Районная научно-практическая конференция учащихся 7
advertisement
Районная научно-практическая конференция учащихся 7-8 классов Выращивание кристаллов (исследовательская работа по естествознанию) Автор Бордзей Дмитрий, учащийся 8 класса МОУ «Видимская СОШ» Руководитель Реберт Анна Владимировна, учитель химии МОУ «Видимская СОШ», Видим 2012 1 Содержание Введение…………………………………………………………………………..3 Глава 1. Кристаллы (литературное содержание) 1.1 Общие сведения о кристаллах………………………………………...6 1.2 Расположение атомов в кристалле……………………………………7 1.3 Кристаллическое состояние…………………………………………...7 1.4 Образование кристаллов……………………………………………….8 1.5 Структура кристалла…………………………………………………...9 1.6 Морфология кристалла……………………………………………….10 1.6.1 Плоскость симметрии…………………………………………12 1.6.2 Кристаллографические симметрии………………………….13 1.6.3 Форма кристаллов……………………………………………..13 1.7 Оптическая кристаллография………………………………………..14 1.8 Применение кристаллов………………………………………….......16 Глава 2 . Обсуждения и результатов 2.1 Выращивание кристаллов хлористого калия………………………..19 2.2 Выращивание кристаллов медного купороса……………………….19 2.3 Выращивание кристаллов хромистого калия……………………….20 2.4 Выращивание кристаллов хромистого натрия……………………...20 2.5 Выращивание кристаллов калий-железа синеродистого ………….20 2.6 Выращивание кристаллов хлорной меди……………………………21 Глава 3. Экспериментальная часть 3.1 Выращивание кристаллов хлористого калия ………………………22 3.2 Выращивание кристаллов медного купороса………………………22 3.3 Выращивание кристаллов хромистого калия ………………………22 3.4 Выращивание кристаллов хромистого натрия……………………...23 3.5 Выращивание кристаллов калий-железа синеродистого………….23 3.6 Выращивание кристаллов хлорной меди……………………………23 Список литературы.............................................................................................25 Приложение …………………………………………………………………….26 2 Введение Актуальность исследования В окружающей нас действительности многообразие веществ чрезвычайно велико. Вещества окружающего мира разные по составу, строению и свойствам. Различные соединения могут находиться в трех основных агрегатных состояниях: жидком, твердом, газообразном. Вещества разнообразны и по происхождению. В природе встречаются соединения как органического (древесина), так и неорганического происхождении (углекислый газ). Несмотря на состав, свойства, строение разнообразных веществ, для любого соединения специфична определенная упорядоченная структура, называемая кристаллической. Твердое тело, имеющее упорядоченное строение, представляет собой кристалл. Большинство веществ в твердом состоянии обладают упорядоченной пространственной структурой и имеют форму кристаллов. В последнее время химики стали уделять большое внимание вопросу о кристаллах, которые образуются в процессе выращивания. Выращивание кристаллов – процесс очень интересный, хотя бывает достаточно длительным. Полезно знать, какие процессы управляют его ростом; почему разные вещества образуют кристаллы различной формы, а некоторые их вовсе не образуют; что необходимо сделать, чтобы они получились большими и красивыми. Однако в образовательных учреждениях данному вопросу уделяется крайне малое время, в частности процессу выращивания кристаллов. В связи с этим проблема выращивания различных кристаллических структур стала весьма актуальна. Целью наших исследований явилось выращивание кристаллов различных веществ в лабораторных условиях и изучение их свойств в зависимости от протекания условий самого процесса выращивания. 3 Для достижения поставленной цели предусматривается решение следующих задач исследования: 1. проанализировать литературные источники по данному вопросу; 2. осуществить процесс выращивания кристаллов хлористого калия; 3. осуществить процесс выращивания кристаллов медного купороса; 4. осуществить процесс выращивания кристаллов хромистого калия и натрия 5. осуществить процесс выращивания кристаллов калий-железа синеродистого 6. осуществить процесс выращивания кристаллов хлорной меди; 7. сделать соответствующие выводы по всей работе. О научной новизне и практической значимости проведенных исследований свидетельствуют следующие результаты: 1. в лабораторных условиях были синтезированы кристаллы хлористого калия методом выращивания из насыщенного раствора соли; 2. опытным путём выращены кристаллы медного купороса; 3. впервые разработаны методы выращивания кристаллов хромистого натрия и калия, хлорной меди, калий-железа синеродистого. Объект исследования: процесс выращивания кристаллов хлористого калия, медного купороса, калий-железа синеродистого, хромистого калия и натрия, хлорной меди. Предмет исследования: кристаллы хлористого калия, медного купороса, калий-железа синеродистого, хромистого калия и натрия, хлорная медь. Научная новизна: впервые в образовательном учреждении в лабораторных условиях синтезированы кристаллы хлористого калия, медного купороса, калий-железа синеродистого, хромистого калия и натрия, хлорной меди. 4 Используемые при исследовании методы: анализ литературных источников, химический эксперимент, метод умственного анализа деятельности в ходе проведенного исследования. Объем и структура работы. Исследовательская работа изложена на 44 страницах машинописного текста и содержит 1 таблицу, 16 рисунков. Работа состоит из введения, трех глав и списка используемой литературы (5 наименований). В первой главе изучены литературные данные по исследуемой проблеме. Во второй главе (обсуждение результатов) описываются процессы выращивания кристаллов разных солей. Третья глава посвящена экспериментальной части исследовательской работы. 5 Глава 1. Кристаллы (литературное содержание) 1.1 Общие сведения о кристаллах Кристалл – это твердое тело с геометрически правильной формой. Кристаллы появились при формировании земной коры и продолжают видоизменяться до сих пор, поскольку меняется и сама планета. Кристаллы – это своего рода ДНК Земли, химический отпечаток ее развития. Они представляют миниатюрные хранилища, в которых содержатся «записи» о развитии нашей планеты в течение миллионов лет, и несут в себе память о мощных силах, которые их сформировали. Одни кристаллы подверглись высокому давлению, другие – росли в пустотах глубоко под землей, некоторые из них образовались в слоях, а какие-то из капель, падающих в лежащую под ними породу,- все это отразилось на свойствах кристаллов безотносительно к форме, которую кристаллы обрели, их прозрачная структура может поглощать, сохранять, фокусировать и испускать энергию, особенно в диапазоне электромагнитных волн. [2] Кристаллы имеют кристаллическую решетку. Химические примеси радия, излучения Солнца и Земли, а также условия формирования наложили отпечаток на каждый тип кристалла, сделав его единственным и неповторимым. Кристалл характеризуется своей внутренней структурой – регулярной, повторяющейся атомной решеткой, которая является единственно возможной для него. Вне зависимости от размера- большие или маленькие – кристаллы одного и того же типа имеют одинаковую внутреннюю структуру, которую можно увидеть под микроскопом. Уникальна для каждого кристалла геометрическая кристаллическая решетка позволяет идентифицировать камни. Ведь только по внешнему виду часто трудно догадаться, к какой группе принадлежит кристалл. Именно внутренняя структура лежит в основе классификации кристаллов, а не минералы, из которых они сформировались. Иногда кристаллы содержат различные добавки, которые окрашивают их в различные цвета, однако их 6 кристаллическая решетка при этом остается неизменной, характерной для данного типа.[4] 1.2. Расположение атомов в кристалле Расположение атомов (ионов, молекул) в кристалле периодически повторяется в трех измерениях, т.е. кристалл имеет свойство симметрии. Кристаллическая решетка имеет одну из семи возможных геометрических форм: треугольник, квадрат, прямоугольник, шестиугольник, ромб, параллелограмм и трапеция. Эти формы охватывают все многообразие потенциальных кристаллических решеток, названия которых основываются на их внутренней геометрии. Как видно из названия, гексагональный кристалл сформирован из шестиугольников. Соединение квадратов образует кубический кристалл, прямоугольников – тетрагональный, ромбов – орторомбический, трапеций – триклинический, параллелограммов – моноклинический. Треугольники формируют пирамиду. Внешняя форма кристалла далеко не всегда отражает его внутреннюю структуру. В узлах кристаллической решетки находятся атомы. Каждый атом динамичен. Он состоит из частиц, непрерывно вращающихся вокруг ядра.[2] 1.3. Кристаллическое состояние Атомы, из которых состоят газы, жидкости и твердые вещества, имеют разную степень упорядоченности. В газе атомы и небольшие группы атомов, соединенные в молекулы, находятся в постоянном беспорядочном движении. Если охлаждать газ, то достигается температура, при которой молекулы сближаются друг с другом, насколько это возможно, и образуется жидкость. Но молекулы и атомы жидкости все-таки могут скользить относительно друг друга. При охлаждении некоторых жидкостей, например воды, достигается температура, при которой молекулы застывают в относительной неподвижности кристаллического состояния. Эта температура, разная для всех жидкостей, называется температурой замерзания. (Вода замерзает при 00 С; при этом молекулы воды упорядоченно соединяются друг с другом, образуя правильную геометрическую фигуру.) [2] 7 У каждой частицы вещества (атома или молекулы), находящегося в кристаллическом состоянии, окружение точно такое же, как и у любой другой частицы того же типа во всем кристалле. Другими словами, ее окружают вполне определенные частицы, находящиеся на вполне определенных расстояниях от нее. Именно это упорядоченное трехмерное расположение характерно для кристаллов и отличает их от других твердых веществ. 1.4. Образование кристаллов Кристаллы образуются тремя путями: из расплава, из раствора и из паров. Примером кристаллизации из расплава может служить образование льда из воды, т.к. вода, в сущности, не что иное, как расплавленный лед. К кристаллизации из расплава относится и процесс образования вулканических пород. Магма, проникающая в трещины земной коры или вытесняемая в виде лавы на её поверхность, содержит многие элементы в разупорядоченном состоянии. При охлаждении магмы или лавы атомы и ионы разных элементов притягиваются друг к другу, образуя кристаллы различных минералов. В таких условиях возникает много зародышей кристаллов. Увеличиваясь в размере, они мешают друг другу расти, а поэтому гладкие наружные грани у них образуются редко.[5] Кристаллы в природе образуются также из растворов, примером чему могут служить сотни миллионов тонн соли, выпавшей из морской воды. Такой процесс можно продемонстрировать в лаборатории с водным раствором хлорида натрия. Если дать воде медленно испаряться, то, в конце концов, раствор станет насыщенным и дальнейшее испарение приведет к выделению соли. Положительно заряженные ионы натрия притягивают отрицательно заряженные ионы хлора, в результате чего образуется зародыш кристалла натрия, который выделяется из раствора. При дальнейшем испарении другие ионы пристраиваются к образовавшемуся ранее зародышу, и постепенно растет кристалл с характерной внутренней упорядоченностью и гладкими наружными гранями.[2] 8 Кристаллы образуются также непосредственно из пара или газа. При охлаждении газа электрические силы притяжения объединяют атомы или молекулы в кристаллическое твердое вещество. Так образуются снежинки; воздух, содержащий влагу, охлаждается, и прямо из него вырастают снежинки той или иной формы.[1] 1.5. Структура кристалла Кристалл представляет собой трехмерную решетку, составленную из атомов или молекул. Структура кристалла - это пространственное расположение его атомов (или молекул). Геометрия такого расположения подобна рисунку на обоях, в которых основной элемент рисунка повторяется многократно. Одинаковые точки можно расположить на плоскости пятью способами, допускающими бесконечное повторение. Для пространства же имеется 14 способов расположения одинаковых точек, удовлетворяющих требованию, чтобы у каждой из них было одно и то же окружение. Это пространственные решетки, называемые также решетками Браве по имени французского ученого О. Браве, который доказал, что число возможных решеток такого рода равно 14.[5] Требования того, чтобы каждый узел решетки, имел одинаковое атомное окружение, применительно к кристаллам налагает на сам основной элемент рисунка. При повторении он должен заполнять все пространство, не оставляя пустых узлов. Было установлено, что существует лишь 32 варианта расположения объектов вокруг некоторой точки (например, атомов вокруг узла решетки), удовлетворяющих этому требованию. Это так называемые 32 пространственные группы. В сочетании с 14 пространственными решетками они дают 230 возможных вариантов расположения объектов в пространстве, называемых пространственными группами. Поскольку структура кристалла определяется не только пространственным расположением атомов, но и их типом, число структур очень велико. Три кристаллические структуры неодинаковы, хотя и относятся к одной и той же пространственной группы. 9 Общими для всех кристаллов являются 14 пространственных решеток, наименьшие формообразующие ячейки. Элементарная ячейка любого кристалла подобна одной из них, но ее размеры определяются размерами, числом и расположением атомов. Элементарная ячейка в виде параллелепипеда, вообще говоря, аналогична «кирпичику» Гаюи, т.е базисному элементу, при повторении которого образуются кристалл. Рентгеновский анализ позволяют с большой точностью определять длину сторон ячейки и углы между сторонами. Элементарные ячейки очень малы и имеют порядок нанометра ( 10-9). Сторона кубической элементарной ячейки хлорида натрия равна 0,56 нм. Таким образом, в крохотный крупинки обычной поваренной соли содержится примерно миллион элементарных ячеек, уложенных одна к другой.[2] 1.6. Морфология кристаллов Кристаллы имеют некую внутреннюю симметрию, которая не обнаруживается в бесформенной крупинке. Симметрия кристаллов получает наружное выражение только тогда, когда они имеют возможность свободно расти без каких-либо помех. Но даже хорошо организованные кристаллы редко имеют совершенную форму, и нет двух кристаллов, которые были бы совершенно одинаковы.[2] Форма кристалла зависит от многих факторов, один из которых - форма элементарной ячейки. Если такой «кирпичик» повторить одинаковое число раз параллельно каждой из его сторон, то получится кристалл, форма относительные размеры которого точно такие же, как у элементарной ячейки. Близкая к этому картина характерна для многих кристаллических веществ. Но на форму оказывают влияние и такие факторы, как температура, давление, чистота, концентрация и направление движения раствора. Поэтому кристаллы одного и того же вещества могут обнаруживать большое разнообразие форм. Различие форм связано с тем, как именно укладываются одинаковые «кирпичики». 10 Аналогия между элементарными ячейками и кирпичиками очень полезна. Укладывая кирпичики так, чтобы их соответствующие стороны были параллельны, можно построить стену, длина, высота и толщина которой будут зависеть только от числа кирпичей, уложенных в данном направлении. Если же в определенном порядке удалять кирпичи, то можно получить миниатюрные лестничные марши с наклоном, зависящим от соотношения чисел кирпичей в подступенке и наступи ступеньки лестницы. Если на такую лестницу наложить линейку, то она образует угол, определяемый размерами кирпича и способом укладки. Точно также и кристалл может принимать ту или иную форму, если в строго определенном порядке пропускаются некоторые ряды или группы элементарных ячеек. Косые грани кристалла подобны лестницам, сложенным из кирпичей, но «кирпичики» здесь столь малы, что грани кристалла выглядят, как гладкие поверхности. Углы между соответствующими гранями кристалла постоянны, независимо от его размера. Это установил в 1669 году датчанин Н. Стено на примере кристаллов кварца. Тем самым он показал, что форма является характеристикой кристаллического вещества. Ныне известно, что форма кристалла зависит от размера и формы элементарной ячейки, и положение Стено приняло обобщенную форму закона, согласно которому углы между соответствующими гранями кристаллов одного и того же вещества постоянны. Размеры и форма граней изменяются от кристалла к кристаллу. Тем не менее, имеется некая внешняя симметрия, присущая всем хорошо ограненным кристаллам. Она обнаруживается в повторении углов и похожести граней, одинаковых в смысле внешнего вида, дефектов травления и особенностей роста. Если кристалл имеет почти совершенную форму, то его симметричные грани тоже подобны по размерам и форме. До появления рентгеновской кристаллографии самым важным делом занимавшихся кристаллографией было измерение углов между гранями кристаллов. Вычерчивая на основе таких угловых измерений грани кристалла 11 в стенографической проекции, можно выявить симметричное расположение граней независимо от размера и формы. По такой проекции можно вычислить отношения осей, а затем выполнить чертеж кристалла. Элементы симметрии, задолго до того, как 32 типа симметричных расположений точечных групп были определены рентгеновскими методами, они были выявлены путем исследования морфологии, то есть формы и структуры кристаллов. На основании вида и расположения граней, а также углов между ними кристаллы приписывались одному из 32 кристаллографических классов. Поэтому пространственные группы и кристаллографические классы – это как бы синонимы, и существуют три основных элемента симметрии: плоскость, ось и центр.[3] 1.6.1. Плоскость симметрии Многие хорошо известные нам предметы обладают симметрией относительно плоскости. Например, стул или стол можно представить себе разделенными на две одинаковые части. Точно так же плоскость симметрии делит кристалл на две части, каждая из которых является зеркальным отображением другой. (Плоскость симметрии иногда называют плоскостью зеркального отображения). Ось симметрии – это воображаемая прямая, поворотом вокруг которой на часть полного оборота можно привести объект к совпадению с самим собой. В кристаллов возможны только пять видов осевой симметрии: 1-го порядка ( эквивалентная отсутствию), 2-го порядка (повторение через 120), 3го порядка (повторение через 90) и 6-го порядка (повторение через 60). Кристалл имеет центр симметрии, если любая прямая, мысленно проведенная через него, на противоположных сторонах поверхности кристалла проходит через точки. Таким образом, на противоположенных сторонах кристалла находятся одинаковые грани, ребра и углы. Имеются 32 возможные комбинации плоскостей, осей и центров симметрии в кристаллах; каждой такой комбинацией определяется 12 кристаллографический класс. Один класс не имеет симметрии; говорят, что он имеет одну ось вращения 1-го порядка.[1] 1.6.2 Кристаллические системы Представлены семь базисных ячеек решеток разной форма. Ромбоэдрическая и гексагональная решетки определяется одними и теми же осями. Таким образом, при наличии 32 симметрий точечных групп имеются только шесть основных форм элементарных ячеек. Соответственно форме основной «строительной» единицы 32 кристаллографических класса разделяются на шесть кристаллографических систем. Каждая кристаллографическая система имеет собственную систему координат, которыми определяются элементарная ячейки. Названия кристаллографических систем таковы: триклинная, моноклинная и орторомбическая, тетрагональная, гексагональная кубическая (изометрическая).[5] 1.6.3 Формы кристаллов Хотя с первого взгляда все грани, определяющие форму кристалла, могут показаться одинаковыми, при тщательном обнаруживаются небольшие различия. Это могут быть различия в блеске, нерегулярностях роста, дефектах травления или полосчатости. Тем не менее, некоторые грани могут оказываться совершенно одинаковыми. Такие грани состоят из одинаково расположенных атомов и соответствуют определенной форме кристаллов. Распределение граней разных форм выявляют симметрию, так как все грани одной формы имеют одинаковое отношение к элементу симметрии. Некоторые кристаллы имеют грани только одной формы, а другие грани многих форм.[2] 13 1.7 Оптическая кристаллография Важное значение в описание и идентификации кристаллографии кристаллов имеют их оптические свойства. Когда свет падает на прозрачный кристалл, он частично отражается, а свет, проходящий внутрь кристалла, создает эффекты, которые определяются его оптическими свойствами. При переходе наклонного луча света из воздуха в кристалл его скорость распространения уменьшается; падающий луч отклоняется, или преломляется. Чем больше плотность кристалла и чем больше угол падения луча (i), тем больше угол преломления (r). Отношение sin i к sin r есть величина постоянная. Это обычно записывают в виде равенства sin i /sin r = n; константа n называется показателем преломления. Это самая важная из оптических характеристик кристалла, и ее можно очень точно измерить. С позиций оптики все прозрачные вещества можно разделить на две группы: изотропные и анизотропные. К изотропным относятся кристаллы кубической системы и некристаллические вещества, например, стекло. В изотропных веществах свет распространяется во всех направлениях с одинаковой скоростью, и поэтому такие вещества характеризуются одним показателем преломления. Группу анизотропных веществ составляют кристаллы всех других кристаллографических систем. В веществах этой группы скорость света, а, следовательно, и показатель преломления непрерывно изменяются при переходе от одного кристаллографического направления к другому. Когда свет входит в анизотропный кристалл, он разделяется на два луча, колеблющихся под прямым углом друг к другу и распространяющихся с разными скоростями. Такое явление называется двойным лучепреломлением. Всякий анизотропный кристалл характеризуется двумя показателями преломления. Для гексагональных и тетрагональных кристаллов указывают максимальный и минимальный, то есть «главные» показатели преломления. Один из этих главных показателей преломления соответствует лучу света, колеблющемуся параллельно оси, а с другой – лучу света, колеблющемуся 14 под прямым углом к этой оси. В орторомбических, моноклинных и триклинных кристаллах имеются три главных показателя преломления: максимальный, минимальный и промежуточный, определяемые лучами света, колеблющимися в трех взаимно перпендикулярных направлениях. Поскольку показатели преломления зависят от химического состава и строения материала, они являются характеристическими величинами для каждого кристаллического твердого вещества, и их измерение служит эффективным методом его идентификации. [1] Пользуясь простым рефрактометром, ювелир или специалист по драгоценным камням может измерить показатель преломления драгоценного камня, не вынимая его из оправы. С помощью поляризационного микроскопа минералог без особого труда определяет тип минерала, измеряя его показатели преломления и другие оптические характеристики на мелких крупинках. В анизотропных кристаллах свет, колеблющийся в разных кристаллографических направлениях, может поглощаться по-разному. Одно из возможных следствий такого явления, называемого плеохроизмом - изменение цвета кристалла при изменении направления колебаний. В других кристаллах свет, колеблющийся в одном кристаллографическом направлении, может распространяться почти без потерь интенсивности, а под прямым углом к нему почти полностью поглощаться. На различиях в поглощении света тонкими ориентированными кристаллами основано действие таких поляризационных светофильтров, как поляроид. 15 1.8 Применение кристаллов Природные кристаллы всегда вызывали любопытство у людей. Их цвет, блеск и форма затрагивали человеческое чувство прекрасного, и люди украшали ими себя и жилище. С давних пор с кристаллами были связаны суеверия; как амулеты, они должны были не только ограждать своих владельцев от злых духов, но и наделять их сверхъестественными способностями. Позднее, когда те же самые минералы стали разрезать и полировать, как драгоценные камни, многие суеверия сохранились в талисманах «на счастье» и «своих камнях», соответствующих месяцу рождения.[2] Все природные драгоценные камни, кроме опала, являются кристаллическими, и многие из них, такие, как алмаз, рубин, сапфир и изумруд, попадаются в виде прекрасно ограненных кристаллов. Украшения из кристаллов сейчас столь же популярны, как и во время неолита. Опираясь на законы оптики, ученые искали прозрачный, бесцветный и бездефектный минерал, из которого можно было бы шлифованием и полированием изготавливать линзы. Нужными оптическими и механическими свойствами обладают кристаллы неокрашенного кварца, и первые линзы, в том числе и для очков, изготавливались из них. Даже после появления искусственного оптического стекла потребность в кристаллах полностью не опала; кристаллы кварца, кальцита и других прозрачных веществ, пропускающих ультрафиолетовое и инфракрасное излучение, до сих пор применяются для изготовления призм и линз оптических приборов. Кристаллы сыграли важную роль во многих технических новинках 20 в. Некоторые кристаллы генерируют электрический разряд при деформации. Первым их значительным применением было изготовление генераторов радиочастоты со стабилизацией кварцевыми кристаллами. Заставив кварцевую пластинку вибрировать в электрическом поле радиочастотного колебательного контура, можно тем самым стабилизировать частоту приема или передачи. 16 Полупроводниковые приборы, революционизировавшие электронику, изготавливаются из кристаллических веществ, главным образом кремния и германия. При этом важную роль играют легирующие примеси, которые вводятся в кристаллическую решетку. Полупроводниковые диоды используются в компьютерах и системах связи, транзисторы заменили электронные лампы в радиотехнике, а солнечные батареи, помещаемые на наружной поверхности космических летательных аппаратов, преобразуют солнечную энергию в электрическую. Полупроводники широко применяются также в преобразователях переменного тока в постоянный.[5] Кристаллы используются также в некоторых лазерах для усиления СВЧ-диапазона и лазерах для усиления световых волн. Кристаллы применяются в радиоприемниках и радиопередатчиках, в головках звукоснимателей и гидролокаторах. Некоторые кристаллы модулируют световые пучки, а другие генерируют свет под действием приложенного напряжения. Перечень видов применения кристаллов уже достаточно длинен и непрерывно растет. С давних пор человек мечтал синтезировать камни, столь же драгоценные, как и встречающиеся в природных условиях. До 20 в. такие попытки были безуспешны. Но с 1902 удалось получить рубины и сапфиры, обладающие свойствами природных камней. Позднее, в конце 1940-х годов были синтезированы изумруды, а в 1955 фирма «Дженерал электрик» и Физический институт АН СССР сообщили об изготовлении искусственных алмазов. Многие технологические потребности в кристаллах явились стимулом к исследованию методов выращивания кристаллов с заранее заданными химическими, физическими и электрическими свойствами. Труды исследователей не пропали даром, и были найдены способы выращивания больших кристаллов сотен веществ, многие из которых не имеют природного аналога. 17 В лаборатории кристаллы выращиваются в тщательно контролируемых условиях, обеспечивающих нужные свойства, но в принципе лабораторные кристаллы образуются так же, как и в природе – из раствора, расплава или из паров. Так, пьезоэлектрические кристаллы сегнетовой соли выращиваются из водного раствора при атмосферном давлении. Большие кристаллы оптического кварца выращиваются тоже из раствора ,но при температурах 350-450º С и давлении 140МПа. Рубины синтезируют при атмосферном давлении из порошка оксида алюминия, расплавляемого при температуре 2050º С. Кристаллы карбида кремния, применяемые в качестве абразива, получают из паров в электропечи. [4] Таким образом, значительный интерес представляет исследование выращивания кристаллических структур в лабораторных условиях, включая изучение их физических свойств, а именно, внешний вид, форму, цвет и структуру. 18 Глава 2. Обсуждение результатов С целью выращивания кристаллов солей в лабораторных условиях нами были использованы такие соли, как хлористый калий, медный купорос, калий-железо синеродистый, хромистый калий и натрий, дихромистый калий и аммоний. 2.1 Выращивание кристаллов хлористого калия В основе выращивания кристаллов хлористого калия лежит реакция растворения твёрдой соли хлористого калия в воде при нагревании 80-90 °С при постоянном перемешивании с целью получения насыщенного раствора соли хлористого калия. После приготовления насыщенного раствора хлористого калия в качестве центра кристаллизации использовали нить, пропитанную этим же насыщенным раствором. Далее раствор охлаждали и выдерживали в прохладном месте в течение дня. В процессе выращивания образовались блестящие прозрачные кристаллы игольчатой структуры. Основная масса выращенных кристаллов образовалась на дне химического стакана. 2.2 Выращивание кристаллов медного купороса Для выращивания кристаллов медного купороса применялся процесс растворения твёрдой соли медного купороса в воде при нагревании 80-90 °С при постоянном перемешивании стеклянной палочкой с целью получения насыщенного раствора соли медного купороса. После приготовления насыщенного раствора медного купороса в качестве центра кристаллизации использовали нить, пропитанную этим же насыщенным раствором. Далее раствор охлаждали и выдерживали в прохладном месте в течение дня. В процессе выращивания образовались огранённые прямоугольной формы ярко-голубые кристаллы медного купороса. 19 2.3 Выращивание кристаллов хромистого калия Основой для выращивания кристаллов хромистого калия стало растворение твёрдой соли хромистого калия в воде при нагревании 80-90 °С при постоянном перемешивании стеклянной палочкой с целью получения насыщенного раствора соли хромистого калия. После приготовления насыщенного раствора хромистого калия в качестве центра кристаллизации использовали нить, пропитанную этим же насыщенным раствором. Далее раствор охлаждали и выдерживали в прохладном месте в течение дня. В процессе выращивания образовались блестящие прозрачные жёлтого цвета кристаллы остро-игольчатой структуры. 2.4 Выращивание кристаллов хромистого натрия Для выращивания кристаллов хромистого натрия был приготовлен раствор твёрдой соли хромистого натрия при нагревании 80-90 °С при постоянном перемешивании стеклянной палочкой с целью получения насыщенного раствора соли хромистого калия. В качестве растворителя использовалась вода. После приготовления насыщенного раствора хромистого натрия в качестве центра кристаллизации использовали нить, пропитанную этим же насыщенным раствором. Далее раствор охлаждали и выдерживали в прохладном месте в течение дня. В процессе выращивания образовались блестящие прозрачные жёлтого цвета кристаллы остро-игольчатой и прямоугольной структуры. 2.5 Выращивание кристаллов калий-железа синеродистого Для выращивания кристаллов калий-железа синеродистого был приготовлен раствор твёрдой соли калий-железа синеродистого при нагревании 80-90 °С при постоянном перемешивании стеклянной палочкой с целью получения насыщенного раствора соли хромистого калия. В качестве растворителя использовалась вода. 20 После приготовления насыщенного раствора калий-железа синеродистого в качестве центра кристаллизации использовали нить, пропитанную этим же насыщенным раствором. Далее раствор охлаждали и выдерживали в прохладном месте в течение дня. В процессе выращивания образовались огранённые красного цвета кристаллы калий-железа синеродистого остро-игольчатой и прямоугольной структуры. 2.6 Выращивание кристаллов хлорной меди Основой для выращивания кристаллов хлорной меди стало приготовление раствора твёрдой соли дихромистого калия при нагревании 80-90 °С при постоянном перемешивании стеклянной палочкой с целью получения насыщенного раствора соли хлорной меди. В качестве растворителя использовалась вода. После приготовления насыщенного раствора хлорной меди в качестве центра кристаллизации использовали нить, пропитанную этим же насыщенным раствором. Далее раствор охлаждали и выдерживали в прохладном месте в течение дня. В процессе выращивания образовались кристаллы на стенках сосуда ярко-зелёного цвета. 21 Глава 3. Экспериментальная часть 3.1 Выращивание кристаллов хлористого калия В химический стакан на 50 мл налили 25 мл воды комнатной температуры. В стакан с водой поместили порциями твердую соль хлористого калия с последующим перемешиванием стеклянной палочкой при нагревании на электрической плитке. Соль добавляли до тех пор, пока не образовался насыщенный раствор хлористого натрия. 3.2 Выращивание кристаллов медного купороса В химический стакан на 50 мл налили 25 мл воды комнатной температуры. В стакан с водой поместили небольшими порциями твёрдую соль медного купороса с последующим перемешиванием стеклянной палочкой при нагревании на электрической плитке. Соль добавляли до тех пор, пока не образовался насыщенный раствор медного купороса. 3.3 Выращивание кристаллов хромистого калия В химический стакан на 50 мл налили 25 мл воды комнатной температуры. В стакан с водой поместили порциями твёрдую соль хромистого калия с последующим перемешиванием стеклянной палочкой при нагревании на электрической плитке. Соль добавляли до тех пор, пока не образовался насыщенный раствор хромистого калия. 22 3.4 Выращивание кристаллов хромистого натрия В химический стакан на 50 мл налили 25 мл воды комнатной температуры. В стакан с водой поместили порциями твёрдую соль хромистого натрия с последующим перемешиванием стеклянной палочкой при нагревании на электрической плитке. Соль добавляли до тех пор, пока не образовался насыщенный раствор хромистого натрия. 3.5 Выращивание кристаллов калий-железа синеродистого В химический стакан на 50 мл налили 25 мл воды комнатной температуры. В стакан с водой поместили небольшие порции твердой соли калийжелеза синеродистого с последующим перемешиванием стеклянной палочкой при нагревании на электрической плитке. Соль добавляли до тех пор, пока не образовался насыщенный раствор калий-железа синеродистого. 3.6 Выращивание кристаллов хлорной меди В химический стакан на 50 мл налили 25 мл воды комнатной температуры. В стакан с водой поместили небольшие порции твердой соли дихромистого калия с последующим перемешиванием стеклянной палочкой при нагревании на электрической плитке. Соль добавляли до тех пор, пока не образовался насыщенный раствор хлорной меди. 23 Выводы 1. В процессе выращивания синтезированы кристаллы хлористого калия, медного купороса, калий-железа синеродистого, хромистого калия, хромистого натрия, хлорной меди; 2. Скорость процесса выращивания зависит от природы соли, которая подвергается кристаллизации: высокая степень кристаллизации наблюдается у хлористого калия; 3. Период выращивания кристаллов определяется природой соли: меньше затрачено времени на выращивание кристаллов хромистого калия; 4. Выращенные кристаллы имеют определённую геометрическую структуру (кубическая, огранённая, прямоугольная либо игольчатая форма), что позволяет сделать вывод о разнообразной их кристаллической решётке; 5. Образование кристаллов осуществляется только при синтезе насыщенного раствора исследуемой соли. Получение насыщенного раствора соли происходит более эффективно при нагревании. 24 Список используемой литературы 1.Алексинский В.Н.; «Занимательные опыты по химии», М.; Просвещение,1995г. 2. Кантор Б.З.; «Минерал расскажет о себе», М.; Недра, 1985г. 3. Ольгин О.; «Опыты без взрывов», М.; «Химия», 1995г. 4. Шаскольская М.П.; «Кристаллы», М.; Наука, 1985г. 5. htt: // www/zircon 81 narod,ru /Metodika,html 25 Приложение 26 Таблица выращивания кристаллов различных солей № п/п 1 2 3 4 5 Название соли T° С Хлористый 80- калий 90 Медный 80- купорос 90 Хромистый 80- калий 90 Хромистый 80- натрий 90 Калий-железо 80- синеродистый 90 Количество Количество воды, мл соли, г Внешний вид Блестящие 25 12,5 прозрачные кристаллы Огранённые 25 14,5 ярко-голубые кристаллы Прямоугольные 25 17,5 ярко-жёлтые кристаллы Игольчатые 25 17,5 ярко-жёлтые кристаллы Прямоугольные 25 19,5 красные кристаллы Ярко-зелёные 6 Хлорная медь 8090 25 25 кристаллы аморфной структуры 27 Приготовление насыщенного раствора хлористого калия 28 Приготовление насыщенного раствора медного купороса 29 Приготовление насыщенного раствора хромистого натрия 30 Приготовление насыщенного раствора хромистого натрия 31 Приготовление насыщенного раствора хромистого калия 32 Приготовление насыщенного раствора калий-железа синеродистого 33 Выращивание кристаллов медного купороса 34 Выращивание кристаллов хромистого натрия 35 Выращивание кристаллов калий-железа синеродистого 36 Выращивание кристаллов хромистого калия 37 Кристаллы хлористого калия 38 Кристаллы медного купороса 39 Кристаллы калий-железа синеродистого 40 Кристаллы хромистого калия 41 Кристаллы хромистого натрия 42 Кристаллы хлорной меди 43 Красота и блеск кристаллов Всем и каждому понятны. Беглый взгляд они чаруют, Формы их уму занятны. Искушённый наблюдатель Разглядит их жизни тайны! И по полочкам разложит Всё, что кажется случайным… 44