Представляем вам интересные факты о кристаллах
Департамент образования Администрации города Ноябрьска
Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение
«Средняя общеобразовательная школа микрорайона Вынгапуровский»
Муниципальное образование город Ноябрьск
Кристаллы в природе
Ибрагимов Шамиль
ученик 6 б класса.
Руководитель:
Ускова Юлия Владимировна
учитель географии.
г. Ноябрьск, мкр. Вынгапуровский
Паспорт проекта.
предметное направление - естественные науки;
секция – практико-ориентированный;
название проекта – «Кристаллы в природе и жизни людей»;
цель проекта –узнать, что такое кристаллы, откуда они возникают, их значимость для человека;
задачи проекта:
1. Изучить литературу о кристаллах и их фотографии.
2. Изучить происхождение кристаллов.
3. Узнать, какое значение имеют кристаллы в жизни человека.
4. Попытаться вырастить кристалл в домашних условиях, если это возможно.
аннотация – Я предполагаю, что кристаллы занимают значительное место в жизни человека: они широко применяются в науке и технике, а также в ювелирной промышленности.
- сроки проведения – 3 месяц;
этапы работы над проектом:
1. Изучение информации из истории кристаллов.
2. Анализ информации о происхождении кристаллов.
3. Выращивание кристалла.
форма представления проекта – устный рассказ с показом презентации.
используемые информационные ресурсы:
1.
2.Кристаллы // "Рисуя Минералы..." - Электронный ресурс:
3.История кристалла // Кристаллы - Электронный ресурс:
4.Физика твёрдого тела // Википедия - Электронный ресурс:
5.Жидкие кристаллы // Википедия - Электронный ресурс:
6.Жидкие кристаллы, история открытия жидких кристаллов, структура, типы и их применение - Электронный ресурс:
7.Применение кристаллов // Кристаллы - Электронный ресурс:
8.Выращивание кристаллов в домашних условиях. Как вырастить кристалл // Занимательная химия - Электронный ресурс:
1.Аликберова Л.Ю. Занимательная химия: книга для учащихся, учителей и родителей. – М.: АСТ-ПРЕСС,1999, 560с.
2.Белов Н.В. Энциклопедия драгоценных камней и кристаллов, Минск: «Харвест», 2009. - 159с.
3.Большая книга «Почему». Перевод с итальянского Ольги Живаго, М.: РОСМЭН, 2008. -320с.
4.Даль В.И. Толковый словарь живого великорусского языка: В 4 т.Т. 2-Олма-Пресс, 2001. - 672с.
5.Кленов А.С. Занимательная минералогическая энциклопедия. -М.: Педагогика-Пресс,2000. -224с.
6.Ожегов С.И. Словарь русского языка/Под ред.Н.Ю.Шведовой.М.: Рус.яз.,1989,750с.
7.Что такое? Кто такой? В 3 т. Т.2. -М.: Педагогика-Пресс,1997. - 416с.
8.Шалагаева Г.П. Современная энциклопедия начальной школы. М.: «Эксмо», 2006. -128с.
9.Шаскольская М.П. Кристаллы. - М.: Наука, 1985,208 с.
Введение 4
Что такое кристалл? 5
Истории происхождения кристалла 6
Разнообразие кристаллов…………………………………………………………………….……..7
Кристаллы в природе 8
Кристаллы в жизни людей 10
Выращиваем кристалл в домашних условиях 11
Заключение 14
Список информационных источников 15
Введение.
«Чем больше вглядываешься в кристалл, тем
глубже он затягивает вас в свою глубину очарования»
И.Е.Репин.
Кристаллы - удивительное и непредсказуемое явление природы. Размеры, цвета и формы кристаллов иногда просто поражают своей необычностью. Это и снежинки зимой, и драгоценные камни в ювелирных изделиях. Мы строим дома из кристаллов, также едим кристаллы, лечимся ими, но, что самое главное – мы сами частично состоим из кристаллов. Соль, сахар, снег, лед, глина и песок, сотни других веществ – все это не что иное, как кристаллы.
Из курса окружающего мира я знаю, что у воды есть свойство – растворимость. Как - то раз я растворил сахар в стакане с водой и забыл про него. Через несколько дней я с удивлением заметил, что на стенках стакана появился белый налет. Мне стало интересно, как так получилось. Мама мне сказала, что это начался процесс кристаллизации. А так как я очень любознательный, мне нравится узнавать все новое и интересное, экспериментировать, наблюдать, стало еще интересней и появилось много вопросов:
Что такое кристаллизация? Как происходит этот процесс? Что такое кристалл? Где встречаются кристаллы? Как выглядят? Какие бывают? Можно ли вырастить кристаллы самим? А, если да, то из чего и как? Я решил сам попробовать найти ответы на эти вопросы. Я провел в классе анкетирование, из результатов которого выяснил, что мои одноклассники тоже не знают, что такое кристалл, 5 считают, что это стекло, 6, что это светящийся предмет, а 16 человек оставили вопрос без ответа, 7 человек считают, что их можно встретить в пещерах. Всему классу хочется узнать, как можно больше о кристаллах, и они хотели бы научиться выращивать кристаллы в домашних условиях. Вот так и появился мой проект.
Тема моего проекта «Кристаллы в природе и жизни людей»
Цель исследования: узнать, что такое кристаллы, откуда они возникают, их значимость для человека.
Для того чтобы достичь поставленной цели я поставил перед собой задачи:
Найти литературу о кристаллах и их фотографии;
Изучить природу кристаллов;
Узнать, какое значение имеют кристаллы в жизни человека;
Попытаться вырастить кристалл в домашних условиях, если это возможно.
Обобщить результаты наблюдений.
Гипотеза: я предполагаю, что вырастить кристаллы в домашних условиях возможно.
Объект исследования: кристаллы.
Методы исследования: 1) сбор информации; 2) наблюдение; 3) эксперимент; 4) анкетирование.
Актуальность исследования : выращивание кристаллов - интересное и увлекательное занятие и, пожалуй, самое простое, доступное и недорогое для большинства юных исследователей, максимально безопасное с точки зрения техники безопасности, что немаловажно для тех, кто проводит эксперименты дома. Тщательная подготовка и выполнение оттачивают навыки в умении аккуратно обращаться с веществами и правильно организовывать свою работу. А также неотъемлемой частью нашей жизни стали приборы на основе жидких кристаллов, поэтому эта тема актуальна для современного человека.
1.1 Что такое кристалл?
В недрах земли люди порой находят камни, имеющие удивительную форму – иногда кажется, что их кто-то специально выпиливал, затем полировал, чтобы они приобрели именно такую форму. Правильность и совершенство формы этих камней часто поражают человека своей красотой. Иногда, нам трудно поверить, что они образовались сами без участия человека. Именно такие камни с природной, не сделанной руками человека, правильной, симметричной, многогранной формой и называются кристаллами. Так что же такое кристаллы?
