Творческий проект «Кристаллы» Выполнил Ковалев Александр

Региональная научно-практическая конференция учащихся 8-11классов
общеобразовательных учреждений
«Инициатива молодых»
Творческий проект
«Кристаллы»
Выполнил Ковалев Александр Николаевич,
ученик 11 Б класса «СОШ п.Учебный
Ершовского района Саратовской области»
Секция «Современные проблемы в естественных науках»
Руководитель
Пятахина Антонина Константиновна,
учитель химии
высшей квалификационной категории
2009 год
Оглавление.
Введение…………………………………………………………………………………3
Основная часть
Глава 1. Кристаллы.
1.1 История изучения кристаллов……………………………………………….4
1.2 Как растет кристалл…………………………………………………………..6
1.3 Вещества для опытов с кристаллами……………………………………….8
Глава 2. Исследовательская работа.
2.1 Выращивание кристаллов из раствора алюмокалиевых квасцов…….11
Заключение…………………………………………………………………………….14
Список литературы…………………………………………………………………..15
Приложения……………………………………………………………………..…….16
~2~
Он весь,как музыка,он – весть!
Его безудержность бескрайна.
Незря в нём есть
Всегда какая-нибуть тайна.
Островой С.Г
Введение
Если вы когда-либо были в музее минералогии или на выставке минералов
(если нет - не упустите при случае такой возможности!), вы не могли не восхититься изяществом и красотой форм, которые принимают «неживые» творения
природы. А кто не любовался снежинками - кристаллами льда, разнообразие которых поистине бесконечно.
Выращивание кристаллов поистине увлекательное занятие и, пожалуй, самое
простое, доступное и недорогое для большинства начинающих химиков, максимально безопасное с точки зрения техники безопасности, что немаловажно для
тех, кто проводит эксперименты дома. Тщательная подготовка и выполнение оттачивают навыки в умении аккуратно обращаться с веществами и правильно организовывать план своей работы. Современная литература по демонстрационному эксперименту иногда охватывает этот раздел, но авторы, как правило, не всегда указывают на детали. В своей исследовательской работе я постараюсь осветить все в
мельчайших подробностях.
~3~
Основная часть
Глава I.
1.1. История изучения кристаллов
Еще в XVII веке знаменитый астроном Иоганн Кеплер написал трактат «О
шестиугольных снежинках». Спустя три столетия американский натуралист У.
Бентли, более пятидесяти лет занимавшийся фотографированием снежинок под
микроскопом, издал альбом, в котором представил тысячи фотографий, причем ни
одна из них не повторяла другую. Наука о кристаллах началась с изучения горного
хрусталя. Его блестящие бесцветные кристаллы впервые были найдены еще в
древности среди вечных снегов в Швейцарских Альпах.
Самые знаменитые кристаллы - алмазы, которые после огранки превращаются в бриллианты. В течение многих веков люди пытались разгадать тайну этих
драгоценных камней. Когда же было, наконец установлено, что алмаз - одна из
разновидностей углерода, в это поверили не сразу! Действительно, алмаз - символ
не только богатства, но и необыкновенной твердости. Если же взять другую,
наиболее распространенную в природе кристаллическую разновидность углерода графит, то на память, прежде всего, приходят грифели карандашей - черные, жирные на ощупь и очень мягкие. Оказалось, что сверкающие кристаллы, с которыми
связано столько романтических (и кровавых) историй, и невзрачный черный графит состоят из одних и тех же атомов углерода. Решающий опыт провел в 1772 году знаменитый французский химик А. Л. Лавуазье. Он обнаружил, что при сжигании алмаза и обычного угля получается одно и то же вещество - углекислый газ.
Геологам всегда было интересно, как давно в недрах Земли образовались
алмазы. Но как это определить? Недавно в руки геологов попали южноафриканские алмазы, содержавшие включения гранта в виде красивых мелких кристалликов, в которых оказались небольшие примеси самария. Этот редкоземельный элемент имеет разновидность (изотоп), который очень медленно распадается (период
полураспада составляет 106 миллиардов лет). При этом он превращается в другой
редкоземельный элемент - неодим. По количеству этого неодима, зная скорость его
образования, можно определить возраст алмаза, т. е. время, когда в него попал са~4~
марий. Как показали расчеты, самарий попал в гранат 3,2-3,4 миллиарда лет назад.
