Список литературы по выращиванию кристаллов из железного купороса
Обновлено: 05.10.2024
Книга представляет собой наиболее полную в настоящее время сводку по методике и технике выращивания кристаллов. В ней рассмотрены вопросы роста кристаллов из растворов, расплавов, из твердой и газовой фаз, а также специальные методы выращивания (при экстремальных условиях, выращивание скелетов, нитевидных кристаллов — усов, высокополимеров). Для каждого метода приведены теоретические основы, описание применяемой аппаратуры И получаемых веществ. Показаны варианты методов, обусловленные свойствами отдельных материалов. Особое внимание уделено реальной структуре выращенных кристаллов — дефектам.
Изложены методы выращивания кристаллов из растворов при атмосферном давлении и умеренной температуре (до 100° С), наиболее доступные и часто применяющиеся в лабораторных условиях. Описаны техническое оснащение кристаллизационной лаборатории, приемы работ, меры борьбы с неоднородно-стями, возникающими в кристаллах при их росте, подбор оптимальных условий для выращивания и т. д. Второе издание (1-е изд.— 1967) значительно перера-ботано и дополнено новыми материалами как по теории роста кристаллов, так и по методам их выращивания.
Для кристаллографов, минералогов, физиков и химиков, связанных с вы-ращиванием и изучением кристаллов. Для всех тех, кто занимается или начи¬нает заниматься выращиванием кристаллов с целью изучения самих кристаллов или процессов их образования.
В статьях рассмотрены результаты экспериментальных исследований по растворимости, синтезу и кристаллизации бериллиевых минералов в широком диапазоне физико-химических условий –гидротермальных, газотранспортных и флюсовых.
Описаны зависимость внутреннего строения и габитуса кристаллов от условий роста, а также физических свойств от химического состава минералов.
Сборник рассчитан на минералогов, геохимиков, специалистов в области экспериментальной минералогии и роста кристаллов.
В монографии рассматриваются методы выращивания лазерных диэлектрических кристаллов. Рассмотрение и систематизация методов ведётся с позиций, предъявляемых современной техникой к активным материалам твёрдотельных лазеров. Поэтому данную работу можно рассматривать как введение в материаловедение твёрдотельной квантовой электроники. С целью лучшей иллюстрации материала в работе приводятся основные сведения об использующихся в лазерной технике матрицах - кристаллах простых и сложных оксидов и фторидов. Рассмотрены методы выращивания из расплава, растворов и из газовой фазы объёмных кристаллов и плёнок. Приведены технологические схемы и режимы получения всех перспективных лазерных материалов. Особое внимание уделено как широко используемым в промышленности (методы Вернейла, Чохральского, Багдасарова), так и новым (оптическая зонная плавка, выращивание с лазерным нагревом, выращивание гарнисажным методом, получение лазерных плёнок жидкофазной эпитаксией и с помощью газотранспортных реакций). При рассмотрении каждого метода обсуждаются его технические характеристики и указывается круг материалов, который может быть этим методом получен.
Книга предназначена для научных работников и инженеров, специализирующихся в области материаловедения электронной техники, физики и химии твёрдого тела, а также специалистов, занимающихся проблемой поиска новых высокотемпературных материалов. Она может быть полезна студентам старших курсов и аспирантам, специализирующимся в области материаловедения.
Мы живем в мире, в котором большая часть веществ находится в твердом состоянии. Мы пользуемся различными механизмами, инструментами, приборами. Мы живем в домах и квартирах. Имеем мебель, бытовые приборы, современнейшие средства связи: радио, телевидение, компьютеры и т. д. А ведь все это твердые тела. Так что же такое твердые тела?
В отличие от жидкостей, твердые тела сохраняют не только объем, но и форму, т.к. положение в пространстве частиц, составляющих тело, стабильно. Из-за значительных сил межмолекулярного взаимодействия частицы не могут удаляться друг от друга на значительные расстояния.
В природе часто встречаются твердые тела, имеющие форму правильных многогранников. Такие тела назвали кристаллами. Например, снежинки, морозные узоры на стеклах окон и иней, украшающий зимой голые ветки деревьев. Все камни - это кристаллы! Причем не только яркие и блестящие драгоценные камни (алмазы, рубины, сапфиры), но и обычные, из которых состоят горы, скалы, ущелья и пещеры. Существуют даже кристаллы, которые можно съесть! Это соль и сахар, которые имеются на каждой кухне.
Нам стало интересно, а возможно ли получить кристаллы в условиях школьной лаборатории. Нас очень заинтересовала эта тема, и мы решили вырастить кристаллы из медного и железного купороса.
Актуальность исследования состоит в том, что выращивание кристаллов - увлекательное и познавательное занятие и, пожалуй, самое простое, доступное и недорогое. Кристаллы играли и играют до сих пор немаловажную роль в жизни человека.
Предмет исследования: процесс кристаллизации.
Объект исследования: кристаллы медного и железного купороса.
Цель: выращивание кристаллов из медного и железного купороса и наблюдение за процессом их роста.
- рассмотреть лабораторный способ выращивания кристаллов;
- по мере роста кристаллов соотносить свои наблюдения с закономерностями, известными из теории кристаллов;
- сравнить формы выращенных кристаллов с формами кристаллических решеток.
