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

ВЫРАЩИВАНИЕ КРИСТАЛЛОВ
Жовнер А.С.
Текст научной работы размещён без изображений и формул.
Полная версия научной работы доступна в формате PDF


Введение

"Почти весь мир кристалличен.

В мире царит кристалл и его твердые,

прямолинейные законы"

Академик Ферсман А.Е.

Кристаллы – поразительные создания природы. Нас восхищают их яркие цвета и прозрачность, ровные, гладкие грани и, самое главное, правильная форма. Кристаллы выглядят таким образом, словно их кто-то специально вырезал, отшлифовал и раскрасил...

В природе кристаллы растут тысячи лет, а ученые изобрели быстрые способы выращивания искусственных кристаллов, что широко используется повсеместно. Возникла мощная отрасль промышленности, сосредоточенная на производстве различных кристаллов, используемых в электронике, радиотехнике, оптике, лазерной технике, технике измерений – практически везде. Многие ученые мира ищут все новые способы синтеза искусственных кристаллов. Но сегодня, этим интереснейшим делом могут заняться не только великие ученые и исследователи, но и мы, обычные школьники.

Изучение кристаллов в школе в рамках школьной программы почти не предусмотрено. Поскольку тема очень интересная и актуальная, я решила изучить этот вопрос более подробно.

Цель работы: вырастить кристаллы различных веществ из насыщенных водных растворов их солей в условиях школьной лаборатории.

Задачи:

  1. Изучить особенности строения кристаллических тел.

  2. Познакомиться с методами выращивания кристаллов.

  3. Освоить методики выращивания кристаллов из растворов их солей.

Объект исследования: кристаллы.

Предмет исследования: процесс кристаллизации.

Гипотеза: если создать определенные условия, то можно вырастить кристаллы различных веществ в условиях школьной лаборатории.

Глава 1. Теоретическое обоснование проблемы.

  1.  
    1. Особенности строения кристаллических тел

Твердые тела могут существовать в двух различных состояниях, отличающихся своим внутренним строением и свойствами. Это кристаллическое и аморфное состояние твердых тел.

Кристаллы (от греч. krystallos –«прозрачный лед», в дальнейшем — горный хрусталь, кристалл) — твёрдые тела, в которых образующие их частицы (атомы, молекулы, ионы) расположены закономерно, образуя трёхмерно-периодическую пространственную укладку — кристаллическую решётку. Этот пространственный порядок сохраняется на огромных «по атомным масштабам» расстояниях. Атомы, находящиеся на противоположных гранях монокристалла, могут быть удалены на десятки сантиметров, и в то же время они располагаются параллельно.

Часто твёрдые вещества образуют (в зависимости от условий) более чем одну форму кристаллической решётки; такие формы называются полиморфными модификациями. Например, среди простых веществ известны графит и алмаз, которые являются гексагональной и кубической модификациями углерода.

Если весь образец вещества представляет собой один кристалл, то такое тело называется монокристаллом или просто кристаллом. В других случаях тело представляет собой множество мелких кристалликов, причудливо сросшихся между собой, например, кусок рафинада. Такие тела называют поликристаллическими.

Кристаллическое состояние характеризуется наличием четко выделяемых естественных граней, образующих между собой определенные углы. Кристаллы могут иметь от четырех до нескольких сотен граней. Но при этом они обладают замечательным свойством – какими бы ни были размеры, форма и число граней одного и того же кристалла, все плоские грани пересекаются друг с другом под определенными углами. Углы между соответственными гранями всегда одинаковыми. Кристаллы каменной соли, например, могут иметь форму куба, параллелепипеда, призмы или тела более сложной формы, но всегда их грани пересекаются под прямыми углами.

Второй вид твердого состояния – аморфное состояние. Аморфные вещества не имеют упорядоченной структуры и в отличие от кристаллов не расщепляются с образованием кристаллических граней; как правило не имеют определённой точки плавления.

Некоторые вещества могут находиться в любом из этих двух состояний. Например, если расплавить кристаллический кварц (температура плавления около 1700° С), то при охлаждении он образует плавленый кварц, с другими физическими свойствами, одинаковыми по всем направлениям.

Аморфное состояние - неустойчивое состояние твердых тел, которые стремятся со временем перейти в кристаллическую форму, хотя этот процесс может протекать достаточно долго.

1.2 Формы кристаллов

Кристаллы могут иметь всевозможные формы. В науке о кристаллах — кристаллографии — в зависимости от симметрии расположения атомов выделяют 6 кристаллических групп, которые разделены на 32 класса.

Русский учёный Е.С.Фёдоров установил, что в природе может существовать только 230 различных пространственных групп, охватывающих все возможные кристаллические структуры. Большинство из них 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).

Примеры простых кристаллических решёток:

  1. – простая кубическая; 2 – гранецентрированная кубическая;

3 – объёмно-центрированная кубическая;4 – гексагональная

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 Выращивание крупных одиночных кристаллов.

Для того, чтоб 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, что во многом зависит от соли. Т. е. за месяц – полтора можно вырастить довольно крупный кристалл.

Выращивание крупного одиночного кристалла – очень длительный и сложный процесс, требующий терпения и осторожности. Для начала вам потребуется затравка – маленький кристаллик, который и будет центром кристаллизации. Обычно кристаллик, используемый как затравка, представляет собой уменьшенную копию выращиваемого кристалла.

Для того, чтобы получить затравку, используется очень простой метод: готовится максимально концентрированный раствор соли, переливается в стакан с вертикальными стенками и накрывается листком бумаги. Через несколько дней на дне стакана появляются первые кристаллики. Обычно они все имеют разную форму. Именно из них и отбираются 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 фильтруют от выпавших кристалликов, переливают в чистый стакан и погружают туда затравку. Стакан накрывают бумагой и оставляют на полке. Уже через неделю можно заметить, что кристалл заметно подрос. Чем дольше он будет оставаться в растворе, тем крупнее он станет.

Раствор со временем испаряется и если верхняя часть кристалла окажется на воздухе, то это может испортить весь кристалл. Для того, чтобы этого не произошло, необходимо добавлять раствор по мере необходимости.

В процессе выращивания кристалла может возникнуть ещё одна проблема: в ходе роста основного кристалла на дне появляются и растут другие, случайно выпавшие кристаллы. Их желательно удалять хотя бы раз в 1-2 недели.

1.5 Выращивание сростков кристаллов (друз).

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.

Для начала потребуется приготовить перенасыщенный раствор соли в горячей воде. После охлаждения раствора в него вносят затравку – подвешенный на ниточке кристаллик. Уже через 5-10 часов можно увидеть большое количество кристалликов на нитке, на затравке, на дне стакана. Раствор оставляют в покое в течение 3-5 дней, затем вынимают нитку с кристаллом, раствор нагревают, добавляют воды и снова делают максимально концентрированным. После охлаждения в него вновь вносят нитку с уже подросшим кристаллом и оставляют на 3-5 дней.

Эту процедуру повторяют до тех пор, пока кристалл не достигнет необходимого размера. Кстати, довольно неплохие результаты получаются, если смешать оба метода: сначала вырастить друзу, а потом погрузить её в раствор для медленной кристаллизации.

Глава 2. Практическое обоснование проблемы.

Изучив методики выращивания кристаллов, я поняла, что самым доступным методом в условиях школьной лаборатории является кристаллизация из насыщенных растворов солей путем их охлаждения. Для опытов я решила взять поваренную соль, медный купорос и глауберову соль.

  1.  
    1. Выращивание кристаллов поваренной соли(NaCl)

Одна из особенностей хлорида натрия – его тяга к образованию поликристаллов, поэтому очень редко вырастает один крупный кристалл. Намного чаще выпадает куча мелких бесцветных прозрачных кубической формы кристалликов, нарастающих друг на друга. Такие кристаллы еще более хрупкие, чем монокристаллы, но по-своему очень красивы.

Ход эксперимента: приготовила насыщенный раствор поваренной соли. Для этого в стакан налила 100 мл кипяченной воды, нагрела её до 600С. В горячей воде растворяла поваренную соль до тех пор, пока соль не перестала растворяться в воде. Получила насыщенный раствор, его профильтровала.В стакан с раствором опустила шерстяную нить с узелком на конце. Узелок выполняет роль затравки.

Через сутки по всей длине нити образовались кристаллы соли, но очень мелкие, более крупные кристаллики образовались на узелке. На четвертые сутки кристаллы поваренной соли стали чуть крупнее. На седьмые сутки образовалось огромное количество небольших кристаллов, нарастающих друг на друга. Крупный монокристалл вырастить мне не удалось. 2.2Выращивание кристаллов медного купороса (CuSO4 ͯ 10H2O).

Будут ли расти монокристалл или поликристаллы медного купороса зависит не только от положения затравки в растворе (на дне или на нитке), материала подвеса (леска или нить), но и от температуры раствора и чистоты вещества. При выращивании из горячего раствора растут как правило поликристаллы. Из медного купороса, купленного в магазине удобрений, также чаще растут поликристаллы из-за большого количества примесей в нем.

Ход эксперимента: в горячей кипяченной воде растворяласоль медного купороса до тех пор, пока она не перестала растворяться в воде. Получила насыщенный раствор, его профильтровала. В стакан с раствором медного купороса опустила шерстяную нить с узелком на конце. Узелок выполняет роль затравки.

Поставила стакан с раствором остывать, и уже через несколько часов увидела наросшие на нить кристаллики. Через три дня вынула из раствора обросшую кристалликами шерстяную нить. Через неделю выросли красивые друзы медного купороса ярко-синего цвета, потому что кристаллы я выращивала из горячего раствора.

2.3Выращивание кристаллов сульфата натрия (Na2 SO4 ).

Кристаллы сульфата натрия бесцветные прозрачные. Интересно то, что сульфат натрия сильно подвержен полиморфизму – образованию совершенно разных кристаллических решеток одним и тем же веществом. Так что количество форм его кристаллов довольно большое: снежинки (> 70 - 80̊С), иглы (>40 - 50̊С), шестиугольник и октаэдр (комнатная температура), призмы (