В толковом словаре Владимира Даля кристалл - «ископаемое, образующее от природы правильное геометрическое тело; гранка, гранник, самогранник; переиначено в хрусталь , самородное, горное стекло, или белое, граненое стекло». По С.И.Ожегову – это «твердое тело, имеющее упорядоченное, симметрическое строение» Частички, из которых состоит кристалл, в разных веществах выстраиваются и соединяются вместе различными способами. Из-за этого кристаллы могут иметь различные формы и размеры. Существуют монокристаллы и поликристаллы. Твердое тело, состоящее из большого числа маленьких кристаллов, называют поликристаллическим. Одиночные кристаллы называются монокристаллами . Изучением кристаллов занимается специальная наука кристаллография; ее изучают в институтах и университетах, когда уже знают и химию, и физику и некоторые другие науки. Кристаллография – это наука о строении, свойствах, образовании и росте кристаллов, которая зародилась в18веке. Как образовались красивые кристаллы горного хрусталя, светящиеся многочисленными сколами увидеть в природных условиях невозможно. Искусственные же кристаллы некоторых минералов ученые получают в лабораториях с помощью очень сложных приборов.
| Сера самородная |
Вульфенит |
Тетраэдрит |
|
Аквамарин |
Медный купорос |
Поваренная соль |
|
|
|
|
| Скаполит | Кристаллы меди |
1.2 История происхождения слова «кристалл».
Слово «кристаллос» в переводе с греческого первоначально означало «лёд» , а в дальнейшем «горный хрусталь». Удивительное сходство кристаллов льда и горного хрусталя было подмечено уже давно. Первые сведения о горном хрустале мы находим у римского учёного Плиния Старшего (I век н. э.). В древности и в средние века думали, что кристаллы горного хрусталя и кристаллы льда – одно и то же, только лёд замерзает у нас на глазах, а горный хрусталь – лишь при особенно сильном морозе. Предполагали, что лёд становится хрусталём через тысячу лет, а хрусталь становится алмазом через тысячу веков. Но словом «кристалл» называют не только кристаллы замерзшей воды. Почти все камни, горные породы состоят из кристаллов. Соль, сахар и многое другое вокруг нас – это все кристаллические вещества. Самые красивые среди кристаллов – драгоценные камни . В древности кристаллам приписывали всякие необыкновенные свойства. Считали, например, что кристалл аметиста навевает счастливые сны, изумруд спасает мореплавателей от бурь, сапфир помогает при укусах скорпионов, алмаз бережёт от болезней, топаз приносит счастье в ноябре, гранат – в январе и т. д. Человека, укушенного змеёй, заставляли съесть толчёный изумруд. Древние инки поклонялись как божеству большому кристаллу зелёного изумруда.
1.3.Разнообразие кристаллов.
Кристаллы, которые залегают глубоко в земле, являются бесконечно разнообразными. Их часто называют «цветами мира камней». Размеры таких природных кристаллов достигают подчас человеческого роста. Встречаются также очень тонкие кристаллы, толщина которых меньше чем у листка бумаги. Но бывают и огромные пласты, толщина которых достигает нескольких метров. Бывают кристаллы маленькие, узкие и острые как иголки, но также могут быть громадной формы, на подобии величественных колонн. Иногда образуются дендриты - это кристаллы, похожие на веточки дерева; очень хрупкие, но очень красивые. Многие кристаллы идеально чисты и прозрачны, как вода. Недаром постоянно можно слышать выражения: «прозрачный, как кристалл», «кристально чистый». Некоторые минералы образуют кристаллы, которые разглядеть можно только с помощью микроскопа.
При росте кристалла в идеальных условиях его форма в течение роста остается неизменной, как если бы к растущему кристаллу непрерывно присоединялись бы элементарные кирпичики. Сейчас известно, что такими элементарными кирпичиками являются атомы или группы атомов. Кристаллы состоят из атомных рядов, периодически повторяющихся в пространстве и образующих кристаллическую решетку.
Ещё кристаллы бывают жидкими. Жидкие кристаллы - это вещества, которые ведут себя одновременно как жидкости и как твёрдые тела. Молекулы в жидких кристаллах, с одной стороны, довольно подвижны, с другой расположены регулярно, образуя подобие кристаллической структуры (одномерной или двумерной). Часто уже при небольшом нагревании правильное расположение молекул нарушается, и жидкий кристалл становится обычной жидкостью. Напротив, при достаточно низких температурах они замерзают, превращаясь в твёрдые тела.
Считается, что состояние жидкого кристалла открыл в 1888 австрийский ботаник Ф. Рейнитцер. Он обратил внимание, что у кристаллов, которые он изучал, было два разных жидких состояния - мутное и прозрачное. Он отметил также, что при нагревании изменяется цвет жидкого кристалла – от красного к синему, с повторением в обратном порядке при охлаждении. Однако учёные не обратили особого внимания на необычные свойства этих жидкостей. Долгое время физики и химики в принципе не признавали жидких кристаллов, потому что их существование разрушало теорию о трёх состояниях вещества: твёрдом, жидком и газообразном. Научное доказательство существования жидких кристаллов было предоставлено в 1904 году Отто Леманном после многолетних исследований.
Фотографии жидких кристаллов
1.4 Кристаллы в природе.
По размерам природные кристаллы могут быть самыми разными: от микроскопических до весьма крупных вплоть до нескольких метров длиной и в поперечном сечении. Внешний облик кристаллов зависит от того, насколько спокойно происходил их рост. Большинство кристаллов в природе растут медленно - тысячи и миллионы лет. Некоторые кристаллы растут очень быстро, например, кристаллы растворимых солей (сера, таблички гематита) в кратерах действующих вулканов.
Кристаллы образуются, когда какое-либо вещество или их комплекс переходит из жидкого или газообразного состояния в твердое. Рост кристалла начинается с образования зародышей и скелетных форм. При длительном равномерном и беспрепятственном поступлении вещества со всех сторон возникают нормальные кристаллические формы, но в большинстве случаев кристаллы стеснены в своем росте соседними телами (соседними кристаллами). Это приводит к образованию несовершенных кристаллов с искаженными гранями, так как поступление растворов, питающих кристалл, происходит с разных сторон неравномерно.
Гигантские кристаллы пещеры Naica в Мексике
1.5 Кристаллы в жизни людей.
Применения кристаллов в науке и технике так многочисленны и разнообразны, что их трудно перечислить. Поэтому ограничусь несколькими примерами. Например, каменная соль давно и навечно вошла в жизнь человека. Мы называем ее в быту просто солью, в технике - поваренной, или пищевой, солью. Ни с чем несравнимый вкус соли человек оценил давно. В древности страны, куда ее завозили, платили цену, равную золоту: за килограмм соли – килограмм золотого песка.
Природные кристаллы всегда возбуждали любопытство у людей. Их цвет, блеск и форма затрагивали человеческое чувство прекрасного, и люди украшали ими себя и жилище.
Самый твердый и самый редкий из природных минералов - алмаз. Сегодня алмаз в первую очередь камень-работник, а не камень-украшение. Благодаря своей исключительной твердости алмаз играет громадную роль в технике. Алмазными пилами распиливают камни. Вся часовая промышленность работает на искусственных рубинах. Кристалл кварца используется в телефонных трубках. 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.
Кристаллы сыграли важную роль во многих технических новинках 20 в. Неотъемлемой частью нашей жизни стали мобильные телефоны, цифровые фото- и видеокамеры уже вытеснили пленочные фотоаппараты, жидкокристаллические телевизоры и мониторы постепенно изживают старые. (В 1888 г. австрийский ботаник Реинедзер обнаружил, что при нагревании кристалл размягчался и в дальнейшем превращался в настоящую жидкость). И сейчас ещё часто люди, рассматривая чудесные, сверкающие, переливающиеся многогранники кристаллов, не хотят верить, что они созданы природой, а не человеком.
Выращиваем кристалл в домашних условиях
Процесс выращивания кристаллов в домашних условиях не требует наличия каких-то особых химических препаратов. Я решил вырастить кристалл сульфата меди – медного купороса. Выращивание кристалла из медного купороса в домашних условиях позволяет получить кристалл красивого синего цвета.
Медный купорос имеет широкое применение в сельском хозяйстве, используется в качестве удобрения и продается в магазинах товаров для дачи. Чтобы вырастить кристалл из медного купороса мне потребуется:
Деревянная палочка.
Медный купорос;
Вода (дистиллированная или обычная кипяченая);
Стеклянная банка;
Столовая ложка;
Порядок действий при выращивании кристалла медного купороса
| 1.На начальном этапе готовим перенасыщенный раствор. Наливаем в банку примерно 300 мл горячей воды. Начинаем добавлять медный купорос. Насыпаем столовую ложку медного купороса и размешиваем. Купорос очень быстро растворится. Добавляем еще ложку, снова размешиваем. Делаем так до тех пор, пока купорос не начнет оседать на дне. Раствор получился перенасыщенным. |
|
| 2.Готовим «затравку». Затравкой может быть крупный кристалл медного купороса, бусина, пуговица или просто обычная нитка. Я буду использовать обычную нитку. |
|
| 3.Помещаем нитку внутрь банки с полученным раствором. При этом нитка не должна касаться стенок сосуда или его дна. Поэтому привязываем нитку к палочке по середине и кладем ее поперек горлышка банки. |
|
| 4.Оставляем конструкцию в покое в прохладном месте и ждем, пока начнут образовываться кристаллы. Как только нитка обрастет кристаллами медного купороса, заменим перенасыщенный раствор новым. 5.Многократно меняя перенасыщенный раствор и размер банки можно вырастить кристалл довольно-таки большого размера.
|
|
Заключение.
В результате проделанной мной работы, я добился реализации, поставленных перед собой задач: во-первых , узнал, что кристалл – это «твердое тело, имеющее упорядоченное, симметрическое строение».
во-вторых , познакомился с историей происхождения кристаллов и их видами;
в-третьих, узнал какое значение имеют кристаллы в жизни человека;
в-четвёртых , проведя наблюдения за процессом кристаллизации, выяснил факторы, влияющие на процесс выращивания кристаллов. Понял, что для появления кристалла необходимо соблюдать точные инструкции и правила техники безопасности.
Таким образом, выдвинутая мной гипотеза подтвердилась, оказывается, кристаллы можно выращивать в домашних условиях, но необходимо соблюдать некоторые условия.
У меня получилось вырастить в домашних условиях кристалл медного купороса за десять дней. Мне понравилось выращивать кристалл - это очень увлекательное занятие.
Список информационных источников
Кристаллы // Википедия - Электронный ресурс:
http://ru.wikipedia.org/wiki/%CA%F0%E8%F1%F2%E0%EB%EB%FB
Кристаллы // "Рисуя Минералы..." - Электронный ресурс:
http://mindraw.web.ru/cristall1.htm
История кристалла // Кристаллы - Электронный ресурс:
http://kristal.21428s12.edusite.ru/p2aa1.html
Физика твёрдого тела // Википедия - Электронный ресурс:
http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%B8%D0%B7%D0%B8%D0%BA%D0%B0_%D1%82%D0%B2%D1%91%D1%80%D0%B4%D0%BE%D0%B3%D0%BE_%D1%82%D0%B5%D0%BB%D0%B0
Жидкие кристаллы // Википедия - Электронный ресурс:
http://ru.wikipedia.org/wiki/%C6%E8%E4%EA%E8%E5_%EA%F0%E8%F1%F2%E0%EB%EB%FB
Жидкие кристаллы, история открытия жидких кристаллов, структура, типы и их применение - Электронный ресурс:
http://articles.excelion.ru/science/fizika/52788977.html
Применение кристаллов // Кристаллы - Электронный ресурс:
http://kristal.21428s12.edusite.ru/p8aa1.html
Выращивание кристаллов в домашних условиях. Как вырастить кристалл // Занимательная химия - Электронный ресурс:
http://www.kristallikov.net/page6.html
Аликберова Л.Ю. Занимательная химия: книга для учащихся, учителей и родителей. – М.: АСТ-ПРЕСС,1999, 560с.
Белов Н.В. Энциклопедия драгоценных камней и кристаллов, Минск: «Харвест», 2009. - 159с.
Большая книга «Почему». Перевод с итальянского Ольги Живаго, М.: РОСМЭН, 2008. -320с.
Даль В.И. Толковый словарь живого великорусского языка: В 4 т.Т. 2-Олма-Пресс, 2001. - 672с.
Кленов А.С. Занимательная минералогическая энциклопедия. -М.: Педагогика-Пресс,2000. -224с.
Ожегов С.И. Словарь русского языка/Под ред.Н.Ю.Шведовой.М.: Рус.яз.,1989,750с.
Что такое? Кто такой? В 3 т. Т.2. -М.: Педагогика-Пресс,1997. - 416с.
Шалагаева Г.П. Современная энциклопедия начальной школы. М.: «Эксмо», 2006. -128с.
Шаскольская М.П. Кристаллы. - М.: Наука, 1985,208 с.
Я познаю мир. Детская энциклопедия: клады и сокровища. -М.: Олимп; ООО «Фирма «Издательство АСТ», 2000. -224с.
Я сразу заинтересовался темой «кристаллы». Природные кристаллы всегда возбуждали 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. 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.
История изучения кристаллов Самая древняя история человечества, теряющаяся во мгле тысячелетий, именуется каменным веком. Для первобытного человека камень был и оружием и инструментом. Предки изготавливали из базальта или нефрита прочные молотки. А из хрупкого с острыми сколами кремня или обсидиана – ножи, скребки, наконечники копий и стрел, по твердости, не уступающие стали. Прозрачные и яркие камни – самоцветы – поражали воображение древних людей, они наделяли эти камни магической силой. Именно камень донес до нас скудные сведения о материальной культуре и быте людей каменного века. Каменный век сменился веками металлов: медным, бронзовым, железным. Не менее семи тысячелетий известны человеку самоцветы. Первыми из них были аметист, горный хрусталь, янтарь, гранат, нефрит, яшма, коралл, лазурит, жемчуг, бирюза.
Я рассмотрел большое количество кристаллов каменной соли. Я обнаружили, что имеются кристаллы идеально правильной формы: маленькие и большие. Кристаллы похожи как братья - близнецы. Разница состоит в том, что различно число граней одного сорта. Объясняет это сходство закон постоянства углов, открытый М.В.Ломоносовым. Изучая драгоценные камни, он находил одни те же углы между их гранями. Два образца кристаллов внешне могут быть не очень похожими, но если измерение показывает, что углы между гранями одинаковы – мы имеем дело с одним и тем же веществом. Преломление света в кристаллах происходит также как в воде или в стекле. Преломляясь в кристалле белый свет, разлагается на радужные цвета, поэтому искусно ограненные чистые кристаллы бриллианта играют всеми цветами радуги.
Кристалл сохраняется как твердое тело под влиянием сил, действующих между составляющими атомами. Эти силы называются атомными связями; они могут быть различны. Во многих неорганических веществах и в большинстве минералов, используемых как драгоценные камни, эта связь ионная: отдельные атомы ионизированы и имеют либо положительный, либо отрицательный заряд, а ионные связи возникают в результате притяжения между ионами с противоположными зарядами и отталкивания между ионами с зарядами одинакового знака. Например, во флюорите каждый положительно заряженный ион кальция окружен восемью отрицательно заряженными ионами фтора, симметрично расположенными, как в вершинах куба (рис. 1); в силикатах каждый ион кремния окружен четырьмя ионами кислорода; образуется группа, напоминающая тетраэдр. Алмаз, состоящий только из атомов углерода, дает пример другой атомной связи: одинаковые атомы соединены между собой гомеополярной, или ковалентной, связью, при которой соседние атомы имеют общие электроны.
