III Международный конкурс
научно-исследовательских и творческих работ учащихся
«СТАРТ В НАУКЕ»
 
     

МИР УДИВИТЕЛЬНЫХ КРИСТАЛЛОВ.
Жаркевич А.Е.
Текст научной работы размещён без изображений и формул.
Полная версия научной работы доступна в формате PDF


Введение

Актуальность. Кристаллы одни из красивейших «изделий природы». На них можно глядеть бесконечно. Но никто не знает истинного происхождения кристаллов. Кристаллы – разноцветные камни, которые манят всех нас и притягивают к себе, мы чувствуем в них какую – то загадочность и не можем оторвать от них глаз.

Если задуматься, то кристаллы встречаются нам повсюду: на улице; в пище; в быту. Соль, снег, лёд, глина, песок и сотни других веществ - всё это кристаллы.

В связи с этим мне захотелось узнать, как кристаллы формируются, растут, какова их структура, внешний вид, свойства. Что делает кристаллы такими не похожими друг на друга?!

Цель исследования: изучение строения, разнообразия кристаллов.

Объект исследования: кристаллы.

Предмет исследования: особенности разнообразия кристаллов.

Задачи исследования:

1. Выявить особенности внешнего вида, свойств и разнообразия кристаллов.

2. Систематизировать информацию о кристаллах, полученную из библиотек, музеев и других источников.

3. Собрать фотоколлекцию кристаллов.

4. Вырастить кристалл.

Гипотеза:

1. Кристалл можно вырастить в домашних условиях.

Методы исследования: наблюдение;исследование;эксперимент;беседа; работа с литературными источниками и интернет - ресурсами.

I Теоретическая часть

  1. .1 Общие сведения о кристаллах

Кристаллы – это твёрдые тела, имеющие естественную форму правильных многогранников (рисунок 1).

Рисунок 1 – Кристаллы

Название «кристалл» произошло от двух греческих слов – «лёд», «горный хрусталь».

Кристаллы – это многогранники, которые напоминают самые строгие геометрические построения. Поверхность таких фигур ограничена – гранями, пересекающимися по прямым линиям – рёбрам. Точки пересечения рёбер образуют вершины. Мною были изготовлены макеты (гексаэдр (куб) – правильный многогранник - из 6 равносторонних квадратов; тетрагональная пирамида – из 4 равносторонних треугольников и квадрата, тригональная бипирамида – 6 равносторонних треугольников) (рисунок 2).

Макеты изготавливались для того, чтобы объемно представить форму кристаллов.

а) б)

в)

а) гексаэдр; б) тетрагональная пирамида; в) тригональная бипирамида

Рисунок 2 – 3D формы кристаллов

Остальные формы сложно выполнить макетно, поэтому я постаралась вылепить и изобразить их графически.

а) б) в) г) д)

а) тригональная призма; б) гексагональная призма; в) тетрагональная призма; г) дитригональная призма; д) ромбическая призма

Рисунок 3 – Вид сверху призм кристаллов средней категории в лепке

а) б) в) г)

а) тетрагональный тетраэдр; б) гексагональный тетраэдр; в) ромбоэдр;

г) тригональный трапецоэдр

Рисунок 4 – Простые формы кристаллов средней категории в графике

Каждый кристалл состоит из миллионов отдельных структурных элементов, называемых монокристаллами и образующих кристаллическую решётку. Элементарная ячейка кристаллической решётки представляет собой квадрат, в каждом углу которого находится атом, т. е. частица вещества.

Все известные в мире кристаллы могут быть разделены на 32 вида, которые в свою очередь могут быть сгруппированы в шесть видов. Кристаллы могут иметь всевозможные формы и размеры. Ещё одним критерием деления кристаллов на виды является их происхождение. Образуются кристаллы в природных или лабораторных условиях.

По этому критерию кристаллы делятся на природные (естественные) и искусственные (выращенные человеком).

Кристаллы бывают идеальные и реальные.

Идеальный кристалл является, по сути, математическим объектом, имеющим полную, свойственную ему симметрию, идеализированно ровные гладкие грани и т. д.

Реальный кристалл - всегда содержит различные дефекты внутренней структуры решетки, искажения и неровности на гранях и имеет пониженную симметрию многогранника вследствие специфики условий роста, неоднородности питающей среды, повреждений и деформаций. Реальный кристалл не обязательно обладает кристаллографическими гранями и правильной формой, но у него сохраняется главное свойство — закономерное положение атомов в кристаллической решётке.

1.2 Изучение природы зарождения, формы и многообразия кристаллов

В природе существуют сотни веществ, образующих кристаллы. Вода - одно из самых распространенных из них. Замерзающая вода превращается в кристаллы льда или снежинки.

Минеральные кристаллы образуются в ходе определенных породообразующих процессов. 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. С этим я успела убедиться после посещения минералогического музея при Карагандинском государственном техническом университете (г. Караганда, Казахстан).

Там я узнала, что горные породы охлаждаются очень медленно. Минералы превращаются в кристаллы, когда переходят из состояния горячей жидкости в холодную твердую форму. Минералы являются частью земной коры, и составляют внутреннюю структуру планеты. Они образуются из расплавленной магмы, находящейся в глубинных слоях Земли, и затвердевающей при выходе. Под воздействием различных природных условий постепенно происходят сдвиги земной коры, отдельные её слои опять опускаются и расплавляются. Кристаллы и есть продукты этого геологического циклического процесса. На рисунках 6 - 10 приведены изображения кристаллов, найденных на территории Республики Казахстан.

а) б)

Рисунок 6 – Кварц SiO2 друза «Ежик» (а) и кристалл кварца, Карагандинская область, Кент (б)

а) б)

Рисунок 7 – Друза кварца, Центральный Казахстан, Караоба и кристаллы кварца, Казахстан, Кентский массив

Рисунок 8 - Раухтопаз (дымчатый кварц), Карагандинская область, Кент

Природные кристаллы кварца, добытые из земли, реагируют на сжатие и деформацию. В них появляются электрические заряды. Они могут хранить в своей памяти отношение к ним людей, которые извлекли их из земли и обработали.

II Исследовательская часть

2.1 Выращивание кристалла в домашних условиях

В ходе своей работы я провела эксперимент по выращиванию кристаллов в домашних условиях.

Чтобы в домашних условиях вырастить настоящий кристалл, необходима специальная посуда и соответствующий раствор. Процесс выращивания кристалла очень длительный.

Рост камня зависит от многих факторов: насыщенности раствора, температуры и влажности воздуха, вида соли, используемой для кристалла, основания.

Для опыта были использованы:

- емкость, где будет произрастать соляной кристалл (стеклянная банка).

- соль;

- палка, чтобы мешать раствор.

Для того, чтобы кристалл придать цвет в качестве основы была использованная природная соль для ванн с можжевеловым концентратом.

В качестве емкости использована обычная стеклянная банка 0,33 л. Стекло не окисляется в соленой воде не отдает цвет.

Далее эксперимент проводился в такой последовательности:

  1. смешали теплую дистиллированную воды с солью в пропорции 0,1 л воды 1 столовая ложка соли;

  2. привязали белую веревку к карандашу;

  3. привязали на конец веревки кристаллик соли (рисунок 9);

  4. опустили нитку с кристалликом в соляной раствор (рисунок 10).

Рисунок 9 – Кристаллик соли для эксперимента

На первой стадии происходит химическая реакция, когда растворенная соль в воде от понижения температуры выпадает в осадок и, соответственно, оседают на стенках сосуда.

Рисунок 10 – Погружение кристаллика соли в соляной раствор

При соприкосновении кристаллов соли с водой, они растворяются.

Быстрее всего кристаллы соли могут образовываться в насыщенном растворе поваренной соли.

Я предполагаю, что по мере того как вода испаряется, соль снова образует кристаллы.

После проведенного эксперимента мы стали наблюдать за образованием и роста кристалла (рисунок 11).

   

1 день (4.02.2017)

7 день (11.02.2017)

   

14 день (18.02.2017)

21 день (25.02.2017)

Рисунок 11 – Зарождение и рост соляного кристалла

Из рисунка 11 видно, что за 3 недели раствор уменьшился на 1 см по высоте. Кристалл выращивался на окне при температуре +18ºС.

Далее я вытащила кристалл из банки, чтобы внимательней изучить его форму и структуру (рисунок 12).

Рисунок 12 – Формы и размеры полученного кристалла через 3 недели с момента зарождения

Из рисунка видно, что кристалл имеет вытянутую форму, однако распределение его по длине является неодинаковым. Длина кристалла, выращенного за три недели составила 3,5 см, максимальная ширина в середине кристалла равна 1 см, по краям 2 мм.

Анализируя рисунок 12 можно сказать, что выращенный кристалл имеет мелкозернистую структуру, будто состоящий из мелких кристалликов. Этот процесс и называется кристаллизацией – т.е. полиморфное превращение из жидкого состояния соляного раствора в твердое.

Далее продолжалось наблюдение за ростом кристалла (рисунок 13 и 14).

35 день (11.03.2017) 42 день (18.03.2017)

Рисунок 13 – Рост соляного кристалла еще нескольких недель

Рисунок 14 - Соляной кристалл после 8 недельного роста

Из рисунка 13 видно, что при испарении жидкости из стеклянного сосуда соль продолжала кристаллизоваться на кристалле и стенках банки.

Длинна кристалла после 8 недель роста составила 7,5 см, а ширина 1 см. Полученные кристалл является реальным, т.к. неровности на гранях имеет пониженную симметрию многогранника.

2.2 Исследования текстуры кристалла

Дополнительно к проведенным наблюдениям была рассмотрена структура кристалла на металлографическом микроскопе Альтами (рисунок 15).

Рисунок 15 – Исследование текстуры под микроскопом

Текстура полученного соляного кристалла представлена при увеличениях ×100, ×200 представлена на рисунках 16, 17 и 18.

Рисунок 16 - Текстура полученного кристалла при увеличении ×100

Рисунок 17 - Текстура полученного кристалла при увеличении ×200

Рисунок 17 - Текстура полученного кристалла при увеличении ×100 на просвет сверху и снизу

Фото отличается по цвету, т.к. использовались стёкла для подсветки различных цветов (синее, желтое, оранжевое). Из приведенных рисунков видно, что выращенный кристалл имеет приближенную форму гексагональной призмы. Не все стороны кристалла имеют ровные грани.

Заключение

В заключении следует отметить, что исследования роста кристалла будут продолжаться, т.к. хотелось бы добиться идеальной формы кристалла и понять, почему он начинает расти сверху, снизу или из середины сердечника, пропитанного соляным раствором.

Подводя итоги работы, можно сказать, что я добилась поставленной цели, узнала много нового и интересного о кристаллах.

Также можно отметить, что, изучив материалы о кристаллах, я узнала:

  1. Кристалл, в переводе с греческого языка означает «лёд», «горный хрусталь»;

  2. Кристаллы различны по внешнему виду и форме;

3. Кристалл - это твердое состояние вещества;

4. Природу образования кристаллов;

5. О технологии выращивания искусственных кристаллов.

В работе над проектом я рисовала кристаллы, лепила, делала макеты форм кристаллов, собрала коллекцию фотографий кристаллов.

Таким образом, можно сказать, что кристалл имеет определённую форму и количество граней. Кристаллы бывают разных цветов, но в большинстве своём они прозрачны.

Кристаллы – не музейная редкость. Они окружают нас повсюду.

Кристаллы неординарны и загадочны по своей сущности. В недрах земли, на вершинах гор, в морях и океанах, в научных лабораториях – везде мы встречаем кристаллы.

Научно-исследовательская работа позволила мне проявить себя, получить новые знания, принести пользу, научиться проводить эксперимент и делать выводы.

Список литературы:

  1. Шаскольская М. П. Кристаллы. - М.: Наука, 2005. - 208 с.

  2. Шуман В. Мир камня. Горные породы и минералы. - М.: Мир, 1986. - 215 с.

  3. Энциклопедия для детей. Том 4. Геология / Сост. С.Т. Исмаилова. - М.: Авванта +, 2005. – 624 с.

  4. Кристаллы. Рост, структура, свойства //Сборник научных трудов /Рос. АН, Ин-т кристаллографии им. А. В. Шубникова. - М.: Наука, 1993. - 272 с.

  5. Яковишин Л.А. Занимательные опыты по выращиванию кристаллов. – Харьков: Изд-во «Ранок», 2008. – 32 с.