И если возраст Земли оценивается примерно в 4,6 миллиарда лет, то этот кристалл
алмаза не намного моложе нашей планеты.
Искусственным путем люди научились получать очень многие драгоценные
камни. Например, подшипники для часов и других точных приборов уже давно делают из искусственных рубинов. Получают искусственно и прекрасные кристаллы,
которые в природе вообще не существуют. Например, многие слышали о фианитах
(их название происходит от сокращения ФИАН - Физический институт Академии
наук, где их впервые получили). Бесцветные фианиты на глаз трудно отличить от
алмаза - так красиво они «играют» на свету.
~5~
1.2. Как растет кристалл
Ученых давно интересовало, как образуются кристаллы, почему разные
вещества дают кристаллы разной формы, а некоторые вовсе не образуют кристаллов, что надо сделатъ, чтобы кристаллы получились большими и красивыми. Исследования показали, что кристаллы - это вещества, в которых мельчайшие частички (атомы, ионы или молекулы) упакованы в определенном порядке. Именно
этот порядок определяет форму кристалла. А зависит он как от геометрической
формы частиц (ионов или молекул), из которых построен кристалл, так и от того,
как они друг к другу притягиваются, какими местами могут соприкасаться, а какими - нет. Некоторые вещества кристаллизуются легко, другие - с большим трудом
или вовсе не образуют кристаллов. Почему так?
Оказывается, что частицы укладываются сами, потому что непрерывно движутся и ищут самое подходящее для себя место, где им будет наиболее «удобно».
А удобнее им там, где они сильнее всего связаны с другими частицами в кристалле.
Кристаллизацию обычно ведут при охлаждении раствора. При каждой температуре в данном количестве растворителя (у нас это вода) может раствориться не
более определенного количества вещества.
Например, в 100 г воды при +90 "С может раствориться 54 г хлорида калия - и
ни граммом больше. Будем теперь охлаждать раствор. С понижением температуры
растворимость большинства веществ уменьшается. Так. при +80 "С в 100 г воды
можно растворить уже не более 51 г этой соли. Куда же денутся остальные 3 г?
Они выпадут в осадок. Если с осадка слить воду и рассмотреть его в сильную лупу,
то мы увидим множество мелких кристалликов. Как они образовались? При охлаждении раствора частички вещества (в данном случае это ионы калия и хлора), которым уже не хватает воды, чтобы находиться в растворенном состоянии, слипаются друг с другом, образуя крошечные кристаллы-зародыши. Если охлаждение
медленное, зародышей образуется немного и, обрастая постепенно частичками вещества со всех сторон, они превращаются в красивые кристаллики правильной кубической формы.
~6~
При быстром же охлаждении центров кристаллизации образуется много, а частички из раствора будут «сыпаться» на поверхность растущих кристалликов, как
горох из порванного мешка: конечно, правильных кристаллов при этом не получится, потому что множество быстро растущих кристалликов мешают друг другу.
Посторонние твердые примеси в растворе также могут играть роль центров кристаллизации, поэтому чем чище раствор, тем больше шансов, что центров кристаллизации будет немного. Итак, чем чище раствор и чем медленнее он охлаждается,
тем лучше.
Хорошо бы получить один большой кристалл правильной формы. К сожалению, это не так просто: даже если в растворе начнет расти один-единственный
кристалл (что сомнительно), он, лежа на дне сосуда, вырастет только сверху и с
боков. Поэтому такой кристалл неминуемо получимся однобоким.
Есть и другой метод получения из растворов правильных кристаллов - это
постепенное удаление воды. «Лишнее» вещество при этом кристаллизуется. И в
этом случае, чем медленнее удаляется вода, тем лучше получаются кристаллы.
Можно, например, просто оставить открытый сосуд с раствором при комнатной
температуре на длительный срок – вода при этом будет испаряться очень медленно
(особенно если сосуд с раствором прикрыть не плотно листом бумаги, который заодно будет защищать раствор от пыли). Конечно, хочется получить большой и
красивый кристалл побыстрее - но тут уж ничего не поделаешь: придется запастись терпением. Если же поспешить, то вместо одного красивого кристалла получится масса мелких. Под микроскопом они выглядят замечательно. Кстати, при
сильном увеличении оказывается, что многие невзрачные порошки состоят из
очень красивых кристалликов, которые слишком малы, чтобы их можно было увидеть невооруженным глазом. Изучая различные условия формирования кристаллов
разных соединений, я понял, каким законам подчиняются эти процессы, и в результате научился выращивать нужные кристаллы определенной формы.
~7~
1.3. Вещества для опытов с кристаллами
Проще всего выращивать кристаллы из водных растворов. Но для этой цели
годятся далеко не все растворимые в воде кристаллические соединения.
На графике изображена растворимость некоторых солей в воде. Как показывает практика, наиболее распространёнными веществами для выращивания кристаллов являются: хлорид натрия NaCl, медный купорос CuSO4·5H2O, квасцы
(алюмокалиевые KAl(SO4)2·12H2O, хромокалиевые KCr(SO4)2·12H2O и др.). Менее
распространены, но также используемы: бихромат K2Cr2O7 и хромат K2CrO4 калия,
сульфат железа (II) FeSO4·7H2O, соль Мора (NH4)2Fe(SO4)2∙6H2O, перхлорат натрия
NaClO4, красная кровяная K3[Fe(CN)6] и жёлтая кровяная K4[Fe(CN)6] соли, многие
соединения тяжелых металлов, органические соединения (гидрофталат калия
KHC8O4H4, сахар C12H22O11, салициловая кислота C7H6O3, тиомочевина CS(NH2)2,
сегнетова соль KNaC4H4O6·4H2O (натрий-калий винно-кислый или тартрат натриякалия) и другие различные соли органических кислот).
Как правило, при выборе материала важны следующие факты:
– вещество не должно быть токсичным. Забавно узнать: какие кристаллы, к
примеру, даёт сульфид натрия Na2S или цианид калия KCN. Но данные вещества
~8~
легко окисляются кислородом воздуха и гидролизуются влагой, в результате выделяются токсичные вещества, которые могут привести к отравлению и даже смерти;
– вещество должно быть стабильным. Не должно заметно или необратимо
гидролизоваться. Должно быть, стабильно к повышению температуры, так как
многие вещества могут разрушаться в горячей воде, что характерно для некоторых
органических веществ; вещество не должно вступать в химическую реакцию со
средой (здесь имеется в виду и растворитель, и воздух) или давать с растворителем
устойчивую систему, несклонную к кристаллизации. Попытки кристаллизовать
гигроскопичные вещества, такие как щёлочи или вещества, которые, находясь в
банках, «хватают» влагу из воздуха (соли алюминия, соли железа (III) и др.), сахарные сиропы – к успеху не приведут;
– доступность и приемлемая цена реактивов. Для эксперимента понадобилось много дистиллированной воды (исходный минимум 2 л). Вещество должно
быть достаточно химически чистым.
– способность вещества растворяться в доступном растворителе. Узнал, как
растворяется вещество в воде с изменением температуры на малых объёмах. Пометка «растворим в воде» не указывает количественный расход вещества. Представьте, например, если растворимость вещества подобна растворимости сахара:
потребуется более 2 кг такого вещества, чтобы растворить его в 1 л воды.
– должен быть известен характер растворения вещества. Иногда приходится
наблюдать экзо- (с выделением теплоты) или эндотермическое (с поглощением)
растворение, и как вследствие этого растворимость вещества будет меняться до тех
пор, пока температура раствора не выровняется до комнатной;
– образующиеся кристаллы должны быть стабильны. Кристаллы некоторых
веществ, вынутые из раствора в течение нескольких минут или часов способны
«выветриваться» - необратимо разрушаться в результате потери влаги и превращаться в невзрачный порошок. Это следует помнить при работе с веществами:
- хромокалиевые и железоаммонийные квасцы,
- тиосульфат натрия,
- сульфат натрия,
~9~
- соли марганца,
- некоторые соли никеля,
- жёлтая кровяная соль,
с увеличением температуры в помещении этому подвержены алюмокалиевые
квасцы и медный купорос.
~ 10 ~
Глава II.
2.1 Выращивание кристаллов
Многие видные ученые, внесшие большой вклад в развитие химии, минералогии, других наук, начинали свои первые школьные опыты именно с выращивания
кристаллов. Опыты эти относительно просты, но их результаты могут вызвать
удивление и восхищение даже у людей, весьма далеких от химии и никогда прежде
не интересовавшихся этой наукой.
Я начал свое исследование с выращивания кристаллов квасцов. Как получить хороший кристалл для затравки?
Если просто растворить в горячей воде как можно больше вещества (до насыщения) и оставить раствор остывать, температура будет понижаться слишком
быстро и образуется слишком много мелких кристаллов. Чтобы замедлить процесс
охлаждение, я взял маленький термос объемом 2 стакана, насыпал в него несколько столовых ложек вещества, предназначенного для выращивания кристаллов, залил кипятком, неплотно закрыл термос крышкой и осторожно взболтал для более
быстрого растворения вещества. Поставил термос в безопасное место на ночь. Несмотря на все предосторожности, вряд ли в термосе вырастет один большой кристалл. На следующий день в нем оказалось много мелких кристаллов, но среди них
мне попалась парочка довольно крупных. Очень важно не прилагать никаких механических усилий. Чтобы вынуть кристаллы из термоса я использовал другую посуду и пинцет. Из полученной затравки я стал выращивать монокристалл, используя синтетическую нить, плотно 2 раза обвил затравку, чтобы она не соскользнула.
Второй конец нити примотал к крестовине из деревянных палочек, чья длина
больше диаметра стакана.
Снова приготовил насыщенный раствор на основе исходного. Для этого готовый раствор поставил на водяную баню и добавил 0,5 чайной ложки вещества.
Нагрел и перемешивал. Как только вещество растворилось, вынул колбу, и раствор
перелил в заранее приготовленный нагретый стакан. Стакан с раствором поставил
на выбранное место, и дал 20-30 секунд постоять, чтобы жидкость немного успокоилась. Так как раствор тёплый, я дал ему остыть до 30 0C, а для контроля изме~ 11 ~
рил температуру термометром. Потом я оставил раствор остывать на полтора часа.
Затем затравку расположил в тёплом растворе (температура на 5-7 0С выше комнатной) таким образом, чтобы кристаллик как бы висел в нём, на высоте 1/2 от дна.
Периодически по нарастанию мелких кристаллов на нити, я вытаскивал нить с затравкой и осторожно удалял их, при этом изготавливал новый раствор. Далее взял
большую емкость на 2 литра приготовил раствор и поместил уже подросший кристалл. На протяжении нескольких недель я наблюдал за ростом кристалла. В итоге
у меня получился красивый кристалл.
Вот краткая информация по выращенному мной кристаллу:
Формула: KAl(SO4)2∙12H2O.
Химическое название: додекагидрат дисульфата алюминия-калия.
Описание: белый кристаллический порошок, слёживается со временем.
Класс соединений: соль, кристаллогидрат.
Тип кристаллов: октаэдр.
Описание кристаллов: прозрачные как стекло, без цвета.
Особенности хранения: в сухом помещении, вблизи осушителей (например, сухое
дерево, вата), при высокой комнатной температуре способен постепенно выветриваться, однако, из всех квасцов эти наиболее стабильны.
Вы можете рассмотреть фотографии выращенных мной кристаллов для школьной и районной научно-практических конференций. (приложение №1).
Так же вы можете рассмотреть фотографии найденных мной кристаллов в
разных источниках (приложение №2).
~ 12 ~
Исследовательскую работу по выращиванию кристаллов я представил на
научно-практической конференции и занял первое место (приложение №3).
~ 13 ~
Заключение
Выращивание кристаллов это очень интересное занятие. Проводя это исследование, я многому научился. В химии, как и в других науках, практические
опыты являются важной частью исследовательской, творческой, научнопрактической работы. Они позволяют детально разобраться во всех нюансах данной темы в науке. Так же я решил продолжить выращивать кристаллы, потому что
весь процесс роста этих «неживых» творений природы очень красив, хотя и требует не малых затрат и терпения. Я выращиваю большую коллекцию кристаллов, которые продемонстрирую на областной учебно-научной конференции «Инициатива
молодых».
Так как кристаллы используются в производстве техники, то я считаю, что
немаловажным аспектом науки будет дальнейшее изучения природы кристаллов и
их роста. В современном мире люди не могут представить свою жизнь без часов,
персональных компьютеров, DVD – плееров и домашних кинотеатров. Во всех
выше перечисленных технических аппаратах есть кристаллы. В часах это рубиновые подшипники. В персональных компьютерах содержится комплектующее
устройство CD/DVD-Rom, в котором содержится кристалл, пропускающий световой луч для считывания и записи информации на лазерный диск. По той же технологии работают и домашние кинотеатры с DVD - плеерами. Кристаллы используются также в некоторых лазерах для усиления волн СВЧ - диапазона и в лазерах
для усиления световых волн. Кристаллы, обладающие пьезоэлектрическими свойствами, применяются в радиоприемниках и радиопередатчиках, в головках звукоснимателей и в гидролокаторах. Некоторые кристаллы модулируют световые пучки, а другие генерируют свет под действием приложенного напряжения. Перечень
видов применения кристаллов уже достаточно длинен и непрерывно растет.
~ 14 ~
Список литературы
1. Ольгин О., «Опыты без взрывов», М.; «Химия», 1995г.;
2. Верховский В. Н., «Техника и методика химического эксперимента в школе», Л.; УЧПЕДГКЗ, 1 том 1937 г., 2 том 1940г.;
3. Шаскольская М. П.; "Кристаллы", М.: Наука, 1985г.;
4. Кантор Б. З.; "Минерал рассказывает о себе", М.: Недра, 1985г.;
5. Стёпин Б. Д., Аликберова Л. Ю., "Книга по химии для домашнего чтения",
М.: Химия, 1994г.;
8. Алексинский В. Н.; "Занимательные опыты по химии", М.: Просвещение,
1995г.
9. Вестник ВГУ. Серия: Химия, Биология, Фармация. 2004 г, №2.
10. http://multlica.narod.ru/kr/prim.htm
~ 15 ~
Приложение №1.
Алюмокалиевые квасцы
KAl(SO4)2∙12H2O
Медный купорос
CuSO4∙5H2O
~ 16 ~
Приложение №2
Хромат калия
K2CrO4
Дигидрофосфат калия
KH2PO4
Хлорид кобальта (II)
CoCl2∙6H2O
Красная кровяная соль
K3[Fe(CN)6]
Сульфат гидразина
N2H4∙H2SO4
Хлорид марганца (II)
MnCl2∙6H2O
Жёлтая кровяная соль
K4[Fe(CN)6]
Перхлорат натрия
NaClO4
Сульфат марганца
MnSO4
Сульфат калия-натрия
Сульфат висмута (III)
2K2SO4∙Na2SO4∙12H2O
Bi2(SO4)3
KCr(SO4)2∙12H2O
Гидрофталат калия
Тиокарбамид
Ацетат меди (II)
(CH3COO)2Cu∙2H2O
C8H5O4K
~ 17 ~
Хромокалиевые квасцы
CS(NH2)2
Карбамид
Сахар
Тартрат калия-натрия
CO(NH2)2
С12H22O11
KNaC4H4O6
Серебро
Висмут
Ag
Bi
Простые вещества:
Медь
Cu
Олово / Свинец
Sn / Pb
.
~ 18 ~