Кристаллические чудеса: исследование природных и искусственных кристаллов

XXVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель

Кристаллические чудеса: исследование природных и искусственных кристаллов

Кривонос К.С. 1Кривонос М.С. 2
1Государственное бюджетное общеобразовательное учреждение "Специализированная физико-математическая школа №35 городского округа Донецк" Донецкой Народной Республики
2Государственное бюджетное общеобразовательное учреждение "Специализированная физико-математическая школа №35 г.о. Донецк" Донецкой Народной Республики
Кучеренко М.В. 1
1Государственное бюджетное общеобразовательное учреждение "Специализированная физико-математическая школа №35 городского округа Донецк" Донецкой Народной Республики
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение.

Мы живём в мире, построенном из кристаллических материалов: дома из кирпича и бетона, техника с жидкокристаллическими экранами, современные медицинские приборы — всё это создано с использованием кристаллов. Даже наш организм содержит кристаллические структуры, например, роговица глаза. В костях человека есть значительное содержание ионов кальция. Из кристаллов апатита в белковом веществе образованы эмаль и дентит зубов! Мы едим ионы золота с кукурузой, кальция – с молоком, железа – с яблоком. Калий, магний, хлор, цинк, фосфаты – все съедает человек, даже не замечая!

Актуальность изучения кристаллов в современном мире сложно переоценить. Кристаллы используются в различных отраслях, таких как электроника, оптика, медицина и строительство. Например, кварцевые кристаллы применяются в стабилизации частоты в радиотехнике, а искусственные кристаллы — в производстве лазеров и светодиодов. Понимание процессов кристаллизации и роста кристаллов помогает в изучении природных явлений, таких как образование минералов и горных пород. Это важно для прогнозирования геологических процессов и оценки природных ресурсов.

На изучение темы «Кристаллические и аморфные тела» в 8 классе отведено мало времени, а тема очень интересная. Желание изучить процесс кристаллизации, который происходит как в природе, так и в лабораторных условиях, стало толчком для погружения в тему исследования.

Целью данной работы является изучение процессов кристаллизации в природе и искусственных условиях.

Для решения поставленной цели были поставлены следующие задачи:

  1. Изучить историю исследования кристаллов.

  2. Изучить строение и физические свойства кристаллов.

  3. Исследовать области применения кристаллов.

  4. Провести в домашних условиях эксперименты по выращиванию кристаллов, по изучению их свойств.

  5. Проанализировать полученные результаты и сделать выводы.

Объект исследования: кристаллы поваренной соли и медного купороса.

Предмет исследования: процесс кристаллизации и роста кристаллов, физические свойства кристаллов.

Гипотеза: при создании определенных условий и нужной концентрации можно в домашних условиях вырастить кристаллы разной формы, цвета.

В ходе работы использованы такие методы, как работа с научной литературой; проведение экспериментов по изучению физических особенностей кристаллических тел; наблюдение за процессом роста кристаллов; анализ полученных результатов.

  1. Основная часть.

    1. История изучения кристаллов.

Где бы ни жили люди, во все времена им нравилось искать сокровища. Внимание искателей привлекали в первую очередь большие прозрачные кристаллы.

Кристаллами называются твердые тела с упорядоченным внутренним строением на уровне атомов и молекул, т. е. тела, обладающие трехмерно-периодической пространственной атомной структурой и имеющие вследствие этого при определенных условиях образования форму многогранников. Классическое определение кристалла — однородное твердое тело, способное в определенных условиях самоограняться. Это определение сформулировано еще в те времена, когда о внутреннем строении этих удивительных природных многогранников строились лишь гипотезы [1].

Кристаллическое состояние представляет собой базовую форму, в которой существуют твёрдые тела. В этом состоянии атомы или молекулы вещества организованы в строго упорядоченную трёхмерную структуру, формируя кристаллическую решётку. Эта структура характеризуется повторяющимися элементарными ячейками, что придаёт материалу специфические свойства.

Минералы, находящиеся в кристаллическом состоянии, являются объектом пристального внимания кристаллографов. Кристаллография находится на стыке таких наук, как математика, геология, минералогия, химия, физика и биология.