Значение кристаллов в жизни Я нашёл в интернете,что если положить кристалл кварца под капот автомобиля, то неполадки с двигателем исчезают. Кристаллы кварца находят широкое применение. Они поглощают одну энергию и отдают другую. Если вы пропустите через кристалл электрический ток, камень будет вибрировать. Когда вы ударяете по кристаллу или сжимаете его, он испускает свет и генерирует электрический ток. В каждом случае выходная энергия иная, нежели входная. Она преобразовалась. Любой кристалл обладает уникальным силовым полем, которое может стимулировать развитие всего духовного и материального, проникая в него, насыщая и воздействуя. Он способен реагировать, преобразовывать, регенерировать. Кристаллы кварца стабилизируют эмоциональное тело, подпитывая энергией физическое. Они способствуют сновидениям и медитации, помогают нам развить свою интуицию и чувствительность, усиливают способность мозга к познанию и запоминанию познаваемого.Потенциал кристаллов кварца настолько обширен, что иногда чрезвычайно трудно выбрать, с чего начать их применение.
ЭКСПЕРИМЕНТЫ Выращивание кристаллов поваренной соли.Кристаллы поваренной соли - процесс выращивания не требует наличия каких-то особых химических препаратов. У нас всех есть пищевая соль. Её также можно назвать и каменной - всё одно и то же. Кристаллы поваренной соли NaCl представляют собой бесцветные прозрачные кубики. Разведите раствор поваренной соли следующим образом: налейте воды в ёмкость (например стакан) и поставьте его в кастрюлю с тёплой водой (не более 50°С - 60°С). Конечно, в идеальном варианте, если вода не будет содержать растворённых солей, но в нашем случаем можно воспользоваться и водопроводной. Насыпьте пищевую соль в стакан и оставьте минут на 5, предварительно помешав. За это время стакан с водой нагреется, а соль растворится. Желательно, чтобы температура воды пока не снижалась. Затем добавьте ещё соль и снова перемешайте. Повторяйте этот этап до тех пор, пока соль уже не будет растворяться и будет оседать на дно стакана. Мы получили насыщенный раствор соли. Выберите любой понравившийся более крупный кристаллик поваренной соли и положите его на дно стакана с насыщенным раствором.
Кристаллы медного купороса - выращиваются подобным образом, также, как с поваренной солью: сначала готовится насыщенный раствор соли, затем в этот раствор опускается понравившийся маленький кристаллик соли медного купороса. Если всё в порядке, - продолжим. Если вы решили не переливать раствор из ёмкости, в которой первоначально рос маленький кристаллик, тогда подвесьте кристаллик, что бы он не касался других кристалликов, оставшихся на дне.Выращивание кристаллов производят не только из растворов, но и из расплавов соли. Ярким примером могут служить жёлтые непрозрачные кристаллы серы, имеющие форму ромба или вытянутых призм. Но с серой, особо, работать не советую. Газ, образующийся при её испарении, вреден для здоровья. Можно избежать роста отдельных граней кристаллика. Для этого эти грани надо нанести раствор вазелина или жира.
Выращивание кристаллов меди: Теперь вырастим красные кристаллы меди. Нам необходимы медный купорос, поваренная соль, стальная пластинка по форме сечения ёмкости (немного меньшего периметра. Можно использовать стальную стружки или кнопки), где будут расти кристаллы меди и кружок из промокательной бумаги в форме сечения. Итак, положите немного медного купороса на дно пузырька (желательно равномерно по площади). Сверху насыпьте поваренной соли и закройте всё это вырезанным кружком бумаги. На неё положите железную пластинку (или засыпьте стальной стружкой). Всё это вместе надо залить насыщенным раствором поваренной соли (такой раствор мы готовили из поваренной соли). Оставьте ёмкость приблизительно на неделю. За это время вырастут иглоугольные красные кристаллы меди. Когда идёт процесс роста старайтесь не переносить ёмкость, а также очень нежелательно изымать кристаллики из раствора.
Экспериментальный опыт1 «Нахождения оптимальной концентрации раствора для роста кристаллов поваренной соли Вывод: Входе опыта я выяснил: для того, чтобы вырастить монокристалл поваренной соли, надо 50 мл воды и 30 г соли. Для того, чтобы вырастить красивый поликристалл, надо 50 мл воды и 50 г соли. СтаканыТемпература окружающей среды Обьем водыМасса соли Наблюдения мл70 г Поликристалл вырос быстрее, форма куба мл50 г Поликристалл среднего размера, форма куба мл30 г Маленький монокристалл рос медленнее всех.
Экспериментальный опыт2 «Нахождения оптимальной температуры окружающей среды для выращивания кристаллов поваренной соли» Вывод: оптимальная температура окружающей среды для выращивания кристаллов – примерно равна 23°С. Номера стаканов Температура окружающей среды Обьем водыМасса солиТемпература воды Наблюдения 1 25,возле батареи 50 мл30 г20Самый большой 2 5,в холодильнике 50 мл30 г 20 Самый маленький 320,в комнате50 мл30 г20 Средний
Экспериментальный опыт 3 « Сравнение кристаллов медного купороса и поваренной соли ». Номер стакана РастворТемпература воды Масса солиОбьем воды 1Медного купороса Поваренной соли Для того, чтобы вырастить кристалл медного купороса, я поступил следующим образом: к 50мл очень горячей воды добавлял кристаллы медного купороса до получения насыщенного раствора (30 г). Опускал в насыщенный горячий раствор кристаллик на шерстяной нити (нить с « затравкой ») и ставил раствор в теплое место (вода испаряется, и раствор все время является насыщенным). Вывод: в течении 7 дней в 1стакане образовался кристалл голубоватого оттенка, симметричен, а во 2 стакане вырос белый кристалл в форме куба. У веществ разного химического состава кристаллы имеют разную форму и отличаются по таким свойствам, как симметрия, выращивание, к тому же углы, образованные соответственными гранями, в кристаллах разных веществ будут неравными (по закону постоянства углов). Но есть и сходства, например, оба кристалла имеют кристаллическую решётку
Литература Ферсман А.Е. Очерки по истории камня. М. Издательство АН СССР т.1, 2, Годовиков А.А. Минералогия. М., Недра, Лебединский В.И. В удивительном мире камня М., Недра, Факультативный курс физики. 9 кл. Пособие для учащихся. Под ред. А.В. Перышкина и Е.С.Каменецкого. М., Просвещение, Корнилов Н.И., Солодова Ю.П. Ювелирные камни.М., Недра Физический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия. Большая Энциклопедия Нефти Газа. «Физика. Строение вещества». А. Е. Гуревич год. «Факультативный курс физики». А. В. Пёрышкин год.. Энциклопедия «Аванта +» Физика год.. Универсальная школьная энциклопедия для детей «Аванта +» год. www. venda. ru www. yandex. ru Энциклопедия «Аванта +» Химия год. Большая энциклопедия «Кирилла и Мефодия» год. «Хочу всё знать. Занимательная химия». И.А.Леенсон год.
Природные кристаллы всегда возбуждали 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. 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 в прошлые века.
Кристаллом (от греч. krystallos - "прозрачный лед") вначале называли прозрачный кварц (горный хрусталь), встречавшийся в Альпах. Горный хрусталь принимали за лед, затвердевший от холода до такой степени, что он уже не плавится. Первоначально главную особенность кристалла видели в его прозрачности. Позднее стали изготавливать стекло, не уступавшее в блеске и прозрачности природным веществам. Предметы из такого стекла тоже называли "кристальными". Еще и сегодня стекло особой прозрачности называется хрустальным.
Удивительной особенностью горного хрусталя и многих других прозрачных минералов являются их гладкие плоские грани. В конце 17 в. было подмечено, что имеется определенная симметрия в их расположении. Было установлено также, что некоторые непрозрачные минералы также имеют естественную правильную огранку и что форма огранки характерна для того или иного минерала. Возникла догадка, что форма может быть связана с внутренним строением. В конце концов, кристаллами стали называть все твердые вещества, имеющие природную плоскую огранку.
Заметной вехой в истории кристаллографии явилась книга, написанная в 1784 французом Р.Гаюи. Он выдвинул предположение, что кристаллы возникают в результате правильной укладки крохотных одинаковых частиц, которые он назвал "молекулярными блоками". Гаюи показал, каким образом можно получить гладкие плоские грани кальцита, укладывая такие "кирпичики". Различия в форме разных веществ он объяснил разницей, как в форме "кирпичиков", так и в способе их укладки.
Имея в виду возможность прямого исследования внутренней структуры, многие занимающиеся кристаллографией стали употреблять термин "кристалл" в применении ко всем твердым веществам с упорядоченной внутренней структурой.
Нужны лишь благоприятные условия, полагали они, чтобы внутренняя
упорядоченность проявилась в виде правильной наружной огранки. Некоторые ученые предпочитают называть твердые вещества с внешне не проявляющейся внутренней упорядоченностью "кристаллическими", а под "кристаллами" понимать, как это было когда-то, твердые вещества с природной огранкой.
Муниципальное общеобразовательное учреждение лицей № 6
Ворошиловского района
Городской конкурс учебно-
исследовательских работ
«Я и Земля» им. В. И.
Вернадского
Кристаллы знакомые и загадочные.
Секция физики
Выполнили: Берко Мария,
Нефёдова Ирина,
Волгоград
Введение…………………………………………………………………………..3
Основная часть
История возникновения кристаллов и Кристаллография……………………..5
Что же такое кристаллы………………………………………………………….7
Кристаллическое состояние кристаллов…………………………………….....13
Кристаллографические системы…………………………………………..........26
Применение кристаллов…………………………………………………………27
Экспериментальная часть
Выращивание кристалла из медного купороса и алюмокалиевых квасцов…29
Заключение
Актуальность. Объект и предмет. Проблема.
При подборе темы мы отталкивались от практической части: «Выращивание кристаллов». Проанализировав теорию опыта, мы заинтересовались выбранной нами темой и решили более подробно узнать о кристаллах и о его применении в современном мире.
Природные кристаллы всегда возбуждали любопытство у людей. Их цвет, блеск и форма затрагивали человеческое чувство прекрасного, и люди украшали ими себя и жилище. 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. 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. Сегодня же кристаллы, помимо их свойства соблазна, нашли очень большое применение в науке и технике: полупроводники, призмы и линзы для оптических приборов, твердотельные лазеры, пьезоэлектрики, сегнетоэлектрики, оптические и электрооптические кристаллы, ферромагнетики и ферриты, монокристаллы металлов высокой чистоты.
Многие ученые, внесшие большой вклад в развитие химии и минералогии, начинали свои первые опыты с выращивания кристаллов, пытаясь понять, как они образуются.
И мы решили начать свою исследовательскую работу, поставив цель: получить кристаллы различных веществ в домашних условиях.
Цели исследования
1) Вырастить кристаллы правильной формы в домашних условиях
Задачи исследования
1) Познакомиться с историей открытия кристаллов
2) Понять необходимость применения кристаллов в современном мире
3) Исследовать свойства и структуру кристаллов
4) Выяснить где находят широкое применение кристаллы
5) Сделать выводы на основании проведенной работы.
Промышленные проблемы
1) Кристаллы долго растут
2) Некоторые кристаллы являются дорогими для производства (алмаз, рубин)
3) Сложно вырастить кристалл правильной формы
Методы исследования
1) Поисковый метод
2) Экспериментальный метод
1. История возникновения кристаллов.
Кристаллография.
Кристаллом (от греч. krystallos – «прозрачный лед») вначале называли прозрачный кварц (горный хрусталь), встречавшийся в Альпах. Горный хрусталь принимали за лед, затвердевший от холода до такой степени, что он уже не плавится. Первоначально главную особенность кристалла видели в его прозрачности, и это слово употребляли в применении ко всем прозрачным природным твердым телам. Позднее стали изготавливать стекло, не уступавшее в блеске и прозрачности природным веществам. Предметы из такого стекла тоже называли «кристальными». Еще и сегодня стекло особой прозрачности называется хрустальным, «магический» шар гадалок – хрустальным шаром.
Удивительной особенностью горного хрусталя и многих других прозрачных минералов являются их гладкие плоские грани. В конце 17 в. было подмечено, что имеется определенная симметрия в их расположении. Было установлено также, что некоторые непрозрачные минералы также имеют естественную правильную огранку и что форма огранки характерна для того или иного минерала. Возникла догадка, что форма может быть связана с внутренним строением. В конце концов, кристаллами стали называть все твердые вещества, имеющие природную плоскую огранку.
Заметной вехой в истории кристаллографии явилась книга, написанная в 1784 французским аббатом Р. Гаюи. Он выдвинул предположение, что кристаллы возникают в результате правильной укладки крохотных одинаковых частиц, которые он назвал «молекулярными блоками». Гаюи показал, каким образом можно получить гладкие плоские грани кальцита, укладывая такие «кирпичики». Различия в форме разных веществ он объяснил разницей, как в форме «кирпичиков», так и в способе их укладки.
Со времен Гаюи было принято как гипотеза, что в правильной форме кристалла находит отражение, упорядоченное внутреннее расположение частиц, но это было подтверждено лишь в 1912, когда М. фон Лауэ в Мюнхене установил, что рентгеновские лучи дифрагируют на атомных плоскостях внутри кристалла. Падая на фотографическую пластинку, дифрагированные лучи создают на ней геометрический узор из темных пятен. По положению и интенсивности таких пятен можно рассчитать размеры структурной единицы и определить расположение атомов в ней.
Имея в виду возможность прямого исследования внутренней структуры, многие занимающиеся кристаллографией стали употреблять термин «кристалл» в применении ко всем твердым веществам с упорядоченной внутренней структурой. Нужны лишь благоприятные условия, полагали они, чтобы внутренняя упорядоченность проявилась в виде правильной наружной огранки. Некоторые ученые предпочитают называть твердые вещества с внешне не проявляющейся внутренней упорядоченностью «кристаллическими», а под «кристаллами» понимать, как это было когда-то, твердые вещества с природной огранкой.
1.1 Оптическая кристаллография.
Большое значение в описании и идентификации кристаллов имеют их оптические свойства. Когда свет падает на прозрачный кристалл, он частично отражается, а частично проходит внутрь кристалла. Свет, отражающийся от кристалла, придает ему блеск и цвет, а свет, проходящий внутрь кристалла, создает эффекты, которые определяются его оптическими свойствами
2. Что же такое кристаллы?
Кристаллы - твёрдые тела, имеющие естественную форму правильных многогранников. Правильная форма кристаллов является следствием упорядоченного расположения частиц, из которых они состоят: атомов, молекул, ионов. Эти частицы выстраиваются в строгом порядке “как солдаты в строю” (в отличие от частиц в газах, жидкостях и в аморфных твёрдых телах). От порядка расположения частиц зависит форма кристалла: куб, призма, октаэдр или другой многогранник.
Рис. 1 формы кристаллов
Одиночные крупные кристаллы встречаются редко. Большинство веществ, имеющих кристаллическое строение, образует много маленьких хаотически расположенных сросшихся кристалликов, иногда различимых только в микроскоп, и называются они тогда поликристаллами (металлы, сплавы, многие горные породы).
Физические свойства одиночных кристаллов (монокристаллов) - такие как теплопроводность, электропроводность , упругость, прочность - отличаются по разным направлениям (в отличие от поликристаллических и аморфных тел).
Природные минералы обычно описывают следующими свойствами: химическая формула и класс, цвет, тип кристаллической решётки или сингония, твёрдость, блеск, плотность, цвет черты.
Твёрдость измеряется по десятибалльной шкале Мооса. Самой низкой твёрдостью, принятой за единицу, обладает минерал тальк. Самая большая твёрдость у алмаза, она равна 10. Если царапать друг о друга два минерала, то более твёрдый оставляет царапину на менее твёрдом - так сравнивают минералы по твёрдости. (Твёрдость человеческого ногтя равна 2 - 2,5, поэтому можно быстро определить, больше или меньше “двух” твёрдость данного материала или минерала.)
Блеск минерала бывает металлическим, металловидным, стеклянным, алмазным, матовым, восковым, перламутровым, шелковистым, смолистым или жирным.
Цвет черты определяют, проводя минералом по фарфоровой шероховатой пластинке (её называют бисквитом). Минералы описывают и другими свойствами: прозрачность, излом, спайность, магнетизм, показатель преломления.
· Электроэнергетика, электротехника" href="/text/category/yelektroyenergetika__yelektrotehnika/" rel="bookmark">электротехнике .
· Пирит - серный колчедан
· 
Формула: FeS2
· Класс: сульфиды
· Цвет: светло-золотистый
· Сингония: кубическая
· Твёрдость: 6-6,5
· Плотность (г/см3): 4,95-5,10
· Блеск: металлический рис. 3 Пирит
· Цвет черты: зеленовато-чёрный, коричнево-чёрный
Название минерала происходит от греческого слова “огнеподобный” из-за способности высекать искры при ударе. Ещё его называют “золотом для дураков” из-за похожести на золото. В древней Индии кристаллы пирита носили при себе в качестве амулета, чтобы оградить себя от нападения от крокодила.
· Арагонит - карбонат кальция, твёрдая разновидность кальцита
· Формула: CaCO3
· Класс: карбонаты
· Цвет: белый, серый, бледно - жёлтый, зелёный, синий, фиолетовый, чёрный
· https://pandia.ru/text/78/007/images/image005_49.jpg" alt="Исландский шпат" align="left" width="216" height="168 ">
В 1669 году профессор Копенгагенского Университета Э. Бартолин обнаружил, что луч света, падающий перпендикулярно на поверхность кристалла исландского шпата, разделяется на два луча: один луч продолжает путь без изменения направления и называется обыкновенным, а другой отклоняется, нарушая обычный закон преломления света, и называется необыкновенным. Если положить кристалл исландского шпата на бумагу с рисунком или текстом, то мы увидим раздвоенное изображение. (*Можно сразу расположить на бумажке с текстом). Исландский шпат широко используется в оптическом приборостроении для изготовления поляризационных призм. Крупнейшие в мире месторождения исландского шпата находятся в России в районе Нижней Тунгуски.
Используется как руда для получения ванадия, который необходим для изготовления бронебойной стали.
Кроме представленных выше примеров кристаллов существует большое количество других минералов с видимым кристаллическим строением: кварц, галит, флюорит, турмалин, доломит, цианит, целестит и т. д.
Наряду с кристаллами можно разместить для сравнения минералы аморфного строения, например, янтарь, обсидиан. Если возникнет редкая возможность заиметь тектит, то ей тоже надо воспользоваться. Тектиты остаются самыми загадочными из всех когда-либо найденных на Земле камней, общепринятой гипотезы их происхождения не существует. Одна из гипотез говорит, что они обязаны рождением небесным телам, хотя и состоят из вещества нашей планеты. Миллионы лет назад Земля бомбардировалась крупными метеоритами, астероидами . При столкновении крупного метеорита с поверхностью Земли происходил взрыв, земные породы оплавлялись, разлетаясь в стороны, и образовывались стеклянные обтекаемого вида тела жёлтого, зелёного, чёрного цвета. Но это лишь одна из гипотез, хотя и самая правдоподобная. Есть предположения о кометном происхождении тектитов, о возникновении тектитов при посадках инопланетных кораблей и при столкновении Земли со сгустками сверхплотного нейтронного вещества.
2.1. Искусственные кристаллы.
С давних пор человек мечтал синтезировать камни, столь же драгоценные, как и встречающиеся в природных условиях. До 20 в. такие попытки были безуспешны. Но в 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. 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 350–450°C и давлении 140 МПа. Рубины синтезируют при атмосферном давлении из порошка оксида алюминия , расплавляемого при температуре 2050° C. Кристаллы карбида кремния, применяемые в качестве абразива, получают из паров в электропечи.
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 атомы и молекулы 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 0° С; при этом молекулы воды упорядоченно соединяются друг с другом, образуя правильную геометрическую фигуру.) 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.
3.1. Образование кристаллов.
Вообще говоря, кристаллы образуются тремя путями: из расплава, из раствора и из паров. 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 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.
В природе кристаллы 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. Положительно заряженные ионы натрия притягивают отрицательно заряженные ионы хлора, в результате чего образуется зародыш кристалла хлорида 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.
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.
3.2. Формы кристаллов.
Хотя с первого взгляда все грани, определяющие форму кристалла, могут показаться одинаковыми, при тщательном исследовании обнаруживаются небольшие различия. Это могут быть различия в блеске, нерегулярностях роста, дефектах травления или полосчатости. Тем не менее, некоторые грани оказываются совершенно одинаковыми. Такие грани состоят из одинаковых и одинаково расположенных атомов и соответствуют определенной форме кристаллов. Распределение граней разных форм выявляет 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. На рис. 1 показаны три различные формы кубической системы.
https://pandia.ru/text/78/007/images/image008_37.jpg" width="265 height=115" height="115">
Рис. 7. Формы кристаллов кубической системы. а – куб; б – октаэдр; в – додекаэдр; г – комбинация куба, октаэдра и додекаэдра.
3.3 Структура кристалла .
Кристалл представляет собой правильную 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 разными 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 в 1848 доказал, что число возможных решеток такого рода равно 14.
Требование того, чтобы каждый узел решетки имел одинаковое атомное окружение, применительно к кристаллам налагает ограничения 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.
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 образуется кристалл. Рентгеновский анализ позволяет с большой точностью определять длину сторон ячейки и углы между сторонами. Элементарные ячейки очень малы и имеют порядок нанометра (10–9 м). Сторона кубической элементарной ячейки хлорида натрия равна 0,56 нм. Таким образом, в крохотной крупинке обычной поваренной соли содержится примерно миллион элементарных ячеек, уложенных одна к другой.
Методом дифракции рентгеновских лучей (рентгенография) можно определить не только абсолютные размеры элементарной ячейки, но также пространственную группу и даже расположение атомов в пространстве, т. е. структуру кристалла. Важную роль в исследовании кристаллических структур сыграли также методы дифракции электронов (электронография), дифракции нейтронов (нейтронография) и инфракрасной спектроскопии.
3.4. 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.
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 и 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».
Аналогия между элементарными ячейками и кирпичами очень полезна. Укладывая кирпичи 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. Углы наклона x и y симметричны независимо от относительных длин s и f.
Точно так же 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 датчанин Н. Стено на примере кристаллов кварца. Тем самым он показал, что форма является характеристикой кристаллического вещества. Ныне известно, что форма кристалла зависит от размеров 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 в стереографической или гномонической проекции, можно выявить симметричное расположение граней независимо от размера и формы. По такой проекции можно вычислить отношения осей, а затем выполнить чертеж кристалла.
3.5. Показатель преломления.
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, т. е. «главные» показатели преломления. Один из этих главных показателей преломления соответствует лучу света, колеблющемуся параллельно оси c, а с другой – лучу света, колеблющемуся 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. 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. Плеохроизм. 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.
3.6. Элементы симметрии.
Задолго до того, как 32 типа симметричных расположений точечных групп были определены рентгеновскими методами, они были выявлены путем исследования морфологии , т. е. 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.
3.7. 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.)
3.8. Ось симметрии.
Ось симметрии – это воображаемая прямая, поворотом вокруг которой на часть полного оборота можно привести объект к совпадению с самим собой. В кристаллах возможны только пять видов осевой симметрии: 1-го порядка (эквивалентная отсутствию вращения), 2-го порядка (повторение через 180), 3-го порядка (повторение через 120), 4-го порядка (повторение через 90) и 6-го порядка (повторение через 60).
3.9. Центр симметрии.
Кристалл имеет центр симметрии, если любая прямая, мысленно проведенная через него, на противоположных сторонах поверхности кристалла проходит через одинаковые точки. Таким образом, на противоположных сторонах кристалла находятся одинаковые грани, ребра и углы.
Имеются 32 возможные комбинации плоскостей, осей и центров симметрии в кристаллах; каждой такой комбинацией определяется кристаллографичес-кий класс. Один класс не имеет симметрии; говорят, что он имеет одну ось вращения 1-го порядка.
3.10. Сигнолии.
Кристаллографические классы, или виды симметрии, объединяются в более крупные группировки, называемые системами или сингониями. Таких сингоний семь:
Таблица 1
В каждую сингонию входят кристаллы, у которых отмечается одинаковое расположение кристаллографических осей и одинаковые элементы симметрии.
Сингониеи называется гриппа видов симметрии, обладающих одним или несколькими одинаковыми элементами симметрии и имеющих одинаковое расположение кристаллографических осей.
Кубическая сингония. В этой сингонии кристаллизуются наиболее симметричные кристаллы. В кубической сингонии присутствует более одной оси симметрии выше второго порядка, т. е. L3 или L4 . Кристаллы кубической сингонии обязательно должны иметь четыре оси третьего порядка (4L3) и, кроме того, либо три взаимно перпендикулярные оси четвертого порядка (3L4), либо три оси второго порядка (3L2).
Максимальное количество элементов симметрии в кубической сингонии может быть выражено формулой 3L4 4L36L29PC. Кристаллы кубической сингонии встречаются в виде куба октаэдра, тетраэдра, ромбододекаэдра, пентагон-додекаэдра и др.
Рис. 8 Кристаллы кубической сигнолии:
1- куб (пирит, торианит, галенит, флюорит, перовскит); 2- кубооктаэдр (галенит); 3 – октаэдр (золото, хромит, магнетит, шпинель); 4-ромбододекаэдр (золото, гранат); 5- тетрагон - триоктаэдр (гранат, лейцит); 6 – комбинация двух тетраэдров (сфалерит); 7- пентагон-додекаэдр (пирит, гранат); 8- гексаэдр (алмаз); 9 – двойник прорастания куба (пирит, тюрканит. флюорит)
Сингонии средней категории. Эта группа объединяет кристаллы, обладающие только одной осью симметрии порядка выше второго. К средней категории относятся гексагональная, тетрагональная и тригональная сингонии. Гексагональная сингония характеризуется наличием одной оси симметрии шестого порядка (L6). Максимальное количество элементов симметрии может быть следующим" L56L27PC. Кристаллы гексагональной сингонии образуют приз мы, пирамиды, дипирамиды и др.
https://pandia.ru/text/78/007/images/image011_32.jpg" width="495" height="236 src=">
Рис. 10 Кристаллы тетрагальной сигнолии:
1- тетрагональная дипирамида (анатаз, циркон, ксенотим); 2- анатаз; 3- комбинация тетрагональной призмы с тетрагональной дипирамидой (циркон, брукит); 4- комбинация дипирамиды и двух призм (ксенотим, рутил, циркон);
5- комбинация двух призм с дипирамидой (везувиан, циркон); 6- комбинация двух тетрагональных призм и дипирамиды с пинакоидом (везувиан); 7- комбинация двух призм с двумя дипирамидами (касситерит); 8- двойник касситерита; 9,10- вульфенит, 11- шеелит.
4. Кристаллографические системы.
https://pandia.ru/text/78/007/images/image013_28.jpg" width="524" height="277 src=">
Рис. 11-2 7 разных способов упорядоченного расположения в пространстве одинаковых точек.
На рис. 11 представлены семь базисных ячеек решеток разной формы. Ромбоэдрическая и гексагональная решетки определяются 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 ячейка, а, следовательно, и грани кристалла. На рис. 11 это стороны a, b и c элементарной ячейки. Принято через c обозначать вертикальную сторону, через b – горизонтальную в плоскости чертежа и через a – горизонтальную сторону, перпендикулярную плоскости чертежа. Прямые, на которых лежат эти стороны, служат линиями отсчета и называются кристаллографическими осями. Угол между b и c обозначается a, между a и c – b, а между a и b – g. Названия кристаллографических систем, относительные длины и угловые соотношения между соответствующими кристаллографическими осями таковы:
Триклинная: a № b № c, a № b № g.
Моноклинная: a № b № c, a = g = 90°, b > 90°.
Орторомбическая: a № b № c, a = b = g = 90°.
Тетрагональная: a = b № c, a = b = g = 90°. Поскольку a и b в этой системе равны и равноценны, их обычно обозначают через a1, a2. Сторона c может быть больше либо меньше a.
Гексагональная: a = b № c, a = b = 90°, g = 120°. Элементарная ячейка гексагональных кристаллов обычно рассматривается как тройная и определяется тремя горизонтальными осями a1, a2, a3, составляющими угол 120° друг с другом и 90° с условно вертикальной осью c.
Кубическая (изометрическая): a = b = c, a = b = g = 90°.
На рис. 1 показаны разнообразные формы, которые могут иметь кристаллы, относящиеся к разным кристаллографическим системам.
5. Применение кристаллов.
Большое применительное значение кристаллы нашли в оптике. 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 отпала; 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 заряд 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.
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.
Кристаллы используются также в некоторых мазерах для усиления волн СВЧ-диапазона и в лазерах для усиления световых волн. Кристаллы, обладающие пьезоэлектрическими свойствами, применяются в радиоприемниках и радиопередатчиках, в головках звукоснимателей и в гидролокаторах. Некоторые кристаллы модулируют световые пучки, а другие генерируют свет под действием приложенного напряжения. Перечень видов применения кристаллов уже достаточно длинен и непрерывно растет.
Практическая часть.
Выращивание кристалла из медного купороса и алюмокалиевых квасцов.
Чтобы вырастить кристалл медного купороса, сначала нужно сделать перенасыщенный раствор: размешать в горячей воде такое количество медного купороса, которое потребуется, чтобы больше «не помещалось» этого вещества. Потом через тряпочку, сложенную вдвое, необходимо профильтровать раствор в другую банку. На следующий день на дне банки с раствором образуются маленькие кристаллы вещества – затравки. Нужно выбрать затравку правильной формы и привязать её ниточкой к карандашу. Раствор нужно разогреть и снова добавлять в него, размешивая, медный купорос до тех пор, пока раствор опять не станет насыщенным. Раствор снова нужно профильтровать в чистую банку и повесить туда затравку. До размера спичечного коробка кристалл будет расти приблизительно месяц. Время от времени банку и нитку нужно очищать от других кристалликов и доливать насыщенный раствор. Когда кристалл достигнет больших размеров, его нужно вынуть из банки, отрезать нитку и протереть маслом.
Выращивание больших монокристаллов соединений, растворимых в воде
disc"> Если образовалось множество мелких сросшихся бесформенных кристалликов, как после резкого охлаждения, то количество соли уменьшают и повторяют описанную стадию.
- Если кристаллики не образовались, раствору следует постоять ещё сутки; иначе, следует увеличить количество растворяемого вещества, повторив этап заново.
Эта стадия эксперимента должна обучить экспериментаторов правильно, выращивать затравку, которая далее будет исходным кирпичиком для получения огромной конструкции. Отберем подходящие по структуре кристаллики (с длинной ребра от 0,3 см и более) и будем хранить их отдельно в растворе соли в банке с притёртой пробкой вдали от источников высоких температур и света.
Надо помните: чем меньше выбранная вами затравка, чем она правильнее, тем легче раствору (системе) подстроиться под неё (как перламутру к пещинке, попавшей в мантию моллюска).
III. Выращивание монокристалла:
Снова готовим насыщенный раствор на основе исходного маточного. Для этого готовый раствор ставим на водяную баню и добавляем 0,5 чайной ложки вещества. Чем меньше мы добавим на этом этапе, тем лучше (можно также просто нагреть насыщенный раствор, без добавления вещества). Греем и перемешиваем. Как только вещество растворилось, колбу вынимаем, и раствор переливаем в заранее приготовленный нагретый стакан. Стакан с раствором ставим на выбранное место, и даем 20-30 сек постоять, чтобы жидкость немного успокоилась. Наш раствор неперенасыщенный, поэтому “лишние градусы” могут вызвать растворение затравки, что нам не нужно. Если раствор тёплый, ему дают остыть до 300C или чуть меньше (проверить при отсутствии термометра – легко; температура нашего тела 36,60C, поэтому всё, что кажется теплее – выше её, наоборот - ниже). Следить за остыванием раствора следует очень внимательно, чтобы не допустить её понижения до комнатной (обычно на остывание раствора выделяю около двух часов).
Далее следует сказать, что можно вырастить кристалл и без нити. Всё, что для этого требуется – стакан с плоским дном, так как для этой цели затравку аккуратно укладывают на середину дна (можно помочь ей лечь нагретой стеклянной палочкой), и она повторит его рельеф. Здесь рост кристалла будет ограничен стенками стакана, и преимущественно, он будет расти в стороны – это хорошо для медного купороса и для плоских кристаллов в принципе (жёлтая кровяная соль, гидрофталат калия).
В случае с квасцами лучше использовать нить, которой обматываем затравку, а остальную часть нити закрепляем на каркасе из двух пересечённых палочек. Кристалл при этом должен “висеть” в растворе в центре. Но здесь требуется следить за тем, чтобы не обрастала нить. Если такое произошло, то нить с кристаллом вынимаем, счищаем лишнее и заново готовим раствор* (греют, подготавливают к температуре кристалл и т. п.) Надо помните: чтобы не было наростов на нити, нить должна быть тонкой без волосков, и должна быть опущена с затравкой в раствор на 5о теплее, чем для простой затравки. Такая нить успевает пропитаться раствором и “сливается” с системой в единое целое.
Теперь следует следить за ростом кристалла каждый день, ни в коем случае не сотрясая раствор, иначе эта встряска породит в системе мгновенную кристаллизацию. Так многие авторы советую доливать раствор в систему по мере его испарения. Это очень сложная операция, поскольку возникшая сильная диффузия также может вызвать сбои в росте кристалла. Вначале мы увидим, как система будет “обживать” затравку, как они будут подстраиваться друг под друга. В итоге должно получиться следующее:
Рис.13 кристаллы меди Рис. 14 кристаллы квасцов
Полученные кристаллы медного купороса (рис.11) и алюмокалиевых квасцов (рис. 12), за одну неделю выращивания.
Наши результаты:
https://pandia.ru/text/78/007/images/image018_21.jpg" width="257" height="179 src=">
Рис. 15 Рис. 16
Выращенные нами кристаллы медного купороса (рис. 15) и алюмокалиевых квасцов (рис. 16), за одну неделю выращивания.
Вывод:
Мы научились выращивать кристаллы и узнали, что этим способом можно выращивать кристаллы любых других простых веществ, а также, что необходимо для выращивания и как происходит рост кристаллов.
Мы хотим дать советы тем, кто заинтересовался этой работой и хочет вырастить кристалл самостоятельно в домашних условиях.
Наши советы:
Ø Для выращивания кристаллов используют только свежеприготовленные растворы.
Ø Чтобы кристаллы росли как можно правильно, а у бесцветного вещества они были прозрачными, кристаллизация должна идти медленно, иначе кристалл мутнеет.
Ø Чем меньше выбранная вами затравка, чем она правильнее, тем легче раствору (системе) подстроиться под неё.
Заключение.
Итак, в данной работе была рассказана лишь малая часть того, что известно о кристаллах в настоящее время, однако и эта информация показала, насколько неординарны и загадочны кристаллы по своей сущности.
В облаках, в глубинах Земли, на вершинах гор, в песчаных пустынях, в морях и океанах, в научных лабораториях, в клеточках растений, в живых и мертвых организмах везде встретим мы кристаллы. Но может кристаллизация вещества совершается только на нашей планете? Нет, мы знаем теперь, что и на других планетах и далеких звездах все время непрерывно возникают, растут и разрушаются кристаллы. Метеориты, космические посланцы, тоже состоят из кристаллов, причем иногда в их состав входят кристаллические вещества, на Земле не встречающиеся. Кристаллы везде.
Люди привыкли использовать кристаллы, делать из них украшения, любоваться ими. Теперь, когда изучены методы искусственного выращивания кристаллов, область их применение расширилась, и, возможно, будущее новейших технологий принадлежит кристаллам и кристаллическим агрегатам.
Список литературы.
1. ; «Занимательные опыты по химии», 1995 г.
2. Алферова «Большой справочник по химии для школьников»,2002
3. «Энциклопедия драгоценных камней и кристаллов», 2008
4. Банн Ч. «Кристаллы. Их роль в природе и науке.», 1970
5. «Сила кристаллов»,2003
6. «Физика твёрдого тела», 2008
7. Довбни «Мир кристаллов», 2006
8. «Камень, рождающий металл», 1984г.;
9. «Минерал рассказывает о себе», 1985 г.;
10. «Физика. Справочные материалы», 1991г.
11. «Физический практикум.» , 2002.
12. Петров « Выращивание кристаллов из растворов», 2000
13. «Школьникам о современной физике», М.; 1990г.
14. «Замечательные минералы», 1983г
15. Сухарёва «Удивительный мир кристаллов», 2007
16. Холл Джуди «Путеводитель по миру кристаллов. Иллюстрированный справочник», 2007
17. , «Основы кристаллографии», 2006
18. «Кристаллография. Лабораторный практикум», 2005
19. ; "Кристаллы", 1985 г.;