Районная научно-практическая конференция школьников

Районная научно-практическая конференция школьников.
«Поиск. Исследование. Открытие»
по физике по теме:
«Кристаллы и их свойства».
Автор работы:
Осипова Е.
МБОУ Яркуль-Матюшкинская СОШ.
Ученица 8 класса.
Руководитель:
учитель физики первой квалификационной категории
Корш Е.С.
-2014-
Аннотация.
Темой своей исследовательской работы я выбрала кристаллы, так как считаю эту область
физики одной из самых интересных для изучения и работы. Во время изучения темы «Строение
веществ» в 7 классе эта тема меня очень заинтересовала.
В наше время наука идёт вперёд с огромной скоростью. Для воплощения в жизнь некоторых
проектов требуются материалы, обладающие определёнными свойствами, но эти материалы не
существуют в природе, но их можно вырастить искусственно.
По моему мнению, изучение кристаллов, во всех их проявлениях, является наиболее
перспективным и востребованным занятием в области физики твёрдого тела на несколько
ближайших десятилетий.
Оглавление.
Кристаллы и их свойства………………………………………………стр 1
Применение кристаллов……………………………………………….стр 3
Выращивание кристаллов………………………………………….….стр 5
Как вырастить кристалл?........................................................................стр 6
Процесс выращивания кристалла поваренной соли……………..…..стр 6
Вывод……………………………………………………………………стр 7
Список литературы……………………………………………………..стр 8
Кристаллы и их свойства.
Цель: изучить одно из самых красивых, удивительных чудес природы – кристаллы,
познакомиться с особенностями их строения, свойствами.
Задачи:
1.Анализ литературы по теме «Кристаллы и их свойства».
2.Выявление свойств кристаллов, обусловленных физическим строением.
3.Исследование способов получения искусственных кристаллов.
Гипотеза: Различные кристаллы можно вырастить в домашних условиях.
Кристаллы .
Кристаллы (от греч. krystallos – кристалл- первоначально - лед)
Кристаллическими называют твердые тела, физические свойства которых не одинаковы в
различных направлениях, но совпадают в параллельных направлениях.(приложение 1)
Это вещества, атомы которых расположены регулярно, так, что образуют правильную
трёхмерную решётку, называемую кристаллической.(приложение 2). Кристаллам ряда
химических элементов и их соединений присущи замечательные механические, электрические,
магнитные и оптические свойства. Главным отличием кристаллов от других твёрдых тел
является наличие кристаллической решётки – совокупности периодически расположенных
атомов, молекул или ионов.
Теория решётчатого строения кристаллов была создана в середине 19 века французским
кристаллографом О. Бравэ, а затем русский кристаллограф академик Е. С. Фёдоров и немецкий
учёный А. Шенфлис завершили математическую разработку этой теории.(приложение 3). При
создании и разработке теории решетчатого строения кристаллов Бравэ, Фёдоров и др.
кристаллографы основывались исключительно на некоторых важных свойствах
кристаллического вещества.
Основные свойства кристаллов – анизотропность, однородность, способность к
самоогоранению и наличие постоянной температуры плавления определяются их внутренним
строением.
Анизотропность. Это свойство называется еще неравносвойственностью. Выражается она в
том, что физические свойства кристаллов (твердость, прочность, теплопроводность,
электропроводность, скорость распространения света) неодинаковы по разным направлениям.
Частицы, образующие кристаллическую структуру по непараллельным направлениям, отстоят
друг от друга на разных расстояниях, вследствие чего и свойства кристаллического вещества по
таким направлениям должны быть различными. Характерным примером вещества с ярко
выраженной анизотропностью является слюда. Кристаллические пластинки этого минерала
легко расщепляются лишь по плоскостям, параллельным его пластинчастости. В поперечных
же направлениях расщепить пластинки слюды значительно труднее.( приложение 4).
Однородность
Выражается в том, что любые элементарные объемы кристаллического вещества, одинаково
ориентированные в пространстве, абсолютно одинаковы по всем своим свойствам: имеют один
и тот же цвет, массу, твердость и т.д. таким образом, всякий кристалл есть однородное, но в то
же время и анизотропное тело.
Однородность присуща не только кристаллическим телам. Твердые аморфные образования
также могут быть однородными. Но аморфные тела не могут сами по себе принимать
многогранную форму. Кристаллы могут иметь форму различных призм, основанием которых
могут быть правильный треугольник, квадрат, параллелограмм и шестиугольник. Но при этом
они обладают замечательным свойством - какими бы ни были размеры, форма и число граней
одного и того же кристалла, все плоские грани пересекаются друг с другом под определенными
углами. Углы между соответственными гранями всегда одинаковы. Кристаллы каменной соли,
например, могут иметь форму куба, параллелепипеда, призмы или тела более сложной формы,
но всегда их грани пересекаются под прямыми углами.(приложение 6 ).
Кристаллы имеют два состояния – твёрдое и жидкое.(приложение 7 ). В зависимости от
внутреннего строения жидкие кристаллы разделяют на три класса: нематический,
смектический, холестерический.
Кристаллы замёрзшей воды, т.е. лёд и снег известны всем. Эти кристаллы почти полгода (а в
полярных областях и круглый год) покрывают необозримые пространства Земли, лежат на
вершинах гор и сползают с них ледниками, плавают айсбергами в океанах.
Ледяной покров реки, массив ледника или айсберга – это, конечно, не один большой
кристалл. Плотная масса льда обычно поликристаллическая, т.е. состоит из множества
отдельных кристаллов. Их не всегда различишь потому, что они мелки и все срослись вместе.
Одновременное сочетание свойства кристаллов – анизотропиии свойства жидкости – текучести
объясняется тем, что вытянутые или плоские, как дощечки, молекулы, как и в «настоящих»
кристаллах, расположены упорядочено. Но в отличие от кристаллов, где «дальний порядок»
расположения атомов или молекул имеется во всех трех направлениях, в жидких кристаллах он
существует лишь в одном направлении. Молекулы жидкого кристалла совершают тепловое
движение весьма, своеобразно. Их центры масс движутся хаотично, но оси молекул при этом
перемещаются параллельно сами себе и осям других соседних, молекул, сохраняя взаимную
ориентацию. Зависимость свойств вещества от направления ориентации молекул вызывает
макроскопическую анизотропию в большой области.
Применение кристаллов.
Кристаллы встречаются нам по всюду: мы ходим по кристаллам, строим из них, выращиваем их
в лабораториях и в заводских установках, создаём приборы и изделия из кристаллов, широко
применяем их в технике и науке, едим кристаллы (вспомните поваренную соль), лечимся ими,
находим кристаллы в живых организмах, выходим на просторы космических дорог, используя
приборы
из
кристаллов.
В космических лабораториях на советской станции «Салют- 4», на американской «Скайлеб» во
время совместного полёта «Союз-Аполон» ставились опыты по выращиванию кристаллов в
условиях невесомости, недостижимой на Земле чистоты и глубокого вакуума. В космосе были
выращены полупроводниковые монокристаллы селенида германия и теллурида германия, в 10
раз большие, чем удалось вырастить в земных условиях, и значительнее более однородные. В
невесомости получены монокристаллы в форме сплошных и полых сфер, пригодные, например,
для шарикоподшипников, нитевидные кристаллы сапфира, отличающиеся большой
прочностью, выдерживающие давления, в десятки раз превышающие «земные».
Природные кристаллы не всегда достаточно крупны, часто они не однородны, в них имеются
нежелательные примеси. При искусственном выращивании можно получить кристаллы
крупнее, однороднее и чище, чем встречаются в природе.
Алмаз. Около 80% всех добываемых природных алмазов и все искусственные алмазы
используются в Промышленности. Алмазные инструменты 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.(приложение 8).
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.(приложение 9).
Кварц. Эго 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. Из плавленого
кварца изготавливают тигли, сосуды и другие емкости для химических
лабораторий.(приложение10).
Выращивание кристаллов.
Выращивание кристаллов - процесс очень интересный, но бывает достаточно длительным.
Полезно знать, какие процессы управляют его ростом; почему разные вещества образуют
кристаллы различной формы, а некоторые их вовсе не образуют; что надо сделать, чтобы они
получились большими и красивыми.
Если кристаллизация идёт очень медленно, получается один большой кристалл (или
монокристалл, например, при выращивании искусственных камней), если быстро — то
множество мелких (или поликристалл, например металлы).
Выращивание кристаллов в домашних условиях производят разными способами. Например,
охлаждая насыщенный раствор. С понижением температуры растворимость
веществ уменьшается (в основном, это касается безводной соли), 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 кристаллики правильной
формы. При быстром охлаждении возникает много мелких кристалликов, почти никакой из них
не имеет правильную форму, ведь ,их растёт множество и они мешают друг другу. (приложение
11)
Выращивание кристаллов можно осуществить и другим способом - постепенным удалением
воды из насыщенного раствора. И в этом случае, чем медленнее удаляется вода, тем лучше
получается результат. Оставьте открытым сосуд с раствором при комнатной температуре на
длительный срок, накрыв его листом бумаги, — вода при этом будет испаряться медленно, и
пыль в раствор попадать не будет. Растущий кристаллик можно либо подвесить в насыщенном
растворе на тонкой прочной нитке, либо положить на дно сосуда. В последнем случае
кристаллик периодически надо поворачивать на другой бок. По мере испарения воды в сосуд
следует подливать свежий раствор. Даже если наш исходный кристаллик имел неправильную
форму, он рано или поздно сам выправит все свои дефекты и примет форму, свойственную
данному веществу, например превратится в октаэдр, если используете соль хромокалиевых
квасцов, ромб - если используете медный купорос.
Выращивание кристаллов - процесс занимательный, но требующий бережного и осторожного
отношения к своей работе. Теоретически размер кристалла, который можно вырастить в
домашних условиях таким способом, неограничен. Известны случаи, когда энтузиасты
получали кристаллы такой величины, что поднять их могли только с помощью товарищей.Но, к
сожалению есть некоторые особенности их хранения (конечно каждая соль и вещество имеют
свои особенности). Например, если кристаллик квасцов оставить открытым в сухом воздухе, он,
постепенно теряя содержащуюся в нём воду, превратится в невзрачный серый порошок. Чтобы
предохранить его от разрушения, можно покрыть бесцветным лаком. Медный купорос и
поваренная соль - более стойки и вы смело можете с ними работать.
Как вырастить кристалл?
Вырастить кристалл можно из разных веществ. Например из сахара, даже каменное
искусственное выращивание камней, с соблюдением строгих правил по температуре, давлению,
влажности и других факторов (искусственные рубины, аметисты, кварц, цитрины, морионы).
В домашних условиях, конечно, всего этого у нас не получится, поэтому поступим другим
образом. Будем выращивать кристаллы соли. У всех у нас есть дома обычная пищевая соль
(наверное, знаете, что её химическое название хлорид натрия (NaCl)). Подойдёт и любая другая
соль (соль - с химической точки зрения), например, можно получить красивые синие кристаллы
из медного купороса или любого другого купороса (например железного). Можно
использовать квасцы (двойные соли металлов серной кислоты), тиосульфата натрия (раньше
использовался для изготовления фотографий). Для всех этих солей (да и вообще для соли) не
требуется особых каких-то условий: сделали раствор, опустили туда "зародыш" (всё это
подробно описано ниже) и растёт он себе, каждый день прибавляя в росте.
Да, не следует раскрашивать раствор, где растёт Ваш кристалл, например красками или чемнибудь подобным, - это лишь испортить сам раствор, а кристалл всё же не покрасит! Лучший
способ получить цветные кристаллы - это подобрать нужную по цвету соль!
Процесс выращивания кристалла поваренной соли.
Кристаллы поваренной соли - процесс выращивания не требует наличия каких-то особых
химических препаратов. У нас есть пищевая соль (или поваренная соль), которую мы
принимаем в пищу. Её также можно назвать и каменной. Кристаллы поваренной соли
NaCl представляют собой бесцветные прозрачные кубики. Начнём. Разведите раствор
поваренной соли следующим образом: налейте воды в ёмкость (например стакан) и поставьте
его в кастрюлю с тёплой водой (не более 50.°С - 60.°С. Насыпьте пищевую соль в стакан и
оставьте минут на 5, предварительно помешав. За это время стакан с водой нагреется, а соль
растворится. Желательно, чтобы температура воды пока не снижалась. Затем добавьте ещё соль
и снова перемешайте. Повторяйте этот этап до тех пор, пока соль не будет растворяться и будет
оседать на дно стакана. Мы получили насыщенный раствор соли. Перелейте его в чистую
ёмкость такого же объёма, избавившись от излишек соли на дне. Выберите любой
понравившийся более крупный кристаллик поваренной соли и положите его на дно стакана с
насыщенным раствором. Можно кристаллик привязать за нитку и подвесить, чтобы он не
касался стенок стакана. Теперь нужно подождать. Уже через пару дней можно заметить
значительный для кристаллика рост. С каждым днём он будет увеличиваться. А если проделать
всё то же ещё раз (приготовить насыщенный раствор соли и опустить в него этот кристаллик),
то он будет расти гораздо быстрее (извлеките кристаллик и используйте уже приготовленный
раствор, добавляя в него воды и необходимую порцию пищевой соли). Помните, что раствор
должен быть насыщенным, то есть при приготовлении раствора на дне стакана всегда должна
оставаться соль (на всякий случай). Для сведений: в 100г воды при температуре 20°С может
раствориться приблизительно 35 г поваренной соли. С повышением температуры
растворимость соли растёт.
Так выращивают кристаллы поваренной соли (или кристаллы соли, форма и цвет которых Вам
больше нравится)
Вывод:
Изучив различные литературные источники и интернет-ресурсы по теме, я выяснила, что
такое кристалл, как его получают и где его применяют. На своём опыте узнала, что кристаллы
можно сделать в домашних условиях, но нужно терпеливо подождать, чтобы кристалл вырос.
Описывая строение кристаллов, мы пользовались их идеальными моделями. Отличие реальных
кристаллов от идеальных заключается в том, что реальные кристаллы не обладают правильной
кристаллической решеткой, а имеют целый ряд нарушений в расположении атомов,
называемых дефектами. Знание условий образования дефектов и способов их устранения играет
большую роль при использовании кристаллов на практике. В ходе работы над темой я узнала и
увидела много интересного, хотя и не совсем понятного, поэтому в следующих классах буду
уделять этой теме особое внимание.
Список литературы:
1. Д.Кларк, Д.Флинт, Т.Хэар, К.Хэар, К.Твист; Энциклопедия окружающего мира; Москва
2000
2. М.П.Шаскольская; Кристаллы; Москва 1985
3. ООО «Мир книги» научное издательство; Новая иллюстрированная энциклопедия;
Москва 2003
4. ООО «Мир книги» научное издательство; 1001 вопрос и ответ. Большая книга знаний;
Москва 2004
Интернет-ресурсы:
www.news.ucdavis.edu
http://snowflakes.by.ru/www.SnowCristals.com
www.its.caltech.edu
ofenya.ru
http://glader.ru
http:// www.o8ode.ru/
http://chee-lan.narod.ru/
http://home-edu.ru
http://www.sunhome.ru
http://smartweb.ru/
http://top.list.ru/
http://www.press-uz.info/
http://www.nanometer.ru/