У кристаллографии, как науки, есть свой уникальный метод исследования – метод симметрии. Еще в 1611 году Кеплер предположил, что снежинка состоит из простых элементов, образующих шестилучевую симметрию. Пионерские работы Кеплера в области симметрии нашли позже применение в кристаллографии. Действительно, молекулы воды, образуя лед, организуются в гексагональную молекулярную кристаллическую решетку, что в конечном итоге определяет и геометрию самого ледяного кристалла — снежинки [2].

Р. Гук и М.В. Ломоносов рассматривали строении кристаллов из плотно упакованных шаровых или эллипсоидальных частиц. Роберт Гук показал, что как у микроскопически малых, так и у крупных кристаллов гипса углы между соответствующими гранями остаются неизменными и идентичными. Это важное наблюдение подтвердило, что независимо от размера кристалла, его структурные характеристики сохраняются, что является фундаментальным свойством кристаллической решетки гипса. 

А М.В. Ломоносов установил, что во всех кристаллах корпускулы расположены в строго определённом порядке, что обусловливает идентичность углов между гранями этих кристаллов. Благодаря этому открытию учёный впервые смог научно обосновать закон постоянства углов кристаллов. Этот фундаментальный принцип гласит, что вне зависимости от внешних условий и размеров кристалла, углы между его гранями остаются неизменными. Такое постоянство объясняется упорядоченной структурой внутреннего строения кристаллической решётки, где каждый элемент находится на своём строго определённом месте, формируя устойчивую геометрическую конфигурацию. 

Николай Стенон, который в 1669 г. сформулировал основные понятия о формировании кристаллов: «Рост кристаллов происходит не изнутри, как растений, но путем наложения на внешние плоскости кристалла мельчайших частиц, приносящихся извне жидкостью...». Исследуя кристаллы горного хрусталя, он установил, что число и длина сторон кристалла изменяются без изменения углов между ними, как и между гранями: хотя кристаллы одного и того же вещества (минерала) могут иметь разную форму, углы между их соответственными гранями остаются неизменными» [3].

Французский минералог и основоположник научной кристаллографии Рене Гаюи в 1784 г. сформулировал закон, который даёт возможность аналитического описания внешних форм кристаллов, их симметрии и связи, с внутренним строением.  Экспериментально установил, что строение и форма кристалла зависят только от формы и распределения составляющих его частей. При этом ученый полагал для всех кристаллических веществ существование лишь одной, первичной формы, из которой, как вторичные образования, уже могут быть выведены все остальные [4]. 

    1. Строение кристаллов

Кристаллы имеют решетчатую структуру, в которой атомы, ионы или молекулы расположены в узлах пространственной решетки. Кристаллическая решётка кристалла— это упорядоченная структура, в которой частицы (атомы, ионы, молекулы) расположены в строгом геометрическом порядке.

Все кристаллы классифицируют по сингониям - система, в которой кристаллы группируются в зависимости от того, какие у них есть симметричные элементы, то есть, как они выглядят и расположены относительно друг друга.

Существует семь основных типов сингоний (рис. 1 приложения):

    1. Триклинная — кристаллы с самой простой симметрией. Пример минерала: микроклин, плагиоклазы (альбит, анортит), бирюза, каолинит, змеевик, амблигонит.

    2. Моноклинная — кристаллы с одной осью, которая отличается. Пример минерала: слюда, гипс, пироксены.

    3. Ромбическая — кристаллы с тремя осями под прямым углом. Пример минерала: барит, целестин, топаз, оливин (хризолит), хризоберилл. 

    4. Тригональная — кристаллы с тремя осями, имеющими особую симметрию. Пример минерала: сульфит магния, кварц, турмалин, корунд.

    5. Тетрагональная — кристаллы с четырьмя осями симметрии. Пример минерала: рутил, циркон, касситерит, везувиан.

    6. Гексагональная — кристаллы с шестью осями симметрии. Пример минерала: апатит, берилл.

    7. Кубическая - кристаллы с самой высокой симметрией, все углы и стороны равны. Пример минерала: галит (каменная соль NaCl).

    1. Физические свойства кристаллов.

Рассмотрим поваренную соль, которую получают из природного сырья – галита. Галит образуется главным образом путем химического осаждения при испарении морской воды или вод соленых озер. Породообразующий минерал слагает горную породу каменная соль. Галит используют для получения пищевой поваренной соли. На территории нашей республики находится старейшее месторождение – в г. Артемовск.

NaCl обычно встречается в виде сплошных кристаллических масс; образует кристаллы кубической формы, друзы, шестоватые и волокнистые агрегаты, натёчные формы (сталактиты и сталагмиты), налёты, корки. Галит прозрачный и бесцветный, часто – белый, серый, желтоватый, красноватый, голубоватый, иногда окрашен в интенсивные тона: синие, розовые, зелёные и др. Блеск жирный, на плоскостях спайности – стеклянный. Твёрдость по шкале Мооса 2,5; плотность 2,168 г/см3. Кубическая сингония. Хрупкий. Теплопроводен. Легко растворяется в воде, имеет характерный солёный вкус. Гигроскопичен [5].

Медный купорос – это традиционное название сульфата меди (CuSO4·5Н2О). Нелетучее вещество, не имеет запаха. В безводном виде — белый порошок, очень гигроскопичное. На воздухе постепенно выветривается. Имеет горьковато-металлический вяжущий вкус. Хорошо растворим в воде. Обладает дезинфицирующим, антисептическим свойством. В природе встречается в виде минералов халькантита, халькокианита, бонаттита, бутита и в составе некоторых других минералов. Кристаллы медного купороса синие, триклинной сингонии. Плотность 2,284 г/см3[6].

    1. Метод выращивания кристаллов из растворов.

В данной работе применялся наиболее простой способ кристаллизации из пересыщенных растворов — это ввести в них затравки — кристаллики растворенного вещества или механическую примесь, которые становятся центрами зарождения кристаллов. Значит, чтобы начался процесс кристаллизации, необходимо, чтобы система была выведена из состояния равновесия. А этого можно достичь, изменив термодинамические условия и этим создав необходимое пересыщение. По принципу создания пересыщений способы кристаллизации из растворов разделяются на несколько групп:

- кристаллизация за счет изменения температуры раствора;

- кристаллизация за счет изменения состава раствора (испарение растворителя);

- кристаллизация при химической реакции (используется в основном для получения слаборастворимых веществ) [1].

    1. Проведение экспериментов по выращиванию кристаллов и исследованию их физических свойств.

Для проведения экспериментов были приготовить растворы поваренной соли и медного купороса с соблюдением правил техники безопасности.

В стеклянную банку налили горячую воду 250 г. С помощью столовой ложки насыпать поваренную соль, непрерывно помешивая до полного растворения, до тех пор, пока соль перестанет растворятся. Профильтровали раствор через слой ваты. Выбрали самый крупный кристалл, он и будет затравкой. Прикрепили его на нить.

Аналогично действия повторили и с медным купоросом.

В картонных листах проделали отверстие и протянули через нее нити с затравкой. Опустили затравки в растворы поваренной соли и медного купороса. Банки сверху накрыли картонным листом, чтобы не попадала пыль.

Процесс приготовления можно рассмотреть в приложении рис.2.

Эксперимент 1. Цель: изучить внешние характеристики поваренной соли и медного купороса.

Результаты наблюдений разделим на характеристики:

1) цвет и прозрачность:

- поваренная соль слегка белая, прозрачная;

- медный купорос имеет ярко-синий цвет.

2) растворимость:

- поваренная соль хорошо растворилась в воде, особенно в горячей; раствор прозрачного цвета;

- медный купорос хорошо растворился в воде, процесс растворения проходил быстрее, чем у соли. Цвет раствора ярко-голубой.

Эксперимент 2. Цель: изучение кристаллов поваренной соли и медного купороса под микроскопом.

Капнуть пипеткой на предметное стекло каплю раствора поваренной соли. Настроить микроскоп на край капли. С помощью фотокамеры мобильного телефона фиксировать моменты кристаллизации.

В ходе наблюдений замечено, что по мере испарения воды на стекле, начиная с края капли, начинают появляться отдельные кристаллы соли (монокристаллы). Кристаллы имеют форму куба. С течением времени они расту в размере, соединяются с соседними, образуя поликристаллы (рис. 3 приложения).

Во время испарения воды из раствора медного купороса на предметном стекле начали образовываться кристаллы игольчатой формы (рис.4 приложения).

Эксперимент 3. Цель: наблюдение за ростом кристаллов поваренной соли и медного купороса.

Оставить подготовленные банки с растворами и затравками на несколько дней на столе, но не на солнце. Температура в комнате поддерживалась постоянной – 240С. Через два дня на нити в банке с медным купоросом появились кристаллы. Размер кристалла на затравке тоже увеличился. Чтобы кристалл продолжал расти, нужно добавлять насыщенный раствор в банку. В растворе поваренной соли на нити множество крошечных кристаллов. В таблице 1 можно проследить рост кристаллов в течение месяца. В приложении рис. 5 наглядно можно наблюдать рост кристаллов.

Таблица 1. Размеры кристаллов во времени

Раствор

Размер кристалла, мм

через 4 дня

через 2 неделю

через месяц

Поваренной соли

2

15

28

Медного купороса

8

22

35

Из наблюдений делаем вывод: при одинаковых условиях кристаллы медного купороса растут быстрее кристаллов поваренной соли. В эксперименте растворы приготавливались на обычной водопроводной воде. Это и объясняем медленный рост кристаллов NaCl. Форма кристаллов имеет четкие грани. Образование правильных многогранников происходит за счет строго определенных мест присоединения частиц к растущему кристаллу из раствора или пара. Каждое вещество имеет свои характерные формы кристаллов, подчиняющиеся законам симметрии. Условия роста, такие как температура, качество раствора, влияют на внешний вид кристаллов, вызывая поверхности и включения. Это подтверждается количеством и качеством кристаллов, образованных на дне и в объеме раствора.

Эксперимент 4. Цель: определить плотность выращенных кристаллов.

Для этого нам необходимо измерить с помощью весов массу кристаллов m, с помощью мерного стакана объем V(рис.6 приложения). Плотность ρ найдем по формуле ρ = .

Чтобы кристалл медного купороса не растворялся во время эксперимента, опустили кристалл в мензурку с его раствором. Результаты измерений и вычислений представлены в таблице 2.

Таблица 2. Результаты эксперимента по определению плотности кристаллов

Название кристалла

Масса m, г

Объем V, см3

Плотность экспериментальная ρэксп, г/ см3

Плотность табличная, ρтабл/ см3

Поваренной соли

20,4

10

2,04

2,168

Медного купороса

26,6

10

2,66

2,284

Экспериментальное и табличное значение плотностей выращенных кристаллов отличаются. Вычислим погрешности наших вычислений.

Абсолютная погрешность Δρ = │ ρэксп - ρтабл│, относительная погрешностьε = · 100%.

Для кристаллов поваренной соли Δρ = │ 2,04 – 2,168│= 0,128г/см3, ε = · 100% = · 100% ≈ 6,3%.

Для кристаллов медного купороса Δρ = │ 2,66 – 2,284│= 0,376г/см3, ε = · 100% = · 100% ≈ 14,1%.

Все результаты в пределах допустимой нормы.

Эксперимент 5. Цель: исследовать проводимость электрического ока растворами поваренной соли и медного купороса.

Для проведения этого эксперимента нам понадобились два электрода, соединительные провода, источник тока, лампочка на подставке и амперметр. Электроды опустить в банку с раствором. Собрать электрическую цепь из последовательно соединенных приборов, перечисленных выше. Замкнуть цепь, подать напряжение 3 В (рис. 7 приложения).

В результате наблюдений отмечено, что оба раствора проводят электрический ток. Об этом свидетельствует работающая электрическая лампочка. В данном эксперименте сила тока составила 0,1 А.

Эксперимент 6. Цель: определить показатель преломления света кристаллом поваренной соли.

Для проведения этого эксперимента потребовалось следующее оборудование: выращенный кристалл поваренной соли, лазерная указка, лист бумаги, карандаш, транспортир, таблицы Брадиса.

Направив луч лазерной указки на грань кристалла, лежащего на листке бумаги, отметили направление падающего и преломленного лучей на бумаге. С помощью транспортира определили падающий и преломленный углы (рис.8 приложения). Значения синусов нашли по таблице Брадиса.

Показатель преломления n кристалла поваренной соли рассчитали по формуле n = .

n = ≈ 1,515.

Табличное значение показателя преломления 1,544. Наше отклонение составляет:

ε = · 100% = · 100% ≈1,9 %. Это в отличный результат!

Показатель преломления кристалла медного купороса не получилось определить в силу непрозрачности данного.

  1. Заключение.

Кристаллы — это уникальные природные образования, отражающие закономерности симметрии и структурной организации веществ. Их образование зависит от условий роста и влияет на свойства материалов. Изучение кристаллов помогает понять процессы в природе и использовать их в различных областях науки и техники.

В ходе проведённого исследования мы погрузились в удивительный мир кристаллов, изучили их свойства и особенности формирования. Кристаллы представляют собой твёрдые тела, в которых атомы и молекулы расположены в строгом порядке, образуя кристаллическую решётку. Это уникальное строение определяет их физические и химические свойства, делая их незаменимыми в различных областях науки и техники.

В процессе работы были достигнуты следующие результаты:

  • изучена метод выращивания кристаллов из растворов в домашних условиях, что позволило наглядно увидеть процесс кристаллизации;

  • проведены эксперименты по выращиванию кристаллов из растворов поваренной соли и медного купороса;

  • исследованы физические свойства выращенных кристаллов, такие как внешний вид, растворимость в воде, электропроводность растворов, плотность кристаллов, показатель преломления кристалла;

  • подтверждена гипотеза о том, что при соблюдении определённых условий можно вырастить кристаллы различной формы и цвета.

Практическая значимость работы заключается в том, что полученные результаты могут быть использованы для дальнейших исследований в области кристаллографии, а также для проведения демонстрационных опытов и образовательных проектов в школе. Процесс выращивания кристаллов не только интересен и увлекателен, но и позволяет лучше понять природу этих удивительных природных образований.

Перспективы дальнейших исследований видятся в изучении других методов выращивания кристаллов, исследовании их оптических и электрических свойств.

Таким образом, данная работа не только расширила наши знания о кристаллах, но и показала, насколько многогранным и удивительным может быть мир природы, если изучать его внимательно и систематически.

Список использованной литературы

  1. Егоров-Тисменко, Ю.К. Кристаллография и кристаллохимия: учебник / Ю.К.Егоров-Тисненко; под ред.академика В.С.Урусова. – М: КДУ, 2005.- 592 с.: ил. - ISB N 5-98227-095-4.

  2. Курамшин, А. Снежинка / А.Курамшин // Элементы: [сайт]. – 2024. – URL: https://elementy.ru (дата обращения 25.11.2024).

  3. Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова. Геологический факультет. Кафедра кристаллографии и кристаллохимии: [сайт]. – 2024. - URL: https://cryst.geol.msu.ru/courses/history/ (дата обращения 19.12.2024).

  4. Закон Гаюи // Рувики : [сайт]. – 2024. - URL: https://ru.ruwiki.ru/wiki (дата обращения 02.12.2024).

  5. Галит // Большая российская энциклопедия : [сайт]. – 2025. - URL: https://bigenc.ru (дата обращения 05.01.2025).

  6. Сульфат меди (II) // Рувики : [сайт]. – 2025. - URL: https://ru.ruwiki.ru/wiki (дата обращения 12.01.2025).

Приложения

Рисунок 1. Кристаллографические сингонии

   
     

Рисунок 2. Подготовка к процессу выращивания кристаллов

     
     

Рисунок 3. Кристаллизация поваренной соли под микроскопом

     
   

Рисунок 4. Кристаллизация медного купороса под микроскопом

     
     

Рисунок 5. Рост кристаллов поваренной соли и медного купороса

     
     

Рисунок 6. Определение плотности кристаллов

   
 

Рисунок 7. Электрическая проводимость растворов

Рисунок 8. Определение показателя преломления кристалла поваренной соли

Просмотров работы: 41