проект Кристаллы
advertisement
2014 Проект: «Кристаллы» Выполнила: ученица 10 А класса МБОУ СОШ №4 городского округа Стрежевой Гусева Анна Руководитель: Серебренникова Оксана Васильевна, учитель физики Содержание Введение. Основная часть. 1. Обзор литературы 1.1. Что такое кристалл. 1.2. Строение кристаллов. 1.3. Можно ли перестроить кристаллическую структуру кристалла. 1.4. Как изучались кристаллы учеными раньше. 1.5. Свойства кристаллов. 1.6. Применение кристаллов. 2. Эксперимент. 2.1. Метод выращивания кристалла в домашних условиях. 2.2. Проведение эксперимента. 2.3. Наблюдение за ростом кристалла. 3. Результаты исследования. 3.1. Полученный результат. 3.2. Выводы по полученному результату. 3.3. Применение полученного мною кристалла. Выводы. Литература. 1 Введение Окружающий нас мир состоит из кристаллов, можно сказать, что мы живем в мире кристаллов. Жилые здания и промышленные сооружения, самолеты и ракеты, теплоходы и тепловозы, горные породы и минералы слагаются из кристаллов. Мы едим кристаллы, лечимся ими и частично состоим из кристаллов. Кристаллы- это вещества, в которых мельчайшие частицы “упакованы” в определенном порядке. В результате роста кристаллов на их поверхности самопроизвольно возникают плоские грани, а сами кристаллы принимают разнообразную геометрическую форму. Интересно происхождение слова “кристалл”. Много веков назад в снегах Альп на территории современной Швейцарии нашли очень красивые бесцветные кристаллы, напоминающие чистый лед. Древние натуралисты так их и назвали – “кристаллос”, по-гречески лед. Полагали, что лед, находясь длительное время в горах, на сильном морозе, окаменевает и теряет способность таять. Аристотель писал, что “кристаллос рождается из воды, когда она полностью утрачивает теплоту”. Еще в средних веках этот термин “кристалл” применялся исключительно к кварцу. Вместе с тем большая часть природных минералов обладает кристаллическим строением. Кристаллы действительно так хороши собой, что ими можно любоваться часами. Поэтому актуальность моей работы заключается в том, чтобы создать что-то интересное и необычное самому (своими руками), в доступных для наблюдения и изучения предметах, проявляя свои творческие способности в дальнейшем использовании выращенных кристаллов. Особенно актуальным это становится при изучении в 10 классе темы «Кристаллические тела», когда обучающиеся, на основе своих знаний о свойствах кристаллический тел, практически могут самостоятельно, в домашних условиях, вырастить настоящий кристалл. Тогда проблема заключается в том, что для того, чтобы вырастить кристалл, необходимо знать определенные методы и способы его выращивания, а данные знания не даются при изучении темы «Кристаллические тела». Решая данную проблему, я поставила перед собой следующую цель: изучение кристалла, его строения и физических свойств; возможностей для выращивания в домашних условиях и наблюдение за процессом их роста; исследование области применения кристаллов и способов применения выращенных самостоятельно кристаллов. Для достижения этой цели необходимо выполнить задачи: 2 изучить литературные и электронные источники по данной теме; узнать что такое кристалл, его строение, свойства; узнать, почему все кристаллы вырастают многогранниками; изучить среду выращивания кристаллов; изучить распространенный метод выращивания кристаллов; вырастить кристалл из поваренной соли, марганцовки и медного купороса в домашних условиях; 7. изучить область применения кристаллов; 8. познакомиться с представлениями ученых о твердых кристаллах на протяжении нескольких столетий; 9. создать буклет, информирующий о простейшем способе выращивания кристалла в домашних условиях; 10. сделать вывод; 11.создать презентацию по теме проекта. 1. 2. 3. 4. 5. 6. Объект исследования: кристалл Предмет исследования: свойства и рост кристаллов Гипотеза: зная свойства и рецепт выращивания кристаллов, можно вырастить их в домашних условиях Теоретико-методологическая база: высказывание академика А.Е. Ферсмана: «Почти весь мир кристалличен. В мире царит кристалл и его твердые прямолинейные законы» - согласуется с научным интересом ученых всего мира к данному объекту исследования Новизна: данная работа обладает определенным аспектом новизны, поскольку мне никогда не приходилось делать своими руками что-то оригинальное и необыкновенное. В моем представлении « кристалл» - это чудо природы. Получить кристалл – это сотворить чудо. Для меня это новое и необычное дело, даже таинственное. Кто знает, что у меня получится? Как будут выглядеть мои «авторские» кристаллы? А так же я хочу рассмотреть и предложить области применения выращенных мною кристаллов и изготовить изделия из них 3 Методы: изучение литературы; проведение экспериментов; наблюдение. Предполагаемые результаты: получение знаний о кристаллах, о его свойствах и самостоятельно выращенный в домашних условиях кристалл. 4 1. Обзор литературы. 1.1. Что такое кристалл. Большинство веществ в умеренном климате Земли, находятся в твердом состоянии. Твердые тела сохраняют не только форму, но и объём. По характеру относительного расположения частиц твердые тела делят на три вида: кристаллические, аморфные и композиты. При наличии периодичности в расположении атомов (дальнего порядка) твердое тело является кристаллическим. Кристаллы (от греч. κρύσταλλος, первоначально — лёд, в дальнейшем — горный хрусталь, кристалл) — твёрдые тела, в которых атомы расположены закономерно, образуя трёхмерно-периодическую пространственную укладку — кристаллическую решётку. Кристаллы — это твёрдые вещества, имеющие естественную внешнюю форму правильных симметричных многогранников, основанную на их внутренней структуре, то есть на одном из нескольких определённых регулярных расположений составляющих вещество частиц (атомов, молекул, ионов). Тело, представляющее собой один кристалл, называется монокристаллом. Большинство кристаллических тел состоит из множества расположенных беспорядочно мелких кристаллов, которые срослись между собой. Такие тела называются поликристаллами. Кусок сахара – поликристаллическое тело. Кристаллы различных веществ имеют разнообразную форму. Размеры кристаллов тоже разнообразны. Размеры кристаллов поликристаллического типа могут изменяться с течение времени. Мелкие кристаллы железа переходят в крупные, этот процесс ускоряется при ударах и сотрясениях, он происходит в стальных мостах, железнодорожных рельсах и т.д., от этого прочность сооружения с течением времени уменьшается. Очень многие тела одинакового химического состава в кристаллическом состоянии в зависимости от условий могут существовать в двух или более разновидностях. Это свойство называется полиморфизмом. У льда известно до десяти модификаций. Полиморфизм углерода – графит и алмаз. Существенным свойством монокристалла является анизотропия – неодинаковость его свойств (электрические, механические и т.д.) по различным направлениям.1 Поликристаллические тела изотропны, т.е. обнаруживают одинаковые свойства по всем направлениям. Объясняется это тем, что кристаллы, из которых состоит поликристаллическое тело, ориентированы друг по отношению к другу хаотически. В результате ни одно из направлений не отличается от других. 1 http://www.waynesthisandthat.com 5 Существует четыре типа кристаллов: молекулярные, ковалентные (или атомные), ионные и металлические. Тип кристалла определяется характером взаимодействия атомов и молекул, образующих кристалл. К молекулярным кристаллам относятся кристаллы водорода, аргона, брома. Прочность этих кристаллов не велика. Ковалентные кристаллы: алмаз, полупроводники кремний и германий. Ионные кристаллы NaCl, AgBr. Металлические кристаллы: металлы. 1.2. Строение кристаллов. В школьных учебниках кристаллами обычно называют твердые тела, образующихся в природных или лабораторных условиях и имеющие вид многогранников, которые напоминают самые непогрешимо строгие геометрические построения. Поверхность таких фигур ограничена более или менее совершенными плоскостями- гранями, пересекающимися по прямым линиям- ребрам. Точки пересечения ребер образуют вершины. Если рассмотреть при помощи лупы или микроскопа крупинки соли, то можно заметить, что они ограниченны плоскими гранями. Наличие таких граней – признак нахождения в кристаллическом состоянии. Кристаллов в природе существует великое множество и так же много существует различных форм кристаллов. В реальности, практически невозможно привести определение, которое подходило бы ко всем кристаллам. Здесь на помощь можно привлечь результаты рентгеновского анализа кристаллов. Рентгеновские лучи дают возможность как бы нащупать атомы внутри кристаллического тела, и определяет их пространственное расположение. В результате было установлено, что решительно все кристаллы построены из элементарных частиц, расположенных в строгом порядке внутри кристаллического тела. Упорядоченность расположения таких частиц и отличает кристаллическое состояние от некристаллического, где степень упорядоченности частиц ничтожна. Кристаллы характеризуются значительными силами межмолекулярного взаимодействия. Они имеют правильную геометрическую форму, которая является результатом упорядоченного расположения частиц, составляющих кристалл. Регулярное расположение частиц с периодической повторяемостью в трех измерениях, называется пространственной (кристаллической) решеткой. 6 Кристаллическая решетка графит Все в мире сложено из этих мельчайших частиц. В твердых телах частицы движутся, не беспорядочно, а строгим, правильным, симметричным строем. Каждая частица движется только в пределах отведенного ей участка и не может никуда уйти за его пределы. Строй частиц в кристаллическом твердом теле похож на пчелиные соты или на строительные леса: вправо и влево, вперед и назад, вверх и вниз тянутся ровные, правильные, бесконечные ряды частиц. Они выстроены, как физкультурники в строю, но не стоят строго неподвижно, а колеблются около своих мест.2 В молекулярно-кинетической теории считается, что частицы кристаллических твердых тел непрерывно колеблются около положений равновесия. Размах колебаний частиц невелик по сравнению с размерами самих частиц, поэтому на фотографиях их отклонения незаметны. В модели "кристаллическая решетка" положения равновесия частиц отмечены узлами. 2 http://www.waynesthisandthat.com 7 Колебательное движение частиц кристаллов – основное их движение. Однако частицы могут иногда перескакивать с места на место. Этому способствует тот факт, что в кристаллах имеются дефекты. Например, в пустое место в ряду – "дырку" – может перескочить частица из соседнего ряда. В результате образуется новая "дырка". В нее может перескочить частица другого ряда и т.д. Именно благодаря дефектам кристаллического строения твердые тела способны диффундировать друг в друга. Порядок и симметрия — вот что характерно для твердого кристаллического тела. Во всех кристаллах частицы расположены правильным, четким строем, выстроены симметричным правильным узором. Пока есть этот порядок — существует кристалл. Нарушен порядок, рассыпался строй частиц — это значит, что кристалл расплавился, превратившись в жидкость, или испарился, перешел в пар. Простейшим геометрическим свойством систем точек, соответствующих центрам атомов в любых атомных совокупностях (а не только в кристаллах), является дискретность. Условие дискретности- расстояние между любыми двумя точками системы больше некоторой фиксированной величины : «r» (красные). Стремление атомов равномерно расположиться в пространстве можно отразить следующим ограничением на соответствующую систему точек: Условие покрытия- расстояние от любой точки пространства до ближайшей к ней точки системы меньше некоторой фиксированной величины: «R» (зеленые). Название этого условия объясняется тем, что если система точек ему удовлетворяет, то шары радиуса «R» с центрами в этих точках покрывают все пространство. 8 Условие дискретности не позволяет точкам системы располагаться слишком густо, а условие покрытия – слишком редко. Совместно эти два требования обеспечивают примерно равномерное расположение точек в пространстве. Системы точек, удовлетворяющие этим двум условиям одновременно, называются системами Делоне, в память об известном нашем геометре Б. Н. Делоне (1890-1980), впервые выделившем эти системы. Простейшим примером системы Делоне (на плоскости) – это множество узлов бесконечного листа клетчатой бумаги.3 1.3. Можно ли перестроить кристаллическую структуру вещества? Природа бесконечно разнообразна и не любит повторений. Строй атомов железа совсем непохож на структуру кристалла льда. В каждом веществе своя структура — свой порядок расположения атомов. И от того, каков этот порядок, зависят свойства вещества. Одни и те же атомы, частицы одного сорта, располагаясь по-разному, образуют вещества с совсем разными свойствами. Много лет назад был такой случай в Ленинграде (тогда еще Петербурге): на одном из складов солдатского обмундирования «простудились» и «заболели» солдатские пуговицы. В те времена пуговицы для шинелей делали из олова. На холодном, неотапливаемом складе лежали большие запасы белых блестящих пуговиц. Когда первые несколько пуговиц потемнели, никто на это не обратил внимание. Пуговицы продолжали темнеть, теряли блеск и через несколько дней рассыпались в порошок. Но самым странным было то, что испорченные пуговицы как бы заражали своих соседей, которые начинали темнеть, тускнеть и рассыпаться. В несколько дней горы ярко блестящих белых пуговиц превратились в бесформенную груду серого порошка. Все имущество склада погибло от «оловянной чумы», как прозвали эту «болезнь» белого олова. Что же это за «болезнь»? Это всего лишь перестройка порядка атомов в кристаллах олова. Есть два вида кристаллов олова. Первый — это 3 http://alhimik.ru 9 обыкновенное серебристо-белое олово, которое может образовывать большие кристаллы, но те же самые атомы олова могут перестроиться и образовать кристаллы другой разновидности, так называемого серого олова. Свойства этих двух видов олова совершенно различны. Белое олово — ковкий металл, серое — хрупкий. Переходя из белой разновидности в серую, олово рассыпается в порошок. Поэтому белое олово употребляется для припоев, лужения и различных изделий, а из серого ничего нельзя сделать. И белое и серое олово — это кристаллы олова. Они состоят из одних и тех же атомов. Химические свойства олова остаются те же, но изменяется кристаллическая структура: перестраивается порядок атомов и в результате меняются физические свойства вещества. Перестройка кристаллической структуры белого олова в структуру серого олова может начаться при большом морозе. «Оловянная чума» была одной из причин гибели экспедиции капитана Скотта на Южный полюс в 1911—1912 гг. Все запасы жидкого топлива, взятые этой экспедицией, находились в сосудах, паянных оловом. В условиях суровой антарктической зимы белое олово превратилось в порошок серого олова, сосуды распаялись. Отважные исследователи остались без топлива. Вот какие трагические последствия может вызвать изменение кристаллической структуры вещества! 1.4. Как изучались кристаллы учеными раньше. В течение долгих столетий геометрия кристаллов казалась таинственной и неразрешимой загадкой. Не случайно на гравюре великого немецкого художника Альбрехта Дюрера (1471 – 1528) изображена Меланхолия в виде печального ангела, безнадежно всматривающегося в огромный кристалл. Вплоть до 17 века дальше описаний «удивительных угловатых тел» дело не шло. Альбрехт Дюрер 10 Меланхолия Альбрехта Дюрера В 1619 году великий немецкий математик и астроном Иоганн Кеплер (1571 – 1630) обратил внимание на шестерную симметрию снежинок. По пути, намеченному Кеплером, пошли впоследствии Роберт Гук (1635 – 1703) и М.В. Ломоносов (1711 – 1765). Иоганн Кеплер Роберт Гук М.В. Ломоносов Через 50 лет после Кеплера (в 1669 г) датский геолог, кристаллограф и анатом Николаус Стенон (1638 – 1686) впервые сформулировал основные понятия о формировании кристаллов: «Рост кристалла происходит не изнутри, как у растений, но путем наложения на внешние плоскости кристалла мельчайших частиц, приносящихся извне некоторой жидкостью». Неколаус Стенон 11 В 1783 году французский аббат Р.Ж. Гаюи, минеролог по призванию, высказал предположение, что всякий кристалл составлен из параллельно расположенных равных частиц, смежных по целым граням. В1824 году ученик великого Гаусса, профессор физики во Фрейбурге Л.А. Зеебер для объяснения расширения кристаллов при нагревании предложил заменить многогранники Гаюи их центрами тяжестей. Такие системы точек были названы «решетками». 1.5. Свойства кристаллов. Одним из свойств кристалла является анизотропия. Анизотропия – это зависимость физических свойств от направления внутри кристалла. И самое главное: все кристаллические тела анизотропны. Правильная внешняя форма не единственное и даже не самое главное следствие упорядоченного строения кристалла. Главное – это зависимость физических свойств от выбранного в кристалле направления. Прежде всего, бросается в глаза различная механическая прочность кристалла по разным направлениям. Легко расслаивается по одному направлению кристалл графита. Когда мы пишем карандашом, такое расслоение происходит непрерывно и тонкие слои графита остаются на бумаге. Это происходит по тому, что кристаллическая решетка графита имеет слоистую структуру. Слои образованы рядом параллельных плоских сеток, состоящих из атомов углерода. Атомы располагаются в вершинах правильных шестиугольников. Расстояние между слоями сравнительно велико: примерно в два раза больше, чем длина стороны шестиугольника. Поэтому связи между слоями менее прочны, чем связи внутри них. Одним из характерных свойств многих кристаллов является спайность – способность раскалываться по определенным плоскостям, образуя гладкую блестящую поверхность разлома. Плоскости спаянности параллельны плоскостям плотной упаковки атомов (молекул) и перпендикулярны направления наименьшего сцепления между ними. Поэтому грани кристаллов часто бывают параллельны плоскостям спайности. Теплопроводность – перенос энергии от более нагретых участков тела к менее нагретым в результате теплового движения и взаимодействия составляющих его частиц. 12 Теплопроводность различных кристаллических тел различна. Большая теплопроводность будет у тел с наименьшим расстоянием между молекулами (атомами). Упорядоченное расположение атомов или молекул в кристалле определяется действием сил межатомного и межмолекулярного взаимодействия. Тепловое движение атомов и молекул нарушает эту упорядоченную структуру. При изменениях температуры и давления изменяются среднее расстояния между атомами и молекулами. Это приводит к изменению величины сил взаимодействия между ними. С повышением температуры увеличивается размах тепловых колебаний атомов и молекул и им требуется больший объем, в котором они могли бы двигаться. При каждом сочетании давления и температуры реализуется тот тип укладки частиц, который в данных условиях наиболее устойчив и энергетически выгоден. Плавление – это переход из твердого агрегатного состояния в жидкое. Плавление заключается в ломке правильного атомного каркаса. Наоборот, при остывании металлической жидкости атомы вновь самопроизвольно занимают позиции в узлах кристаллической решетки. Пластичность, свойство твердых тел необратимо деформироваться под действием механических нагрузок. Пластичность определяет возможность обработки материалов давлением (ковки, прокатки). Упругость, свойство тел восстанавливать свою форму и объем (твердые тела) или только объем (жидкости и газы) после прекращения действия внешних сил. Количественная характеристика упругих свойств материалов — модули упругости. Упругость обусловлена взаимодействием между атомами молекулами и их тепловым движением. Хрупкость, свойство тел разрушаться после незначительной пластической деформации. Пластические свойства у хрупких материалов практически не проявляются. Такие свойства твёрдых тел как упругость, прочность, поверхностное натяжение определяются силами взаимодействия между атомами и строением кристаллов. Изучая силы межатомного взаимодействия, можно, например, определить величину модуля упругости, предела прочности материала, энергии связи кристалла и коэффициента поверхностного натяжение. Зависимость сил межатомного взаимодействия от расстояния между центрами атомов в твёрдых телах заключается в следующем: 1. Между атомами одновременно действуют силы притяжения и силы отталкивания. Результирующая сила межатомного взаимодействия - сумма этих двух сил. 2. При уменьшении расстояния между атомами силы отталкивания нарастают значительно быстрее, чем силы притяжения; поэтому существует некоторое 13 расстояние, при котором силы притяжения и силы отталкивания уравновешиваются и результирующая сила становится равной нулю. В кристалле, предоставленном самому себе, ионы располагаются именно на определенном расстоянии друг от друга. Если расстояние между атомами меньше равновесного, то преобладают силы отталкивания, если больше, то преобладают силы притяжения. Эти свойства межатомных сил позволяют условно рассматривать частицы, образующие кристалл (например, ионы Nа и Сl в кристалле поваренной соли), как твердые упругие шары, взаимодействующие друг с другом. Деформация растяжения кристалла приводит к увеличению расстояния между центрами соседних шаров и преобладанию сил притяжения, а деформация сжатия - к уменьшению этого расстояния и преобладанию сил отталкивания. Пределом прочности обычно называют наибольшее напряжение, которое может выдержать материал, не разрушаясь. При растяжении образца предел прочности определяется максимальной величиной результирующей силы межатомного притяжения, приходящейся на единицу площади сечения, перпендикулярного направлению растяжения. Результирующая сила межатомного взаимодействия достигает максимального значения, когда центры атомов находятся на большом расстоянии друг от друга. Когда растяжение ещё более увеличивается, силы взаимодействия становятся настолько малыми, что связи между атомами разрываются. Нам не раз приходилось видеть, что палка, под острым углом не до конца погруженная в воду, как бы “переламывается” у водной поверхности. Нижняя часть палки, находящаяся в воде, приобретает иной наклон, чем верхняя, находящаяся в воздухе. Это происходит вследствие преломления света, всегда проявляющегося при переходе светового луча из одной среды в другую, то есть на границе двух веществ, если луч направлен косо к поверхности их раздела. Светопреломление в кристалле происходит по закону преломления света: Лучи падающий, преломленный и перпендикуляр, проведенный к границе раздела двух средств, в точке падания луча, лежат в одной плоскости; отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных двух сред. Относительным показателем преломления второй среды относительно первой называется физическая величина, равная отношение синуса угла падения луча к синусу угла преломление: sin 𝛼 sin 𝛽 = 𝑛21 Величина светопреломления всех кристаллов драгоценных камней одного и того же минерального вида постоянна (иногда она слегка колеблется, но в пределах весьма узкого интервала). Поэтому числовое выражение этой 14 величины - показатель преломления (часто называемый просто преломлением или светопреломлением) - используется для диагностики драгоценных камней. Показатель преломления определяется как отношение скоростей света в воздухе и в кристалле. Дело в том, что отклонение светового луча в кристалле вызывается именно уменьшением скорости распространения этого луча в 𝑐 оптически более плотной среде: 𝑛 = υ Плотностью (прежде ее именовали удельным весом) называется отношение массы вещества к массе того же объема воды. Следовательно, камень, имеющий плотность 2,6, во столько же раз тяжелее равного объема воды. Плотность определяют двумя методами: методом гидростатического взвешивания и методом погружения в тяжелые жидкости. Первый из них хотя и отнимает много времени, но не требует больших затрат. Что же касается второго метода, то он довольно сложен, а подчас и дорог, но зато позволяет быстро провести надежное сравнение по плотности крупных партий незнакомых камней. Метод гидростатического взвешивания основан на законе Архимеда; путем погружения неизвестного камня в воду определяется его объем, а плотность затем рассчитывается по простой формуле: Плотность камня = Масса камня Объем камня . Гидростатические весы каждый может смастерить собственными силами. Достаточно приспособить для этого аптекарские рычажные весы. Испытуемый объект взвешивается сначала в воздухе, а затем в воде; разность полученных значений соответствует массе вытесненной воды и тем самым в числовом выражении - объему камня. Многие вещества в кристаллическом состоянии могут существовать в двух или более фазовых разновидностях (модификациях), отличающихся физическими свойствами. Это явление называется полиморфизмом. Каждая модификация устойчива в определенном интервале температур и давлений. Упорядоченное расположение атомов или молекул в кристалле определяется действием сил межатомного или межмолекулярного взаимодействия. Тепловое движение атомов и молекул нарушает эту упорядоченную структуру. При каждом сочетании давления и температуры реализуется тот тип укладки частиц, который в данных случаях наиболее устойчив и энергетически выгоден, т. е. то или иное фазовое состояние. Превращения кристаллов одного и того же вещества с различным типом решетки друг с другом происходят в соответствии с фазовыми переходами типа плавления и испарения. Каждому давлению соответствует определённая температура, при которой оба типа кристаллов сосуществуют. При изменении этих условий происходит фазовый переход. Хорошим примером данного 15 явления является углерод. В природе встречаются три аллотропические модификации углерода: алмаз, графит и карбин. Алмаз кристаллическое вещество с атомной кристаллической решеткой. Каждый атом в кристалле алмаза связан атомами. Это обусловливает исключительную твердость алмаза. Алмаз широко применяют для обработки особо твердых материалов: для резки стекла, при буровых работах, для вытягивания проволоки и др. Алмаз практически не проводит электрический ток, плохо проводит тепло. Прозрачные образцы алмаза сильно преломляют лучи света и при огранке красиво блестят, из таких алмазов делают украшения (бриллианты). Графит непрозрачен, серого цвета, обладает металлическим блеском. В кристаллической решетке графита атомы углерода расположены слоями, состоящими из шестичленных колец. В них каждый атом углерода связан прочными ковалентными связями с тремя соседними атомами. За счет четвертого валентного электрона каждого слоя возникает металлическая связь. Этим объясняется металлический блеск и довольно хорошая электрическая проводимость и теплопроводность графита. Из графита изготовляют электроды для электрохимических и электрометаллургических процессов. Между слоями в графите действуют межмолекулярные силы. Поэтому графит легко расслаивается на чешуйки. При слабом трении графита о бумагу на ней остается серый след (“графит” от латинского “пишущий”). Графит применяют для изготовления грифелей карандашей, в технике в качестве смазочного материала. Графит тугоплавок, химически весьма устойчив. Из смеси графита с глиной изготовляют, огнеупорные тигли для выплавки металлов в металлургии. Графит применяют как материал для труб теплообменников в химической промышленности. В ядерных реакторах его используют в качестве замедлителя нейтронов. Карбин стал известен сравнительно недавно. Он был получен советскими учеными, а уже позднее обнаружен в природе. Это черный порошок. Кристаллическая решетка построена из линейных углеродных цепочек. По электрической проводимости карбин занимает промежуточное положение между алмазом (диэлектрик) и графитом (проводник): карбин полупроводник.4 1.6. Применение кристаллов. 1. Алмаз. Около 80% всех добываемых природных алмазов и все искусственные алмазы используются в промышленности. Алмазные инструменты 4 Н.Ашкрофт, Н.Мермин, «Физика твердого тела», Мир, 1979 16 используются для обработки деталей из самых твёрдых материалов, для бурения скважин при разведке и добыче полезных ископаемых, служат опорными камнями в хронометрах высшего класса для морских судов и других, особо точных приборах. На алмазных подшипниках не обнаруживается никакого износа даже после 25 млн оборотов. Высокая теплопроводность алмаза позволяет использовать его в качестве теплоотводящей подложки в полупроводниковых электронных микросхемах. Конечно, алмазы используются и в ювелирных изделиях – это бриллианты. 2. Рубин. Высокая твёрдость рубинов, или корундов, обусловила их широкое применение в промышленности. Из 1 кг синтетического рубина получается около 40 000 опорных камней для часов. Незаменимыми оказались рубиновые стержни- нитеводители на фабриках по изготовлению химического волокна. Они практически не изнашиваются, в то время как нитеводители из самого твёрдого стекла при протяжке через них искусственного волокна изнашиваются за несколько дней. Новые перспективы для широкого применения рубинов в научных исследованиях и в технике открылись с изобретением рубинового лазера, в котором рубиновый стержень служит мощным источником света, испускаемого в виде тонкого луча. 3. Жидкие кристаллы. Это необычные вещества, которые совмещают в себе свойства кристаллического твёрдого тела и жидкости. Подобно жидкостям они текучи, подобно кристаллам обладают анизотропией. Строение молекул жидких кристаллов таково, что концы молекул очень слабо взаимодействуют друг с другом, в то же время боковые поверхности взаимодействуют очень сильно и могут прочно удерживать молекулы в едином ансамбле. Жидкие кристаллы: смектические (слева) и холестерические (справа) Наибольший интерес для техники представляют холестерические жидкие кристаллы. В них направление осей молекул в каждом слое немного отличается друг от друга. Углы поворота осей зависят от температуры, а от угла поворота зависит окраска кристалла. Эта зависимость используется в медицине: можно непосредственно наблюдать распределение температуры по поверхности человеческого тела, а это важно для выявления скрытых под кожей очагов воспалительного процесса. Для исследования изготовляют тонкую полимерную плёнку с микроскопическими полостями, заполненными холестерином. Когда 17 такую плёнку накладывают на тело, то получается цветное отображение распределения температуры. Этот же принцип используется в жидкокристаллических термометрах. Наиболее широкое применение жидкие кристаллы получили в буквенноцифровых индикаторах электронных часов, микрокалькуляторов и т.д. Нужная цифра или буква воспроизводится с помощью комбинации небольших ячеек, выполненных в виде полосок. Каждая ячейка заполнена жидким кристаллом и имеет два электрода, на которые подаётся напряжение. В зависимости от величины напряжения, «загораются» те или иные ячейки. Индикаторы можно делать чрезвычайно миниатюрными, они потребляют мало энергии. Жидкие кристаллы применяются в различного рода управляемых экранах, оптических затворах, плоских телевизионных экранах. 4. Полупроводники. Исключительная роль выпала на долю кристаллов в современной электронике. Многие вещества в кристаллическом состоянии не являются такими хорошими проводниками электричества, как металлы, но их нельзя отнести и к диэлектрикам, т.к. они не являются и хорошими изоляторами. Такие вещества относят к полупроводникам. Это большинство веществ, их общая масса составляет 4/5 массы земной коры: германий, кремний, селен и др., множество минералов, различные оксиды, сульфиды и др. Наиболее характерным свойством полупроводников является резкая зависимость их удельного электрического сопротивления под воздействием различных внешних воздействий: температуры, освещения. На этом явлении основана работа таких приборов, как термисторы, фоторезисторы. Объединяя полупроводники различного типа проводимости, можно пропускать электрический ток только в одном направлении. Это свойство широко используется в диодах, транзисторах. Исключительно малые размеры полупроводниковых приборов, иногда всего в несколько миллиметров, долговечность, связанная с тем, что их свойства мало меняются со временем, возможность легко изменять их электропроводность открывают широкие перспективы использования полупроводников сегодня и в будущем. 18 5. Полупроводники в микроэлектронике. Интегральной микросхемой называют совокупность большого числа взаимосвязанных компонентов – транзисторов, диодов, резисторов, конденсаторов, соединительных проводов, изготовленных на одном кристалле. При изготовлении интегральной схемы на пластинку из полупроводника (обычно это кристаллы кремния) наносятся последовательно слои примесей, диэлектриков, напыляются слои металла. В результате на одном кристалле формируется несколько тысяч электрических макроприборов. Размеры такой микросхемы обычно 5 5 мм, а отдельных макроприборов – порядка 10–6 м. В последнее время всё чаще стали обсуждать возможность создания электронных микросхем, в которых размеры элементов будут сопоставимы с размерами самих молекул, т.е. порядка 10–9–10–10 м. Для этого на очищенную поверхность монокристалла никеля или кремния с помощью туннельного микроскопа напыляются небольшие количества атомов или молекул других веществ. Поверхность кристалла охлаждается до –269 °С, чтобы исключить заметные перемещения атомов вследствие теплового движения. Размещение отдельных атомов в заданных местах открывают фантастические возможности создания хранилищ информации на атомном уровне. Это уже предел «миниатюризации». 6. Вольфрам и молибден. На современном уровне технического развития резко возросли скорости нагрева и охлаждения деталей приборов и машин, значительно увеличился интервал температур, при которых им приходится работать. Очень часто требуется длительная работа при очень высоких температурах, в агрессивных средах. Также необходимы машины, способные выдерживать большое число температурных циклов. При таких сложных условиях эксплуатации детали и целые узлы многих машин и приборов очень быстро изнашиваются, покрываются трещинами и разрушаются. Для работы при высоких температурах широко применяются тугоплавкие металлы, например, молибден и вольфрам. монокристаллы вольфрама и молибдена, полученные при помощи зонной плавки, используются для изготовления сопел реактивных и прямоточных воздушно-реактивных 19 двигателей, обшивок головных частей ракет, ионных двигателей, турбин, атомных силовых установок и во многих других устройствах и механизмах. Поликристаллические вольфрам и молибден применяются для изготовления анодов, катодов, нитей накаливания в лампах, высокотемпературных электрических печей. 7. Кварц. Это диоксид кремния, один из самых распространённых минералов земной коры, по сути, песок. Природные кристаллы кварца имеют размеры от песчинок до нескольких десятков сантиметров, встречаются кристаллы размером до одного метра и более. Чистый кристалл кварца бесцветен. Ничтожные посторонние примеси вызывают разнообразную окраску. Прозрачные бесцветные кристаллы – это горный хрусталь, фиолетовые – аметист, дымчатые – раухтопаз. Оптические свойства кварца обусловили широкое применение его в оптическом приборостроении: из него делают призмы для спектрографов, монохроматоров. Кварц в отличие от стекла хорошо пропускает ультрафиолетовое излучение, поэтому из него изготавливают специальные линзы, применяемые в ультрафиолетовой оптике. Кварц также обладает пьезоэлектрическими свойствами, т.е. способен преобразовывать механическое воздействие в электрическое напряжение. Благодаря этому свойству кварц широко применяется в радиотехнике и электронике – в стабилизаторах частоты (в том числе и в часах), всевозможных фильтрах, резонаторах и т.д. С помощью кристаллов кварца возбуждают (и измеряют) малые механические и акустические воздействия.5 2.1. 2. Эксперимент. Метод выращивания кристалла в домашних условиях. Современная промышленность не может обойтись без самых разнообразных кристаллов. Они используются в часах, транзисторных приёмниках, вычислительных машинах, лазерах и многом другом. Великая лабораторияприрода - уже не может удовлетворить спрос развивающейся техники, и вот на специальных фабриках выращивают искусственные кристаллы: маленькие, почти не заметные, и большие - весом в несколько килограммов. Существуют различные способы выращивания кристаллов. Часто этот процесс требует высоких температур и огромных давлений, но некоторые кристаллы можно выращивать и в домашних условиях. Проще всего дома выращивать кристаллы алюмокалиевых квасцовKAL(SO4)2*12H2O. Вещество это можно купить в любом магазине химреактивов, и оно абсолютно безвредно. Если в воде при постоянной 5 Н.Ашкрофт, Н.Мермин, «Физика твердого тела», Мир, 1979 20 температуре растворять какое-нибудь вещество, то через некоторое время растворение прекращается. Такой раствор называется насыщенным, а максимальное количество вещества, которое можно растворить при данной температуре в 100 граммах воды, называется его растворимостью. Обычно с повышением температуры растворимость увеличивается. Поэтому раствор, насыщенный при одной температуре, становиться недосыщенным при более высокой температуре. Если же насыщенный раствор охладить, избыток вещества выпадает в осадок. Следовательно, один из способов выращивания кристаллов заключается в том, что надо дать насыщенному раствору охладиться. Можно выращивать кристаллы и выпариванием. Ведь если насыщенный раствор испаряется, объём его уменьшается, а количество растворённого вещества остаётся прежним. Иначе говоря, опять создаётся избыток вещества, который выпадает в осадок. Нужно взять насыщенный раствор и нагреть его. Сосуд с полученным недосыщенным раствором накрыть стеклом и дать раствору спокойно охладиться до температуры более низкой, чем температура насыщения. При этом осадок может и не выпасть, и получается перенасыщенный раствор. Дело в том, что для образования кристалла необходима «затравка». Ею может служить маленький кристаллик того же вещества или пылинка. Иногда достаточно качнуть сосуд с перенасыщенным раствором или снять прикрывающее его стекло, как начинается мгновенная кристаллизация. При этом обычно образуется множество мелких кристалликов. Для того чтобы вырастить крупный кристалл, необходимо ограничить число «затравок». Лучше всего внести искусственную «затравку», роль которой может исполнять один из кристалликов, полученных ранее. 6 2.2. Проведение эксперимента. 1. Помыла хорошо банку. 2. Налила в банку 700 мл воды. 3. Поставила банку на водяную баню. 4. Вода закипела. 5. Добавила 6 столовых ложек соли так, что бы было перенасыщение воды. 6. Добавила 0,5 чайной ложки марганцовки. 7. Выключила плиту, оставив все на плите и под вешала нить с пуговицей над банкой с насыщенным раствором соли. 8. Смесь остыла. 6 http://www.waynesthisandthat.com 21 9. Через сутки началась кристаллизация. 10. Через несколько дней были видны кристаллы. 11. Когда испарилось много вещества, я еще добавила в банку насыщенного раствора. 12. Наблюдала рост кристалла в течение одного месяца. 13. Вырастила кристалл. 2.3.Наблюдение за кристаллом. Дневник наблюдений День Действие Результат наблюдения Первый Подготовила Через 2 часа на нити образовалось стеклянную множество небольших кристаллов. ёмкость для опытов. Приготовила насыщенный солевой раствор. Над банкой под вешала нить. Второй Наблюдение Количество небольших кристаллов на нити увеличилось. 22 Третий Наблюдение Слой кристаллов на нити достиг 0,1 см. На нитке образовалось несколько крупных кристаллов. Пятый Наблюдение Кристалл растет быстрее и на нити уже образовался большой слой многогранных кристаллов. Седьмой Наблюдение Кристалл полностью покрыл нить. 23 Девятый Наблюдение Сверху над нитью начал образовываться нарост кристалла меньшей плотности, более хрупкий и не прозрачный. Десятый Наблюдение Размеры кристаллов стремительно увеличиваются. Уровень насыщенного раствора уменьшается. 24 Двенадцатый Наблюдение Четырнадцатый Добавила насыщенный раствор марганцовки. Уровень раствора уменьшился вдвое, кристаллы продолжают увеличиваться. Кристалл сразу стал светлым. Еще немного вырос. Нарост, который был без сверху, исчез - растворившись. 25 Пятнадцатый Добавила в раствор Кристалл сразу приобрел более пол чайной ложки насыщенный цвет и снизу сильно марганцовки. потемнел. Приобрел яркий насыщенный фиолетовый цвет. Шестнадцатый Наблюдение Кристалл стал намного больше. Снизу все так же темный. Начал образовываться нарост сверху. 26 Двадцать первый Наблюдение Кристалл увеличился в размере. Нижняя часть значительно темнее, ярче, чем сверху. Немного вырос нарост сверху. 27 Двадцать шестой Достала из банки кристалл и покрасила бесцветным лаком для ногтей. Кристалл немного увеличился в размере. Когда достала из банки, то из ярко фиолетового цвета, превратился в желтокоричневый цвет. 28 3. Результаты исследования. 3.1.Полученный результат. Вырос многогранный кристалл желто-коричневого цвета. Используя насыщенный раствор медного купороса, я вырастила поликристалл ярко голубого цвета. 3.1. Выводы по полученному результату. Изучив основные этапы выращивания кристаллов из теоретических источников, на практике в домашних условиях мне удалось вырастить кристаллы поваренной соли и медного купороса, а также выработать рекомендации по выращиванию кристаллов. Выращивание кристаллов – процесс очень интересный, но достаточно длительный. На первом этапе моего исследования мне хотелось получить кристалл из поваренной соли и марганцовки, так как они есть дома у каждого и для выращивания не надо никаких сложных инструментов и дорогих затрат. Затем захотелось вырастить кристалл, который был бы прочнее, не такой хрупкий как поваренная соль. Прочитав дополнительную литературу, я использовала соль медного купороса. Далее возникла потребность, чтобы кристалл был более ярким. Данного результата я добилась, меняя каждый день раствор медного купороса. Процесс выращивания не требует наличия каких-то особых химических препаратов. 3.2. Применение полученного результата. Мои кристаллы достаточно объемные и имеют красивую форму, поэтому я решила их использовать как предмет бижутерии – браслет, и как материал для создания картины. Для этого кристалл покрыла несколькими слоями прозрачного лака, из одного сделала браслет – добавив карабин – застежку. А голубой кристалл использовала для создания картины. Практическая значимость: Из выращенных мною кристаллов поваренной соли и медного купороса получилась замечательная коллекция. Приобретенные знания, умения и навыки обязательно пригодятся в дальнейшей учёбе. 1 Выводы. Кристаллы загадочны по своей сущности и насколько неординарны, что в этой моей работе была рассказана лишь малая часть того, что известно о кристаллах в настоящее время. Мы можем встретить кристаллы везде: в облаках, в глубинах Земли, на вершинах гор, в песчаных пустынях, в морях и океанах, в научных лабораториях, в клеточках растений, в живых и мёртвых организмах. И дома на кухне. Оказывается, что кристаллизация вещества совершается не только на нашей планете. Мы знаем, что и на других планетах и далёких звёздах всё время непрерывно возникают, растут и разрушаются кристаллы. Метеориты, космические посланцы, тоже состоят из кристаллов, причём иногда в их состав входят кристаллические вещества, на Земле не встречающиеся. В результате изучения литературы и проведения практической работы я пришла к следующим выводам: 1. Кристалл – это твердое состояние вещества. Он имеет определенную форму и определенное количество граней. 2. Кристаллы окружают нас повсюду и имеют широкое применение в практической деятельности человека. 3. Моя гипотеза подтвердилась: кристаллы можно вырастить в домашних условиях. Для этого я использовала: поваренную соль, соль медного купороса. 2 4. Люди используют кристаллы, делают из них украшения, любуясь ими. Теперь, когда изучены методы искусственного выращивания кристаллов, область их применения расширилась, и, возможно, будущее новейших технологий принадлежит кристаллам и кристаллическим агрегатам. Выполнив данный проект, я сделала вывод, что любой «камень» по-своему красив, если рассмотреть его внутренние состояния, а, кроме того, он интересен, если узнать, какие процессы лежат в основе его образования. Я достигла поставленной, в начале работы, цели. Результатом-продуктом моего исследования стала картина, выполненная из выращенных мною кристаллов, а также я сделала буклет для всех желающих вырастить и создать чудо-кристалл. И я знаю, что таких желающих много! Литература. 1. Джон Фарндон, «Драгоценные и поделочные камни, полезные ископаемые и минералы – энциклопедия коллекционера», Эксмо, 2008 2. Ольгин О., «Опыты без взрывов» 3. Г.М. Кузьмичева, «Геометрическая макрокристаллография», М: МИТХТ, 2002 4. «Общая Химия», МГУ, 1989 5. Н.Ашкрофт, Н.Мермин, «Физика твердого тела», Мир, 1979 6. http://www.waynesthisandthat.com/crystals.htm#fast - fast 7. http://alhimik.ru/ 8. http://www.cco.caltech.edu/~atomic/snowcrystals/project/project.htm 9. http://www.xumuk.ru/ 3 1