План работы над проектом:
- Изучение способов выращивания кристаллов в лабораторных условиях
- Подготовка необходимых материалов (соль медного купороса, соль железного купороса, емкости для выращивания кристаллов, термометр, нить)
- Проведение опытно-экспериментальной деятельности с целью получения кристаллов
- Анализ полученных результатов исследования.
Обзор литературных источников по исследуемой проблеме
В школьных учебниках кристаллами обычно называют твердые тела, образующие в природных или лабораторных условиях и имеющие вид многогранников, которые напоминают самые строгие геометрические построения. Поверхность таких фигур ограничена более или менее совершенными плоскостями - гранями, пересекающимися по прямым линиям - ребрам. Точки пересечения ребер образуют вершины.
В 1619 г. великий немецкий математик и астроном Иоганн Кеплер обратил внимание на шестерную симметрию снежинок. Он попытался объяснить тем, что кристаллы построены из мельчайших одинаковых шариков, теснейшим образом присоединённых друг к другу. По пути, намеченному Кеплером, пошли впоследствии Роберт Гук и М. В. Ломоносов. Они также считали, что элементарные частицы внутри кристаллов можно уподобить плотно упакованным шарикам. В наше время принцип плотнейших шаровых упаковок лежит в основе структурной кристаллографии.
Кристаллические тела могут быть монокристаллами и поликристаллами. Монокристаллом называют одиночный кристалл, имеющий макроскопическую упорядоченную кристаллическую решётку. Монокристаллы обычно обладают геометрически правильной внешней формой, но этот признак не является обязательным.
Большинство встречающихся в природе и получаемых в технике твердых тел представляют собой совокупность сросшихся друг с другом хаотически ориентированных маленьких кристаллов-кристаллитов. Такие тела называются поликристаллами.
Плотность расположения частиц в кристаллической решетке не одинакова по различным направлениям. Это приводит к зависимости свойств монокристаллов от направления – анизотропии.
Анизотропия – зависимость физических свойств вещества от направления. Физические свойства поликристаллов не зависят от направления: они изотропны.
Изотропия – независимость физических свойств вещества от направления.
Простейший пример анизотропии кристаллов – неодинаковая их прочность по разным направлениям. Это свойство наглядно проявляется при дроблении кристаллических тел.
Кристаллы со слоистой структурой – слюда, гипс, графит, тальк – в направлении слоев совсем легко расщепляются на тонкие листочки, но невозможно разрезать или расколоть их в других плоскостях. Бесцветные кристаллы каменной соли прозрачны, как стекло. Если ударить ножом или молоточком по кристаллу, он разбивается на кубики с ровными, гладкими, плоскими гранями. Это явление спайности, т.е. способности раскалываться по ровным, гладким плоскостям, так называемым плоскостям спайности. Кристаллы кальцита тоже обладают весьма совершенной спайностью: при ударе они всегда разбиваются на так называемые ромбоэдры с гладкими, плоскими гранями. Ромбоэдр - это косоугольный параллелепипед, или, можно сказать, куб, вытянутый вдоль одной из его диагоналей.
Представления о кристаллах, их строении и свойствах развалились на протяжении нескольких веков. Точкой отсчета истории кристаллов может быть известие о существовании изумрудов в Индии за 2 тыс. лет до н. э., алмазов за 1000-500 лет до н. э., рубинов Цейлона за 600 лет до н. э. Человек пытается разгадать природу кристалла с XIII - XIV веков н.э., а в середине XX века весь мир удивили жидкие кристаллы, в конце XX века сенсацией стало известие об открытии фотонных кристаллов. Чем более совершенными знаниями и инструментами исследования владеет человечество, тем более новые горизонты в познании природы и кристаллов, в частности, нам раскрываются.
Удивительно, но выращивать кристаллы можно не только в химических и промышленных лабораториях, но и в домашних условиях. Самые популярные вещества, из которых выращивают кристаллы дома – это поваренная соль, железный купорос и медный купорос.
Существует всего два способа выращивания кристаллов в домашних условиях:
1. Метод охлаждения насыщенного раствора;
2. Метод испарения – постепенного удаления жидкости из раствора.
Берется нужное вещество, готовится из него перенасыщенный (концентрированный) раствор, кладется в раствор так называемая затравка, мелкий кристаллик, и путем прилипания молекул вещества на затравку кристаллик растет. А чтобы молекулы прилипали, нужно либо остужать воду, либо выпаривать (можно и то, и другое). Быстрый способ выращивания кристаллов – это медленное охлаждение раствора.
Выращивание кристаллов медного и железного купороса
Медный купорос применяют в сельском хозяйстве для борьбы с вредителями и болезнями растений, в промышленности - при производстве искусственных волокон, органических красителей и др. Его можно купить в хозяйственном магазине.
Железный купорос применяют в борьбе с болезнями растений, для уничтожения мхов и лишайников, для дезинфекции выгребных ям. Его можно приобрести в цветочном магазине.
2 этап . Сливаем маточный раствор в другую чистую посуду, туда же помещаем кристаллики со дна, нагреваем посуду на водяной бане, добиваясь полного растворения, и даем охладиться. Через сутки на стенках и дне сосуда образуются маленькие кристаллики – параллелограммы. Из них мы отбираем наиболее правильный кристалл. Это и будет кристалл-затравка. (Приложение 2).
3 этап . Снова готовим насыщенный раствор на основе маточного, добавляя немного вещества, греем и перемешиваем. Если раствор теплый, даем ему остыть до 30 0 С и помещаем туда кристалл-затравку, закрепляя его предварительно на нити. Кристалл-затравка не должен касаться стенок и дна сосуда. Теперь осталось наблюдать за ростом кристалла. (Приложение 3).
Так как исследование проходило в зимнее время, раствор очень быстро остывал, поэтому поддерживать постоянную температуру не удавалось. При быстром охлаждении кристалликов образуется много, одни мешают расти другим и правильных кристаллов не получается. Также периодически приходилось подогревать раствор и добавлять туда еще вещество. Все эти отклонения от технологии привели к тому, что кристаллы выросли сросшимися, т.е. у нас получились поликристаллы с ярко выраженными плоскими гранями отдельных кристаллов. (Приложение 3).
Не меняя положение затравки кристалла медного купороса, мы периодически фиксировали размеры некоторых граней и заметили, что грани изменяют свои размеры – растут, но форма их остается неизменной, углы между соответственными гранями тоже остаются постоянными. Подобная закономерность наблюдается и у других выращенных кристаллов.
Аналогичная закономерность обнаружена нами и у кристаллов железного купороса.
Таким образом, в различных кристаллах одного и того же вещества и форма граней, и их взаимные расстояния могут изменяться, но углы при этом остаются постоянными.
Опытным путем мы обнаружили, что форма граней кристаллов медного и железного купороса отличаются друг от друга. Основываясь на исследованиях выращенных кристаллов и их фотографий, можем утверждать, что форма монокристаллов медного купороса соответствует ромбоэдру, а форма кристаллов железного купороса соответствует ромбической призме. (Приложение 4).
В дальнейшем мы планируем продолжать свои эксперименты с новыми веществами, и ставим перед собой цель вырастить монокристаллы больших размеров и создать собственную коллекцию кристаллов.
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
«Почти весь мир кристалличен.
В мире царит кристалл и его
Данную тему считаю актуальной, т.к. в природе часто встречаются твердые тела, имеющие форму правильных многогранников. Такие тела назвали кристаллами. Изучение физических свойств кристаллов показало, что геометрически правильная форма – не главная их особенность.
Что такое кристаллы? Какими свойствами они обладают? Как растут кристаллы? Как и где они применяются в настоящее время и каковы перспективы их применения в будущем? Вот эти вопросы заинтересовали меня, и я попыталась найти на них ответы сама.
Результаты своей работы я предлагаю вашему вниманию.
Цель работы: изучение процесса роста кристаллов в природе, в промышленности и в домашних условиях; выращивание кристаллов соли, сахара, железного и медного купороса в домашних условиях; исследование области применения кристаллов.
Задачи: 1. Познакомиться с представлениями ученых о твердых кристаллах на протяжении нескольких столетий
2. Рассмотреть промышленные и лабораторные способы выращивания кристаллов и выбрать способ, приемлемый для выращивания кристаллов в домашних условиях
3. Изучить физические свойства кристаллов
4. Рассмотреть области применения кристаллов.
Объект исследования: кристалл
Предмет исследования: процесс кристаллизации.
Гипотеза: Я предполагаю, что в домашних условиях можно вырастить кристаллы.
Методы: изучение литературы; проведение экспериментов; наблюдение
Глава 1: Природа кристаллов
Понятие кристалл
Рассмотрим всем известную горную породу гранит, состоящую из зерен полевого шпата, кварца и слюды. Все эти зерна – кристаллы, однако их извилистые контуры не сохранили никаких следов прямолинейности и плоскогранности. Гранит возник из огненно-жидкого глубинного расплава – магмы. В процессе остывания расплава из него выпадало множество кристалликов полевого шпата, кварца, слюды. Металлы и сплавы, каменные строительные материалы, цемент и кирпич – все это состоит из кристаллических зерен.
Значит, для образования хорошо ограненных кристаллов необходимо, чтобы ничто не мешало им свободно и всесторонне развиваться, не теснило бы их и не препятствовало их росту. Что касается отношения человека к кристаллам, то можно сказать, что он придает им большое значение, преклоняясь перед этим чудом природы.
1.2 Форма кристаллов
Кристаллографы всегда подчеркивают, что форма кристалла прежде всего зависит от его внутреннего строения, т.е. от кристаллической структуры (пространственного расположения атомов, молекул, ионов слагающих кристалл). Вместе с тем не стоит забывать о том, что на формирование кристаллического тела накладывает свой отпечаток и питающая его среда.
Кристаллы могут иметь всевозможные формы. Все известные в мире кристаллы могут быть разделены на 32 вида, которые в свою очередь могут быть сгруппированы в шесть видов. Кристаллы могут иметь форму различных призм, основанием которых могут быть правильный треугольник, квадрат, параллелограмм и шестиугольник (рис 1).
Рисунок 1 – формы кристаллов.
Кристаллы могут иметь и разные размеры. Некоторые минералы образуют кристаллы, которые разглядеть можно только с помощью микроскопа. Другие же образуют кристаллы, вес которых составляет несколько сотен фунтов.
Кристаллическими считаются вещества, атомы которых расположены регулярно, так, что образуют правильную трёхмерную решётку, называемую кристаллической. Кристаллам ряда химических элементов и их соединений присущи замечательные механические, электрические, магнитные и оптические свойства. Кристаллические решётки металлов часто имеют форму гранецентрированного (медь, золото) или объёмно-центрированного куба (железо), а также шестигранной призмы (цинк, магний) (Приложение 1).
Глава 2: Выращивание кристаллов
2.1. Образование кристаллов в природе В природе кристаллы образуются при различных геологических процессах из растворов, расплавов, газовой или твердой фазы. Значительная часть минеральных видов произошла путем кристаллизации из водных растворов.
Огромные количества горячих и расплавленных горных пород глубоко под землей в действительности представляют из себя растворы минералов. Когда массы этих жидких или расплавленных горных пород выталкиваются к поверхности земли, они начинают остывать. Минералы превращаются в кристаллы, когда переходят из состояния горячей жидкости в холодную твердую форму. Например, горный гранит содержит кристаллы таких минералов, как кварц, полевой шпат и слюда.
Кристаллизоваться могут не только водяные пары, но и пары других веществ. Например - на фумаролах образуются кристаллы из газов.
Перекристаллизация связана с таким явлением как метосамотоз - преобразование горной породы или минерала в другую горную породу или минерал под воздействием приноса или выноса вещества. Перекристаллизация - это процесс, при котором структура одних веществ разрушается, и образуются новые кристаллы с другой структурой. Например, известняк под действием высоких температур и давления становится мрамором (Приложение 2).
2.2Методы выращивания кристаллов
Синтез драгоценных ювелирных и технических камней по способу М. А. Вернейля считается классическим и является первым промышленным методом выращивания кристаллов корунда, шпинели и других синтетических кристаллов (Приложение 3).
Метод кристаллизации из раствора в расплаве с использованием флюсов.
Охлаждение насыщенного горячего раствора. Если охлаждение вести быстро, избыток вещества выпадет в осадок. Если раствор охлаждать медленно, зародышей образуется немного, и, обрастая постепенно со всех сторон, они превращаются в красивые кристаллики правильной формы.
Выращивание кристаллов из расплавленных веществ при медленном охлаждении жидкости. Наилучшие результаты получаются, если используется затравка. Таким способом получают, например, кристаллы рубина.
Самый простой способ - испарение растворителя. По мере испарения в сосуд подливались новые порции раствора. Способ выращивания таких кристаллов разработан С. Киропулосом.
2.3 Выращивание кристаллов в домашних условиях 2.3.1 Приготовление раствора
Необходимо приготовить раствор из тёплой воды. Воду лучше брать дистиллированную. Банку на половину объёма наполняют водой и небольшим количеством соли (морской соли, сахара, железного или медного купороса), которую постоянно перемешивают. Добавляем ещё вещества и снова перемешиваем. Повторяем этот этап до тех пор, пока вещество не будет растворяться, и станет оседать на дно сосуда. Получился насыщенный раствор. Готовый раствор необходимо профильтровать и перелить во вторую банку, в которой будет происходить рост кристаллов. Банку накрыть листком бумаги, чтобы не попадали инородные тела, и ждать появления первых кристалликов.
2.3.2 Фильтрация раствора
Конечно же, для фильтрации раствора лучше всего использовать хороший, лабораторный фильтр из фильтровальной бумаги и стеклянную воронку. Если готового фильтра нет, то его можно сделать из обычной промокашки. В своих опытах, в домашних условиях, я использовала вату. Вату плотно вставляют в горлышко воронки и затем фильтруют раствор.
2.3.3 Выращивание крупных одиночных кристаллов
Для того чтобы кристалл вырос крупным и геометрически ровным, т. е. имел природную форму, необходимо довольно много времени. Обычно кристалл вырастает на 0,1-0,8мм в сутки. Выращивание крупного одиночного кристалла - очень длительный и сложный процесс, требующий терпения и осторожности.
Для начала потребуется затравка - маленький кристаллик, который и будет центром кристаллизации. Для того чтобы получить затравку, нужно приготовить максимально концентрированный раствор вещества. Через несколько дней на дне стакана появляются первые кристаллики, имеющие разную форму. Из этих кристалликов отбираю те, которые имеют более правильную форму.
Раствор, в который собираются погрузить затравку, желательно приготовить заранее и оставить на пару дней для выпадения первых кристалликов (чтобы быть уверенным, что затравка не растворится). Раствор фильтрую от выпавших кристалликов, переливаю в чистый стакан и погружаю туда затравку. Стакан накрываю бумагой и оставляю на полке. Уже через неделю можно заметить, что кристалл заметно подрос.
2.3.4 Выращивание сростков кристаллов (друз)
Выращивание сростков кристаллов - это один из самых быстрых способов выращивания кристаллов. Если выращивание одиночных кристаллов занимает много времени и рассчитано на постепенный, правильный рост кристаллов, то выращивание друзы гораздо легче, потому что оно ориентируется на быстрое, хаотическое выпадение кристаллов.
Сначала готовим перенасыщенный раствор соли (сахара, медного купороса) в горячей воде. После охлаждения раствора - вносим затравку. Уже через 5-10 часов видим большое количество кристалликов на нитке, на затравке, на дне стакана. Раствор оставляем в покое в течение 3-5 дней, затем вынимаем нитку с кристаллом, раствор нагреваем, добавляем воды и снова делаем максимально концентрированным. После охлаждения в него вновь вносим нитку с уже подросшим кристаллом и оставляем на 3-5 дней. Эту процедуру повторяем до тех пор, пока кристалл не достигнет необходимого размера.
Глава 3. Мои эксперименты
3.1. Мои опыты по выращиванию кристаллов в домашних условиях
Чтобы вырастить кристаллы в домашних условиях, нужно приготовить перенасыщенный раствор соли. В качестве исходных веществ я выбрала те соли, которыми пользуется человек более или менее часто: медный купорос (для обработки растений от вредителей) и поваренную соль и сахар (для употребления в пищу).
Второй способ, которым я воспользовалась – охлаждение насыщенного горячего раствора, т.е. метод выпаривания. На стеклянные пластинки наносила по несколько капель раствора и затем нагревала пластинки над пламенем. Раствор очень быстро испарялся, а на пластинках оставались кристаллики (Приложение 4).
3.2. Наблюдение за ростом кристаллов
Наблюдала за ростом каждый день. Изучив литературу, я знала, что вырастить монокристалл очень сложно. Для этого нужно строго соблюдать все условия технологии, начиная со специальной посуды, чистоты раствора и заканчивая соблюдением строжайшего температурного режима. Но я занималась экспериментальной работой в зимнее время, раствор очень быстро остывал, поэтому поддерживать температуру постоянной не удавалось. Также приходилось периодически подогревать содержимое и добавлять еще вещества в раствор. Все эти отклонения от технологии привели к тому, что кристаллы выросли сросшимися, т. е. у меня в основном получились поликристаллы с выраженными плоскими гранями отдельных кристаллов.
Я периодически измеряла размеры некоторых граней и заметила следующее: грани изменяют свои размеры - растут, но форма их остается неизменной, углы между соответственными гранями тоже остаются постоянными. Но, возможно, эта закономерность характерна только данному кристаллу? Поэтому я вырастила два разных кристалла медного купороса, сравнила формы граней и измерила их углы. Оказалось, что и для другого кристалла эта закономерность тоже справедлива. Это дает право говорить о том, что в различных кристаллах одного и того же вещества и форма граней, и их взаимные расстояния, и их число могут изменяться, но углы при этом остаются постоянными (Приложение 5).
3.3. Исследование физических свойств кристаллов
Конечно, не все физические свойства можно исследовать в домашних условиях. Расколов кристалл медного купороса на множество маленьких кристалликов я убедилась, что они представляют собой одинаковой формы геометрические тела, отличающиеся только размерами. Большой поликристалл при механическом воздействии может дробиться на части, ограниченные плоскими поверхностями, пересекающимися под острыми и тупыми углами. Способность кристалла раскалываться в определенных направлениях называется спайностью.
А затем я исследовала самые крупные кристаллы на теплопроводность. Я наносила каплю парафина на разные грани кристаллов и давала ей застыть. Затем дотрагивалась до этих граней хорошо прогретой спицей и наблюдала за формой таявшей капельки парафина. В одних случаях форма была круглая, а в других - вытянутая, а это значит, что в первом случае тепло распространялось по всем направлениям одинаково, а во втором - тепло распространялось в одних направлениях медленнее, в других быстрее и форма проталинки была уже не круглой (Приложение 6).
Кроме этого я проверила кристалл медного купороса на электропроводимость, светопроницаемость и намагничиваемость. Вывод: кристалл медного купороса проводит электрический ток; очень слабо пропускает свет; и совсем не обладает магнитными свойствами, т. е не примагничивает тела (Приложение 7).
Затем я сравнила формы полученных кристаллов с формами их кристаллических решеток. Мне это удалось сделать для кристаллов поваренной соли. Выращенный мною кристалл относится к кубической сингоиии – куб (гексаэдр).
Но мне не удалось найти формы решеток железного и медного купороса. Я воспользовалась предыдущим соответствием формы кристалла и его решетки и предположила следующее: что форма кристаллов медного купороса соответствует ромбоэдру (средние сингонии), а форма кристаллов железного купороса - ромбической призме (низшие сингонии) (Приложение 8).
Глава 4. Применение кристаллов
Применения кристаллов в науке и технике так многочисленны и разнообразны, что их трудно перечислить, ограничимся несколькими примерами. Самый твердый и самый редкий из природных минералов - алмаз. Алмазными пилами распиливают камни. Алмаз используется при бурении горных пород, в граверных инструментах, делительных машинах, аппаратах для испытания твердости, сверлах для камня и металла вставлены алмазные острия.
На искусственных рубинах работает часовая промышленность. Новая жизнь рубина - это лазер или, как его называют в науке, оптический квантовый генератор (ОКГ), чудесный прибор наших дней. Кристалл рубина усиливает свет. Лазер светит ярче тысячи солнц. В глазной хирургии применяется чаще всего неодиновые лазеры и лазеры на рубине. В наземных системах ближнего радиуса действия часто используются инжекционные лазеры на арсениде галлия. Появились и новые лазерные кристаллы: флюорит, гранаты, арсенид галлия и др. Сапфир прозрачен, поэтому из него делают пластины для оптических приборов.Основная масса кристаллов сапфира идет в полупроводниковую промышленность.Кремень, аметист, яшма, опал, халцедон— все это разновидности кварца.Мелкие зернышки кварца образуют песок. А самая красивая, самая чудесная разновидность кварца - это и есть горный хрусталь, т.е. прозрачные кристаллы. Поэтому из прозрачного кварца делают линзы, призмы и др. детали оптических приборов.
Пьезоэлектрические кристаллы применяются для воспроизведения, записи и передачи звука. Пьезоэлектропластинками измеряют, например, давление в стволе артиллерийского орудия при выстреле, давление в момент взрыва бомбы, мгновенные давления в цилиндрах двигателей при взрыве в них горячих газов. В технике также нашел своё применение поликристаллический материал поляроид. Поляроидные пленки применяются в поляроидных очках.
Заключение
Живя на Земле, сложенной кристаллическими породами, мы, безусловно, никак не можем отвлечься от проблемы кристалличности: мы ходим по кристаллам, строим из кристаллов, обрабатываем кристаллы на заводах, выращиваем их в лабораториях, широко применяем в технике и науке, едим кристаллы, лечимся ими.
Кристаллы – это красиво, можно сказать чудо какое-то, они притягивают к себе; говорят же "кристальной души человек" о том, в ком чистая душа. Кристальная – значит, сияющая светом, как алмаз … И если говорить о кристаллах с философским настроем, то можно сказать, что это материал, который является промежуточным звеном между живой и неживой материей.
Таким образом, в ходе выполнения работы я сделал следующие выводы: 1. Представления о кристаллах, их строении и свойствах развивались на протяжении нескольких веков
Все физические свойства, благодаря которым кристаллы так широко применяются, зависят от их строения - их пространственной решетки.
Я выбрала наиболее приемлемый способ для выращивания кристаллов в
домашних условиях и вырастила кристаллы медного и железного купороса, а также кристаллы поваренной соли и сахара. По мере роста кристаллов проводила наблюдения. Определила типы кристаллических решеток для медного и железного купороса.
Список литературы
Желудов И.С. Физика кристаллов и симметрия. – М.: Наука, 1987
Кабардин О.Ф. Физика: учебник 10 класса для школ с углубленным изучением физики. – М.: Просвещение, 2001
Рыбалкина М. Нанотехнологии для всех. – М.: Большое в малом, 2005
Шафрановский И.И. Симметрия в природе. – Ленинград: Недра, 1985
Энциклопедический словарь юного физика/сост. В.А. Чуянов.-2-е изд., испр. И доп. – М.: Педагогика, 1991
Материалы из ИНТЕРНЕТ
Приложения:
Приложение 1 (модели кристаллических решеток)
КР золота (Au) КР железа (Fe) КР меди (Cu) КР Поваренной соли
Приложение 2 Кристаллы в природе
Приложение 3 Схема аппарата Вернейля и монокристалл корунда, полученный этим методом.
За сутки в лаборатории можно вырастить кристалл массой до 1 кг. Для многих людей выращивание кристаллов стало необходимой потребностью. хобби. В работе рассмотрены способы выращивания монокристаллов из различных солей
| Вложение | Размер |
|---|---|
| vyrashchivanie_kristallov.doc | 77 КБ |
| vyrashchivanie_kristallov.ppt | 2.99 МБ |
Предварительный просмотр:
Муниципальное образовательное бюджетное учреждение
Руководитель: учитель химии
Бочкова Ирина Анатольевна
Обоснование темы проекта и её актуальность стр. 2
1. Аналитический обзор
1.1 Что такое кристалл стр. 3
1.2 Формы кристаллов стр. 3
1.3 Способы образования кристаллов стр. 4
1.4 Применение кристаллов стр. 4 2.Экспериментальная часть
2.1 Приготовление маточного раствора стр. 6
2.2 Выращивание затравки стр. 6
2.3 Выращивание монокристаллов стр. 6
3.4 Сохранение кристаллов стр. 6 Результаты эксперимента стр. 6
Список литературы стр. 6
Обоснование выбора темы проекта и ее актуальность:
"Почти весь мир кристалличен. В мире царит кристалл и его твердые,
Академик Ферсман А.Е.
Из книг я узнал, что кристаллы получают в лаборатории, но бывают они и в природе. Например, снежинки, морозные узоры на стеклах окон и иней, украшающий зимой голые ветки деревьев. Многие кристаллы – продукты жизнедеятельности организмов. Способностью наращивать на инородных телах, попавших в раковину, перламутр, обладают некоторые виды моллюсков. Через 5-10 лет образуется жемчуг. Кристаллами являются алмазы, рубины, сапфиры и другие драгоценные камни. За сутки в лаборатории можно вырастить кристалл соли массой около 1 килограмма. Кристаллы широко применяются в науке, промышленности, оптике, электронике.
Меня очень заинтересовала эта тема, и я решил вырастить кристаллы солей в домашних условиях.
Цель работы: Научиться выращивать кристаллы.
1. Изучить литературу о кристаллах и способах их выращивания.
2. Вырастить монокристаллы различных солей.
План работы над проектом
- Изучение литературы по темам:
- Что такое кристаллы;
- Виды кристаллов;
- Значение кристаллов для человека ;
- Выращивание кристаллов в домашних условиях.
- Применение кристаллов
2. Выполнение практической части.
- Формулирование выводов.
- Оформление отчета о работе.
- Создание компьютерной презентации на основе полученных в работе материалов.
- Защита проекта.
- Аналитический обзор
- Что такое кристалл
Кристалл — это твердое состояние вещества. Он имеет определенную форму и определенное количество граней вследствие расположения своих атомов. Все кристаллы одного вещества имеют одинаковую форму, хоть и могут отличаться размерами.
Каждому химическому веществу, находящемуся при данных термодинамических условиях в кристаллическом состоянии, соответствует определенная кристаллическая структура.
В природе существуют сотни веществ, образующих кристаллы. Вода — одно из самых распространенных из них. Замерзающая вода превращается в кристаллы льда или снежинки.
Минеральные кристаллы тоже образуются в ходе определенных породообразующих процессов. Огромные количества горячих и расплавленных горных пород глубоко под землей в действительности представляют собой растворы минералов. Когда массы этих жидких или расплавленных горных пород выталкиваются к поверхности земли, они начинают остывать.
Они охлаждаются очень медленно. Минералы превращаются в кристаллы, когда переходят из состояния горячей жидкости в холодную твердую форму. Например, горный гранит содержит кристаллы таких минералов, как кварц, полевой шпат и слюда. Миллионы лет тому назад гранит был расплавленной массой минералов в жидком состоянии. В настоящее время в земной коре имеются массы расплавленных горных пород, которые медленно охлаждаются и образуют кристаллы различных видов.
1.2 Формы кристаллов
Кристаллы могут иметь всевозможные формы. Все известные в мире кристаллы могут быть разделены на 32 вида, которые в свою очередь могут быть сгруппированы в шесть видов. Кристаллы могут иметь и разные размеры. Некоторые минералы образуют кристаллы, которые разглядеть можно только с помощью микроскопа. Другие же образуют кристаллы, вес которых составляет несколько сотен фунтов.
Кристаллическими считаются вещества, атомы которых расположены регулярно, так что образуют правильную трёхмерную решётку, называемую кристаллической. Кристаллам ряда химических элементов и их соединений присущи замечательные механические, электрические, магнитные и оптические свойства.
Русский учёный Е.С.Фёдоров установил, что в природе может существовать только 230 различных пространственных групп, охватывающих все возможные кристаллические структуры. Большинство из них (но не все) обнаружены в природе или созданы искусственно. Кристаллы могут иметь форму различных призм, основанием которых могут быть правильный треугольник, квадрат, параллелограмм и шестиугольник.
Кристаллические решётки металлов часто имеют форму гранецентрированного (медь, золото) или объёмно-центрированного куба (железо), а также шестигранной призмы (цинк, магний).
В основе классификации кристаллов и объяснения их физических свойств может лежать не только форма элементарной ячейки, но и другие виды симметрии, например, поворот вокруг оси. Осью симметрии называют прямую, при повороте вокруг которой на 360° кристалл несколько раз совмещается сам с собой. Число этих совмещений называют порядком оси. Существуют кристаллические решётки, обладающие осями симметрии 2-го, 3-го, 4-го и 6-го порядков. Возможна симметрия кристаллической решётки относительно плоскости симметрии, а также комбинация разных видов симметрии.
Большинство кристаллических тел являются поликристаллами, т.к. в обычных условиях вырастить монокристаллы достаточно сложно, этому мешают всевозможные примеси. Современная техника нуждается в кристаллах высокой степени чистоты, поэтому перед наукой встал вопрос о разработке эффективных методов искусственного выращивания монокристаллов различных химических элементов и их соединений.
Выращивание кристаллов - это хобби, приверженцы которого создают собственные клубы и участвуют в соревнованиях. Выращивание кристаллов - это сложный технологический процесс, поэтому, чем дольше ждёшь, тем более впечатляющими будут результаты.
1.3 Способы образования кристаллов
Существует три способа образования кристаллов: кристаллизация из расплава, из раствора и из газовой фазы. Примером кристаллизации из расплава может служить образование льда из воды (ведь вода – это расплавленный лёд), а также образования вулканических пород. Пример кристаллизации из раствора в природе – выпадение сотен миллионов тонн соли из морской воды. При охлаждении газа (или пара) электрические силы притяжения объединяют атомы или молекулы в кристаллическое твёрдое вещество – так образуются снежинки.
Наиболее распространёнными способами искусственного выращивания монокристаллов являются кристаллизация из раствора и из расплава. В первом случае кристаллы растут из насыщенного раствора при медленном испарении растворителя или при медленном понижении температуры.
Если твёрдое вещество нагреть, оно перейдёт в жидкое состояние – расплав. Трудности выращивания монокристаллов из расплавов связаны с высокой температурой плавления. Например, для получения кристалла рубина нужно расплавить порошок оксида алюминия, а для этого его нужно нагреть до температуры 2030 °С.
1.4 Применение кристаллов
Применения кристаллов в науке и технике так многочисленны и разнообразны. Приведу несколько примеров.
Кристаллы сыграли важную роль во многих технических новинках 20 в. Некоторые кристаллы генерируют электрический заряд при деформации. Применение изготовления генераторов радиочастоты со стабилизацией кварцевыми кристаллами. Заставив кварцевую пластинку вибрировать в электрическом поле радиочастотного колебательного контура, можно тем самым стабилизировать частоту приема или передачи.
Самый твердый и самый редкий из природных минералов - алмаз. Благодаря своей исключительной твердости алмаз играет громадную роль в технике. Алмазными пилами распиливают камни. Колоссальное значение имеет алмаз при бурении горных пород, в горных работах. В граверных инструментах, делительных машинах, аппаратах для испытания твердости, сверлах для камня и металла вставлены алмазные острия. Алмазным порошком шлифуют и полируют твердые камни, закаленную сталь, твердые и сверхтвердые сплавы. Сам алмаз можно резать, шлифовать и гравировать тоже только алмазом. Наиболее ответственные детали двигателей в автомобильном и авиационном производстве обрабатывают алмазными резцами и сверлами.
Рубин и сапфир относятся к самым красивым и самым дорогим из драгоценных камней. Кроваво-красный рубин и лазорево-синий сапфир - это один и тот же минерал - корунд, оксид алюминия А 12 О 3 . Разница в цвете возникла из-за очень малых примесей.
Скромный, невзрачный бурый корунд, непрозрачный, мелкий - наждак, которым чистят металл, из которого делают наждачную шкурку. Корунд со всеми его разновидностями - это один из самых твердых камней на Земле, самый твердый после алмаза. Корундом можно сверлить, шлифовать, полировать, точить камень и металл. Из корунда и наждака делают точильные круги и бруски, шлифовальные порошки.
Вся часовая промышленность работает на искусственных рубинах. На полупроводниковых заводах тончайшие схемы рисуют рубиновыми иглами. В текстильной и химической промышленности рубиновые нитеводители вытягивают нити из искусственных волокон, из капрона, из нейлона.
Новая жизнь рубина - это лазер или оптический квантовый генератор (ОКГ). В 1960г. был создан первый лазер на рубине. Оказалось, что кристалл рубина усиливает свет. Лазер светит ярче тысячи солнц.
Мощный луч лазера громадный мощностью. Он легко прожигает листовой металл, сваривает металлические провода, прожигает металлические трубы, сверлит тончайшие отверстия в твердых сплавах, алмазе. Эти функции выполняет твердый лазер, где используется рубин, гранат с неодитом. В глазной хирургии применяется чаще всего неодиновые лазеры и лазеры на рубине.
Сапфир прозрачен, поэтому из него делают пластины для оптических приборов. Основная масса кристаллов сапфира идет в полупроводниковую промышленность.
Кремень, аметист, яшма, опал, халцедон — все это разновидности кварца. Мелкие зернышки кварца образуют песок. А самая красивая, самая чудесная разновидность кварца - это и есть горный хрусталь, т.е. прозрачные кристаллы кварца. Поэтому из прозрачного кварца делают линзы, призмы и др. детали оптических приборов.
Особенно удивительны электрические свойства кварца. Если сжимать или растягивать кристалл кварца, на его гранях возникают электрические заряды. Это - пьезоэлектрический эффект в кристаллах. 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. Они незаменимы для полярников, которым постоянно приходится смотреть на ослепительное отражение солнечных лучей от заледеневшего снежного поля.
Поляроидные стекла помогут предотвратить столкновения встречных автомобилей, которые очень часто случаются из-за того, что огни встречной машины ослепляют шофера, и он не видит этой машины. Если же ветровые стекла автомобилей и стекла автомобильных фонарей сделать из поляроида, причем повернуть оба поляроида так, чтобы их оптические оси были смещены, то ветровое стекло не пропустит света фонарей встречного автомобиля, "погасит его".
Перечень применения кристаллов достаточно длинен и непрерывно растет.
2. Экспериментальная часть
2.1 Приготовление маточного раствора
Растворил соль в горячей воде до тех пор, пока не получил насыщенный раствор. Насыщенный раствор профильтровал. Оставил раствор медленно остывать.
Я выращивал кристаллы алюмокалиевых квасцов, сульфата алюминия-калия KAl(SO 4 ) 2 , медного купороса, железного купороса.
2.2 Выращивание затравки
Через сутки на дне стакана образовались кристаллы соли. Раствор слил, кристаллы осторожно отделил друг от друга, выбрал из них самый крупный и правильный.
2.3 Выращивание монокристаллов
Приготовил новый насыщенный раствор. Привязал кристалл-затравку на нитку, закрепил на карандаше, опустил кристалл в раствор. Наблюдал за ростом кристаллов несколько недель.
Выращенные монокристаллы обсушил и для сохранения кристаллизационной воды покрыл бесцветным лаком.
Я вырастил друзы и монокристаллы медного купороса, и монокристаллы алюмокалиевых квасцов. Алюмокалиевые квасцы были подкрашены пищевыми красителями.
Читайте также: