Пример исследовательской работы учащихся

Секция неорганическая химия
Исследовательская работа
«Выращивание кристаллов при различных внешних условиях»
Работу выполнила учащаяся 8 Б класса
Валиева Чулпан Даниловна
Научный руководитель:
Арентова Рамзия Сэнжэловна,
учитель химии высшей кв. категории.
2
Нижнекамск 2011 г.
Оглавление
Введение……………………………………………………………………………..5
Глава 1. Что такое кристалл………………………………………………………..6
1.1 Строение и свойства кристаллов………………………………………...6
1.2. Как растет кристалл…………………………………………………….. 7
Глава 2. Выращивание кристаллов – один из самых привлекательных химических
экспериментов………………………………………………………………………8
2.1 Выращивание кристаллов в искусственных условиях…………………8
2.2 Результаты эксперимента……………………………………………….11
Заключение…………………………………………………………………………12
Список литературы………………………………………………………………...13
Приложения………………………………………………………………………...14
3
Введение.
Нередко на земле находят камни такой формы, как будто их кто-то нарочно вырезал,
отшлифовал и отполировал. Правильная форма этих многогранников, безукоризненная
плоскость их гладких, блестящих граней поражает нас. Такие камни с природной, т. е.
сделанной не руками человека, многогранной формой называют кристаллами. Кристаллы
льда и снега – звёздочки снежинок, а также кристаллы прозрачного кварца – горного
хрусталя – еще с незапамятных времён привлекали к себе внимание людей.
Кристаллы очень разнообразны и по величине, и по форме. Одни из них – маленькие,
узкие, острые, как иголки; другие - как столбы, достигают нескольких метров в длину;
бывают кристаллы в виде лепестков тоньше листа бумаги и в виде пластов в метр толщиной.
Раньше кристаллы считали редкостью, «игрой природы», и люди совсем не знали их
строения. Но когда были, изобретены лупа и микроскоп, новый мир раскрылся перед
людьми. Посмотрите в лупу на свежий излом гранита, мрамора, песчаника. Эти породы тоже
состоят из кристаллов, только очень мелких и тесно соприкасающихся друг с другом. Все
металлы сложены из кристаллов. В глине, каучуке, костях, волосах, волокнах шерсти, шёлка,
найдены мельчайшие, даже в микроскоп не различимые зёрна кристаллического строения.
Мы каждый день едим кристаллы – сахар, соль. Их легко различить даже
невооружённым глазом.
Однажды в пустыне Сахаре нашли развалины древнего города, в котором все
постройки оказались сложенным из глыб каменной соли! В этой местности ничего не было,
кроме песка и соли. Из песка дом не построишь, вот и пришлось строить из кристаллов соли.
У нас такой город растаял бы в первый же дождливый день. Но в Сахаре дождей почти не
бывает, и поэтому соляной город простоял там несколько сот лет.
Некоторые живые организмы оказываются настоящими «фабрикатами» кристаллов:
кораллы образуют целые острова, сложенные из мельчайших
кристаллов кальция. Нет
такого места на Земле, где бы не было кристаллов.
Итак, кристаллы повсюду. Они разнообразны, красивы, загадочны.
Мне захотелось побольше узнать о том, какие бывают кристаллы, как они образуются,
чем отличаются, и попытаться самой вырастить это маленькое чудо; эта работа очень
трудоемкая, и из-за этого она становится увлекательнее, потому что в конечном итоге ты
сможешь оценить свой труд. Поэтому я выбрала для своего исследования работу по химии,
посвящённую кристаллам. Мы предположили, что условия, в которых растут кристаллы,
должны влиять на их рост и форму, и решили проверить это на опыте.
4
Целью моей работы было вырастить кристалл медного купороса в домашних
условиях.
Перед собой я ставила следующие задачи:
1) изучить в литературе способы выращивания кристаллов, которые можно проводить
в химической лаборатории, а при наличии реактивов – и дома;
2) вырастить кристаллы медного купороса в домашних условиях;
3) определить, как влияют способы охлаждения перенасыщенного раствора на
образование, рост и внешнюю форму кристалла.
Глава 1. Что такое кристалл
1.1 Строение и свойства кристаллов
Что же такое кристаллы? Как отличить кристаллы от некристаллических твердых тел?
Может быть, по многогранной форме? Но у кристаллических зерен в металле или в горной
породе форма неправильная; а с другой стороны, стекло, например, тоже может быть
многогранным — кто не видел граненых стеклянных бус? Однако мы говорим, что стекло —
некристаллическое вещество. Почему?
Прежде всего, потому, что кристаллы сами, без помощи человека, принимают свою
многогранную форму, а стекло должно быть огранено рукой человека. Все вещества в мире
построены из мельчайших, не видимых глазом, непрерывно движущихся частиц — из ионов,
атомов, молекул.
Правильное периодическое расположение атомов (или других частиц) в кристалле называется
кристаллической
решеткой.
Каждый
кристалл
имеет
свою
характерную
многогранную форму, которая зависит от строения его решетки. Например, кристаллы поваренной соли имеют обычно форму куба, другие вещества кристаллизуются в форме различных пирамид, призм, восьмигранников (октаэдров) и других многогранников.
Выращивание больших монокристаллов соединений, растворимых в воде.
рис. 1
А).
Б).
В).
А – Монокристалл медного купороса – это призма, в сечении которой
5
лежит ромб.
Б – Монокристалл квасцов – октаэдр.
В – Монокристалл хлорида натрия – куб.
Внутренним
строением
кристаллов
определяются
и
удивительные
свойства
кристаллов. Например, решетка графита состоит из слоев, причем расстояния между этими
слоями гораздо больше, чем расстояния между отдельными атомами внутри каждого слоя.
Такие слои сравнительно легко сдвигаются, скользят один вдоль другого. Именно
этим свойством графита мы пользуемся, когда пишем графитовым карандашом: слои
кристаллов графита сдвигаются, и чешуйки графита пристают к бумаге.
Строение алмаза совсем иное, чем у графита; здесь нет легко сдвигающихся слоев, и
алмаз оказывается гораздо прочнее графита. Каждый знает кристаллы слюды. Слюду легко
расщепить лезвием ножа или просто пальцами: листочки слюды отделяются друг от друга
почти без труда. Но попробуйте разделить, разрезать или разбить слюду поперек плоскости
пластинки — это очень трудно: слюда, непрочная вдоль плоскости листка, в поперечном
направлении оказывается намного прочнее. Прочность кристаллов слюды в разных
направлениях различна.
Если нагревать какое-нибудь тело, то оно начнет расширяться. И тут легко увидеть
разницу между веществами кристаллическими и некристаллическими: стекло будет
расширяться по всем направлениям одинаково, а кристалл — по разным направлениям
различно. Кристалл кварца, например, расширяется в продольном направлении вдвое
больше, чем в поперечном.
1.2. Как растет кристалл.
Учёных давно интересовало, как образуются кристаллы; почему разные вещества
дают кристаллы разной формы, а некоторые вовсе не образуют кристаллов; что надо сделать,
чтобы кристаллы получились большими и красивыми. Исследования показали, что
кристаллы – вещества, в которых мельчайшие частички (атомы, ионы или молекулы)
упакованы в определенном порядке. Именно этот порядок и определяет форму кристалла. А
зависит он как от геометрической формы частиц, из которых построен кристалл, ионов или
молекул, так и от того, как они друг к другу притягиваются, какими частями могут
соприкасаться, а какими нет.
Одни вещества кристаллизуются легко, другие с большим трудом или вовсе не
образуют кристаллов.
6
Если охлаждение медленное, зародышей кристаллов образуется немного, и,
постепенно обрастая частичками вещества со всех сторон, они превращаются в красивые
кристаллики правильной формы. При быстром же охлаждении образуется много центров
кристаллизации, и кристаллы получатся неправильной формы, и к тому же слишком мелкие.
Ещё очень важно, чтобы раствор не содержал посторонних частичек (пылинок и т. д.),
иначе в растворе на них начнется кристаллизация, и в результате получится то же самое, что
и при быстром охлаждении раствора.
Глава 2. Выращивание кристаллов – один из самых привлекательных химических
экспериментов.
2.1 Выращивание кристаллов в искусственных условиях.
Выращивание кристаллов поистине увлекательное занятие и, пожалуй, самое простое,
доступное и дешёвое для большинства начинающих химиков, максимально безопасное с
точки зрения ТБ, что немаловажно для тех, кто проводит эксперименты в домашних
условиях.
График показывает растворимость некоторых солей в воде. Как показывает практика,
наиболее распространёнными среди них являются: хлорид натрия NaCl, медный купорос
CuSO4·5H2O, квасцы (алюмокалиевые KAl(SO4)2·12H2O, хромокалиевые KCr(SO4)2·12H2O).
Менее распространены, но также используемы бихромат K2Cr2O7 и хромат калия K2CrO4,
7
красная кровяная K3[Fe(CN)6] и жёлтая кровяная K4[Fe(CN)6] соли, соединения тяжелых
металлов, органические соединения и т.п.
Как правило, при выборе материала важны следующие факты:

доступность и дешевизна;

вещество должно быть стабильным (в частности, к повышению температуры) и
химически чистым;

способность вещества растворяться в доступном растворителе;

должен быть известен характер растворения вещества (иногда приходится
наблюдать экзо - или эндотермическое растворение);

вещество не должно вступать в химическую реакцию со средой (здесь имеется
в виду воздух) и растворителем или давать с ним устойчивую систему, несклонную к
кристаллизации (попытки кристаллизовать гидроксиды щелочных металлов, сахарные
сиропы к успеху не приведут);

образующиеся кристаллы должны быть стабильны (на воздухе кристаллы
хромокалиевых
квасцов,
тиосульфата
и
сульфита
натрия
выветриваются:
теряют
кристаллизационную воду, превращаясь в порошок);
Требуемое оборудование:

химическая посуда (большие термостойкие плоскодонные стаканы от 0,05 до 3
л (и более, если такое возможно));

водяная баня (в домашних условиях это может быть старая кастрюля);

сосуд для кипячения на водяной бане (круглодонные колбы от 1 л и более);

фильтровальная бумага (промокашка, салфетка);
Описание методик выращивания кристаллов (из раствора, где растворитель – вода)
можно свести к трём пунктам:
1.
Выращивание больших монокристаллов (длина рёбер от 1 см и более)
соединений, растворимых в воде.
2.
Получение кристаллов мало- или нерастворимых соединений в воде.
3.
Получение кристаллов простых веществ (металлов и неметаллов).
Основой выращивания является насыщенный раствор соли. Авторы многих книг по
выращиванию кристаллов свои методики основывают на:

приготовление
пересыщенных
растворов
(самая
распространённая)
с
дальнейшей кристаллизацией в открытом (закрытом: термостат) сосуде;

испарение насыщенного раствора открытым (закрытым: эксикатор) способом.
Мы использовали первый вариант. Ниже речь пойдёт о медном купоросе. В каждой
методике выращивания можно выделить несколько подпунктов.
8
Приготовление маточного раствора:
Для приготовления маточного раствора требуется чистый, хорошо вымытый
термостойкий стакан на 1л. В него наливают горячую (t=500С, при высоких температурах
вещество сильно гидролизуется) кипячёную воду или, что лучше, дистиллированную 700800 мл. В стакан засыпают вещество небольшими порциями (1 порция = 1 столовая ложка
без горки), каждый раз перемешивая и добиваясь полного растворения. Когда раствор
“насытится” – вещество будет оставаться на дне, добавляют ещё две порции и оставляют
раствор при комнатной температуре на сутки. Чтобы в раствор не попала пыль, его
накрывают листом фильтровальной бумаги и оставляют в той части помещения, где
сохраняется постоянная температура.
На следующий день осматривают раствор. В нём не должны плавать примеси. На дне
должен оставаться избыток кристаллов. В том случае, если обнаружены примеси, раствор
подогревают на 200C (поставьте стакан с раствором в таз с тёплой водой на 1-2 часа) и
фильтруют на воронке, внутрь которой помещают фильтр или (что быстрее и лучше) кусочек
ваты, затем повторяют охлаждение до комнатной температуры.
Получение кристалла-затравки.
Раствор аккуратно сливают с осадка кристаллов и в количестве 1л помещают в
термостойкую круглодонную колбу. Туда же помещают 1 чайную ложку (с горкой)
химически чистого вещества (это могут быть те выпавшие кристаллы). Теперь колбу
нагревают на водяной бане, добиваясь полного растворения, как правило, в окрашенных
растворах окраска, из-за избытка вещества, становится интенсивнее. Полученный раствор
греют ещё 5 мин на кипящей водяной бане, после чего его переливают в чистый, подогретый
до температуры раствора термостойкий стакан (можно ополоснуть кипятком). Стакан
обворачивают сухим полотенцем, накрывают фильтровальной бумагой и оставляют
остывать. Сейчас раствор надо беречь от сквозняков, от резких перепадов температур.
Спустя сутки, убирают полотенце, не стараясь колыхать стакан, чтобы не вызвать
незапланированную кристаллизацию. Осматривают содержимое – на дне и на стенках
должны образоваться небольшие плоские кристаллики-параллелограммы.
Выращивание монокристалла.
Снова готовят насыщенный раствор на основе исходного маточного. Для этого
готовый раствор ставят на водяную баню и добавляют 0,5 чайной ложки вещества. Греют и
перемешивают. Как только вещество растворилось, колбу вынимают, и раствор переливают
в заранее приготовленный нагретый стакан. Стакан с раствором ставят на выбранное место,
и дают 20-30 сек постоять, чтобы жидкость немного успокоилась. Наш раствор
непересыщенный, поэтому “лишние градусы” могут вызвать растворение затравки. Если
9
раствор тёплый, ему дают остыть до 300C или чуть меньше. Затравку аккуратно укладывают
на
середину дна.
Здесь
рост
кристалла
будет
ограничен
стенками
стакана,
и
преимущественно, он будет расти в стороны – это хорошо для медного купороса.
Теперь следует следить за ростом кристалла каждый день, ни в коем случае не
сотрясая раствор, иначе эта встряска породит в системе мгновенную кристаллизацию. В
итоге мы должны получить следующее:
а)
б)
Полученные кристаллы медного купороса (а) и алюмокалиевых квасцов (б), за одну
неделю выращивания.
Искусственные кристаллы ничем не отличаются по своим свойствам от естественных
кристаллов.
2.2 Результаты эксперимента.
Мы выращивали кристаллы в разных условиях.
Коротко осветим методику нашего опыта:
1. Вначале был приготовлен пересыщенный раствор медного купороса путём
растворения медного купороса в воде при нагревании (до 50˚ С).
Из перенасыщенного раствора путём, в одном случае быстрого охлаждения, в другом
случае медленного охлаждения, была получена затравка – небольшие кристаллы, выпавшие
на дно банок.
Мы заметили, что при медленном охлаждении кристаллы выпали более крупные и
правильной формы, чем при быстром охлаждении.
2. Выбрав наиболее крупные и правильные кристаллы, опустили в новый горячий
перенасыщенный раствор и оставляли на неделю.
Медленное охлаждение осуществлялось так: банку с раствором закутывали в
полотенце.
Быстрое охлаждение осуществлялось так: банку с раствором сразу выставили на
улицу, через некоторое время – в снег. Раствор меняли через сутки, в течение недели. В
результате, через неделю, мы получили два кристалла, различных по внешнему виду.
10
Кристалл, выращенный при медленном охлаждении, имеет более крупные грани (см.
приложение 1).
Следовательно, при медленном охлаждении можно вырастить кристаллы более
правильной формы и с крупными гранями (см. приложение 2).
Этот кристалл был близок к монокристаллу по форме, почти не имея наростов. В нём
хорошо просматривались отдельные слои, которые постепенно нарастали друг на друге. В
результате экспериментально подтвердилось положение о том, что кристалл растёт слоями.
Выводы:
1. На рост и форму кристаллов оказывают влияние условия выращивания.
2. Кристаллы, выращенные при медленном охлаждении, имеют более крупные грани
и правильные формы.
Заключение.
В нашей работе мы попытались обратить внимание на удивительный мир кристаллов.
Чешский писатель К. Чапек, восхищаясь природными формами кристаллов в коллекциях
Британского музея, в своих «Записках из Англии» писал: «…Число и фантазия, закон и
изобилие – вот живые творческие силы природы; не сидеть под земным деревом, а создавать
кристаллы и идеи, вот, что, значит, быть воедино с природой!»
Действительно, живя на Земле, сложенной кристаллическими породами, мы,
безусловно, никак не можем отойти от проблемы кристалличности.
В нашей работе мы рассмотрели вопрос о том, как растут кристаллы в природе и как
можно вырастить их в лаборатории (на примере выращивания кристаллов медного
купороса). Изменяя внешние условия выращивания можно получить кристаллы разной
формы, что было подтверждено экспериментально.
Далее мы планируем вырастить:
– кристаллы малорастворимых или нерастворимых соединений в воде;
– кристаллы простых веществ (металлов и неметаллов).
11
Список литературы:
1. Алексинский В. Н.
Занимательные опыты по химии: учебное пособие / В.Н.
Алексинский, – М.: Просвещение, 1995 г. (только как указатель на литературу по
выращиванию кристаллов).
2. Верховский В.Н. Техника и методика химического эксперимента в школе: учебное
пособие / В.Н. Верховский. – Л.:УЧПЕДГКЗ, т.1, 1937 г., т.2, 1940г.
3. Здорик Т.Б. Камень, рождающий металл: учебное пособие / Т.Б. Здорик. – М.:
Просвещение, 1984г.
4. Зуев Л. Б.
Соросовский образовательный журнал / Л.Б. Зуев //Кристаллы:
универсальность и исключительность. – 1996 – №8.
5. Катаева Л. Г. Химия в школе / Л.Г. Катаева // Восхитительный мир кристаллов. –
1997 – №1.
6. Кантор Б. З. Минерал рассказывает о себе: учебное пособие / Б.З. Кантор. – М.:
Недра, 1985 г.
7. Ольгин О. Химия в школе / О. Ольгин // Опыты без взрывов. – 1995 – №3.
8. Полосин В. С. Школьный эксперимент по неорганической химии: учебное пособие
/ В.С. Полосин, – Л.: УЧПЕДГИЗ, 1959 г.
9. Смирнов Ю. И. Мир химии: учебное пособие / Ю.И. Смирнов. – С.П.: Мим –
экспресс, 1995.
10. Стёпин Б.Д.
Книга по химии для домашнего чтения: учебное пособие / Б.Д.
Стёпин, Л.Ю. Аликберова. – М.: Химия, 1994 г.
12