Кристаллы краса и користь реферат

Обновлено: 30.06.2024

* Данная работа не является научным трудом, не является выпускной квалификационной работой и представляет собой результат обработки, структурирования и форматирования собранной информации, предназначенной для использования в качестве источника материала при самостоятельной подготовки учебных работ.

СРЕДНЯЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ШКОЛА № 3

Реферат по физике на тему:

“Получение и применение кристаллов”.

Руководитель: Галикеева О.Е.

Выполнил: Шварц В.И.

Темой своего реферата я выбрал кристаллы, так как считаю эту область физики одной из самых интересных и для изучения и работы.

В наше время наука идёт вперёд с огромной скоростью. Для воплощения в жизнь некоторых проектов требуются материалы, обладающие определёнными свойствами, но эти материалы не существуют в природе, но их можно вырастить искусственно. Выращивать можно и встречающиеся в природе кристаллы – например алмазы – для снижения их стоимости или получения экземпляров больших размеров.

Ещё один вид кристаллов, повсеместно применяющийся в электронике – это жидкие кристаллы. Их можно увидеть везде – это экраны телевизоров и мониторы компьютеров, электронные часы и микрокалькуляторы, экраны мобильных телефонов цифровых фотоаппаратов и т.д. и т.п.

По моему мнению, изучение кристаллов, во всех их проявлениях, является наиболее перспективным и востребованным занятием в области физики твёрдого тела на несколько ближайших десятилетий.

Общие сведения о кристаллах.

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 речь пойдёт о кристаллах.

Кристаллическими считаются вещества, атомы которых расположены регулярно, так что образуют правильную трёхмерную решётку, называемую кристаллической. Кристаллам ряда химических элементов и их соединений присущи замечательные механические, электрические, магнитные и оптические свойства.

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

Русский учёный Е.С.Фёдоров установил, что в природе может существовать только 230 различных пространственных групп, охватывающих все возможные кристаллические структуры. Большинство из них (но не все) обнаружены в природе или созданы искусственно. Кристаллы могут иметь форму различных призм, основанием которых могут быть правильный треугольник, квадрат, параллелограмм и шестиугольник.

Кристаллические решётки металлов часто имеют форму гранецентрированного (медь, золото) или объемно-центрированного куба (железо), а так же 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 таких 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.

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.

Существует три способа образования кристаллов: кристаллизация из расплава, из раствора и из газовой фазы. Примером кристаллизации из расплава может служить образование льда из воды (ведь вода — это расплавленный лёд), а также образования вулканических пород. Пример кристаллизации из раствора в природе выпадение сотен миллионов тонн соли 113 морской воды. При охлаждении газа (или пара) электрические силы притяжения объединяют атомы или молекулы в кристаллическое твёрдое вещество — так образуются снежники.

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 приведет 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.

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.

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.

Наиболее широкое применение жидкие кристаллы получили в буквенно-цифровых индикаторах электронных часов, микрокалькуляторов и тд. Нужная цифра или буква воспроизводится с помощью комбинации небольших ячеек, выполненных в виде полосок. Каждая ячейка заполнена жидким кристаллом и имеет два электрода, на которые подаётся напряжение. В зависимости от величины напряжения, загораются те или иные ячейки. Индикаторы можно делать чрезвычайно миниатюрными, они потребляют мало энергии.

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 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

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

ЮНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬ

Данилова Я., Сибгатова К.

Научный руководитель:

Николаева А. Р. I категория

Паспорт проекта

«Кристаллы, кристаллы,

Соцветья во мглу погружённой земли.

Когда расцвели вы,

На свете другие цветы не цвели.

Нацежен был мало-помалу

Из мрака лучистый хрусталь,

Чтоб стало под силу кристаллу

Мигель де Унамуно.

Каждый день мы в своей жизни сталкиваемся с кристаллами. Где бы мы не находились дома, на улицы. В любое время года. На разных континентах.

Кристаллы льда и снега. Мы даже употребляем их в пищу. Сахар и соль. Кристаллы можно легко увидеть и без микроскопа. Они разной величины и формы. Красивые и загадочные. Нам захотелось как можно больше узнать об этом чуде природы. Что это такое, как они появляются, какие бывают, чем они отличаются, как долго растут.

Актуальность . В ходе изучения мы узнали, что кристаллы можно вырастить самим. И этот процесс не требует особых усилий и затрат. Это и стало целью нашего исследования. В своей работе мы использовали всем известную соль.

Предмет исследования: Кристаллы соли .

Проблемные вопросы:

– Что такое кристаллы?

– Почему они растут?

– Чем нужно делать, чтобы они росли?

– Возможно, ли вырастить кристаллы самим?

Цель исследования : научиться выращивать кристаллы соли в домашних условиях.

Задачи исследования :

изучить исторические сведения о кристаллах ;

узнать о значении кристаллов в жизни человека;

подобрать дома и в школьной лаборатории доступное оборудование и сырье для производства кристаллов;

познакомиться и использовать необходимые меры безопасности и защиты при проведении эксперимента;

вырастить кристаллы соли;

изучить условия образования кристаллов, их формы, цвета;

проанализировать полученные результаты.

Гипотеза исследования

Мы предположили, что кристаллы соли могут появляться при создании определенных условий; значит, если изменять условия и растворять соль в воде, то можно получать кристаллы в домашних условиях.

Что такое кристалл?

Что же такое кристаллы?

Слово “кристаллос” у древних греков обозначало лед. Кристаллами обычно называют твердые предметы, образующиеся в природных или лабораторных условиях и имеющие вид многогранников.

Кристаллы образуются чаще всего из растворов или расплавов. Все кристаллы одного вещества имеют одинаковую форму, хоть и могут отличаться размерами. Поликристаллы состоят из отдельных мелких кристалликов (кристаллитов), а монокристалл – это крупный одиночный кристалл. П очти все минералы представляют собой кристаллы. Некоторые минералы образуют кристаллы, которые разглядеть можно только с помощью микроскопа.

Кристаллы характеризуются строгими геометрическими формами и ограничены преимущественно гладкими плоскими гранями. В большинстве своем кристаллы мелки, отчасти даже микроскопически малы; но встречаются и гигантские экземпляры.

Форма кристалла зависит от его внутреннего строения.

В течение долгих столетий жизнь кристаллов казалась таинственной и неразрешимой загадкой.

В 1619 г. великий немецкий математик и астроном Иоганн Кеплер (1571-1630) обратил внимание на шестерную симметрию снежинок. Он попытался объяснить её тем, что кристаллы построены из мельчайших одинаковых шариков, теснейшим образом присоединенных друг к другу (вокруг центрального шарика можно вплотную разложить только шесть таких же шариков). Кристалл чудодейственен своими свойствами, он выполняет самые разные функции.

Кристаллография – наука не новая. У её истоков стоит М. В. Ломоносов. А вот выращивание искусственных кристаллов дело более позднее.

Всем известно, что издавна люди научились выращивать искусственные кристаллы — рубины. И используют их для изготовления ювелирных украшений и в качестве опор для вращающихся деталей в часовом механизме. А еще выращивают самые твердые на свете кристаллы — алмазы. В домашних условиях можно вырастить кристаллы из соли, сахара или медного купороса.

Как растет кристалл.

Для образования кристаллов необходимо, чтобы ничто не мешало им свободно и всесторонне развиваться, не теснило бы их и не препятствовало их росту.

Одни вещества образуют кристаллы легко, другие с большим трудом или вовсе не образуют кристаллов. Если охлаждение раствора медленное, то кристаллов образуется мало, и, постепенно обрастая частичками вещества со всех сторон, они превращаются в красивые кристаллики правильной формы. При быстром же охлаждении образуется много центров кристаллизации, и кристаллы получатся неправильной формы, и к тому же слишком мелкие. Ещё очень важно, чтобы раствор не содержал посторонних частичек (пылинок и т. д.), иначе в растворе на них начнется кристаллизация, и в результате получится то же самое, что и при быстром охлаждении раствора.

Применение кристаллов.

Применяют кристаллы в разных областях. Самый твердый и самый редкий из природных минералов – алмаз. Благодаря своей исключительной твердости алмаз играет громадную роль в технике. Алмазными пилами распиливают камни. Сам алмаз можно резать, шлифовать и гравировать тоже только алмазом. Наиболее ответственные детали двигателей в автомобильном и авиационном производстве обрабатывают алмазными резцами и сверлами.

Рубин и сапфир относятся к самым красивым и самым дорогим из драгоценных камней.

Вся часовая промышленность работает на искусственных рубинах. На полупроводниковых заводах тончайшие схемы рисуют рубиновыми иглами. В текстильной и химической промышленности рубиновые нитеводители вытягивают нити из искусственных волокон, из капрона, из нейлона.

Новая жизнь рубина - это, чудесный прибор наших дней. В 1960г. был создан первый лазер на рубине. Оказалось, что кристалл рубина усиливает свет. Лазер светит ярче тысячи солнц. Мощный луч лазера громадный мощностью. Он легко прожигает листовой металл, сваривает металлические провода, прожигает металлические трубы, сверлит тончайшие отверстия в твердых сплавах, алмазе. Эти функции выполняет твердый лазер, где используется рубин, гранат с неодитом. В глазной хирургии применяется чаще всего неодиновые лазеры и лазеры на рубине. В наземных системах ближнего радиуса действия часто используются инжекционные лазеры на арсениде галлия.

Появились и новые лазерные кристаллы: флюорит, гранаты, арсенид галлия и др.

Сапфир прозрачен, поэтому из него делают пластины для оптических приборов.

Основная масса кристаллов сапфира идет в полупроводниковую промышленность.

Кристаллы широко применяются для воспроизведения, записи и передачи звука.

И это ещё не всё. Применение кристаллов очень разнообразно.

Выращивание кристаллов в искусственных условиях

Чтобы вырастить кристаллы соли, мы налили в стакан не очень горячей воды и стали насыпать в воду соль по 1 чайной ложке, помешивая, чтобы соль быстрее растворялась. Добавляли соль в воду до тех пор, пока она не перестала растворяться. Когда заметили, что кристаллы больше не растворяются, добавили последнюю ложечку соли. Раствор процедили через фильтр (мы воспользовались салфеткой, можно взять промокашку или вату). Процеживать раствор обязательно, потому что соринки могут помешать росту красивых кристаллов. Поставили раствор охлаждаться. Чем медленнее он будет остывать, тем крупнее получатся кристаллы.

Для того чтобы кристалл вырос крупным и ровным, потребовалось много времени, терпения и осторожности. За месяц - полтора можно вырастить довольно крупный кристалл. Для начала берут затравку - маленький кристаллик, который и станет центром кристаллизации. Но мы поступили проще: ниточку с маленькой гаечкой или камешком повесили на карандаше так, чтобы она погрузилась в раствор, но не касалась дна.

Поставили стакан и банку с раствором в место, где нет сквозняков. Уже через 2-3 дня грузик оброс кристаллами. Мы внимательно следили, чтобы раствора в банке хватило, для того, чтобы закрыть им кристалл: кристалл должен все время находиться в растворе. Кристаллы выросли за 2-3 недели, но их можно было бы выращивать и дольше.

Красивые кристаллы получались не сразу. Из книг мы узнали, что во время роста можно корректировать рост кристаллов, удаляя некрасивые наросты. Это делали ножом, соскабливая лишнее. Первые кристаллы, которые мы достали из раствора, очень быстро подсохли, через час покрылись белым налетом соли, а через несколько дней разрушились.

После неудачного первого опыта мы стали осторожнее. Когда кристаллы приняли красивый вид, вынули их из раствора.

Результаты эксперимента

Делая опыты с солью, мы пришли к следующим результатам:

Кристалл можно вырастить, используя насыщенный раствор соли;

Можно создавать декоративные украшения, используя рост кристаллов;

Если погрузить кристалл в слабый солевой раствор, или в раствор, который не успел остыть, кристалл, к сожалению, разрушается.

В нашей работе мы попытались вырастить кристаллы в домашних условиях и открыть для себя этот удивительный мир кристаллов.
Мы рассмотрели вопрос о том, как растут кристаллы в природе и как можно вырастить их в домашних условиях (на примере выращивания кристаллов соли). Изменяя внешние условия выращивания можно получить кристаллы разной формы, что было подтверждено экспериментально.

Наша тема оказалась очень интересной, и если её изучать глубже, то она будет интересна каждому. Кристаллы загадочные и очень красивые. В нашей работе мы рассказали лишь малую часть того, что известно о кристаллах и их применении в настоящее время.

Список литературы

Справочник школьника: Учебное издание: 5-11 классы. – М.: АСТ – ПРЕСС КНИГА. Издание подготовлено авторским коллективом.

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.

Цель исследования: Вырастить кристалл в домашних условиях.

Гипотеза исследования: образование кристаллов зависит от условий окружающей среды, в частности от температуры.

Вложение	Размер
Исследовательская работа "Выращивание кристаллов"	95 КБ

Предварительный просмотр:

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение
Средняя общеобразовательная школа № 40

“МОЙ ПЕРЫЙ ДОКЛАД”

Тема: Выращивание кристаллов

3а класса МБОУ СОШ № 40

1.2. Формы кристаллов и способы их образования………………………..6

2. Исследовательская часть …………………………………………. …………9

2.1. Подготовка к выполнению эксперимента……………………………….9

2.3. Результаты исследования…………………………………………………13

Список используемой литературы……………………………………………16

"Почти весь мир кристалличен.

В мире царит кристалл и его

твердые, прямолинейные законы"

Академик Ферсман А.Е.

Объектом моего исследования является изучение кристаллов и способов их выращивания.

Цель моего исследования: Вырастить кристаллы в домашних условиях.

познакомиться с научно-популярной литературой по данной теме
изучить технику выращивания кристаллов
познакомиться с разновидностями кристаллов
узнать, какое значение имеют кристаллы в жизни человека

1. Основная часть

1.1. Что такое кристалл

Кристалл — это твердое состояние вещества. Он имеет определенную форму и определенное количество граней вследствие расположения своих атомов. Все кристаллы одного вещества имеют одинаковую форму, хоть и могут отличаться размерами.

В природе существуют сотни веществ, образующих кристаллы. Вода — одно из самых распространенных из них. Замерзающая вода превращается в кристаллы льда или снежинки.

Минеральные кристаллы тоже образуются в ходе определенных породообразующих процессов. Огромные количества горячих и расплавленных горных пород глубоко под землей в действительности представляют собой растворы минералов. Когда массы этих жидких или расплавленных горных пород выталкиваются к поверхности земли, они начинают остывать.

Они охлаждаются очень медленно. Минералы превращаются в кристаллы, когда переходят из состояния горячей жидкости в холодную твердую форму. Например, горный гранит содержит кристаллы таких минералов, как кварц, полевой шпат и слюда. Миллионы лет тому назад гранит был расплавленной массой минералов в жидком состоянии. В настоящее время в земной коре имеются массы расплавленных горных пород, которые медленно охлаждаются и образуют кристаллы различных видов.

Кристаллография – наука не новая. У её истоков стоит М. В. Ломоносов. Эта наука, занимается изучением кристаллов, их строения, формы, физических и химических свойств, зародилась в недрах минералогии, и долгое время была составной её частью. Все основные законы кристаллографии были открыты на минералах. Затем кристаллы стали предметом пристального изучения физиков, химиков, математиков и даже биологов. Она занимает самостоятельное место в науке, примыкает ко многим областям знания, обогащая их своими теоретическими и экспериментальными методами и заимствуя их методы для дальнейшего углублённого изучения кристаллов. В кристалле минерал предстаёт перед нами в наиболее совершенном виде, пробуждая чувство прекрасного.

Чтобы понять, что такое кристалл, мало полюбоваться на красивые кристаллы кварца и топаза в Минералогическом музее, мало восхищаться зимой звездочками снега на темном фоне нашего рукава, мало наблюдать в сахарном песке сверкающие, как алмаз, маленькие кристаллы сахара, - надо самому растить кристаллы, изучать их жизнь.

Можно ли искусственные кристаллы отличить от природных? Вот вопрос. Ну, например, искусственный алмаз до сих пор уступает природному по качеству, в том числе и по блеску. Искусственные алмазы не вызывают ювелирной радости, но для использования в технике они вполне подходят, выступают в этом смысле на равных с природными. Опять же, нахрапистые ростовики (так называют химиков, выращивающих искусственные кристаллы) научились выращивать тончайшие кристаллические иглы, обладающие чрезвычайно высокой прочностью.

Выращивание кристаллов мы отнесли к поделкам из природного материала. Почему? А кто будет утверждать, что соль это не природный материал?

1.2. Формы кристаллов и способы их образования

Кристаллы могут иметь и разные размеры. Некоторые минералы образуют кристаллы, которые разглядеть можно только с помощью микроскопа. Другие же образуют кристаллы, вес которых составляет несколько сотен фунтов.

Кристаллы могут иметь форму различных призм, основанием которых могут быть правильный треугольник, квадрат, параллелограмм и шестиугольник.

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

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

Если твёрдое вещество нагреть, оно перейдёт в жидкое состояние – расплав. Трудности выращивания кристаллов 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.

1.3. Применение кристаллов

Кристаллы обладают удивительной красотой, поэтому с древности применяются для изготовления ювелирных изделий. Но не только. Применение кристаллов в науке и технике многочисленны и разнообразны, они сыграли важную роль во многих технических новинках 20 в. Приведу несколько примеров.

Самый твердый и самый редкий из природных минералов - алмаз. Благодаря своей исключительной твердости алмаз играет громадную роль в технике. Алмазными пилами распиливают камни. Колоссальное 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 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.

Рубин и сапфир относятся к самым красивым и самым дорогим из драгоценных камней. Кроваво-красный рубин и лазорево-синий сапфир - это один и тот же минерал - корунд, оксид алюминия Аl 2 О 3 . Разница в цвете возникла из-за очень малых примесей.

Скромный, невзрачный бурый корунд, непрозрачный, мелкий - наждак, которым чистят металл, из которого делают наждачную шкурку. Корунд со всеми его разновидностями - это один из самых твердых камней на Земле, самый твердый после алмаза. Корундом можно сверлить, шлифовать, полировать, точить камень и металл. Из корунда и наждака делают точильные круги и бруски, шлифовальные порошки.

Вся часовая промышленность работает на искусственных рубинах, также они используются в текстильной и химической промышленности.

Новая жизнь рубина - это лазер или оптический квантовый генератор (ОКГ). В 1960г. был создан первый лазер на рубине. Оказалось, что кристалл рубина усиливает свет. Лазер светит ярче тысячи солнц. В глазной хирургии применяется чаще всего лазеры на рубине.

Сапфир прозрачен, поэтому из него делают пластины для оптических приборов. Основная масса кристаллов сапфира идет в полупроводниковую промышленность.

Кремень, аметист, яшма, опал, халцедон — все это разновидности кварца. Мелкие зернышки кварца образуют песок. А самая красивая, самая чудесная разновидность кварца - это и есть горный хрусталь, т.е. прозрачные кристаллы кварца. Поэтому из прозрачного кварца делают линзы, призмы и другие детали оптических приборов.

Особенно удивительны электрические свойства кварца. Если сжимать или растягивать кристалл кварца, на его гранях возникают электрические заряды. Этот эффект широко применяются для воспроизведения, записи и передачи звука.

В технике также нашел своё применение поликристаллический материал поляроид.

Поляроид - это тонкая прозрачная пленка, сплошь заполненная крохотными прозрачными игольчатыми кристалликами вещества. Поляроиды гасят блики отраженного света, пропуская весь остальной свет. Поляроидные пленки применяются в поляроидных очках. Они незаменимы для полярников, которым постоянно приходится смотреть на ослепительное 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.

Перечень применения кристаллов достаточно длинен и непрерывно растет.

2. Исследовательская часть

2.1. Подготовка к выполнению эксперимента

Выращивание кристаллов поистине увлекательное занятие и, пожалуй, самое простое, доступное и недорогое для большинства начинающих химиков, максимально безопасное с точки зрения техники безопасности, что немаловажно для тех, кто проводит эксперименты дома. Тщательная подготовка и выполнение оттачивают навыки в умении аккуратно обращаться с веществами и правильно организовывать план своей работы.

Что необходимо знать и учитывать:

Требуемое оборудование и техника безопасности.

посуда – большие плоскодонные стаканы, банки;
водяная баня (в домашних условиях это может быть старая кастрюля и электроплита);
тонкие, прочные суровые нитки (на таких меньше кристаллических наростов);
фильтровальная бумага (ею может быть любая не проклеенная тонкая бумага, промокашка, салфетки, туалетная бумага) или стерильно чистая хлопковая вата;
дополнительные мелочи, которые требуются при выполнении, будут указаны далее в тексте (воронки, стеклянные, деревянные или пластиковые палочки и т.п.);

Медный купорос опасное вещество, поэтому при работе с ним нужно использовать защитную одежду: резиновые перчатки, очки. После работы руки и лицо необходимо вымыть с мылом

Чтобы вырастить кристаллы, сначала приготовим насыщенный раствор медного купороса: в очень горячую, но не кипящую, воду насыпаем соль до тех пор, пока она не перестанет растворяться. Полученный раствор отфильтровываем.

Подвешиваем на палочке ниточку с затравкой (маленьким кристалликом), чтобы она погрузилась в раствор, но не касалась дна. Нитку, находящуюся выше груза, смазываем вазелином.

Ставим раствор охлаждаться в три разных места с разными условиями: на батарею (температура около 35 градусов), на столе при комнатной температуре (около 23 градусов) и в кладовой шкаф под подоконником (температура около 10 градусов). Чем медленнее он будет остывать, тем крупнее получаются кристаллы. Сверху стакан с раствором закроем бумагой, чтобы не попадали частички пыли. Уже на следующий день нитка обросла кристаллами. Далее нужно только следить за уровнем раствора в банке: кристалл должен все время находиться в растворе.

Кристаллы вырастают за неделю, но их можно выращивать и дольше. Можно корректировать их рост, удаляя некрасивые наросты. Это делают ножом, легкими движениями соскабливая лишнее. Или помещая в новый раствор. Образование граней можно прекратить, если смазать их вазелином. Когда кристаллы примут вид, который мы хотим, их вынимают из раствора, дают высохнуть и покрывают бесцветным лаком. Если этого не сделать, уже через несколько дней они разрушатся.

Возьмем столовую соль. Также приготовим насыщенный раствор, отфильтруем и поставим в разные условия.

Аналогичные действия проведем с морской солью.

2.3. Результаты исследования

В результате проведенных опытов мы установили:

1. При разных температурах образование кристаллов происходит по-разному. При более высокой температуре остывание раствора происходит постепенно и кристалл образуется более крупный и более правильной формы. Это объясняется тем, что раствор быстрее испаряется, и частички вещества осаждаются на кристалл. При низких температурах кристаллы образуются неправильной, игольчатой формы, с множеством острых углов. Это подтвердилось в трех сериях опыта.

2. Разные вещества образуют кристаллы с разной скоростью. Кристаллы медного купороса образовались уже на следующий день, а кристаллы соли пришлось ждать неделю.

3. Также различные вещества образуют кристаллы разной формы. Кристаллы медного купороса ромбической формы. А у соли в форме прямоугольника, причем у морской соли кристаллы крупнее.

4. При замене раствора кристалл может поменять свою форму, достраивая грани. А если новый раствор имеет меньшую концентрацию, то кристалл может и вовсе раствориться.

Изучение кристаллов позволило мне не только научиться работать с литературой, но и узнать, как можно самим вырастить кристаллы в домашних условиях.

На мой взгляд, цель работы достигнута. Проведенные исследования позволяют мне считать выдвинутую гипотезу верной. Температура окружающей среды влияет на рост и форму кристаллов.

Кристаллы растут потому, что частицы вещества, находящегося в растворе, притягиваются кристаллом с различной силой в разных направлениях: в одном направлении они притягиваются сильнее, в другом слабее. Поэтому в одном направлении устремляется больше частиц вещества и грань кристалла растет быстрее, в другом, наоборот медленнее, в результате чего и получается та или иная форма кристалла.

Хотелось бы сделать следующее обобщение:

Кристаллы – это красиво, можно сказать чудо какое-то, они притягивают к себе; говорят же "кристальной души человек" о том, в ком чистая душа. Кристальная – значит, сияющая светом, как алмаз… И если говорить о кристаллах с философским настроем, то можно сказать, что это материал, который является промежуточным звеном между живой и неживой материей. Кристаллы могут зарождаться, стареть, разрушаться.

Читайте также: