Сообщение на тему кристаллы поликристаллы монокристаллы
Обновлено: 05.07.2024
2 При наличии периодичности в расположении атомов ( дальнего порядка ) твердое тело является кристаллическим.
5 К монокристаллам относятся природные кристаллы ( кварц, алмаз, турмалин ), крупинки соли, сахара, соды.
7 Основным свойством кристаллических тел является зависимость физических свойств кристалла от направления. Это свойство называется анизотропия. Например, неодинаковая прочность кристаллов по различным направлениям.
9 Примером аморфных тел могут служить куски затвердевшей смолы - янтарь, изделия из стекла. Аморфные тела изотропны, т. е. их физические свойства одинаковы по всем направлениям.
10 Что называют кристаллом ? Чем характеризуется пространственное расположение частиц в кристаллической решетке ? Какие точки называют узлами кристаллической решетки ? В чем отличие моно - и поликристаллов ? Какие твердые тела относят к аморфным ? Назовите основные свойства кристаллов и аморфных тел. В чем они заключаются ?
Понятия, отличия и сферы применения монокристаллов и поликристаллов, условия образования поликристаллического тела в обычных условиях. Процессы, управляющие ростом кристаллов, способы выращивания и их характеристика. Рост кристаллов поваренной соли.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | доклад |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 10.12.2014 |
| Размер файла | 155,6 K |
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Киселёв Александр Сергеевич
1. Теория кристаллов
2. Выращивание кристаллов
3. Исследования зависимости роста кристалла от температуры
Поликристалл - агрегат мелких кристаллов какого-либо вещества, иногда называемых из-за неправильной формы кристаллитами или кристаллическими зёрнами. Многие материалы естественного и искусственного происхождения (минералы, металлы, сплавы, керамики и т. д. ) являются поликристаллами.
Монокристалл -- отдельный однородный кристалл, имеющий непрерывную кристаллическую решётку и характеризующийся анизотропией свойств. Внешняя форма монокристалла обусловлена его атомно-кристаллической структурой и условиями кристаллизации.
Многие монокристаллы и поликристаллы широко применяются в кристаллографии, кристаллооптике, радиотехнике, в запоминающих устройствах, для измерения слабых температур, в технике управления световыми лучами, в обработке материалов, в бурении, в часах, в точных приборах
Кристаллы -- это твердые тела, атомы или молекулы которых занимают определенные, упорядоченные положения в пространстве. Поэтому кристаллы имеют плоские грани. Например, крупинка обычной поваренной соли имеет плоские грани, составляющие друг с другом прямые углы.
Кристаллическую структуру имеют металлы. Если взять сравнительно большой кусок металла, то на первый взгляд его кристаллическое строение никак не проявляется ни во внешнем виде куска, ни в его физических свойствах. Металлы в обычном состоянии не обнаруживают анизотропии.
Дело здесь в том, что обычно металл состоит из огромного количества сросшихся друг с другом маленьких кристалликов. Свойства каждого кристаллика зависят от направления, но кристаллики ориентированы по отношению друг к другу беспорядочно. В результате в объеме, значительно превышающем объем отдельных кристалликов, все направления внутри металлов равноправны и свойства металлов одинаковы по всем направлениям.
Твердое тело, состоящее из большого числа одиночных кристалликов, называют поликристаллическим. Одиночные кристаллы называют монокристаллами.
К поликристаллам относятся не только металлы. Большинство кристаллических тел -- поликристаллы, так как они состоят из множества сросшихся кристаллов. Одиночные кристаллы -- монокристаллы имеют правильную геометрическую форму, и их свойства различны по разным направлениям.
Жидкие кристаллы -- вещества, которые ведут себя одновременно как жидкости и как твёрдые тела. Молекулы в жидких кристаллах, с одной стороны, довольно подвижны, с другой -- расположены регулярно, образуя подобие кристаллической структуры (одномерной или двумерной). Часто уже при небольшом нагревании правильное расположение молекул нарушается, и жидкий кристалл становится обычной жидкостью. Напротив, при достаточно низких температурах жидкие кристаллы замерзают, превращаясь в твёрдые тела. Регулярное расположение молекул в жидких кристаллах обусловливает их особые оптические свойства. Свойствами жидких кристаллов можно управлять, подвергая их действию магнитного или электрического поля. Это используется в жидкокристаллических индикаторах часов, калькуляторов, компьютеров и последних моделей телевизоров.
Соблюдая большие предосторожности, можно вырастить кристалл больших размеров -- монокристалл.
В обычных условиях поликристаллическое тело образуется в результате того, что начавшийся рост многих кристаллов продолжается до тех пор, пока они не приходят в соприкосновение друг с другом, образуя единое тело-поликристалл.
Поликристалл -- агрегат мелких кристаллов какого-либо вещества, иногда называемых из-за неправильной формы кристаллитами или кристаллическими зёрнами. Многие материалы естественного и искусственного происхождения (минералы, металлы, сплавы, керамики и т. д.) являются поликристаллами.
Поликристалл отличается от монокристалла тем, что состоит из множества разно ориентированных мелких монокристаллов. Свойства поликристалла обусловлены свойствами, состоянием его кристаллических зерен, их среднего размера, строением меж зеренных границ.
Если размеры зерен малы, а сами зерна ориентированы хаотически, то в поликристалл не проявляет анизотропию. Если в поликристалле есть преимущественно кристаллографическая ориентировка зерен, то он обладает анизотропическими свойствами.
Свойства и получениеСвойства поликристаллов обусловлены свойствами составляющих его кристаллических зёрен, их средним размером, который колеблется от 1--2 мкм до нескольких мм(в некоторых случаях до нескольких метров), кристаллографической ориентацией зёрен и строением межзёренных границ. Если зёрна ориентированы хаотически, а их размеры малы по сравнению с размером поликристалла, то в поликристалле не проявляется анизотропия физических свойств, характерная для монокристаллов. Если в поликристалле есть преимущественная кристаллографическая ориентация зёрен, то поликристалл является текстурированным и, в этом случае, обладаетанизотропией свойств. Наличие границ зёрен существенно сказывается на физических, особенно механических, свойствах поликристаллов, так как на границах происходит рассеяние электронов проводимости, фононов, торможение дислокаций и др.
Поликристаллы образуются при кристаллизации, полиморфных превращениях и в результате спекания кристаллических порошков. Поликристалл менее стабилен, чем монокристалл, поэтому при длительном отжиге поликристалла происходит рекристаллизация (преимущественный рост отдельных зёрен за счёт других), приводящая к образованию крупных кристаллических блоков.
Монокристалл -- отдельный однородный кристалл, имеющий непрерывную кристаллическую решётку и иногда имеющий анизотропию физических свойств. Внешняя форма монокристалла обусловлена его атомно-кристаллической решёткой и условиями (в основном скоростью и однородностью) кристаллизации. Медленно выращенный монокристалл почти всегда приобретает хорошо выраженную естественную огранку, в неравновесных условиях (средняя скорость роста) кристаллизации огранка проявляется слабо. При ещё большей скорости кристаллизации вместо монокристалла образуются однородные поликристаллы и поликристаллические агрегаты, состоящие из множества различно ориентированных мелких монокристаллов. Примерами огранённых природных монокристаллов могут служить монокристаллы кварца, каменной соли, исландского шпата, алмаза, топаза. Большое промышленное значение имеют монокристаллы полупроводниковых идиэлектрических материалов, выращиваемые в специальных условиях. В частности, монокристаллы кремния и искусственных сплавов элементов III (третьей) группы с элементами V (пятой) группы таблицы Менделеева (например GaAs Арсенид галлия) являются основой современной твердотельной электроники. Монокристаллы металлов и их сплавов не обладают особыми свойствами и практически не применяются. Монокристаллы сверхчистых веществ обладают одинаковыми свойствами независимо от способа их получения. Кристаллизация происходит вблизи температуры плавления(конденсации) из газообразного (например иней и снежинки), жидкого (наиболее часто) и твёрдого аморфного состояний с выделением тепла. Кристаллизация из газа или жидкости обладает мощным очищающим механизмом: химический состав медленно выращенных монокристаллов практически идеален. Почти все загрязнения остаются (накапливаются) в жидкости или газе. Это происходит потому, что при росте кристаллической решётки происходит самопроизвольный подбор нужных атомов (молекул для молекулярных кристаллов) не только по их химическим свойствам (валентности), а также по размеру.
Современной технике уже не хватает небогатого набора свойств естественных кристаллов (особенно для создания полупроводниковых лазеров), и учёные придумали метод создания кристалло подобных веществ с промежуточными свойствами путём выращивания чередующихся сверхтонких (единицы - десятки нанометров) слоёв кристаллов с похожими параметрами кристаллических решёток.
Чтобы вырастить кристалл, полезно знать, какие процессы управляют его ростом; почему разные вещества дают кристаллы различной формы, а некоторые вовсе не образуют кристаллов; что надо сделать, чтобы кристаллы получились большими и красивыми.
Если кристаллизация идёт очень медленно, то получается один большой кристалл, если быстро -- множество мелких кристаллов Выращивание кристаллов производят разными способами:
1. Охлаждение насыщенного раствора.
С понижением температуры растворимость большинства веществ уменьшается, и они, как говорят, выпадают в осадок. Сначала в растворе и на стенках сосуда появляются крошечные кристаллы-зародыши. Когда охлаждение медленное, а в растворе нет твёрдых примесей (скажем, пыли), зародышей образуется немного, и постепенно они превращаются в красивые кристаллы правильной формы. При быстром охлаждении центров кристаллизации возникает много, сам процесс идёт активнее и правильных кристаллов при этом не получится.
2. Постепенное удаление воды из насыщенного раствора
В этом случае чем медленнее удаляется вода, тем лучше получаются кристаллы. Можно оставить открытый сосуд с раствором при комнатной температуре на длительный срок -- вода при этом будет испаряться медленно (особенно если сверху положить лист бумаги или прикрыть марлей). Растущий кристалл можно либо подвесить в насыщенном растворе на тонкой прочной нитке, либо положить на дно сосуда. В последнем случае кристалл периодически надо поворачивать на другой бок. По мере испарения воды в сосуд следует подливать свежий раствор.
3. Быстрое удаление воды из насыщенного раствора
В этом случае кристаллы получаются правильной формы, с острыми гранями, но мелкими (раствор находился в широком сосуде рядом с нагревателем).
Выращивание кристаллов -- процесс интересный, занимательный, но требующий бережного и осторожного отношения к своей работе. Время от времени кристаллизатор необходимо чистить: сливать раствор и удалять мелкие кристаллики, наросшие на основном, а также на стенках и дне сосуда. Теоретически размер кристалла, который можно вырастить таким способом, неограничен. Если выращенный кристалл оставить открытым в сухом воздухе, он, постепенно теряя содержащуюся в нём воду, превратится в невзрачный серый порошок. Чтобы предохранить кристалл от разрушения, его можно покрыть бесцветным лаком.
Выращивание кристаллов поваренной соли
Этот процесс не требует наличия каких-то особых химических препаратов. Кристаллы поваренной соли NaCl представляют собой бесцветные прозрачные кубики.
Насыпал пищевую соль в стакан с водой при температуре 20°С и оставил на несколькоминут, предварительно помешав. За это время соль растворилась. Затем добавил ещё соль и снова перемешал. Повторял этот этап до тех пор, пока соль уже не будет растворяться и будет оседать на дно стакана. Так я получил насыщенный раствор соли. Перелил его в чистый стакан такого же объёма, избавившись при этом от излишек соли на дне. Выбралодин более крупный кристаллик поваренной соли и положил его на дно стакана с насыщенным раствором. Уже через 3 дня было заметно значительный для кристаллика рост. С каждым днём он увеличивался. Затем проделал всё то же ещё раз (приготовил насыщенный раствор соли и опустил в него этот кристаллик), он стал расти гораздо быстрее -- от размеров 0,3 до ,0,9 см за следующие 3 дня.
Выращивание кристаллов медного купороса
Раствор медного купороса приготовил следующим образом: налил воды в стакан (200 г) и поставил его в кастрюлю с тёплой водой при 50°С и начал растворять 100 гпорошка медного купороса также, как и раствор поваренной соли, оставил на несколько дней. Сначала, способом быстрого испарения в открытом сосуде на стенках получил монокристалл медного купороса.
Затем поместил его в новый раствор для дальнейшего наращивания при комнатной температуре и закрытом сосуде. Через 2 недели получил поликристалл размером 2,8 см.
Выращивание красных кристаллов меди:
На дно широкой чаши, равномерно по площади дна, положил немного медного купороса, сверху насыпал поваренной соли и закрыл всё это вырезанным кружком бумаги, на неё положил железные стружки. Всё это вместе залил насыщенным раствором поваренной соли и оставил чашу на неделю. За это время выросли игло угольные красные кристаллы меди. Затем, также как и в предыдущем случае, произвел наращивание и получил монокристалл и поликристаллы.
Исследования зависимости роста кристалла от температуры
Процесс кристаллизации можно использовать для покрытия поверхности различных фигур.
Многие вещества могут существовать в нескольких кристаллических модификациях (фазах), отличающихся физическими свойствами. Это явление называетсяполиморфизмом. Переход из одной модификации в другую называется полиморфным переходом. Интересным и важным примером полиморфного перехода является превращение графита в алмаз. Этот переход при производстве искусственных алмазов осуществляется при давлениях 60-100 тысяч атмосфер и температурах 1500-2000 К.
Структуры кристаллических решеток экспериментально изучаются с помощью дифракции рентгеновского излучения на монокристаллах или поликристаллических образцах.
На рис. 3.6.2 приведены примеры простых кристаллических решеток. Следует помнить, что частицы в кристаллах плотно упакованы, так что расстояние между их центрами приблизительно равно размеру частиц. В изображении кристаллических решеток указывается только положение центров частиц.
В простой кубической решетке частицы располагаются в вершинах куба. кристалл поваренная соль выращивание
В гранецентрированной решетке частицы располагаются не только в вершинах куба, но и в центрах каждой его грани. Изображенная на рис. 3.6.1 решетка поваренной соли состоит из двух вложенных друг в друга гранецентрированных решеток, состоящих из Na + и Cl-. В объемно центрированной кубической решетке дополнительная частица располагается в центре каждой элементарной кубической ячейки.
Результаты исследований показали, что форма и размеры кристаллов зависят от температуры насыщенного раствора, (это можно увидеть по полученным кристаллам).
Используя эту технологию выращивания кристаллов можно покрыть кристаллами нужного цвета поверхность различных фигур.
Подобные документы
Легирование выращенных кристаллов и объемных кристаллов из жидкой фазы. Пассивные и активные методы выравнивания состава кристалла, механическая подпитка расплава, изменение условий выращивания. Растворимость и взаимодействие между примесными ионами.
реферат [225,2 K], добавлен 14.03.2010
Общие сведения о германии, области его применения и технология получения. Выращивание монокристаллов из расплава. Программирование контроллера Simatic S7-300 для автоматизированного выращивания монокристаллов германия. Расчет электрической нагрузки.
дипломная работа [3,0 M], добавлен 16.12.2013
Гомогенная и гетерогенная система. Условия образования непрерывных твердых растворов замещения. Химические и электронные соединения. Кристаллическая структура фаз внедрения. Анализ процесса образования кристаллов кубической и гексагональной симметрии.
лекция [84,9 K], добавлен 29.09.2013
Исследование процесса кристаллизации расплавов металлов. Влияние температуры на свободную энергию жидкой и твердой фазы процесса кристаллизации. Охлаждение расплава и образование кристаллов. Регулирование размеров зерен кристаллов. Обзор строения слитка.
реферат [102,2 K], добавлен 16.12.2014
Индицирование рентгенограммы поликристаллов, анализ параметров и типа решетки для кубической сингонии, средней категории. Ячейки Бравэ и систематические погасания. Оформление экспериментальной рентгенограммы. Программы для автоматического индицирования.
МИР КРИСТАЛЛОВ
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Аннотация проекта
Введение
Окружающий нас мир состоит из кристаллов, и мы живем в мире кристаллов. Кристаллы - творение природы, завораживают и притягивают взгляд. Кристаллы повсеместно встречаются в жизни человека, и нашли широкое применение в науке, технике и промышленности. Что же такое кристаллы, какими свойствами они обладают, как растут и можно ли вырастить кристалл в домашних условиях?
Поэтому мы решили изучить эту проблему, ответить на интересующие нас вопросы и самостоятельно вырастить кристалл. Так как выращенные кристаллы сохраняют природные ископаемые и ускоряют технический прогресс, а именно современных средств связи, транспорта, компьютерной техники, медицины.
В ходе работы были поставлены следующие цели и задачи.
Цель проекта: Изучить теоретический материал о кристаллах, вырастить самостоятельно кристаллы в домашних условиях.
Задачи проекта:
- изучить литературу и другие источники информации о кристаллах;
- выяснить какие бывают кристаллы;
- вырастить кристаллы в домашних условиях;
- создать презентацию по теме проекта.
Методы проекта:
- изучение литературы, поиск в Интернете, использование инструкции;
- анализ и обобщение результатов;
Теоретическая часть
Кристаллы и их свойства
Твердые тела сохраняют не только свой объем, но и форму и находятся в кристаллическом состоянии.
Кристаллы (от греч. krýstallos, первоначально — лёд, в дальнейшем — горный хрусталь, кристалл). В древности люди думали, что кристаллы горного хрусталя и кристаллы льда это одно и то же, только лёд замерзает мгновенно, а горный хрусталь при сильном морозе. И лёд становится хрусталём через тысячу лет, а хрусталь становится алмазом через тысячу веков. Поэтому кристаллы наделялись множеством таинственных свойств: исцелять болезни, влиять на судьбу человека. Представления о кристаллах, их строении и свойствах развивались на протяжении нескольких веков. Точкой отсчета истории кристаллов может быть известие о существовании изумрудов в Индии за 2 тыс. лет до н. э., алмазов за 1000-500 лет до н. э., рубинов Цейлона за 600 лет до н. э.
Кристаллы - это твердые тела, атомы или молекулы которых занимают определенные, упорядоченные положения в пространстве. Они образуют кристаллическую решетку. Поэтому кристаллы имеют плоские грани.
Изучением кристаллов занимается специальная наука - кристаллография; ее изучают в институтах и университетах, когда уже знают и химию, и физику и некоторые другие науки.
Монокристаллы и поликристаллы
Кристаллические тела могут быть монокристаллами и поликристаллами. Монокристаллом называют одиночный кристалл. Примерами огранённых природных монокристаллов могут служить монокристаллы кварца, каменной соли, исландского шпата, алмаза, топаза.
Большинство встречающихся в природе и получаемых в технике твердых тел представляют собой совокупность сросшихся друг с другом маленьких кристаллов, такие тела называют поликристаллами. Примерами поликристаллов являются: каменная соль, кварц, сахар, лед.
Природные и искусственные кристаллы
В природе кристаллы образуются тремя путями: из расплава, из раствора и из паров. Примером кристаллизации из расплава является образование льда из воды. Примером образования кристаллов из растворов, могут служить сотни миллионов тонн соли, выпавшей из морской воды.
Примером образования кристаллов из пара и газа являются снежинки, иней.
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.
Интересные факты о кристаллах
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.
- кристаллы воспроизводят сами себя и таким образом растут;
- самые большие кристаллы, длиной 15м были обнаружены в 2000 году в Пещере кристаллов в шахтовом комплексе Найка, в мексиканском штате Чиуауа.
- есть и представители самых больших и крошечных кристаллов. Хранятся они в Австрии в музее "Хрустальные миры". Самый крупный весит более 62 кг. Все они принадлежат к самой знаменитой компании "Сваровски" и занесены в книгу рекордов Гиннеса;
- вода является основным "ингредиентом" для образования кристалла;
- кристаллы могут образовывать самые различные формы.
Применение кристаллов
Многие из самых обычных веществ вокруг нас, представляют из себя кристаллы. Мы встречаемся с ними повсюду и даже не подозреваем об этом.
Лед-это кристалл. На кухне - едим кристаллы, например, соль или сахар.
Наши дома из кристаллов – панели многих многоэтажек сделаны из бетона (искусственного камня) в состав которого входит щебень из кристаллического сланца.
В медицине используют кристаллы – лучи от кварцевой лампы используются в медицине для дезинфекции.
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 играют важную роль в жизни человека:
Земная кора на 95% состоит из кристаллов. Кристаллы используют в промышленности, технике, производстве, медицине. Кристаллы используют для изготовления украшений и ювелирных изделий.
Применение кристаллов в науке и технике очень разнообразно.
Самый твердый и редкий минерал – алмаз. Используется как украшение. Так же из-за его исключительной твердости многие режущие инструменты покрывают смесью алмазного порошка и клейкого вещества. Алмазным порошком шлифуют и полируют твердые камни, закаленную сталь, твердые и сверхтвердые сплавы.
Рубин и сапфир относятся к самым красивым и дорогим из драгоценных камней. Но у них есть и другие применения. Все часы работают на искусственных рубинах. Рубины используют в лазерах, так как его кристалл усиливает свет. Сапфир прозрачен, поэтому из него делают пластины для оптических приборов.
Кристаллы используются в устройствах для записи и воспроизведения звука. Кристаллы кремния и германия входят в состав полупроводниковых диодов, которые есть в каждом компьютере и мобильном телефоне.
Материал поляроид – тонкая прозрачная пленка, заполненная крохотными игольчатыми кристаллами. Поляроидные пленки используют в поляроидных очках, так как они гасят блики отраженного света. Это важно для полярников, которым приходится смотреть на ослепительный снег, а так же для водителей автотранспорта.
Практическая часть
Искусственные кристаллы люди научились выращивать не только в лабораториях, но даже в домашних условиях. Самые популярные вещества, из которых выращивают кристаллы дома – это поваренная соль, железный купорос и медный купорос.
Выращивание кристаллов медного купороса
Нальём в сосуд 200 мл горячей воды. Насыпаем медный купорос и тщательно размешаем. Сделаем раствор пересыщенным, а затем профильтруем его. Разделили раствор на две части, в один опускаем нитку, чтобы она не касалась стенок и дна банки. Далее поставим сосуд с ниткой остывать, и уже через несколько часов появятся наросшие на нитку кристаллики. Во второй сосуд добавили несколько кристаллов медного купороса и на следующий день из раствора выбрали два наиболее крупных сформированных кристалла. Кристаллы привязали на леску и опустили во второй сосуд. Пару дней они подрастали. Потом мы достали из раствора нитку и леску и подогрели раствор. Уже через пару дней заметили значительный для кристаллика рост. С каждым днём он увеличивался.
Условия для выращивания кристаллов:
1. Воду нужно взять дистиллированную, т. е. не содержащую других растворённых в ней солей.
2. Кристаллик нельзя при росте без особой причины вынимать из раствора.
3. Не допускать попадание мусора в насыщенный раствор.
4. Отсутствие сквозняков.
6. Периодически (раз в неделю) менять или обновлять насыщенный раствор.
При выращивании кристаллов замечены следующие особенности:
1. Верхняя грань кристалла вырастает меньше нижней. Это можно объяснить тем, что насыщенный раствор (более тяжелый) опускается в низ, а менее насыщенный после выпадения из него вещества на кристалл поднимается вверх.
Вывод: для получения правильного по форме кристалла необходимо постоянное перемешивание раствора.
2. Колебания температуры раствора сильно сказываются на процессе роста кристалла. При увеличении температуры раствора кристалл начинает растворяться.
Вывод: у медного купороса прямая зависимость растворимости от температуры (при более высокой температуре растворимость больше).
Работая над проектом, я:
Изучила литератору о кристаллах.
Выяснила, что кристалл – это твердое состояние вещества, имеет определенную форму, цвет и определенное количество граней.
Познакомилась с разнообразием и применением кристаллов.
Освоила способы выращивания кристаллов, наблюдала за ростом кристаллов.
Для выращивания кристаллов использовала: медный купорос. И пришла к выводу, что для роста кристалла необходимо, чтобы с поверхности кристалла шло испарение жидкости, а скорость роста зависит от температуры.
Для положительного результата необходимо соблюдать точные инструкции и правила безопасности.
В ходе работы над проектом я нашла ответы на поставленные вопросы, сумела вырастить кристаллы, рассказала о своей работе одноклассникам. Некоторые заинтересовались данной темой. Я считаю, что цель и задачи, поставленные в начале работы, достигнуты. Гипотеза исследования полностью подтвердилась: кристаллы можно вырастить в домашних условиях.
Приобретенные знания, умения и навыки обязательно пригодятся мне в дальнейшей учёбе, но в ходе работы возникли новые вопросы. Поэтому я планирую продолжить работу над этим проектом.
В повседневной жизни мы считаем твёрдым любое тело, сохраняющее форму и объём в отсутствие внешних воздействий, например, тела, изготовленные из металлов, пластмассы, льда, стекла. Твёрдые тела делят на две группы, различающиеся по своим свойствам: кристаллические и аморфные. Чем же отличаются кристаллические твёрдые тела от аморфных?
Кристаллы. К кристаллическим телам относят минералы, например поваренную соль, медный купорос, кварц, квасцы (рис. 40), горный хрусталь и металлы в твёрдом состоянии.
Кристаллы — твёрдые тела, атомы, ионы или молекулы которых совершают тепловые колебания около определённых, упорядоченных в пространстве положений равновесия.
Упорядоченное размещение частиц твёрдого кристаллического тела обусловливает его правильную геометрическую форму, вследствие чего поверхность кристалла образована плоскими гранями (рис. 41).
Частицы кристалла удерживаются на определённом усреднённом расстоянии друг от друга (∼ 0,1 нм) силами межатомного и межмолекулярного взаимодействий. Несмотря на тепловые колебания, они образуют упорядоченную пространственную структуру. Геометрическим образом этой структуры является кристаллическая решётка. Узлы кристаллической решётки — положения устойчивого равновесия колеблющихся частиц (ионов, атомов или молекул), образующих кристалл.
Основой строения кристалла служит так называемая элементарная кристаллическая ячейка — многогранник наименьших размеров, последовательным переносом без изменения ориентации которого вместе с частицами, находящимися внутри этого многогранника, можно построить весь кристалл.
На рисунках 42 представлены самые простые элементарные ячейки: кубические (а — примитивная, б — объёмно-центрированная, в — гранецентрированная) и гексагональная призма (г).
В кристаллических телах упорядоченное размещение частиц повторяется во всём объёме кристалла, поэтому говорят, что в кристалле существует дальний порядок в расположении частиц.
Интересно знать
Чтобы понять, почему в кристаллических телах упорядоченное размещение частиц, проделаем опыт. Насыплем на вогнутое стекло одинаковые маленькие шарики (рис. 43, а) и слегка встряхнём их несколько раз. Можно увидеть, что шарики разместятся в строгом порядке (рис. 43, б). Шарики располагаются на стекле в самом низком из возможных положений, что соответствует минимуму их потенциальной энергии в гравитационном поле Земли.
Кристаллическая структура также связана с минимумом потенциальной энергии, т. е. при образовании кристаллов частицы самопроизвольно располагаются так, чтобы потенциальная энергия их взаимодействия была минимальной.
Твёрдое тело — это агрегатное состояние вещества, характеризующееся стабильностью формы и объема. По своему внутреннему строению твердые тела разделяются на кристаллические и аморфные.
Кристаллы - это твёрдые тела, частицы которых располагаются в строгом порядке, образуя пространственные периодически повторяющиеся структуры.
Чаще всего кристаллическая решетка строится из ионов (положительно и отрицательно заряженных атомов), которые входят в состав молекулы данного вещества. Например, решетка поваренной соли содержит ионы Na+ и Cl– (рис. 1). Такие кристаллы называются ионными.
Теоретически доказано, что всего может существовать 230 различных пространственных кристаллических структур. Большинство из них (но не все) обнаружены в природе или созданы искусственно. На рис. 2 приведены примеры простых кристаллических решеток: 1 – простая кубическая решетка; 2 – гранецентрированная кубическая решетка; 3 – объемноцентрированная кубическая решетка; 4 – гексагональная решетка.
Монокристаллы и поликристаллы
В природе чаще встречаются беспорядочно сросшиеся между собой монокристаллы. Такие твердые тела называются поликристаллы. Примерами поликристаллов являются: каменная соль (рис. 5), кварц (рис. 6), сахар, лед, железо, медь.
Анизотропия
Упорядоченность в строении кристалла приводит к анизотропии, т.е. зависимости физических свойств от выбранного направления. Оно объясняется различием в плотности расположения частиц в кристаллической решетке по разным направлениям. На рисунке 7 условно изображено расположение атомов в одной из плоскостей монокристалла. Через узлы этой плоской решетки проведены различно ориентированные параллельные прямые (1, 2, 3, 4). Видно, что на единицу длины прямых приходится не одинаковое количество атомов. А многие механические свойства кристалла зависят от плотности размещения образующих его частиц.
Прежде всего, бросается в глаза различная механическая прочность кристаллов по разным направлениям. Например, кусок слюды легко расслаивается в одном из направлений на тонкие пластинки, но разорвать его в направлении, перпендикулярном пластинкам, гораздо труднее. Так же легко расслаивается в одном направлении кристалл графита. Когда вы пишете карандашом, такое расслоение происходит непрерывно и тонкие слои графита остаются на бумаге. Многие кристаллы по-разному проводят теплоту и электрический ток в различных направлениях. От направления зависят и оптические свойства кристаллов. Так, кристалл алмаза по-разному преломляет свет в зависимости от направления падающих на него лучей.
Монокристаллы обладают анизотропией, поликристаллы изотропны.
Температура плавления
Кристаллические тела имеют определенную температуру плавления tпл, не изменяющуюся в процессе плавления при постоянном давлении (рис. 8, кривая 1).
Зная температуру плавления и температуру тела, всегда можно определить в каком агрегатном состоянии будет находиться кристаллическое тело: если температура тела больше температуры плавления, то тело в жидком состоянии, если меньше – в твердом.
Полиморфизм
Практически все вещества в твердом состоянии могут существовать в двух или более кристаллических разновидностях (модификациях), отличающихся физическими свойствами. Это явление называется полиморфизмом. Так, у углерода две разновидности — алмаз и графит: графит отличается мягкостью, алмаз тверд, графит — проводник, алмаз — диэлектрик. Известны 4 модификации железа, 9 модификаций серы и др. Каждая модификация устойчива в определенном интервале температур и давлений.
См. так же
У аморфных тел нет строгого порядка в расположении атомов. Только ближайшие атомы - соседи располагаются в некотором порядке. Но строгой направляемости по всем направлениям одного и того же элемента структуры, которая характерна для кристаллов в аморфных телах, нет. На рисунке 9 изображена плоская схема расположения молекул кварца – кристаллического тела (а), и кварцевого стекла — аморфного тела (б).
Свойства аморфных тел
Все аморфные тела изотропные, т.е. их физические свойства одинаковы по всем направлениям. К аморфным телам относятся стекло, смола, канифоль, сахарный леденец и др.
При внешних воздействиях аморфные тела обнаруживают одновременно упругие свойства, подобно твёрдым телам, и текучесть, подобно жидкости. Аморфное тело обладает слабо выраженной текучестью. Так, если воронку наполнить кусочками воска, то через некоторое время (различное для разных температур) кусочки воска будут "расплываться". Воск примет форму воронки и начнет "вытекать" из нее.
Аморфные тела при низких температурах по своим свойствам напоминают твёрдые тела. Текучестью они почти не обладают, но по мере повышения температуры постепенно размягчаются и их свойства всё более и более приближаются к свойствам жидкостей. Это происходит потому, что с ростом температуры постепенно учащаются перескоки атомов из одного положения в другое. Определённой температуры плавления у аморфных тел, в отличие от кристаллических, нет. Вещество в аморфном состоянии при нагревании постепенно размягчается и переходит в жидкость (рис. 8, кривая 2). Вместо температуры плавления приходится говорить о температурном интервале размягчения.
Жидкие кристаллы — вещества, обладающие одновременно свойствами как жидкостей (текучесть), так и кристаллов (анизотропия).
По структуре они представляют собой жидкости, похожие на желе, состоящие из молекул вытянутой формы, определённым образом упорядоченных во всем объёме этой жидкости (рис. 10).
Жидкие кристаллы — это почти прозрачные субстанции, проявляющие одновременно свойства кристалла и жидкости. Их внешнее состояние при нагревании может изменяться от твердого до жидкокристаллического и полностью переходить в жидкую форму при дальнейшем повышении температуры.
- Жидкие кристаллы открыл в 1888 г. австрийский ботаник Ф. Рейнитцер. Он обратил внимание, что у кристаллов холестерилбензоата и холестерилацетата было две точки плавления и, соответственно, два разных жидких состояния — мутное (от 145 °С до 179 °С) и прозрачное (выше 179 °С). Однако, учёные не обратили особого внимания на необычные свойства этих жидкостей. Долгое время физики и химики в принципе не признавали жидких кристаллов, потому что их существование разрушало теорию о трёх состояниях вещества: твёрдом, жидком и газообразном.
Применение жидких кристаллов
Одно из важных направлений использования жидких кристаллов — термография. Подбирая состав жидкокристаллического вещества, создают индикаторы для разных диапазонов температуры и для различных конструкций. Например, жидкокристаллический индикатор на коже больного быстро диагностирует скрытое воспаление и даже опухоль.
С помощью жидких кристаллов обнаруживают пары́ вредных химических соединений и опасные для здоровья человека гамма- и ультрафиолетовое излучения. На основе жидких кристаллов созданы измерители давления, детекторы ультразвука.
Но самая многообещающая область применения жидкокристаллических веществ — информационная техника. В настоящее время цветные жидкокристаллические экраны используются в сотовых телефонах, мониторах и телевизорах. Они обладают малой толщиной, малой потребляемой мощностью, высоким разрешением и яркостью.
См. так же
По своим необычным свойствам из всей группы твердых тел выделяются полимеры — вещества, молекулы которых состоят из большого числа повторяющихся групп атомов (мономеров).
Например, молекула полимеров образуется повторением группы СH2:
Число мономерных единиц в молекуле определяет относительную молекулярную массу полимера, которая, как правило, очень велика — десятки и сотни тысяч атомных единиц массы. Например, полиэтилен имеет относительную массу 35000 а.е.м., каучук — 400000 а.е.м.
К полимерам относятся многочисленные природные соединения: белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды, каучук и другие органические вещества. Большое число полимеров получают синтетическим путём. Названия полимеров образуются из названия мономера с приставкой поли-: полиэтилен, полипропилен, поливинилацетат и т. п.
Человек давно использует природные полимерные материалы в своей жизни. Например, кожа, меха, шерсть, шёлк, хлопок, используемые для изготовления одежды. На основе целлюлозе производят плёнки, волокна, лакокрасочные материалы и загустители. Развитие кино и фотографии оказалось возможным лишь благодаря появлению прозрачной плёнки из нитроцеллюлозы. Освоено производство тканей на основе полиэфирного волокна под названием лавсан или полиэтилентерефталат. Полипропилен и нитрон —синтетические волокна, которые использует современный человек для одежды и производственной деятельности.
Читайте также: