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

ВЫРАЩИВАНИЕ КРИСТАЛЛОВ ИЗ РАСТВОРОВ РАЗНООБРАЗНЫХ ВЕЩЕСТВ
Сафаров М.Р.
Автор работы награжден дипломом победителя второй степени
Диплом школьника      Диплом руководителя
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».

А.Е. Ферсман.

«Существует еще немало

сложных кристаллов, которые

бросают нам вызов».

Кроуфут-Ходжкин Дороти

Причудливые творения природы, часто завораживающие и притягивающие взгляд, украшающие короны королей. Бытует поверье, что некоторые из них обладают магической чудодейственной силой. Природные кристаллы всегда возбуждали любопытство у людей. Средневековые алхимики думали, что природные кристаллы были сотворены богом раз и навсегда. Лишь в 17 веке поняли, что минералы растут в воде.

Кристаллы так хороши собой, что ими можно любоваться часами. Каких только кристаллических форм не создала природа! Столбики, кубики, пирамиды, звёзды! Поражает разнообразие причудливых форм и цветов кристаллов.

Поэтому мы решили начать свою исследовательскую работу, поставив перед собой цель – вырастить кристаллы разнообразных веществ из растворов и сравнить их свойства, определить оптимальные условия для выращивания кристаллов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

  • провести анализ литературы, по данной теме;

  • отобрать вещества из которых возможно вырастить кристаллы;

  • познакомиться с методами выращивания кристаллов;

  • освоить методику выращивания кристаллов из водных растворов;

  • провести наблюдения за процессом кристаллизации;

  • выработать рекомендации по выращиванию кристаллов для заинтересовавшихся нашим исследованием учащихся

Актуальность: работа интересна и познавательна, выращивание кристаллов - доступное и недорогое занятие для большинства юных открывателей. Их можно вырастить различными по форме и цвету, в любое время года. Это удивительное свойство кристаллических тел!

Предмет исследования: кристаллы.

Объект исследования: выращивание кристаллов из растворов.

Гипотеза работы:при апробировании различных способов выращивания кристаллов в домашних условиях и их изучении, наиболее оптимальные условия для выращивания кристаллов - комнатная температура, температура воды 60 °С и при 50 мл воды концентрация соли 50 г различных солей.

Литературный обзор

Удивительный мир кристаллов

Кристаллы окружают нас повсюду. Твердые тела, из которых строят дома, делают станки, вещества, которые мы употребляем в быту, почти все они относятся к кристаллам.

В земле иногда находят камни такой формы, как будто их кто-то тщательно выпиливал, шлифовал, полировал. Правильность и совершенство формы этих камней, безукоризненная поверхность поражают. Трудно поверить, что такие многогранники образовались сами без помощи человека. Вот эти-то камни с природной, то есть не сделанной руками человека, правильной, многогранной формой и называются кристаллами.

Слово «кристалл» происходит от греческого «крюсталлос», то есть «лед». Кристаллы – это твердые тела, атомы или молекулы которых занимают определенные, упорядоченные положения в пространстве. Поэтому кристаллы имеют плоские грани.

Структура кристалла

Не все кристаллы одинаковы. Существуют монокристаллы и поликристаллы. Твердое тело, состоящее из большого числа маленьких кристаллов, называют поликристаллическим. Одиночные кристаллы называются монокристаллами.

Основные свойства кристаллов

Температура плавления

Плавление – это переход вещества из твёрдого состояния в жидкое.

Процесс плавления любого кристалла происходит при постоянной температуре, называемой температурой плавления. Например, если взять кристалл льда и положить его в тёплое место, то он растает – расплавится. В процессе плавления температура не повысилась. То же самое можно было бы установить и для любого другого кристалла.

Симметрия

Идеальные формы кристаллов симметричны. По выражению известного русского кристаллографа Е. С. Фёдорова (1853-1919), «кристаллы блещут симметрией».

В кристаллах можно найти различные элементы симметрии: ось симметрии, плоскость симметрии, центр симметрии.

Рост кристаллов в природе

Кристаллы могут расти как в природе, так и в искусственных условиях.

В соляных озёрах, на мелководье вода, нагреваясь, испаряется. Соль выпадает в осадок, наращиваясь на дне. Так образуются солончаки, представляющие дно высохших озёр.

Рост кристаллов в искусственных условиях

В искусственных условиях кристаллы выращивают из раствора или из расплава.

Классификация кристаллов

Выращивание кристаллов из раствора

Выращивание кристаллов из расплава

Медный купорос

Поваренная соль

Алюмоаммонийные квасцы

Алмаз Сапфир

Берилл Кварц

Гранат Изумруд

Рубин

Выращивание кристаллов из расплава

Из расплава кристаллы выращивают таким образом. В установке расплав находится в неподвижном тигле, куда опущена затравка с растущим на ней кристаллом. Затравка укреплена на стержне, который непрерывно охлаждают. По мере того, как кристалл вырастает, его всё время поднимают, вытягивая стержень с затравкой из расплава, так что с расплавом соприкасается не весь кристалл, а только небольшой его слой, именно тот самый, который сейчас растёт. Кристаллы во время роста ещё обычно вращают, чтобы тепло от него отводилось равномерно. В домашних условиях вырастить кристалл из расплава невозможно.

Вырастить кристаллы в домашних условиях можно только из раствора.

Материалы и методика исследования

Выращивание кристаллов в домашних условиях

Приготовление раствора

Раствор готовят из слегка тёплой (не горячей!) воды. Воду лучше брать дистиллированную, но можно и кипячёную. Химический стакан на половину объёма наполняют водой и небольшими количествами (~по 10гр) добавляют соль. После каждой новой порции соли раствор тщательно перемешивают. При этом раствор может начать охлаждаться, т. к. при растворении вещества расходуется тепловая энергия на расщепление его на ионы. После того, как вещество перестаёт растворяться, добавляют последние 10гр вещества и перемешивают. Уже готовый раствор фильтруют во второй химический стакан, в котором и будет происходить рост кристалла. Стакан накрывают листком бумаги и ждут появления первых кристалликов.

Фильтрация раствора

Конечно же, для фильтрации раствора лучше всего использовать хороший, лабораторный фильтр из фильтровальной бумаги и стеклянную воронку. Если готового фильтра нет, то его можно сделать из обычной промокашки. Для этого из неё вырезают круг диаметром не менее 10см, сгибают его вдвое и затем ещё вдвое. Если теперь отогнуть крайний листок получившегося конуса, то получится бумажная воронка. Её вкладывают в стеклянную воронку и фильтруют раствор. Это надо делать очень осторожно, следить за тем, чтобы уровень жидкости в стеклянной воронке не был выше краёв фильтра.

В самом крайнем случае, если под рукой нет даже промокашки, то фильтр делается из ваты. Вату плотно вставляют в горлышко воронки и затем фильтруют раствор. Естественно, чем плотнее вата, тем медленнее и качественнее происходит фильтрация.

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.

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 вам 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.

Изучив литературу, я приступил к выращиванию кристаллов

Результаты исследования и их обсуждение

Выращивание кристаллов из растворов

Кристаллы выращивают из насыщенных (перенасыщенных) растворов веществ на «затравке». Затравкой или центром кристаллизации может являться кристаллик данного вещества или любой другой центр кристаллизации (волокно).

Выращивание кристаллов – это искусство. Поэтому получается не все сразу. Немного настойчивости, упорства, аккуратности, и можно стать обладателем красивых кристаллов.

Отбор веществ из которых возможно вырастить кристаллы

Темой по выращиванию кристаллов, я заинтересовался уже с 6 класса. Изучив статьи в интернете, меня заинтересовали опыты по выращиванию кристаллов из солей медного купороса, железного купороса, фосфата моноаммония и других. В домашних условиях мной были выращены кристаллы из поваренной соли, медного купороса, железного купороса, фосфат моноаммония (Приложение №1).

Кроме этого, я пробовал вырастить кристаллы из марганцовки (или раствор марганцовокислого калия, или перманганат калия) и сахара, но к сожалению, вырастить кристаллы из них не удалось.

В дальнейшем мне стало интересно, выяснить какие условия самые благоприятные для быстрого и качественного выращивания кристаллов. Поэтому, я решил провести ряд экспериментов.

Экспериментальный опыт №1

«Нахождение оптимальной концентрации раствора для роста монокристалла и поликристалла медного купороса»

Общие сведения наблюдений

№ проб

Температура окружающей среды, в которой находится раствор

Объём воды и масса соли в растворе

Получившийся кристалл

1 стакан

Температура окружающей среды одинакова, она равна 23 °С

V вода = 50 мл

m соль = 70 г

В этом стакане кристалл вырос быстрее всех; по виду – поликристалл.

2 стакан

V вода = 50 мл

m соль = 50 г

Вырос поликристалл средней формы и размеров.

3 стакан

V вода = 50 мл

m соль = 30 г

Вырос монокристалл, хоть и маленький, но симметричный и правильной формы; он рос медленнее всех.

Дневник наблюдений

День

Совершаемое действие

1 стакан

2 стакан

3 стакан

1 день

Приготовление раствора

Приготовили раствор, насыпав в него 70 г вещества

Приготовили раствор, насыпав в него 50 г вещества

Приготовили раствор, насыпав в него 30 г вещества

Приготовили за ранее кристаллики (затравка) и на нитях опустили в каждый стакан

2 день

Появление кристаллов

Образовалась друза

Образовывается друза, но меньше, чем в первом стакане

Образовывается монокристалл

3 день

Сравнение кристаллов

Самый большой кристалл

Чуть меньше, чем в первом стакане

Совсем маленький кристаллик

4 день

Оценка кристаллов

Большой сросток кристаллов – друза, каждый из кристалликов имеет форму куба

Сросток чуть меньше, чем в первом стакане, но кристаллики имеют кубическую форму

Совсем мелкий монокристалл в форме куба

5

день

Сравнение и оценка кристаллов (итог)

В итоге образовалась друза большого размера

Образовалась друза среднего размера, кристаллики которой имеют форму куба

Образовался монокристалл в форме куба

Вывод: в ходе опыта мы выяснили: для того, чтобы вырастить монокристалл из соли медного купороса, надо 50 мл воды и 30 г соли. Для того, чтобы вырастить красивый поликристалл, надо 50 мл воды и 50г соли (Приложение №2).

Экспериментальный опыт №2

«Нахождение оптимальной температуры воды для выращивания кристаллов медного купороса»

Общие сведения наблюдений

№ проб

Температура окружающей среды, в которой находится раствор

Объём и температура воды, и масса соли в растворе

Получившийся кристалл

1 стакан

tокр. ср. = 23 °С

Vвода = 50 мл

tвода = 80 °С

mсоль = 70 г

Получился небольшой поликристалл

2 стакан

tокр. ср. =23 °С

Vвода = 50 мл

tвода = 60 °С

mсоль = 70г

Кристалл вырос больше остальных

3 стакан

tокр.ср.= 23°С

Vвода = 50 мл

tвода = 20 °С

mсоль = 70 г

Кристалл вырос чуть больше из всех трёх кристаллов

Дневник наблюдений

День

Совершаемое действие

1 стакан

2 стакан

3 стакан

1 день

Приготовление раствора

В воде с температурой 80 °С большая часть соли растворилась

В воде с температурой 60 °С половина из взятой массы соли растворилась

В воде с температурой 20 °С не значительная часть соли растворилась

Приготовили за ранее кристаллики (затравка) и на нитях опустили в каждый стакан

2 день

Оценка кристаллов

Во всех стаканах на нити образовались поликристаллы средних размеров

3 день

Сравнение кристаллов

Кристалл образовался самый маленький

Вырастает большой кристалл

Кристалл вырастает меньше, чем кристалл при 60 °С, но больше, чем кристалл при 80 °С

4 день

Оценка кристаллов

Из всех растворов выросли поликристаллы, появились формы куба; везде можно рассмотреть симметрию

5 день

Сравнение и оценка кристаллов (итог)

Кристалл вырос самый маленький

Кристалл чуть меньше, чем в 3 стакане

Кристалл вырос самый большой

Вывод: оптимальная температура воды для выращивания кристаллов – примерно равна 60°С (Приложение №3).

Экспериментальный опыт №3

«Сравнение кристаллов из солей красной кровяной соли, алюмокалиевых квасцов и никеля сернокислого»

Для того, чтобы вырастить кристаллы данных солей, я поступал следующим образом: к 50 мл горячей воды 80 °С добавлял соли алюмокалиевых квасцов, красной кровяной соли и никеля сернокислого до получения насыщенного раствора (50 г). Опускал в насыщенный горячий раствор хлопчатобумажную нить и ставил раствор в теплое место (вода испаряется, и раствор все время является насыщенным).

Общие сведения наблюдений

Образцы солей

Температура окружающей среды

Объём воды и масса соли в растворе

Получившийся кристалл

Красная кровяная соль

1 стакан

t= 23°С

Vвода = 50 мл

mсоль = 50г

Поликристаллы среднего размера

Алюмокалиевые квасцы

2 стакан

t= 23°С

Vвода = 50 мл

mсоль = 50г

Самый крупный кристалл

Никель сернокислый

3 стакан

t= 23°С

Vвода = 50 мл

mсоль = 50г

Кристаллы игольчатой формы, небольшие

Дневник наблюдений

День

Совершаемое действие

1 стакан

2 стакан

3 стакан

1 день

Приготовление раствора

Приготовили раствор красной кровяной соли и опустили туда нить

Приготовили раствор алюмокалиевых квасцов и опустили туда нить

Приготовили раствор никеля сернокислого и опустили туда нить

2 день

Оценка изменений

На дне появились мелкие кристаллики

На дне появились крупные кристаллики

На дне появились мелкие кристаллики игольчатой формы

3 день

Приготовление затравки для раствора

Взяли кристаллик красной кровяной соли, завязали его на нити, опустили в раствор

Опустили в раствор нить с затравкой

Опустили в раствор нить с затравкой

4 день

Оценка появившихся кристаллов

На нити появились маленькие кристаллики

На нити появились маленькие кристаллики

Появились кристаллики на нити кубической формы

5 день

Сравнение появившихся кристаллов

Появившиеся кристаллы по размерам больше, чем кристаллы никеля сернокислого, но всё же маленькие

Кристаллики очень крупные по размерам

Кристаллики очень малы по размерам

6 день

Оценка кристаллов

Образовался поликристалл небольшого размера

Образовался моно кристалл большого размера

Образовались поликристаллы

7 день

Сравнение и оценка кристаллов (итог)

В итоге на нити образовался поликристалл средних размеров

В итоге на нити образовался монокристалл средних размеров

На нити образовался небольшой поликристалл

Вывод: 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 (Приложение №4).

Заключение

При выполнении этой работы мы выяснили, что мир кристаллов красив и разнообразен. Каждый его «представитель» уникален по своим свойствам, размерам и особенностям строения. Кроме того, что кристаллы красивы, они играют важную роль в жизни человека.

В ходе работы мы исследовали очень интересное свойство кристаллов – их рост в искусственной среде. Для быстрого выращивания нужны оптимальные условия. Например, чтобы вырастить кристалл медного купороса (за короткий срок), нужно поставить стакан с раствором в тёплое место, но раствор приготовить оптимальной концентрации – 50 мл воды, 30-50 г соли и температурой воды 60°С. Если кристаллизация происходит медленно, то вырастет монокристалл, а если быстро – поликристалл.

При изучении кристаллов мы убедились: свойства их настолько разнообразны, что мы смогли исследовать лишь некоторые из них.

Данную работу можно предложить учащимся как 5 классов в рамках изучения естествознания, так и учащимся 7 и 8 классов при изучении физики и химии в темах кристаллическое строение веществ, где безопаснее всего выращивать кристаллы морской и поваренной соли.

Литература

  1. Большая энциклопедия «Кирилла и Мефодия». 2006 год.

  2. Универсальная школьная энциклопедия для детей «Аванта +». 2004 год.

  3. «Хочу всё знать. Занимательная химия». И.А.Леенсон.1996 год.

  4. «Химия для всех». Г. Б. Шульпин. 1987 год.

  5. Энциклопедия «Аванта +» Физика. 2003 год.

  6. Энциклопедия «Аванта +» Химия. 2004 год.

  7. www. venda. ru

  8. www. yandex. ru

Приложение№1


Монокристаллы

Поликристаллы

Медный купорос

 

Красная кровяная

соль

 

Алюмокалиевые

квасцы

 

Никель сернокислый

 

Подготовка к приготовлению растворов из медного купороса

Необходимое количество соли взвешиваем с помощью электронных весов

Нагреваем воду до выбранной температуры

Приложение№2

Экспериментальный опыт №1

«Нахождение оптимальной концентрации раствора для роста монокристалла и поликристалла медного купороса»

1 стакан

Температура окружающей среды одинакова, она равна 23 °С

V вода = 50 мл

m соль = 70 г

В этом стакане кристалл вырос быстрее всех; по виду – поликристалл.

2 стакан

V вода = 50 мл

m соль = 50 г

Вырос поликристалл средней формы и размеров.

3 стакан

V вода = 50 мл

m соль = 30 г

Вырос монокристалл, хоть и маленький, но симметричный и правильной формы; он рос медленнее всех.

Приложение№3

Экспериментальный опыт №2

«Нахождение оптимальной температуры воды для выращивания кристаллов медного купороса»

1 стакан

tокр. ср. = 23 °С

Vводы = 50 мл

tводы = 80 °С

mсоли = 70 г

Получился небольшой поликристалл

2 стакан

tокр. ср. =23 °С

Vводы = 50 мл

tводы = 60 °С

mсоли = 70г

Кристалл вырос чуть-чуть больше

3 стакан

tокр.ср.= 23°С

Vводы = 50 мл

tводы = 20 °С

mсоли = 70 г

Кристалл вырос самый большой из всех этих трёх

Приложение№4

Экспериментальный опыт №3

«Сравнение кристаллов из солей красной кровяной соли, алюмокалиевых квасцов и никеля сернокислого»

Красная кровяная соль

1 стакан

tокр.ср = 23°С

Vвода = 50 мл

mсоль = 50г

tвода = 80 °С

Поликристаллы среднего размера

Алюмокалиевые квасцы

2 стакан

tокр.ср = 23°С

Vвода = 50 мл

mсоль = 50г

tвода = 80 °С

Самый крупный кристалл

Никель сернокислый

3 стакан

tокр.ср = 23°С

Vвода = 50 мл

mсоль = 50г

tвода = 80 °С

Кристаллы игольчатой формы, небольшие

0