Городская научно-практическая конференция школьников «Первые шаги в науку» Кристаллы.

1
Городская научно-практическая конференция школьников
«Первые шаги в науку»
Кристаллы.
Выращивание кристаллов
Научно-исследовательский проект
Выполнен:
Ученицей 3 класса
МОБУ СОШ №79 г. Сочи
Лазаревского района
Абросимовой Александрой
Научный руководитель:
Учитель начальных классов
МОБУ СОШ № 79 г. Сочи
Лазаревского района
Каргашина Гузалия Мирзагитовна
2013 год
2
Содержание работы
Введение………………………………………………………………………………………………………………………….3
Глава 1. Структура и форма кристаллов………………………………………………………………4
1.1 Как получают кристаллы…………………………………………………………………………………………6
1.2 Опыты по выращиванию кристаллов……………………………………………………………………8.
Глава 2. Зачем растят кристаллы……………………………………………………………………..10
Глава 3. Роль жидких кристаллов в живом организме…………………………………….11
Заключение………………………………………………………………………………………………………………….12
Библиография………………………………………………………………………………………………………………13
Приложение…………………………………………………………………………………………………………………14
3
Введение
Что же такое кристаллы?
Если заглянуть на кухню и открыть холодильник. Там мы увидим замерзшую
воду – лед. Это кристаллы. Сахар и соль – это кристаллические вещества.
Кристаллы окружают нас повсюду. Земная кора на 95% состоит из
кристаллов. В переводе с греческого кристаллос означает лед. Этот термин
применяли по отношению к горному хрусталю – одной из разновидностей
кварца.
Раньше считали, что если лед очень долго находится при низкой
температуре, то он становится каменным и уже не может растаять.
Кварц – это один из самых распространенных минералов. Разновидностями
кварца являются горный хрусталь, аметист, морион, цитрин, раухтопаз и
другие минералы. Римский писатель и ученый Плиний Старший (23-79гг.) в
своем труде «Естественная история» утверждал, что горный хрусталь
получается при сильном холоде. Горный хрусталь считался камнем
совершенства. По преданиям, боги на Олимпе пользовались кубками,
сделанными из горного хрусталя.
Разные науки изучают кристаллы. Это кристаллография, химия, физика и
другие.
4
Глава 1. Структура и форма кристаллов
Кристаллы – это твердые тела, обладающие особенной структурой и
имеющие при определенных условиях форму правильных многогранников
(правильную форму). Частицы, образующие кристалл (ионы, молекулы,
атомы), располагаются в пространстве в определенном порядке
(очередности), которая периодически повторяется.
Расположение частиц представляют в виде кристаллической решетки. Это
трехмерная (пространственная) модель. В кристаллической решетке
выделяют наименьшую часть (элементарная ячейка). В кристалле она
повторяется по трем направлениям пространства.
Например, в кристаллической решетке пищевой соли (хлорида натрия)
элементарной ячейкой является куб. Если соединить такие кубики,
состоящие из ионов натрия и хлора, то получится кристаллическая структура
пищевой соли
Если в узлах кристаллической решетки находятся атомы, то ее называют
атомной, если ионы (заряженные частицы) – ионной, а если молекулы –
молекулярной.
Атомная решетка характерна для алмаза, графита и кварца. Молекулярная
кристаллическая решетка у сахарозы, ионная решетка присуща пищевой
соли, соде, квасцам, медному купоросу.
Кристаллические вещества могут образовывать один монокристалл. Однако
чаще всего кристаллические вещества состоят из множества небольших
кристаллов, т.е. являются поликристаллическими. Монокристаллы обычно
получают искусственно. Монокристаллы образуют, например, алмаз и кварц.
Причем монокристаллы алмаза небольшие, а вот горный хрусталь
(разновидность кварца) способен образовывать очень большие кристаллы.
Он дает монокристаллы весом несколько тонн и высотой несколько метров.
Хотя обычно в природе большие монокристаллы встречаются редко.
Если кристаллы срастаются на общем основании, то они образуют друзы.
Образование друз характерно, например, для гипса, кварца, кальцита,
аметиста и других минералов.
5
Некоторые
кристаллические
вещества
способны
образовывать
кристаллогидраты. Они содержат в своем составе воду. Вода в этом случае
называется
кристаллизационной.
В
определенных
условиях
кристаллогидраты постепенно теряют кристаллизационную воду. Этот
процесс называют выветриванием. При нагревании кристаллогидраты
разрушаются и образуются безводные вещества.
6
1.1.Как получают кристаллы
Кристаллы образуются в процессе кристаллизации из расплава, раствора или
газа. В лабораторных условиях кристаллы получают из растворов.
Существуют вещества, которые могут смешиваться с водой в любых
соотношениях. Есть вещества с ограниченной растворимостью в воде. Для
веществ с ограниченной растворимостью различают насыщенный,
ненасыщенный и перенасыщенный раствор.
Насыщенный раствор – это раствор, содержащий при данной температуре
максимально возможное количество растворенного вещества.
Например, при 15 С в насыщенном растворе будет находиться 197 г сахарозы
в 100 г воды, а при повышении температуры до 100 С в том же количестве
воды может раствориться уже 487 г сахарозы. Обычно растворимость
вещества при повышении температуры увеличивается. Хотя у некоторых
веществ,
например,
гипса
наблюдается
обратная
зависимость.
Растворимость ряда веществ практически не зависит от температуры. Это,
например, обыкновенная пищевая соль. При охлаждении насыщенного
раствора из него начинают выпадать кристаллы растворенного вещества, т.к.
с понижением температуры растворимость уменьшается. При этом снова
получается насыщенный раствор, но уже с меньшим содержанием
растворенного вещества.
Если при данной температуре в растворе содержится вещества меньше, чем
может раствориться, то такой раствор считают ненасыщенным. В
перенасыщенном
растворе
содержание
растворенного
вещества
оказывается больше, чем в насыщенном растворе при определенной
температуре.
Для получения кристаллов совсем необязательно охлаждать насыщенный
раствор. Наоборот, его можно нагревать с целью упаривания. При этом
количество растворителя постепенно уменьшается, и растворенное вещество
начинает выпадать в осадок, т.е. выкристаллизовываться.
Если горячий насыщенный раствор быстро охладить, то появятся мелкие
кристаллы, а если медленно, то крупные кристаллы. При резком охлаждении
образуется множество маленьких зародышей будущих кристаллов. Их
называют центрами кристаллизации. Медленное охлаждение приводит к
7
появлению небольшого количества центров кристаллизации, и вещество как
бы нарастает на них, благодаря чему появляются кристаллы больших
размеров. Это происходит подобно возведению дома из отдельных
кирпичиков.
8
1.2. Опыты по выращиванию кристаллов
Сейчас мы будем получать кристаллы квасцов и будем использовать
алюмокалиевые квасцы. Почему именно эти кристаллы? Дело в том, что
алюмокалиевые квасцы нетоксичны, очень легко кристаллизуются и могут
образовывать достаточно большие кристаллы. Они хорошо растворяются в
воде (особенно при нагревании). Например, при 20 С в 100 мл воды
растворяется 5,9 к квасцов, а при – 60С – уже в 4 раза больше ( в пересчете
на безводную соль)!
Опыт
Этап 1.
1. Готовим насыщенный раствор квасцов. Нальем 100 мл воды в
небольшую стеклянную баночку.
2. Поместим ее в небольшую кастрюлю, в которую наливаем воду.
3. Кастрюлю ставим на плиту на малый нагрев. Мы получили водяную
баню, с помощью которой будем нагревать воду в баночке.
4. Как только вода нагреется до 50-60С (используем термометр) плиту
выключаем, не доводя воду до кипения!
5. Поддерживаем температуру 50-60С, включая плиту при остывании.
6. Затем в баночку добавляем небольшими порциями квасцы,
помешивая смесь шпателем. Добавляем до тех пор, пока вещество не
перестанет растворяться. Насыщенный раствор готов.
7. Затем его необходимо профильтровать (процедить) через несколько
слоев бинта или марли в новую баночку.
8. Перед фильтрованием баночку необходимо осторожно ополоснуть
горячей водой. Если баночка будет холодной, то кристаллизация
может произойти уже в процессе фильтрования при ее контакте с
горячим раствором.
9. Профильтруем через марлю раствор.
10.Баночку с фильтратом накроем бумажной салфеткой, обернем газетой
и оставим охлаждаться. Это необходимо проделать для того, чтобы
раствор остывал как можно медленнее. Чем медленнее охлаждается
раствор, тем более крупные кристаллы будут получены. Примерно
через сутки обнаружили, что в баночке появились кристаллы квасцов.
9
Этап 2.
1. Перельем раствор из баночки в другой сосуд и сделаем на нем
этикетку «Раствор квасцов»
2. Кристаллики перенесем на бумажную салфетку.
3. Промокнем кристаллы салфеткой и оставим высыхать.
4. После этого поместим их в какой-либо сосуд и плотно его закроем.
Сделать это необходимо, т.к квасцы легко выветриваются на
воздухе – теряют кристаллизационную воду и превращаются в
порошок. На сосуде сделаем этикетку «Кристаллы квасцов». Эти
кристаллы понадобятся для получения больших кристаллов и
других опытов.
5. Выбираем самый крупный кристалл из полученных, обвязываем его
капроновой ниткой.
Этап 3.
1. Возьмем раствор квасцов и перельем в баночку.
2. Добавим примерно 50-70 мл воды. Смесь перемешаем
шпателем.
3. Баночку с полученным раствором нагреем на водяной бане до
температуры 50-60 С.
4. Теперь раствор необходимо сделать насыщенным. Для этого
насыпаем небольшими порциями порошок квасцов и помешаем
его шпателем.
5. Горячий насыщенный раствор профильтруем.
6. В профильтрованный раствор поместим кристаллик квасцов на
ниточке таким образом, чтобы он располагался примерно
посередине между дном баночки и уровнем жидкости в ней, так
как кристалл начнет расти, следовательно, увеличится в
размерах.
7. Баночку накроем салфеткой и обернем газетой. Через 1-2 суток
увидим, что кристалл увеличился в размерах.
Теперь снова повторим все действия, но уже с подросшим
кристаллом. Так можно получить достаточно большой
экземпляр.
Чтобы кристалл, который в итоге получится, со временем не
рассыпался, покроем его прозрачным мебельным лаком.
10
Глава 2. Зачем растят кристаллы
Зачем же создают еще и искусственные кристаллы, если и так почти все
твердые тела вокруг нас имеют кристаллическое строение?
Прежде всего затем, что природные кристаллы не всегда достаточно
крупны, часто они неоднородны, в них имеются нежелательные
примеси. При искусственном выращивании можно получить кристаллы
крупнее и чище, чем в природе.
Есть и такие кристаллы, которые в природе редки и ценятся дорого, а в
технике очень нужны. Поэтому разработаны лабораторные и
заводские методы выращивания кристаллов алмаза, кварца, корунда.
А самое главное – искусственно выращивая кристаллы, создают
вещества, каких вообще нет в природе, которые являются «объектом»
изучения и использования свойств кристалла.
В лабораториях и на заводах все более совершенствуют методы
создания искусственных кристаллов с нужными для техники
свойствами (кристаллов «по мерке» или «на заказ»).
Гигантскими «фабриками искусственных кристаллов» являются все
химические заводы, где вырабатывают различные соли, соду,
химические удобрения и многие другие кристаллы, сахарные заводы,
где варят кристаллический сахар, фармацевтические заводы, где
синтезируют кристаллы лекарственных веществ и металлургические
заводы, где выплавляют металлы.
11
Глава 3. Роль жидких кристаллов в живом организме
Интерес к этому состоянию вещества особенно возрос тогда, когда
стало известно, что в живых организмах имеется ряд структур и систем,
организованных по принципу жидкого кристалла. Причем в последнее
время серьезно рассматривается вопрос о роли жидких кристаллов в
возникновении некоторых заболеваний в организме человека. Отсюда
понятен интерес, который проявляют сегодня медики к жидким
кристаллам.
Жидкокристаллическую
структуру
образует
дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). Роль ДНК в организме трудно
переоценить – она является носителем наследственной информации.
Онкологи возлагают на жидкие кристаллы определенные надежды.
Как предполагают ученые, в процессе образования раковой клетки
происходит нарушение жидкокристаллического состояния мембраны.
Она теряет упорядоченную жидкокристаллическую структуру,
происходит «разрыхление» плотной укладки клеток, начинается
активный рост «больных» клеток.
12
Заключение
Небывалые успехи науки и техники в освоении космического пространства
вызвали
к
жизни
космическую
технологию
и
космическое
материаловедение. В невиданных условиях в космических лабораториях
ставились опыты по выращиванию кристаллов. В условиях невесомости и
космического вакуума можно осуществлять расплавление и смешение
материалов невиданной чистоты без загрязнения их материалами сосуда,
можно смешивать вещества, несмешиваемые в земных условиях, например
металлы с газами. В космических лабораториях были выращены
монокристаллы в 10 раз большие, чем удалось вырастить в земных условиях,
и значительно более однородные.
Полученные в космосе нитевидные кристаллы сапфира отличаются
высочайшей прочностью: они выдерживают давления в десятки раз
превышающие прочность таких же «земных» материалов.
13
Библиография
1. Ольгин О.М. Давайте похимичим!: Занимательные опыты по химиии/
Ил. Е.Андреевой. – М.: Дет.лит., 2001. -175 с.: ил. – (Знай и умей).
2. Энциклопедичсекий словарь юного химика/ Сост. В.А.Крицман,
В.В.Станцо. – М.: педагогика, 1982. – 368 с., ил.
3. Ольгин О.М. Чудеса на выбор, или Химические опыты для новичков:
Научно-популярная литература. – М.: Дет.лит.,-127 с., ил.
4. Белиловский В.Д.Эти удивительные жидкие кристаллы: Кн. Для
внекл.чтения учащихся 8-10 кл. сред.шк. – М.: Просвещение, - 112 с.:
ил. – (Мир знаний)
5. Шаскольская М.П. Очерки о свойствах кристаллов . – 2-е изд., испр. –
М.: Наука. Гл. ред. Физ.-мат. Лит., 1987. – 176 с., ил.
6. Шаскольская М.П. Кристаллы. – 2-е изд., испр. – М.: наука. Главная
редакция физико-математической литературы.- 208 с.