические выключатели уличного освещения 3.Турникеты в метрополитене 4.Сортировка и счёт готовой продукции 5.Контроль качества и готовности различных деталей.

Г а л е р е я ф о т о р е з и с т о р о в .

Исключительно малые размеры полупроводниковых приборов (иногда всего в несколько миллиметров), долговечность, связанная с тем, что их свойства мало меняются со временем, возможность легко изменять их электропроводность дают широкие возможности для использования полупроводников.
Терморезистор нового поколения безупречно обеспечивает срабатывание при заданной температуре.

Интегральные микросхемы
.Интегральные микросхемы- (две фотографии слева), и часть ядра Pentium ММХ (фотография справа)
Это совокупность большого числа взаимосвязанных компонентов – транзисторов, диодов, резисторов, конденсаторов, соединительных проводов, изготовленных на одном кристалле.

На пластинку из полупроводника (кристаллы кремния) наносятся последовательно слои примесей, диэлектриков, напыляются слои металла. На одном кристалле формируется несколько тысяч электрических микроприборов.
Размеры такой микросхемы обычно 5,5 мм, а отдельных микроприборов – порядка 10–6 м.
Современный процессор Pentium-4 состоит из 42 млн. транзисторов.

Если из кристалла кварца (кварц-диэлектрик) вырезать определённым образом пластинку и поместить её между двумя электродами, то при сжатии кварцевой пластинки на электродах появятся равные по величине, но различные по знаку заряды.
Пьезоэлектрический эффект в сильной степени проявляется в кристаллах титана, свинца, его производных. Такие кристаллы – основа пьезоэлектрических микрофонов и телефонов. Они преобразуют давление в электродвижущую силу в манометрах, служат для стабилизации частоты радиопередатчиков, измерения механических напряжений и вибраций.

Кристаллы кварца, кальцита и других прозрачных веществ, пропускающих ультрафиолетовое и инфракрасное излучение, применяются для изготовления призм и линз оптических приборов.

Для декоративного светового отражения применяются гранёные кристаллы, имеющие остроконечные, полукруглые и круглые формы.
В современных световых источниках холодный свет от прожектора по кабелям стекловолокна проходит к световому наконечнику (кристаллу), который дает направленный поток света, свободного от ультафиолетового и инфракрасного излучения, и следовательно благоприятного на глаз.

На сегодняшний день можно смело утверждать: без кристаллов большая часть сфер деятельности человека станет не возможна, в связи с огромной областью их использования. Одни кристаллы используют для чипов, лазеров, ювелирных изделий, для нано электронных устройств. Из других делают термо индикаторы, сенсоры, имплантаты, подшипники, часовые стекла, скальпели, оптические стёкла. Третьи предназначены для оптических компьютеров, люминофоров, сцинтилляторов, дисплеев ноутбуков.

Кристаллы - синие, зелёные, красные, прозрачные , с металлическим блеском, самосветящиеся, магнитные, электрические, звучащие, вибрирующие, сверхтвердые и даже жидкие, сверхпрочные и пластичные, проницаемые, как сито, меняющие свой цвет и форму, ограненные, пластинчатые и даже волокнистые и деревообразные.
Всё это физика твёрдого тела и многогранники!

Читайте также: