Коршунова_Анна._Кристаллыx

ПРОЕКТНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА
Естественно-научной направленности на тему:
«Кристаллы. Их свойства и применение.
Выращивание кристаллов в домашних
условиях»
Выполнен:
ученицей 10 А класса
ГБОУ СОШ №222
Коршуновой Анной Александровной
Научный руководитель проекта:
Долгова Ольга Анатольевна
Москва 2015 г.
Актуальность темы проекта:
- Кристаллы встречаются повсеместно в нашей жизни.
- В настоящее время кристаллам нашли применение во многих сферах
промышленности.
- На основе использования кристаллов разрабатываются многие
современные технологии.
Цели работы:
- Вырастить кристаллы из нескольких реактивов. А именно: медного
купороса (CuSO₄), алюмокалиевых квасцов (KAl(SO₄)₂), йодида калия (KI),
сульфата марганца (MnSO₄), калия хромовокислого (K₂CrO₄), сахарозы
(C₁₂H₂₂O₁₁) и сульфата никеля II (NiSO₄).
- Создать проект по теме «Кристаллы. Их свойства и применение.
Выращивание кристаллов в домашних условиях».
Задачи:
- Собрать материал о кристаллах, их свойствах и применении, используя
различные источники информации, в том числе Интернет.
- Провести опыт по выращиванию кристаллов из нескольких веществ.
- Систематизировать материал о кристаллах: физические свойства
кристаллов и их применение.
Методы:
- Работа с научной литературой и интернетом по теме «Кристаллы, их
свойства и применение», «Выращивание кристаллов в домашних условиях».
- Практическая работа «Выращивание кристаллов в домашних условиях».
- Наблюдение роста кристаллов.
- Систематизация информации по теме «Кристаллы, их свойства и
применение».
2
Ожидаемый результат:
- Готовый проект с систематизированной информацией по теме и
фотографиями кристаллов.
- Коллекция выращенных кристаллов.
- Получение личного опыта и нового хобби.
Дальнейшее развитие проекта:
- Создание авторской программы, разработка практики на факультативных
занятиях для учащихся 9-11 классов на основе результатов проекта.
- Полученные и обработанные кристаллы можно использовать в качестве
украшения на рукоделии.
План проекта:
Часть 1
1.
Введение:

Кристаллы в природе и нашей жизни

История кристаллографии

Алмаз и графит
2.
Что такое кристалл? Процесс кристаллообразования.

Определение

Аморфные и кристаллические тела

Кристаллическая решетка

Кристаллизация

Виды кристаллизации

Аллотропия углерода
3.
Применение кристаллов.

В медицине

В промышленности
3

В науке

В быту

В ювелирном деле
Приложение (в отдельном файле)
Часть 2
Опыт: Выращивание кристаллов в домашних условиях.
Общий план работы:
a)
Приготовление насыщенного раствора
b)
Получение затравочных кристаллов
c)
Выращивание кристалла
d)
Результат

Мои кристаллы (список использованных реактивов, пометки, фото):
-
Медный купорос или сульфат меди (CuSO₄)
-
Алюмокалиевые квасцы или двойной сульфат алюминия-калия (KAl(SO₄)₂)
-
Йодид калия (KI)
-
Сульфат марганца (MnSO₄)
-
Калий хромовокислый (K₂CrO₄)
-
Сахароза (C₁₂H₂₂O₁₁)
-
Сульфат никеля (NiSO₄)

Итоги практической работы
Часть 3

Вывод

Актуальность выбранной мною темы

Список литературы
4
Часть 1
1.
Введение. Кристаллы в природе и нашей жизни.
Когда наскучит суета,
Дела, людские лица,
Я знаю выход — я могу
В кристалле раствориться.
В его прозрачной глубине
- Незыблемая вечность.
В нем есть и радость, и покой,
И мира бесконечность.
Виктор Слётов
Кристаллы в природе и нашей жизни:
Кристаллы — удивительные творения природы, нередко поражающие
нас своей необычайной красотой, цветом и формой, игрой света в гранях.
Однако
же
кристаллы
довольно
часто
встречаются
в
нашей
повседневной жизни. Это настолько привычные нам вещи, что мы даже не
задумываемся о природе их происхождения. Кристаллы в быту — это
например, соль поваренная (NaCl), сахар (кристаллы сахарозы, C₁₂H₂₂O₁₁),
песок (крупинки кварца, диоксида кремния SiO₂) и т.п.
Если вы когда-либо были в музее минералогии или на выставке
минералов, вы не могли не восхититься изяществом и красотой форм,
которые принимают «неживые» творения природы. А кто не любовался
снежинками
— кристаллами
льда,
многообразие
которых
поистине
бесконечно. Еще в XVII в. Знаменитый астроном Иоганн Кеплер написал
трактат «О шестиугольных снежинках». Спустя три столетия американский
натуралист и фотограф У. Бентли издал альбом, в котором представил

Виктор Слётов — русский геолог-минералог, коллекционер, художник и поэт.
5
тысячи фотографий снежинок под микроскопом, причем ни одна из них не
повторяла другую.
История кристаллографии:
Наука о кристаллах началась с изучения горного хрусталя, который был
впервые найден в Швейцарских Альпах. Некоторые кристаллы были
настолько большими, что их с трудом могли поднять несколько силачей.
Горный хрусталь — это чистый кристаллический кварц, соединение
атомов кремния и кислорода. Чистый кварц белого прозрачного цвета,
однако существует множество видов кварца разнообразных цветов и форм.
Среди них наиболее известные: почти черный морион, фиолетовый аметист,
желтый цитрин, разноцветный опал и яшма. Такие разновидности возникают
благодаря различным примесям других минералов в кристаллах кварца. А
самые знаменитые кристаллы — алмазы, которые после огранки становятся
бриллиантами.
Алмаз и графит:
В течение многих веков люди пытались разгадать тайну этих
драгоценных камней. Когда же наконец было научно установлено, что
алмаз — одна из разновидностей углерода, в это поверили не сразу.
Оказалось,
что
сверкающие
драгоценные
кристаллы,
отличающиеся
необычайной прочностью, состоят из тех же атомов углерода, что и
графит — тоже кристаллическая разновидность углерода, черного цвета и
жирная и мягкая на ощупь. Решающий опыт провел в 1722г. французский
химик А.Л.Лавуазье, обнаруживший, что при сжигании этих материалов
образуется одно и то же вещество — углерод.
И алмаз и графит — кристаллы. Почему же их свойства так разительно
отличаются? Для начала разберемся, что же такое кристалл.
2. Что такое кристалл? Процесс кристаллообразования.
6
Определение:
КРИСТАЛЛЫ — это твёрдые вещества, имеющие естественную
внешнюю форму правильных симметричных многогранников, основанную
на их внутренней структуре.
Большинство природных минералов имеет кристаллическую структуру.
Иначе говоря, атомы в них расположены не как попало, а в строгом порядке,
образуя пространственную трехмерную кристаллическую решетку. Когда
связи между ними очень слабые, получается жидкий кристалл.
Интересно, что студенистое "жидкое вещество", протоплазма, из
которой состоят клетки человеческого организма, несмотря на то, что
содержит очень много воды, обладает кристаллическими свойствами.
Аморфные и кристаллические тела:
В свою очередь все твердые тела можно разделить на две большие
категории: аморфные и кристаллические тела.
К аморфным телам относятся стекла, твердые смолы и т.д.; а к
кристаллическим все минералы и кристаллические соединения, например,
поваренная соль, медный купорос, графит, а также некоторые органические
вещества и т.п.
В кристаллических телах
атомы расположены в соответствии с
определенным правилом и образуют дальний порядок. Это значит, что в
кристаллах
атомы
образуют
периодически
повторяющуюся
последовательность вдоль направлений пространственных осей. У аморфных
тел атомная или молекулярная решетка и дальний порядок в ней
отсутствуют.
Кристаллическая решетка:
Для описания конкретного дальнего порядка в кристаллах используют
такой объект, как кристаллическая решетка.
7
Кристаллическая решетка — это геометрический образ, который
помогает наглядно описать и представить расположение
атомов в
кристаллах.
По
характеру
симметрии
расположения
атомов
в
кристалле
кристаллические решетки делятся на 7 типов — сингоний: триклинную,
моноклинную,
ромбическую,
тетрагональную,
тригональную,
гексагональную и кубическую.
Кристаллизация:
Кристаллиза́ция — процесс фазового перехода вещества из жидкого
состояния в твёрдое кристаллическое с образованием кристаллов. Фазой
называется однородная часть термодинамической системы отделённая от
других частей системы (других фаз) поверхностью раздела, при переходе
через которую химический состав, структура и свойства вещества
изменяются скачками. Это процесс выделения твёрдой фазы в виде
кристаллов из растворов или расплавов.
Кристаллизация начинается при достижении некоторого предельного
условия, например, переохлаждения или насыщения жидкости, охлаждения
расплава или перенасыщения пара, когда практически мгновенно возникает
множество мелких кристалликов — центров кристаллизации.
Виды кристаллизации:
 Примером кристаллизации из расплава может служить образование
льда из воды, так как 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 ее поверхность, содержит многие элементы в
хаотичном состоянии. При охлаждении магмы или лавы атомы и ионы
разных элементов притягиваются друг к другу, образуя кристаллы различных
минералов.
8
 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 возможность медленно
испаряться, то в конце концов раствор станет насыщенным и дальнейшее
испарение приведет к выделению соли.
 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.
Аллотропия углерода:
Химические и физические свойства кристаллических веществ напрямую
зависят от строения их кристаллической решетки. Вновь возвращаясь к
алмазу и графиту, можно сказать, что это одно и то же вещество, только
кристаллически
построено
по-разному.
Такое
явление
называется
аллотропия. У углерода существует множество аллотропных соединений как
кристаллические, так и аморфные. Однако наиболее известными являются 3
аллотропические формы, разительно отличающиеся друг от друга как
физическими, так и химическими свойствами. Это алмаз (кубическая
сингония кристаллической решетки), графит (гексагональная сингония) и
сажа (аморфный углерод).
3. Применение кристаллов.
В настоящее время кристаллы играют большую роль в нашей жизни.
Они широко применимы во многих сферах жизни человека, таких как
медицина, промышленность, наука, ювелирное дело и быт.
9
1)
В медицине кристаллы применяются, по большей части, как
обеззараживающие и противовоспалительные средства. Наиболее известные
среди них:
 Алюмокалиевые квасцы или кристаллогидрат сульфата алюминиякалия, KAl(SO₄)₂ обладают антибактериальными и противовоспалительными
свойствами. Квасцы используются, как натуральный дезодорант, а также как
кровоостанавливающее и ранозаживляющее средство.
 Марганцовка или раствор перманганата калия, KMnO₄ — темнофиолетовых мелких кристаллов с металлическим блеском. Эти разбавленные
растворы (около 0,1 %) перманганата калия нашли широчайшее применение
в
медицине
как
антисептическое
средство,
для
полоскания
горла,
промывания ран, обработки ожогов.
2)
В промышленности:
 Благодаря своей исключительной твердости алмаз (аллотропная
форма углерода) активно используется в технике и промышленности:
алмазными инструментами распиливают камни, бурят породы. Также он
применяется
в
изготовлении
различных
деталей
в
автомобильной,
авиационной и даже космической промышленности.
 Искусственным путем люди научились выращивать драгоценные
камни; наиболее распространенным из них является искусственный рубин
(одна из разновидностей минерала корунда, Al₂O₃). Например, в настоящее
время все подшипники для часов и других точных приборов изготовляются
из искусственных рубинов.
3)
В науке еще с прошлого столетия с помощью кристаллов начало
создаваться множество новинок техники.
 Особенно удивительны электрические свойства кварца. Если сжимать
или растягивать кристалл кварца (диоксида кремния, SiO₂), на его гранях
возникают электрические заряды. Это — пьезоэлектрический эффект в
кристаллах. В наши дни в качестве пьезоэлектриков используют не только
10
кварц, но и многие другие, в основном искусственно синтезированные
вещества: синетову соль, титанат бария, дигидрофосфаты калия и аммония и
многие другие. Пьезоэлектрические кристаллы широко применяются для
воспроизведения, записи и передачи звука.
 В технике также нашел своё применение поликристаллический
материал поляроид.
Поляроид — это тонкая прозрачная пленка, сплошь заполненная
крохотными
прозрачными
игольчатыми
кристалликами
вещества,
двупреломляющего и поляризующего свет. Все кристаллики расположены
параллельно друг другу, поэтому все они одинаково поляризуют свет,
проходящий
через
пленку.
Поляроидные
пленки
применяются
в
поляроидных очках. Поляроиды гасят блики отраженного света, пропуская
весь остальной свет.
 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.
4)
В быту:
 Кристаллические вещества в первую очередь используются в пищевых
целях. Самые распространенные из них — сахар или мелкие кристаллы
сахарозы , C₁₂H₂₂O₁₁, соль поваренная или хлорид натрия, NaCl.
 Также общеизвестный песок или мельчайшие крупинки кварца, SiO₂
применяется в любых строительных работах.
11
5)
В ювелирном деле:
 Драгоценные камни во все времена считались для людей одними из
главных богатств и очень почетались и ценились. Люди всегда боролись за
право обладать этими сокровищами. В истории немало кровавых событий,
связанных с этими коварными камнями. Еще в самой древности драгоценные
камни считались священными и достойными только высшей крови. Недаром
всегда драгоценными кристаллами украшались символы королевской власти
(короны, скипетры, державы, одежда) и церковные знаки (кресты, иконы,
алтари). Сейчас ювелирные предприятия декорируют
др. камнями
всевозможные украшения и аксессуары.
 Также люди научились искусственно создавать минералы не только по
прототипам природных, но получать новые кристаллы. Например, многие
слышали о фианитах. Их название происходит от сокращения ФИАН —
Физический Институт Академии наук, где их впервые получили. Бесцветные
фианиты на глаз трудно отличить от алмаза — так красиво они «играют» на
свету.
Часть 2
Опыт: Выращивание кристаллов в домашних условиях.
Для того чтобы изучить на своем опыте сами кристаллы, их рост и
свойства солей, из которых они выращиваются, я провела довольно
обширную практическую работу.
Я вырастила кристаллы из различных
реактивов.
(См. Приложение. Часть 2).
12
Часть 3
Вывод
Благодаря своему опыту я выяснила, что:
-
Рост кристаллов полностью зависит от метода их выращивания
(постепенное или быстрое охлаждение), местоположения во время роста, а
также от условий среды, в которой они находятся (чистота раствора, его
концентрированность).
-
Форма кристалла зависит от природы его соли и чистоты раствора.
-
Если кристалл выращивается из чистого раствора определенной соли,
он может быть только определенной формы и ни какой другой.
Актуальность выбранной мною темы:
В наше время кристаллы имеют огромное значение для человека. Они
используются во многих сферах
жизни современного общества: от
медицинских препаратов до новейших технологий. Даже, несмотря на то, что
натуральные минералы образуются в течение многих столетий под
действием огромного давления и высокой температуры, люди научились
искусственно
создавать
кристаллы.
И
это
здорово!
В
XXI
веке
кристаллообразные вещества все быстрее и глубже изучаются людьми.
Список их применения становится все обширнее и невероятнее. Благодаря
кристаллам создаются все новые технологии, открываются все новые
свойства природы.
Я считаю, что через грани минералов лежит дорога в будущее. Ведь
структура кристаллов очень и очень сложна. И если люди полностью изучат
и поймут суть кристаллов вплоть до электронов в атомах, то мы сможем
сделать огромный шаг в науке и в нашем развитии в целом. Мы сможем
понять не только нашу Землю, но и откроем для себя космос, во всем его
величии и необъятности.
13
Список литературы:
• И.А. Леенсон, Удивительная химия — ЭНАС-КНИГА, Москва, 2015г.
• П.Д. Рубинов, Химия: полный курс — изд. Питер, Санкт-Петербург,
2013г.
• О. Ольгин, Опыты без взрывов — изд. М: Химия, 1995г.
• http://course-crystal.narod.ru/p31aa1.html
• http://kristal.21428s12.edusite.ru/p8aa1.html
• https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D1%80%D0%B8%D1%81%D1%
82%D0%B0%D0%BB%D0%BB%D0%B8%D0%B7%D0%B0%D1%86%D0%B
8%D1%8F
14