Государственное бюджетное общеобразовательное учреждение

города Москвы Школа № 1748 «Вертикаль»

«Волшебный мир кристаллов »

Авторы проекта:

Дородников Михаил, Полякова Елизавета,

обучающиеся 7 класса «Б»

Консультант:

Комарова И.Ю., учитель физики

Москва, 20181

Содержание: стр.

1. Введение 3

2. Теоретическая часть. 4

2.1 Кристаллография – методология развития науки

ХХI века

4

2.2 Виды и строение кристаллов 6

2.3 Физические свойства кристаллов 8

2.4 Способы и методы выращивания кристаллов 9

2.5 Применение кристаллов 10

3. Практическая часть 11

3.1 Выращивание кристаллов 11

3.2 Исследование физических свойств кристаллов 12

4. Заключение 15

5 Список литературы 16

1. Введение.2

В повседневной

жизни познакомиться с

разнообразным миром

кристаллов можно или в

музее, или на страницах

журналов и интернета. У

нас в школьном музее в

зале «Наука» в витрине

выставлена частная коллекция

кристаллов и минералов. Не

устаешь поражаться разнообразию

их форм и окрасок. Их красота

завораживает. Так хочется

подержать их в руках, рассмотреть,

рассмотреть со всех сторон., а еще

лучше прикоснуться к их

таинственному миру и вырастить

свой неповторимый кристалл.

Конечно, в природе минералы растут

сотни лет, а вот цветные кристаллы

из наборов для детского творчества

формируются всего за 1-2 дня. Они,

конечно, получаются интересной

формы, но окрас у них нестабильный

и неравномерный. Да и химический состав производители держат в секрете.

А можно ли в домашних условиях вырастить кристаллы из подручных

средств, буквально на кухне?

Цель нашей работы: вырастить кристаллы в домашних условиях и

исследовать их физические свойства.

Задачи:3

1. Познакомиться теорией кристаллографии.

2. Изучить способы и методы выращивания кристаллов.

3. Изучить влияние внешних условий на формирование кристаллов.

4. Провести исследование физических свойств полученных образцов.

Актуальность работы для нас заключается в том, что мы хотим

понять, как формируются кристаллы, какие факторы влияют на их рост и

физические свойства.

В ходе работы мы использовали следующие методы:

Эмпирические: наблюдение, эксперимент, измерения, описание.

Теоретические: анализ, классификация, обобщение.

Универсальные: сравнение, рефлексия.

2. Теоретическая часть.

2.1. Кристаллография – методология развития науки ХХI века

Кристаллография сегодня имеет мало общего с тем, какой она бала 100

лет назад во время выдающего ученого Е.С. Федорова – основоположника

структурной кристаллографии. В начале эта наука ставила перед собой

задачу смоделировать природные процессы. С развитием химии и физики

усовершенствовались методы исследования кристаллов, а после Второй

4

Мировой войны благодаря рентгеновской дифракции кристаллография стала

частью биологии (белковая кристаллография).

Позднее началось исследование жидких кристаллов, развитие методов

молекулярной архитектуры. То есть наука перешла от копирования

природных форм к изучению биоорганических кристаллов, от анализа к

синтезу новых материалов различной природы.

5

2.2. Виды и строение кристаллов

Трудно представить себе, как мы на кухне, то есть в домашних

условиях, можно заниматься молекулярной архитектурой или применять

нанотехнологии, а вот воссоздать природное чудо, думаю, нам под силу.

Но какими они бывают, что нам о них известно? Первое, что мы

вспоминаем, это яркие цветные вставки в ювелирных украшениях. Но

формируются в недрах земли, порой в вулканических пародах. Такие условия

нам тоже создать нереально. Какие же еще кристаллы встречаются в

природе, какие получают в лабораторных условиях?

Сначала мы рассмотрим строение кристаллов.

Кристалл в переводе с греческого языка означает «лед». Позднее так

стали называть все твердые минералы, представляющие собой плоский

многогранник. При формировании кристаллов молекулы «укладываются» в

строго определенном порядке и образуют кристаллическую решетку, от чего

зависят их физические свойства.

Все кристаллы делятся на:

монокристаллы – отдельные

кристаллы, имеющие

непрерывную кристаллическую

решетку;

поликристаллы состоит из

множества монокристаллов.

Кристаллы классифицируют по

типу кристаллической решетки:

1. ионные – в узлах кристаллической решетки находятся

разноименно заряженные ионы, между которыми действуют

электростатические силы;

2. ковалентные (атомные) – нейтральные атомы в строгом порядке

удерживаются квантово – механическими силами;

6

3. молекулярные - образуются из полярных молекул, между

которыми возникают силы взаимодействия, так называемые ван-дер-

ваальсовы силы, имеющие электрическую природу. В молекулярной решетке

они осуществляют довольно слабую связь. Молекулярную кристаллическую

решетку имеют лед, природная сера и многие органические соединения;

4. металлические кристаллические решетки характеризуются

наличием в их узлах положительно заряженных ионов металла.

Внешний вид кристаллов определяется формой частичек, из которых

он построен.

Некоторые простые формы кристаллов

Комбинация простых форм

7

Особый красотой отличаются дендриты – это кристаллы, похожие на

веточки дерева. Они очень хрупкие, поэтому имеют небольшие размеры.

2.3. Физические свойства кристаллов

Правильное расположение частиц определяет и свойства кристалла.

Трудно не заметить во всех кристаллах разной формы симметричность. По

осям симметрии кристаллы делят на три категории:

высшей категории: куб, октаэдр, тетраэдр – они примерно одинаковые

со всех сторон (алмаз, гранаты);

средней категории: призмы и пирамиды – различаются свойства по

осям (графит, рубин);

низкой категории: кристаллы очень сложной формы (гипс, слюда).

С симметричностью связаны два основных свойства кристаллов:

Анизотропия - изменение свойств в зависимости от направления.

Электропроводность: кристаллы делятся на проводники

электрического тока и изоляторы. Так же под действием света внутри

кристалла могут образоваться свободные заряды – фотоэффект.

К механическим свойствам кристаллов относят твердость, хрупкость,

пластичность, спайность (расслоение), прозрачность.

Кристаллы используют как оптическую систему. Когда световой луч

проникает внутрь кристалла он преломляется и создается иллюзия

виртуального второго объекта, параллельного изучаемому.

Некоторые минералы способны светиться под действием

ультрафиолетового света - это явление называется люминесценция.

Свечение так же может возникнуть и при нагревании, и при трении.8

2.3. Способы и методы выращивания кристаллов.

Существует много методов выращивания кристаллов, но, думаем, мы в

домашних условиях можем воспользоваться тремя из них.

1. Медленное испарение растворителя.

Это основной способ выращивания кристаллов в домашних условиях

для этого необходимо приготовить насыщенный раствор. Чтобы его

приготовить рекомендуют в вещество порциями доливать горячую воду до

полного растворения осадка. После этого в раствор помещают затравку на

нити (или на подставке). Насыщенный раствор нужен, чтобы затравка не

растворилась после погружения в раствор.

Затем в раствор помещается затравка. Она привязывается на нить,

ставится на подставку либо просто кладется на дно сосуда. В процессе

испарения растворителя из открытого сосуда концентрация вещества в

растворе увеличивается, избыток вещества оседает на затравку, вызывая рост

кристалла. Чтобы ускорить процесс роста рекомендуют все время

помешивать раствор.

2. Медленное остывание раствора.

Как и в первом методе готовится горячий насыщенный раствор, в него

помещается затравка. Раствор в сосуде начинает медленно охлаждаться.

Рекомендуется укутывать емкости с раствором в полотенца, теплую

одежду либо выращивать в термосе или емкости из пенопласта. Чтобы

емкость не повредилась из-за изменения давления сосуд не закрывают

герметично. В результате охлаждения раствора граница насыщенности

медленно понижается, и все большее количество вещества в растворе

становится избыточным. Оно оседает на затравку и приводит к росту

кристалла. Чтобы ускорить процесс роста в этом методе так же рекомендуют

все время помешивать раствор.

Используя такой метод можно получить более крупные кристаллы, но

недостатком его является затруднение в контроле скорости роста кристалла и

его формы.9

3. Температурный градиент

Как и в первых двух методах готовится насыщенный раствор вещества

в достаточно длинной емкости. В верхней половине емкости помещается

затравка, а на дно засыпается дополнительная порция вещества. Затравку

лучше располагать на подвесе. Такую емкость надо поставить в теплое место

(можно на батарею), но температура не должна быть очень высокой, должно

быть различие между температурой сверху и снизу на несколько градусов.

Сосуд лучше всего закрыть, чтобы в него не попадала пыль.

В результате нижний слой раствора нагревается, предел растворимости

повышается, и вещество со дна емкости дополнительно растворяется. В ходе

конвекции теплый насыщенный раствор поднимается вверх, а холодный –

опускается вниз. При охлаждении в верхней части сосуда раствор становится

перенасыщенным и на затравке начинает нарастать кристалл. В этом случае

можно вырастить крупные и прозрачные кристаллы. Сложность этого метода

заключается в том, что трудно контролировать температуру.

2.5. Применение кристаллов

Выращивание кристаллов не простая забава. Как мы уже говорили, в

недрах Земли происходит формирование естественным путем, но добывают

их быстрее, чем пополняется запас. Спрос на кристаллы и минералы не

спадает, они находят применение во всех областях нашей жизни. Вот только

некоторые примеры их использования:

алмаз – самый твердый минерал, поэтому его применяют для бурения и

распиливания твердых парод, граверных инструментах;

рубины не заменимы в часовой промышленности, рубиновыми иглами

рисуют схемы на полупроводниковых заводах, рубиновые в научных

исследованиях и для прожигания точных отверстий в твердых веществах, в

текстильной и химической промышленности рубиновые нитеводители

вытягивают нити из искусственных волокон;

из прозрачного сапфира делают пластины для оптических приборов;

10

кварц (горный хрусталь) используют для изготовления призм, линз и

других деталей для оптических приборов;

кристаллы используют в аудио – и видеотехнике, компьютерах и

мобильных телефонах;

кристаллы нужны для трансформации энергии;

и конечно же, в ювелирной промышленности.

3. Практическая часть.

3.1 Выращивание кристаллов.

Опыт №1. Выращивание кристаллов из поваренной соли.

Мы приготовили

насыщенный раствор по 1

методике, но вместо того,

чтобы подготовить

затравку, опустили в

состав тела различной

формы. В результате этого

получили равномерное белое покрытие из мелких кристаллов. Эти

образовавшиеся кристаллы были мелкие и рыхлые, но образовались

буквально за несколько дней.

Опыт №2. Выращивание кристаллов из медного купороса

В этом случае мы использовали второй метод: метод медленного

остывания раствора.

В насыщенный раствор медного купороса мы опустили ракушку, на

которой стали образоваться кристаллы медного купороса, но эксперимент

продвигался очень медленно и, кроме того, у нас попали посторонние

примеси в сосуд, что привело к нарушению роста кристаллов.

Опыт № 3.

Выращивание

кристаллов сахара.

11

Мы приготовили сладкий раствор аналогично раствору соли и

перелили в емкость с гладкими стенками. Для того, чтобы получить затравку,

мы окунули нитку с сироп и приложили к сахарному песку. Когда крупинки

равномерно налипли на нить и высохли, опустили их в насыщенный раствор.

Этот сосуд поставили в темное холодное место.

Первый кристалл мы извлекли из раствора через 2 недели. Первый

образец состоял из красивых и мелких монокристаллов. Чтобы вырос такой

красивый (из крупных прозрачных монокристаллов) поликристалл нам

понадобилось ждать месяц.

3.2 Исследование физических свойств кристаллов

Пригодные образцы для проверки

физических свойств вещества

оказались кристаллы сахара. Первый

поликристалл состоял из более

мелких фракций, чем второй. Кроме

того, он оказался гигроскопичным,

через месяц мы обнаружили, что он

распался на несколько частей.

Зато второй образец состоял из более

крупных прозрачных с видимыми

плоскими гранями монокристаллов,

которые мы использовали для проверки

физических свойств кристалла сахара.

Опыт № 1. Магнитное поле.

Когда мы поднесли магнит к

монокристаллу, то никакого

взаимодействия не обнаружили.

12

Но когда поместили тот же кристалл между разноименными полюсами

магнита, то обнаружили, что магниты притягиваются слабее.

Вывод: кристалл сахара способен ослаблять действие магнитного поля

Опыт № 2. Прочность. Мы уже описывали, что поликристалл сахара

оказался хрупким. При трении одного монокристалла о другой наблюдалось

разрушение образцов.

Опыт № 3. Показатель преломления.

В ходе эксперимента мы наблюдали

четкую картину явления преломления и

отражения света. Размеры образца

монокристалла не позволили определить

его показатель преломления, но по

справочным материалам мы определили,

что

n = 1,561.

Интересная картина получилась, когда один лазерный луч направили

на поликристалл. Этот луч внутри многократно отразился, создав эффект

внутреннего свечения. На

фотографии хорошо видно,

что луч из прозрачного тела

не выходит.

Можно сделать

вывод, что свойства

11 https://easy-physic.ru/pokazateli-prelomleniya/

13

монокристалла и поликристалла одного и того же вещества обладают

разными свойствами.

Опыт № 4. Электропроводность.

На опыте мы убедились, что кристалл не

пропускает электрический ток, то есть

является изолятором.

Опыт № 5. Плотность вещества.

Мы измерили массу монокристалла на

электронных весах:

m = 3.53 г.

Напрямую определить объем кристалла

мы не смогли, поэтому воспользовались

косвенным методом (объем тела равен

объему вытесненного вещества). Только

вместо воды взяли сыпучий материал (манку),

так ка сахар мог раствориться в воде.

V = V2 – V1 = 3 см3

= mV

=3 .53 г3см3 =1.17 г /см3

Опыт № 6. При

нагревании кристалл

расплавился. Но в

чашке хорошо видно

и жидкий сахар, и

кристаллический. Так

ведут себя аморфные

тела.

14

4. Заключение

В ходе работы над проектом мы узнали, что современная наука

кристаллография начиналась с создания копий природных материалов –

выращивания кристаллов и развивалась в методах создания принципиально

новых кристаллических форм.

Мы апробировали различные методы выращивания кристаллов и

практическим путем выяснили условия формирования крупных образцов.

Получили крупный кристалл сахара пригодный для проведения исследования

его физических свойств.

Таким образом, после проведения исследования могу сделать следующие

выводы:

Выводы:

1. при благоприятных условиях поваренная соль, медный купорос, сахар

образуют кристаллы;

2. кристаллы различных веществ имеют разную форму, цвет и размеры;

3. на форму кристаллов оказывает влияние температура;

4. кристаллы различных веществ имеют разную скорость роста;

5. быстрее и легче кристалл растёт тогда, когда в насыщенный раствор

помещается кристалл - «затравка», на крупном предмете получали

мелкие и рыхлые кристаллы.

5. Список литературы

1. М.В Кавальчук. Кристаллография - методология развития науки 21

века. Журнал «Кристаллография». Том 56, № 4, с. 581-595, 2011г.

2. МЕГАЭНЦИКЛОПЕДИЯ КИРИЛЛА И МЕФОДИЯ

http://www.megabook.ru

3. Физический практикум для классов с углубленным изучением физики.

Под редакцией Ю.И. Дика, О.Ф. Кабардина. М; 1993

4. Энциклопедический словарь юного физика. – М.: Педагогика, 1995.

15

Интернет — ресурсы:

1. school-collection.edu.ru

2. class-fizika.narod.ru

3. www.fizika.ru

16