Удивительный мир кристаллов реферат
Обновлено: 05.07.2024
* 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.
Кристаллы льда и снега.
Кристаллы в облаках.
Признаки жизни кристалла.
Физические свойства кристаллов.
Что такое изотропия и анизотропия?
Заселение кристалла дефектами.
Жидкие кристаллы и ультразвук.
3. Физические свойства кристаллов.
Для кристалла данного класса можно указать симметрию его свойств. Так кубические кристаллы изотропны в отношении прохождения света, электро и теплопроводности, теплового расширения, но они анизотропные в отношении упругих, электрооптических свойств. Наиболее анизотропные кристаллы низких сингоний.
Все свойства кристаллов связаны между собой и обусловлены атомно - кристаллической структурой, силами связи между атомами и энергетическим спектром электронов. Некоторые свойства, например: электрические, магнитные и оптические существенно зависят от распределения электронов по уровням энергии. Многие свойства кристаллов решающим образом зависят не только от симметрии, но и от количества дефектов (прочность, пластичность, окраска и другие свойства).
3.1. Что такое изотропия и анизотропия?
Изотропия (от греческого isos – равный, одинаковый и tropos – поворот, направление) независимость свойств среды от направления.
Анизотропия (от греческого anisos – неравный и tropos – направление) зависимость свойств вещества от направления.
Люди, посвящающие свою жизнь кристаллу, часто воспринимают его живым. Во всяком случае, они говорят о нём как о живом существе.
Металловеды говорят об усталости металлического кристалла, о его старении, способности отдыхать, издавать звуки.
Геологи говорят о памяти минерала, о его способности разумно приспосабливаться к внешним условиям.
Учёные не заблуждаются по поводу умения кристалла толково рассказывать свою биографию или обнаруживать эмоции, но атмосфера личного отношения с природой придаёт поиску необходимую для них романтическую окраску.
Жидким кристаллам не повезло. Хотя их открытие совпало с моментом, когда закладывался фундамент здания современной физики, но только сейчас, приподнимая это здание за угол, пытаются поставить жидкие кристаллы на своё законное место. А их место именно в фундаменте! Ведь за всю историю, с глубокой древности до наших дней, человеку не удавалось выйти за пределы трёх понятий, описывающих, казалось бы, все состояния материи: газ, жидкое и твёрдое тело.
Заслуга великого немецкого учёного заключалась в том, что он усмотрел главный принцип развития: в единстве и борьбе противоположных начал. Спустя столетия человек с большим трудом признал, что электрон – это частица и волна одновременно, что масса и энергия едины, что свойства кристалла и жидкости могут совместиться в одном веществе – жидком кристалле.
Вместе с появлением электронных приборов с жидко кристаллическим табло и циферблатными (часы, калькуляторы, электронные словари и т.д.), наступил реносанс в физике и химии жидких кристаллов. Активно исследуется их строение, во всех аспектах изучается тягучесть, создаются новые вещества, в которых открывается множество необычных явлений, вызванных действием внешних сил (электрического поля и т.д.)
Наше глубокое убеждение состоит в том, что как в науке о жидких кристаллах, так и в технических аспектах, связанных с их применением, мы стоим лишь в начале пути. И камень, случайно выкатившийся из фундамента физики, будет поставлен на своё место.
2. Признаки жизни кристалла.
Жизнь кристаллов многокрасочна и не всеми красками каждый кристалл обязан отсвечивать. Иные признаки жизни, вообще говоря, могут и не обнаруживаться в кристалле по причине простой и очень уважительной: эти признаки ему не свойственны. Существуют, однако, непременные признаки, которых не быть в кристалле не может. Во-первых, если кристаллы находятся при некоторой конечной температуре, составляющие его атомы или молекулы обязаны совершать тепловые колебания. Лучше скажем так: они обязаны участвовать в комбинированном колебательном движении всего ансамбля атомом, образующих кристалл. Интенсивность этого движения растёт с температурой. Во-вторых, атомы обязаны принимать участие ещё в иных колебания, интенсивность которых от температуры не зависит. В- третьих, атомы в кристалле, подчиняясь законам термодинамики, обязаны блуждать по решётке, иногда меняя временные позиции осёдлости.
Попросту говоря, они обязаны диффундировать. И, в-четвёртых, все электроны, имеющиеся в кристалле, обязаны непрерывно двигаться.
Мы должны восхищаться мудростью и проницательностью людей, разгадавших эти законы.
2.1. Нулевые колебания.
1. Мир кристаллов.
Кристаллы встречаются нам повсюду. Мы ходим по кристаллам, строим из кристаллов, обрабатываем кристаллы на заводах, создам приборы и изделия из кристаллов; проникаем в тайны строения кристаллов.
Что же такое кристалл?
Кристаллом называется тело, обладающее периодической атомной молекулярной или ионной структурой.
1.1. Кристаллы льда и снега.
Кристаллы замерзающей воды, то есть лёд и снег, известны всем. Эти кристаллы почти полгода покрывают необозримые пространства Земли, лежат на вершинах гор и сползают с них ледниками, плавают айсбергами в океанах. Ледяной покров реки, массив ледника или айсберга – это, конечно, не один большой кристалл. Плотная масса льда обычно поликристаллическая, то есть состоит из множества отдельных кристаллов; их не всегда различишь, потому что они мелкие и все срослись вместе. Иногда эти кристаллы можно различить в тающем льду.
1.2. Кристаллы в облаках.
Кристаллики льда могут в несколько минут погубить самолёт. Обледенение – страшный враг самолётов – тоже результат роста кристаллов.
Здесь мы имеем дело с ростом кристаллов из переохлаждённых паров. В верхних слоях атмосферы , водяные пары или капли воды, могут долго сохранятся в переохлаждённом состоянии. Переохлаждение в облаках доходит до - 30 ?с.
Но как только в эти переохлаждённые облака врывается летящий самолет, тотчас же начинается бурная кристаллизация. Мгновенно самолет оказывается облепленным грудой, быстро растущих кристаллов льда.
4. Заселение кристалла дефектами.
Решеточные дефекты:
Решеточные дефекты подразделяются на вакансии, атомы внедрения и примесные атомы.
Вакансией называется незанятый частицей узел кристаллической структуры. Если пустой узел образуется в результате удаления частицы из объёма кристалла на его поверхность, то вакансия называется - дефектом по Шоттки.
Дефекты по Шоттки снижают плотность вещества в кристалле.
Они чаще встречаются в кристаллах с достаточно плотной упаковкой частиц близких размеров. В этих случаях в междоузлиях кристаллической структуры нет места для лишних частиц.
Если частица перемещается из узла в междоузлие, то такое нарушение правильности решётки называется дефектом по Френкелю.
Дефекты по Френкелю на величину плотности практически не влияют.
Дефекты по Френкелю, наоборот, свойственны кристаллам с неплотными упаковками и частицами по своим размерам.
Одномерные дефекты:
Одномерные дефекты кристаллической решетки называются дислокациями. Дислокации нарушают правильное чередование кристаллических плоскостей.
Во многих кристаллах, особенно металлических, дислокации сравнительно легко перемещаются и размножаются.
3. Двумерные дефекты:
Двумерные дефекты образуются границами кристалла. Границы нарушают периодичность строения кристалла. Одним из важных дефектов кристаллической структуры, является внешняя поверхность твердых тел. Во-первых, именно через поверхность кристалл взаимодействует со своим окружением.
Во-вторых, частицы на поверхности связаны с решеткой значительно слабее, чем частицы, находящиеся в объёме.
5. Жидкие кристаллы и ультразвук.
До сих пор мы рассматривали не свойства жидких кристаллов, которые сегодня нашли воплощение в технических устройствах. Однако, как не эффективны сегодняшние применения холестеринов, нематиков, смектиков, перспективы их использования ещё более удивительны. Многообразие мезоморфного состояния вещества позволяет предположить, что жидкие кристаллы завтра вторгнутся в самые различные области деятельности человека. Сейчас мы кратко рассмотрим, как взаимодействуют между собой ультразвук и жидкие кристаллы.
Попадающая на жидкий кристалл звуковая волна, приводит к изменению направления де ректора, что в свою очередь изменяет оптические свойства.
Это означает, что жидкие кристаллы способны делать видимые звуковые колебания. Эти колебания создают периодические сдвиговые деформации слоя жидкого тематического кристалла, меняя интенсивность проходящего паиризованного света.
Жидкий кристалл отделяет ещё одно интересное применение. Медики и физики уже давно изыскивают возможности наблюдения внутренних органов человека, не подвергая его действию рентгеновского излучения.
Идея замены рентгеновского излучения ультразвуком возникла довольно давно. Идея заманчива, ведь ультразвук для человеческого организма совершенно безвреден. Однако, всё упиралось в трудности с регистрацией ультразвукового потока, прошедшего тела пациента. И вот тут жидкие кристаллы робко предложили свою помощь. Жидкие смектические кристаллы оказались чувствительными к ультразвуку. При этом как уже отмечали, нарушается молекулярная упаковка смектика, и оптическая картина этих нарушений позволяет судить о состоянии внутренних органов человека.
Исследования, которые позволят увеличить чувствительность смектиков к ультразвуку, только начинаются.
Я попыталась рассказать о том, что такое кристаллы, каковы их свойства, возможные применения.
Жидкие кристаллы, ещё далеко, далеко не распознаны. Нет пока теории, которая бы смогла учить и объяснять все макроскопические свойства. Ещё не все аналоги твердых кристаллических эфектов в жидких кристаллах обнаружены.
В развитии каждой отрасли науки, если периоды открытий, забвений, взлета не является исключением наука о кристаллах. И если период забвения закончился, то взлёта кристаллы, видимо, не достигли. Если вначале взлёта присутствовали элементы восторга, бума, то теперь пришло время оглянуться и поразмыслить.
Помогаем учителям и учащимся в обучении, создании и грамотном оформлении исследовательской работы и проекта.
Темы исследований
Оформление работы
Наш баннер
Сайт Обучонок содержит исследовательские работы и проекты учащихся, темы творческих проектов по предметам и правила их оформления, обучающие программы для детей.
Код баннера:
Исследовательские работы и проекты
В своей исследовательской работы по окружающему миру на тему "Удивительные кристаллы" автор исследует процесс выращивания кристаллов из медного купороса, из соли, из соды, из кварцов и аметистовых кристаллов в домашних условиях.
Подробнее о работе:
В основе индивидуального проекта по окружающему миру "Удивительные кристаллы" лежит изучение теории о кристаллах, их строении и происхождении. В работе приведена полная классификация кристаллов, дается определение понятия и выясняется, где и как применяются кристаллы, по какому принципы выбираются кристаллы для той или иной деятельности человека.
В готовом исследовательском проекте по окружающему миру "Удивительные кристаллы" автор изложил интересные факты о кристаллах, а также описал проведенные опыты, в рамках которых им были выращены и использованы в качестве декорирующего материала кристаллы медного из купороса, из пищевой соды, из квасцов, из поваренной соли и аметистовые кристаллы в домашних условиях. Учащаяся школы провела сравнительный анализ всех выращенных кристаллов.
Оглавление
Введение
1. Кристаллы.
1.1. Что такое кристаллы?
1.2. Классификация кристаллов.
1.3. Применение кристаллов.
1.4. Интересные факты о кристаллах.
2. Экспериментальная часть.
3. Анкетирование.
Заключение
Список литературы
Приложение
Введение
Однажды, листая страницы энциклопедии, меня привлекли изображения невероятно красивых камней, сияющих, разного цвета, размера и формы. Мама мне объяснила, что это кристаллы. Говоря о кристаллах, мы чаще всего представляем себе сверкающие, излучающие свет и цвет кристаллы драгоценных камней - топазов, рубинов, аметистов, бриллиантов.
Но, оказывается, на самом деле почти весь мир кристалличен, и с кристаллическими веществами мы встречаемся на каждом шагу - дома, в школе, на улице. Мы едим кристаллы, например, соль или сахар, мы ходим по кристаллам, так что они хрустят под ногами, лечимся кристаллами. Соль и сахар, снег, лёд, глина и песок, сотни других веществ - всё это не что иное, как кристаллы. А в настоящее время, в специально оборудованных лабораториях — настоящих фабриках кристаллов — люди научились выращивать искусственные кристаллы.
Актуальность работы: кристаллы играют большую роль в жизни человека. Их используют в качестве украшений, элементов декора, в науке и технике.
И мне захотелось выяснить самой, что же такое кристаллы? Как они появляются в природе? Где их можно использовать? И, самое главное, смогу ли я сама вырастить в домашних условиях кристалл? Изучая разную литературу, я узнала, что кристаллы можно выращивать и в домашних условиях. Моему восторгу не было предела!
Гипотеза: предположим, что кристаллы можно выращивать в домашних условиях.
А для этого определила следующие задачи:
- Изучить литературу о происхождении кристаллов;
- Выяснить где и как применяются кристаллы;
- Вырастить кристаллы медного из купороса, из пищевой соды, из квасцов, из поваренной соли и аметистовые кристаллы в домашних условиях и сравнить полученные кристаллы;
- Использовать выращенные кристаллы как элемент декорирования.
Объект исследования: процесс выращивания кристаллов.
- Анализ и систематизация;
- Эксперимент;
- Сравнение;
- Анкетирование;
- Обобщение;
- Использование ИКТ.
Что такое кристаллы?
Существуют сотни веществ, образующих кристаллы. Вода — одно из самых распространенных из них. Замерзающая вода превращается в кристаллы льда или снежинки. Минералы тоже 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.
Кристаллы – это твёрдые тела с очень строгим расположением составляющих их невидимых частиц. Поэтому и имеют правильную форму, ровные грани и всегда очень красивы.
Классификация кристаллов
Все кристаллические соединения можно разделить на моно- и поликристаллические. Монокристалл представляет собой монолит с единой ненарушенной кристаллической решеткой.
Природные монокристаллы больших размеров встречаются очень редко. Большинство кристаллических тел являются поликристаллическими, то есть состоят из множества мелких кристалликов, иногда видных только при сильном увеличении.
Применение кристаллов
Помимо того, что кристаллы очень красивы, они широко используются людьми во многих сферах деятельности. Мы каждый день едим кристаллы. Сахар, соль – это тоже кристаллы. На шоколаде иногда появляется белый налёт – это выделяются кристаллы сахара.
Особое место среди кристаллов занимают драгоценные камни, которые с древних времён привлекают внимание человека. Издавна люди научились выращивать такие искусственные кристаллы как рубины. Кристаллы обладают удивительной красотой, поэтому с древности применяются для изготовления ювелирных изделий. А еще выращивают самые твердые на свете кристаллы — алмазы.
Некоторые живые организмы оказываются настоящими “фабриками” кристаллов: кораллы, например, образуют целые острова, сложенные из мельчайших кристаллов кальция.
Кристаллы бывают не только природными, но и искусственные, которые выращивает человек в специальных лабораториях. И поэтому кристаллы уже давно стали основой множества современных устройств. Они главные элементы электроники: компьютеров, генераторов и приёмников излучения (в том числе лазерного), устройств магнитной записи, бытовой электроники и т. п. Применения кристаллов в науке и технике так многочисленны и разнообразны, что все их очень трудно перечислить.
Интересные факты о кристаллах
Природа продолжает преподносить нам сюрпризы, создавая все новые чудеса. Совсем недавно, в 2000 году, в мексиканской пустыне была открыта необычная пещера, где находятся самые большие природные кристаллы. На глубине 300 метров, в рабочей шахте, шахтеры обнаружили пустоты, в которых их взору открылись огромные кристаллы гипса.
Пещера с этими кристаллами известна как Пещера Кристаллов-Гигантов. Попасть в пещеру без специального обмундирования и оборудования невозможно без риска для жизни. Температура воздуха там составляет около 50°C, а влажность – практически 100%! Даже в специальном костюме находиться в этих пещерах можно не очень долго – около часа.
- Для учеников 1-11 классов и дошкольников
- Бесплатные сертификаты учителям и участникам
Аннотация проекта
Основополагающий вопрос:
- Что такое кристалл?
- Что такое кристаллизация?
- Как происходит процесс?
- Где встречаются кристаллы?
- Какие бывают кристаллы?
- Можно ли вырастить кристаллы самим, в домашних условиях?
- А, если да, то из чего?
План проведения проекта
- организационный этап: объект, предмет, цель, методы исследования, постановка задач, определение этапов исследовательской работы;
- исследовательский этап: подбор материала, проведение анкетирования, проведение опытов по выращиванию кристаллов;
- оформление результатов исследования.
Продукт проектно-исследовательской деятельности: презентация по теме проекта, исследовательская работа.
Муниципальное общеобразовательное учреждение
средняя общеобразовательная школа №14
города Каменск - Шахтинский
Руководитель: Палахей Елена Владимировна,
учитель начальных классов
1. Теоретическая часть ……………………………………………..………. 6-13
1.1 Удивительный мир кристаллов…………………………………. …………..6
1.2Что такое кристаллы. 6-7
1.6 Классификация кристаллов…………………………………………..……9-10
1.7Разнообразие кристаллов ……………………………………………. ……..10
1.8Кристаллы в нашей жизни. Применение кристаллов……………..…….10-12
1.9Способы выращивания кристаллов в домашних условиях……………..12-13
2. Практическая часть ……………………………………………. ………..14-18
2.1Выращивание кристаллов поваренной соли………………………………..15
2.2 Выращивание кристаллов медного купороса……………………………….16
2.3Выращивание кристалла из химической смеси (дигидрофосфат аммония)
из набора «Кристалл желаний ………………………………………………….17
2.4 1 Выращивание кристаллов сахара………………………………. …….17-18
Список использованных источников информации ………………………. 21
А.Е. Ферсман
Кристаллы - удивительныеявления природы. Они поражают своей необычностью: размерами, цветом, формой.
Кто не рассматривал песчинки на речном берегу или не любовался снежинками? Кажется, что кристаллы - редкое явление, но на самом деле мы встречаем их везде на протяжении всей своей жизни.Это и драгоценные камни в ювелирных изделиях ( алмаз, рубин, сапфир, изумруд- самые дорогие камни),
и корунд на наждачнойбумаге, и даже алмазное напыление некоторых напильников, но, что самое главное – мы сами частично состоим из кристаллов.
В начале года на уроке окружающего мира мы изучали такое свойство воды, как растворимость. В одной из ёмкостей мы растворили поваренную соль. После урока ёмкость оставили на подоконнике и забыли про неё. Через несколько дней я заметила, что на стенках ёмкостипоявился белый налет. Мне стало интересно, как так получилось, ведь вода в стакане после растворения соли была прозрачная. Оказалось, как сказала наша учительница, начался процесс кристаллизации. А так как мне нравится узнавать все новое и интересное, экспериментировать, наблюдать, то стало еще интересней и п оявилось много вопросов:
- Что такое кристаллизация?
- Как происходит процесс?
- Что такое кристалл?
- Где встречаются кристаллы?
- Какие бывают кристаллы?
- Можно ли вырастить кристаллы самим, в домашних условиях?
- А, если да, то из чего?
Актуальность исследования заключается в том, что кристаллы – это чудо природы. Получить кристаллы самим – это сотворить чудо. Выращивание кристаллов сохраняет природные богатства и ускоряет научно-технический прогресс.
Цель: выращивание кристаллов разных веществ в домашних условиях и наблюдение за их ростом.
Для реализации данной цели были поставлены следующие задачи:
узнать о свойствах кристаллов;
научиться выращивать кристаллы;
провести наблюдения за процессом их роста;
поделиться опытом с одноклассниками (создать памятку).
Объект исследования: кристаллы
Предмет исследования: процесс кристаллизации
Методы исследования:
работа с источниками информации.
Гипотеза: если кристаллы встречаются повсюду, значит, их можно вырастить в домашних условиях.
Этот вопрос я задала и своим одноклассникам, вот что у меня получилось:
16 человек считают, что кристаллы - это драгоценные камни;
6 человек думают, что кристаллы - это красивые минералы.
Большинство моих одноклассников - 17 ребят уверены, что никогда в жизни им не приходилось встречаться с кристаллами , 3 человека думают, что видели кристаллы , 2 человека затруднились с ответом .
Вывод: я сделала вывод, что многие считают кристаллы редким явлением в окружающей жизни.
Теоретическая часть
Удивительный мир кристаллов.
В недрах земли люди порой находят камни, имеющие удивительную форму – иногда кажется , что их кто-то специально выпиливал, затем полировал, чтобы они приобрели именно такую форму. Речь идет о многогранниках с плоскими гранями и прямыми ребрами. Правильность и совершенство формы этих камней, а также безукоризненная поверхность их граней часто поражают человека своей красотой.
Иногда, смотря на них, нам трудно поверить, что они образовались сами без участия человека. Именно такие камни с природной, не сделанной руками человека, правильной, симметричной, многогранной формой и называются кристаллами.Так что же такое кристаллы?
Что такое кристаллы?
Кристаллы – твердые тела, образующиеся в природных условиях и имеющие вид многогранников.
Было подмечено, что кристаллы горного хрусталя и многих других прозрачных минералов обладают гладкими плоскими гранями и имеется симметрия в их расположении. Позже установили, что некоторые непрозрачные минералы также имеют естественную правильную форму характерную для того или иного минерала. В конце концов, кристаллами стали называть все твердые вещества, имеющие природную плоскую огранку.
Частички, из которых состоит кристалл, в разных веществах выстраиваются и соединяются вместе различными способами. Из-за этого кристаллы могут иметь различные формы и размеры.
Изучением кристаллов занимается специальная наука - кристаллография; ее изучают в институтах и университетах, когда уже знают и химию, и физику и некоторые другие науки. О собенно быстро эта наука стала развиваться с использованием рентгеновских лучей, открытых в конце 18 века, для исследования кристаллов.
Как образовались красивые кристаллы горного хрусталя, кристаллы гипса нам с вами увидеть в природных условиях невозможно. Искусственные же кристаллы некоторых минералов ученые получают в лабораториях с помощью очень сложных приборов.
Древние обитатели Америки – инки – поклонялись как божеству большому кристаллу зелёного изумруда.
Человека, укушенного змеёй, заставляли съесть толчёный изумруд. Можно себе представить, как это помогало больному! Так рассуждать могли только в те времена, когда ещё не умели проверять свои утверждения опытом.
В древности кристаллам приписывали всякие магические свойства. Считали, например, что изумруд спасает мореплавателей от бурь. Кристалл аметиста навевает счастливые сны. Алмаз бережёт от болезней. Сапфир помогает при укусах скорпионов. Топаз приносит счастье в ноябре. Гранат - в январе и т.д.
Структура кристалла.
Не все кристаллы одинаковы. Существуют монокристаллы и поликристаллы. Твердое тело, состоящее из большого числа маленьких кристаллов, называют поликристаллическим. Одиночные кристаллы называются монокристаллами.
1. Медный купорос
2. Поваренная соль
Основные свойства кристаллов.
Плавление – это переход вещества из твёрдого состояния в жидкое.
Процесс плавления любого кристалла происходит при постоянной температуре, называемой температурой плавления. Например, если взять кристалл льда и положить его в тёплое место, то он растает – расплавится. В процессе плавления температура не повысилась. То же самое можно было бы установить и для любого другого кристалла.
В кристаллах можно найти различные элементы симметрии: ось симметрии, плоскость симметрии, центр симметрии.
Кристаллы могут расти как в природе, так и в искусственных условиях.
Рост кристаллов в природе.
В соляных озёрах, на мелководье вода, нагреваясь, испаряется. Соль выпадает в осадок, наращиваясь на дне. Так образуются солончаки, представляющие дно высохших озёр.
Рост кристаллов в искусственных условиях.
В искусственных условиях кристаллы выращивают из раствора или из расплава.
Классификация кристаллов.
Выращивание кристаллов из раствора
Выращивание кристаллов из расплава
А
Выращивание кристаллов из расплава.
Из расплава кристаллы выращивают таким образом. В установке расплав находится в неподвижном тигле, куда опущена затравка с растущим на ней кристаллом. Затравка укреплена на стержне, который непрерывно охлаждают. По мере того, как кристалл вырастает, его всё время поднимают, вытягивая стержень с затравкой из расплава, так что с расплавом соприкасается не весь кристалл, а только небольшой его слой, именно тот самый, который сейчас растёт. Кристаллы во время роста ещё обычно вращают, чтобы тепло от него отводилось равномерно. В домашних условиях вырастить кристалл из расплава невозможно.
Разнообразие кристаллов.
Кристаллы, которые залегают глубоко в земле, являются бесконечно разнообразными. Размеры таких природных многогранников достигают иногда человеческого роста. Встречаются также очень тонкие кристаллы, толщина которых меньше чем у листка бумаги. Но бывают и огромные пласты, толщина которых достигает нескольких метров.
Бывают кристаллы маленькие, узкие и острые как иголки, но также могут быть громадной формы, похожие на величественные колонны.
Иногда образуются дендриты - это кристаллы, похожие на веточки дерева; очень хрупкие, но очень красивые.
Некоторые минералы образуют кристаллы, которые разглядеть можно только с помощью микроскопа. Другие же образуют кристаллы, вес которых составляет несколько сотен фунтов.
Кристаллы в нашей жизни. Применение кристаллов.
Оказалось, многие из самых обычных веществ вокруг нас, представляют из себя кристаллы. Мы встречаемся с ними повсюду и даже не подозреваем об этом.
На улице - если взять маленькую песчинку и мысленно увеличить её до размеров спичечного коробка (и она не будет содержать примесей) то такая диковинная сосулька будет кристаллом горного хрусталя.
Кристаллы хрустят у нас под ногами почти полгода (а в полярных областях земли круглый год) покрывая огромные пространства земли - снег.
А любимое многими развлечение кататься на коньках, лед - это тоже кристалл!
На кухне - едим кристаллы, например, соль или сахар .
Мы живем в домах из кристаллов – панели многих многоэтажек сделаны из бетона (искусственного камня) в состав которого входит щебень из кристаллического сланца.
Лечимся кристаллами – лучи от кварцевой лампы используются в медицине для дезинфекции (кварцевыми они называются потому, что сделаны не из обыкновенного стекла, а из кварца).
Гипс , про этот искусственный камень, думаю слышали многие непоседы.
Это все примеры минеральных кристаллов. Но ведь многие кристаллы являются продуктами жизнедеятельности организмов.
Некоторые виды моллюсков обладают способностью наращивать на инородных телах, попавших в раковину, перламутр. За 5-10 лет появляется драгоценный камень жемчуг , имеющий кристаллическое строение.
В морях и океанах рифы и целые острова сложены из кристалликов углекислого кальция, входящих в состав скелета беспозвоночных животных – коралловых полипов.
Кристаллы принято относить к неживой природе. Но границу между живым и неживым провести очень сложно.
Простые организмы – вирусы , могут соединяться в кристаллы. Конечно, в кристаллическом состоянии они не подают никаких признаков живого, но когда внешние условия становятся благоприятными, например, вирусы попадают внутрь клетки организма, они оживают и начинают размножаться.
Следовательно, кристаллы относятся не только к неживой природе, но и являются основой жизни на Земле.
Самый твердый и самый редкий из природных минералов - алмаз. Сегодня алмаз не камень-украшение, а в первую очередь камень-работник. Благодаря своей исключительной твердости алмаз играет громадную роль в технике. Алмазными пилами распиливают камни.
Вся часовая промышленность работает на искусственных рубинах. Кристалл кварца используется в телефонных трубках. 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 др. детали оптических приборов. Кристаллы сыграли важную роль во многих технических новинках 20 века. Неотъемлемой частью нашей жизни стали мобильные телефоны, цифровые фото- и видеокамеры, которые вытеснили пленочные фотоаппараты, жидкокристаллические телевизоры и мониторы постепенно изживают старые. И сейчас ещё часто люди, рассматривая чудесные, сверкающие, переливающиеся многогранники кристаллов, не хотят верить, что они созданы природой, а не человеком.
Способы выращивания кристаллов в домашних условиях.
Удивительно, но выращивать кристаллы можно не только в химических и промышленных лабораториях, но и в домашних условиях. Самые популярные вещества, из которых выращивают кристаллы дома – это поваренная соль, железный купорос и медный купорос.
Существует всего два способа выращивания кристаллов в домашних условиях:
1.Метод охлаждения насыщенного раствора;
2.Метод испарения – постепенного удаления жидкости из раствора.
Берется нужное вещество, готовится из него перенасыщенный (концентрированный) раствор, кладется в раствор так называемая затравка, мелкий кристаллик, и путем прилипания молекул вещества на затравку кристаллик растет. А чтобы молекулы прилипали, нужно либо остужать воду, либо выпаривать (можно и то, и другое). Быстрый способ выращивания кристаллов – это медленное охлаждение раствора.
Практическая часть
Со временем, стало конечно ясно, что горный хрусталь и лёд – разные вещества.
Горный хрусталь – это чистый кристаллический кварц, соединение кремния и кислорода ( SiO2 ). Но не менее красивы кристаллы кварца, окрашенные примесями в различные цвета: фиолетовые аметисты, жёлтые цитрины, коричневый дымчатый кварц, переливающиеся всеми цветами радуги опал и яшма. В Оружейной палате Московского Кремля есть одежда и короны русских царей, сплошь усыпанные кристаллами-самоцветами.
Среди них особенно много аметистов. Огромными густо-фиолетовыми аметистами украшена корона русской царицы Ирины Годуновой. В церквах аметистами украшали иконы, алтари и кресты.
Самые знаменитые кристаллы – алмазы, которые после огранки превращаются в бриллианты. Разгадать тайну этих драгоценных камней люди пытались многие века. Когда же установили, что алмаз – одна из разновидностей углерода, никто не поверил! Действительно, ведь алмаз – символ не только богатства, но и необыкновенной твёрдости. А другая, самая распространённая в природе кристаллическая форма углерода – графит.
Оказалось, что кристаллы, с которыми связано столько романтических (и кровавых) историй, и невзрачный чёрный графит состоят из одних и тех же атомов углерода. Решающий опыт провёл знаменитый французский химик Антуан Лавуазье. Он обнаружил, что при сжигании алмаза и обычного угля получается одно и то же вещество – углекислый газ.
И алмаз, и графит – кристаллы. Почему же их свойства так различаются?
Объясняется это различными способами взаимного соединения атомов углерода. В алмазе все связи между атомами углерода одинаковые и прочные, а в кристалле графита атомы прочно связаны только в одном слое, а между слоями находятся слабые связи. Такой кристалл похож на пачку бумаги, его трудно разрезать пополам, но легко рассыпать на листочки.
В природе алмазы образуются в недрах земли при высокой температуре и огромном давлении. Создать в лаборатории условия, при которых можно осуществить превращение из графита в алмаз, ученые смогли лишь спустя два столетия после опыта Лавуазье. Среди них есть алмазы, использующиеся в ювелирном деле, но основная масса идет на изготовление разнообразных инструментов, так как алмазы получаются слишком мелкие.
Люди научились получать искусственно очень многие драгоценные камни. Например, подшипники для часов и других точных приборов давно делают из искусственных рубинов.
Цель нашего исследования – популяризация знаний о лабораторных способах выращивания кристаллов.
Цель исследования определила следующие задачи:
1)изучение литературы по данному вопросу
2)изучение способов лабораторного получения кристаллов
3)определение условий, влияющих на скорость роста кристаллов.
Объект исследования : система знаний о кристаллографии
Предмет исследования: факторы, влияющие на скорость роста кристаллов.
Для решения поставленных задач в процессе исследования использовались следующие методы:
1)анализ научной литературы по кристаллохимии
2)эксперимент по выращиванию кристаллов разными способами
Практическая значимость заключается в систематизации сведений о способах выращивания кристаллов.
Удивительный мир кристаллов
1)История открытия кристаллов
Мы почти каждый день встречаемся с кристаллами: снег – это один из видов кристаллов, некоторые детали в часах, но не все знают историю происхождения кристаллов, а так же что означает это слово.
С.И Ожегов трактует это слово, как твёрдое тело, имеющее упорядоченное, симметрическое строение. Даль считает что кристалл – это ископаемое, образующее от природы правильное геометрическое тело. В словаре естественных наук кристалл описывается, как твердое тело, состоящее из упорядоченных, периодически повторяющихся в пространстве частиц. Но все эти взгляды в общем похожи и просмотрев несколько словарей я пришла к выводу, что кристаллы это твёрдые тела, имеющие упорядоченною кристаллическое строение.
Имеются разные точки зрения происхождения кристаллов.
Один исследователь считает, что с древних времен кристаллы, находимые в земле, вызывают восторг и удивление. А ведь они бывают громадными, в рост человека и больше. Много веков кристаллами называли только тела, имеющие естественную многогранную форму, и полагали, что они рождены какими-то таинственными силами, сотворены готовыми и не меняются далее. Ранние исследования структуры кристаллов были морфологическими, т. е. основывались на внешних признаках кристаллов. Однако скоро стало ясно, что правильность внешней структуры обусловлена закономерным внутренним строением. Еще Доменико Гуглилимини заметил, что направление раскалывания кристалла является постоянным, причем образующиеся при раскалывании плоские грани являются характерными для данного вещества. Это привело Гуглилимини к заключению, что кристалл построен из микроскопических кристаллических единиц и раскалывание кристалла происходит по плоскости касания этих единиц. Любая хорошо растворимая соль может кристаллизоваться. Форма и цвет кристаллов каждой соли индивидуальны и зависят от кристаллической решетки и входящих в соединение атомов
Римский поэт Клавдиан в 390 то же самое описал стихами:
Ярой альпийской зимой лед превращается в камень.
Солнце не в силах затем камень такой растопить.
Аналогичный вывод сделали в древности в Китае и Японии – лед и горный хрусталь обозначали там одним и тем же словом. И даже в 19 в. поэты нередко соединяли воедино эти образы. Например А.С.Пушкин
Едва прозрачный лед, над озером тускнея,
Кристаллом покрывал недвижные струи.
Рассказывают, что способность кристаллов сохранять правильную форму, была обнаружена случайно. Французский ученый, аббат Рене-Жюст Гаюи (1743-1826) однажды, будучи в гостях у своего знакомого, большого любителя камней и минералов, уронил на пол самый лучший кристалл из коллекции. Экспонат раскололся, но каждый из осколков повторял форму прежнего кристалла, только был поменьше. Наблюдательность аббата Гаюи помогла ему из обидного случая сделать замечательный вывод. Если разбивать кристалл на все меньшие и меньшие части, можно постепенно дойти и но "элементарной" ячейки, состоящей из отдельных атомов или ионов вещества, и эта ячейка будет состоять из отдельных атомов или молекул.
На самом деле разбить кристалл "на атомы", конечно, обычными способами невозможно (разве что растворить его). Тем не менее ученые установили, что кристаллическая решетка, как гигантский многоэтажный сборный дом, состоит из совершенно одинаковых "клеточек". А от того, каковы эти клеточки, в каком порядке и насколько прочно они скреплены друг с другом, зависит все многообразие кристаллических форм, существующих в природе.
2. Наука кристаллохимия
Кристаллы имеют свои свойства и особенности, которые изложены в науке кристаллохимии.
Кристаллохимия имеет важное практическое значение. С её помощью получены высокотемпературная сверхпроводящая керамика, твёрдые электролиты и многие другие материалы. Её теоретические выводы оказали влияние на развитие химии и физики твёрдого тела, геохимии, минералогии и материаловедения.
Многие физические и химические свойства кристаллов зависят от наличия в их структуре дефектов (примесей, дислокаций), вызванных условиями роста кристаллов ( среда, температура, давление) в природе , лаборатории, промышленных установках. Дефекты могут улучшать качество материала. Но иногда они просто необходимы. Так, вначале 1960-ых годов с целью получения одного кристалла, добавляли в другой примеси.
Кристаллическая решетка - пространственная структура, которую формируют частицы, образующие кристаллы. (Приложение №1) Основу кристаллической решетки составляет элементарная решетка определенной геометрической формы, в вершинах (узлах) которой расположены атомы, молекулы или ионы. Существуют макеты кристаллических решёток для наглядного обучения в школе.
В зависимости от строения, кристаллы делятся на ионные, ковалентные, молекулярные и металлические. Нам удаётся выращивать кристаллы благодаря кристаллизации - процессу образования кристаллов из паров, растворов, расплавов. Кристаллизация начинается при достижении некоторого предельного условия, например, переохлаждения жидкости или пересыщения 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.
Чтобы вырастить красивые красные кристаллы меди нужно как то замедлить реакцию, чтобы атомы меди достраивали уже образовавшиеся кристаллы. Замедлить реакцию можно так : положить на дно сосуда немного медного купороса и засыпать его мелкой поваренной солью – она и будет затормаживать процесс.Затем прикрыть соль кружком, вырезанным из фильтрованной бумаги так, чтобы кружок касался стенок сосуда. А положить железный кружок немного поменьше (кружок заранее протереть наждачной бумагой и вымыть). Налить в сосуд насыщенный раствор поваренной соли, чтобы он закрыл железный кружок. Через несколько дней вы обнаружите красные кристаллы меди.
Выращивать кристаллы – не пустая забава. Кристаллизация- процесс образования кристаллов из раствора, сплава, а иногда и из газовой фазы. На нём основывается производство искусственных кристаллов технического и ювелирного назначения. В больших масштабах производиться искусственный кварц. Синтетический кварц получают из природного-низкосортного, мелкокристаллического, из речного песка. Сырьё помещают в автоклав, который затем заполняют концентрированным раствором соды аппарат закрывают крышкой, к которой подвешены затравочные тонкие пластины из природного или синтетического монокристалла кварца. При повышенных температурах и давлении в автоклаве образуется насыщенный и даже перенасыщенный раствор кремнезема, и из него на затравку постепенно нарастают всё новые и новые количества кристаллов.
Монокристалл кварца растёт со скоростью порядка 1 мм в сутки и достигает нескольких килограммов. Подобным образом выращивают и другие искусственные кристаллы: корунд, карборунд, криолит, фианиты, слюды и так далее.
Кристаллизация очень распространенный в химии процесс, редко какое производство без него обходится. Но конечно на заводе кристаллы выращивают не ради красоты. Там задача совсем иная. Но если за одно получается красиво – разве это плохо.
Наиболее удобно использовать для выращивания кристаллов кристаллогидраты различных солей металлов средней активности. Еще одно преимущество их использования в том, что данные соли имеют цветную окраску. Кристаллы, выросшие в естественных условия, имеют форму правильных многогранников той или иной симметрии. Грани любого кристалла всегда плоские, ребра между гранями прямолинейные. Существует 32 класса симметрии кристаллических веществ. Составляющие кристалл частицы расположены в нем упорядоченно и периодически. Работа с кристаллами нетороплива, ростом и формами кристаллов можно управлять: ненужные наросты в кристалле можно удалить, слегка потерев влажной тряпочкой, можно смазать грань вазелином; смазав провазелиненную поверхность кристалла ацетоном, можно наоборот стимулировать её рост.
Кристаллы используются людьми, как украшения, но выращивают их не только для украшений и красоты. Например, искусственные ярко-красные рубины играют роль опоры для вращающихся деталей в часах.
Как и всякая наука, кристаллохимия, имеет свои методы, язык, законы. Есть в кристаллохимии 2 основных закона сформулированные В. М. Гольдшмидтом (Норвегия) и А. Ф. Капустинским (СССР). Эти законы говорят о факторах, определяющих структуру и энергию кристалла.
Глава № II Выращивание кристаллов.
ВЕЩЕСТВА ДЛЯ ОПЫТОВ С КРИСТАЛЛАМИ
Проще всего выращивать кристаллы из водных растворов. Но не все кристаллические соединения годятся для выращивания кристаллов. К примеру, вы не сможете получить большие кристаллы из поваренной соли или из сахара. Насыщенный раствор сахара очень вязкий, при охлаждении становится совсем густым – в такой среде кристаллизация протекает с большим трудом, и результате образуется прозрачная масса, похожая на стекло.
Из каких доступных веществ можно вырастить кристаллы? Ниже приведена таблица соединений, которые можно использовать для этого.
Читайте также: