XXVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Изучение влияния примеси на процесс роста кристалла. На примере кристаллов, выращенных из раствора NH₄H₂PO₄ с добавлением примеси KAl(SO₄)₂·12H₂O в различной концентрации

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Рябий А.И. 1

---

1Государственное бюджетное общеобразовательное учреждение города Москвы «Школа № 947»

Гуревич И.В. 1

---

1Государственный геологический музей им. В. И. Вернадского РАН

Работа в формате PDF

1.9 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

В прошлом году, выполняя различные эксперименты в Всероссийском проекте Движения Первых «Научная Вселенная Первых», я выяснил, что можно самостоятельно вырастить настоящие кристаллы из различных растворов. Мне удалось вырастить много красивых кристаллов – из морской соли, медного купороса, хромокалиевых и алюмокалиевых квасцов (рис. 1).

Рис. 1. Разнообразные кристаллы, выращенные автором статьи

Я также узнал, что выращивание кристаллов – это не только интересное занятие, но и процесс, который помогает ученым изучить процессы кристаллизации, происходящие в природе при формировании минералов. А так как в природе нет растворов, состоящих только из жидкости и растворенного в ней «чистого» вещества, в них всегда присутствуют примеси, то мне стало интересно проверить, влияют ли они на процесс роста кристаллов или нет.

Предмет исследования: в качестве основного раствора для своего исследования я выбрал моноаммонийфосфат (NH₄H₂PO₄), потому что он прост в использовании и не токсичен, а для примеси - алюмокалиевые квасцы (KAl(SO₄)₂·12H₂O), которые делают раствор кислее.

Цель проекта: проверить, будут ли отличаться выращенные кристаллы, если добавить немного примеси в основной раствор.

Задачи проекта:

• изучить известную литературу по данной теме;

• вырастить несколько кристаллов из раствора моноаммонияфосфата с добавлением примеси алюмокалиевых квасцов в различной концентрации;

• проанализировать полученные результаты.

Методы исследования: сбор информации, наблюдение, экспериментальное исследование, анализ результатов.

На рисунке 2 представлены все инструменты, которыми я пользовался при выращивании кристаллов.

Рис. 2. Инструменты для проведения исследования

Больше всего мне понравилось использовать магнитную мешалку, с её помощью раствор очень быстро и хорошо перемешивался, не нужно было долго мешать его стеклянной палочкой. А благодаря тестеру качества воды можно не только узнать щелочной или кислотный раствор, как при использовании лакмусовой бумаги, но и определить процент его солености.

2. Практическая часть исследования

   1. Опыты № 1-3

На первом этапе моего исследования я подготовил перенасыщенный раствор моноаммонияфосфата и вырастил в нем затравочные кристаллы. В лабораторный стакан добавил 100 мл дистиллированной воды, нагрел на водяной бане до 50 С^о, затем поставил стакан на магнитную мешалку и всыпал 60 г моноаммонияфосфата. Через некоторое время раствор немного остыл, и я заметил в нём блестки (рис. 3). Через два дня я расколол образовавшийся на дне кружок с кристалликами и выбрал три затравки (рис. 4-6).

Рис. 3-6. Отобранные затравочные кристаллы

Чтобы вырастить три затравочных кристалла, я подготовил менее насыщенный основной раствор (рис. 7-8): на 700 мл дистиллированной воды добавил 315 г моноаммонияфосфата, разлил его в три лабораторных стакана, добавил в каждый затравку и немного алюмокалиевых квасцов, согласно следующему расчету:

• в первый раствор 0,25 г KAl(SO₄)₂·12H₂O на 100 мл основного раствора;

• во второй: 0,75 г KAl(SO₄)₂·12H₂O на 100 мл основного раствора;

• в третий: 1,25 гKAl(SO₄)₂·12H₂Oна 100 мл основного раствора.

Рис. 7-8. Подготовка основного раствора

Далее я приступил ко второму этапу – начал наблюдать за процессом роста трех кристаллов в растворах моноаммонияфосфата с различной концентрацией примеси алюмокалиевых квасцов (таб. № 1).

Таблица № 1. Расчет концентрации примеси KAl(SO₄)₂·12H₂O в трёх растворах.

Как видно из приведенных расчетов, наибольшая концентрация примесей содержится в растворе № 3 (опыт № 3), а наименьшая в растворе № 1 (опыт № 1). Для достоверности результатов эксперимента лабораторные стаканы были размещены рядом на одной полке, без прямого солнечного света, а температура растворов держалась на одинаковом уровне около 25,5 С^о. Всего на рост кристаллов в опытах № 1-3 ушло 19 дней. На приведенных ниже рисунках можно наблюдать процесс роста кристаллов (рис. 9.1 – 11.4).

Опыт № 1, затравка № 1 – вес 5,94 г

Рис. 9.1. - 9.4. Процесс роста затравки № 1

Опыт № 2, затравка № 2 – вес 5,98 г

Рис. 10.1. - 10.4. Процесс роста затравки № 2

Опыт № 3, затравка № 3 – вес 5,96 г

Рис. 11.1. - 11.4. Процесс роста затравки № 3

К сожалению, в ходе исследования я столкнулся с рядом сложностей. На стенках лабораторных стаканов, где росли затравки № 2 и № 3 стали образовываться белые ветвистые наросты, которые постоянно рассыпались и падали в раствор (рис. 12). Чем больше квасцов было в растворе, тем активнее рос этот белый «лес». Наросты появлялись как часто, что приходилось снимать их со стаканов и переливать раствор каждую неделю. Через почти три недели я заметил, что кристаллы из опытов № 2 и № 3 очень плохо растут и было решено прервать эксперимент.

Рис. 12. Рост кристаллов на стенках лабораторных стаканов

Можно сказать, что проведенные опыты не совсем удались, так как:

• Кристалл из опыта № 1 получился прозрачным, но неровным и раскололся при извлечении, его вес за 19 дней увеличился в 7 раз.

• Кристалл из опыта № 2 получился мутным и неровным, единственная прозрачная часть – это концы, а его вес за 19 дней увеличился в 4 раза.

• Кристалл из опыта № 3 получился совсем мутный, неровный и покрыт белым налетом, а его вес за 19 дней увеличился всего в 2,5 раза (рис. 13-15).

Рис. 13-15. Кристаллы, выращенные в ходе опытов № 1-3

Изучив получившиеся кристаллы, я сделал два важных вывода:

• высокая температура растворов (около 25,5 С^о) привела к его быстрому испарению и росту кристаллов на стенках, поэтому нужно попробовать вырастить кристаллы в более прохладном растворе;

• чем больше алюмокалиевых квасцов было в растворе, тем хуже рос кристалл, поэтому нужно попробовать вырастить кристаллы в растворе с меньшей концентрацией примесей.

В итоге я решил вырастить еще два кристалла, снизив концентрацию алюмокалиевых квасцов в растворах (таб. № 2), и переместив лабораторные стаканы в другое затененное место, чтобы снизить их температуру.

1. 2. Опыты № 4-5

Таблица № 2. Расчет концентрации примеси KAl(SO₄)₂·12H₂O в двух новых растворах.

Как видно из приведенных расчетов, наибольшая концентрация примесей содержится в растворе № 5 (опыт № 5), а наименьшая в растворе № 4 (опыт № 4). Для достоверности результатов эксперимента лабораторные стаканы было размещены рядом на одной полке в затененном месте, а температура растворов держалась на одинаковом уровне, ниже, чем в прошлых опытах, около 23 С^о.

Благодаря большему количеству примеси, раствор № 5 получился кислотнее и соленее, чем раствор №4 (таб. № 3). Кислотность я также проверил лакмусовой бумагой – действительно, квасцы сделали раствор кислее, а бумагу краснее.

Таблица № 3. Сравнение параметров новых растворов, измеренных при помощи тестера качества воды.

При помощи оптического микроскопа XSP-86 и двух поляризационных фильтров RayLab CPL Slim 55 mm я посмотрел капли растворов под микроскопом в 40-кратном увеличении и выяснил, что растворы с разным количеством примесей отличаются друг от друга: чем больше алюмокалиевых квасцов, тем тоньше структуры под микроскопом (рис. 16.1 – 17.2).

Рис. 16.1. - 16.2. Капля раствора № 4 под микроскопом (без и с поляризационными фильтрами)

Рис. 17.1. - 17.2. Капля раствора № 5 под микроскопом (без и с поляризационными фильтрами)

Всего на рост кристаллов в опытах № 4-5 ушло 30 дней. На приведенных ниже рисунках можно наблюдать процесс их роста (рис. 18.1 – 19.3).

Опыт № 4, затравка № 4 – вес 1,29 г

Рис. 18.1. - 18.3. Процесс роста затравки № 4

Опыт № 5, затравка № 5 – вес 1,16 г

Рис. 19.1. - 19.3. Процесс роста затравки № 5

В результате опытов удалось вырастить два разных кристалла (рис. 20 – 21):

• Кристалл из опыта № 4 очень прозрачный, состоит из ровных четырехгранников, а его вес за 30 дней увеличился в 105 раз.

• Кристалл из опыта № 5 прозрачный, состоит из тонких-тонких и очень хрупких игл, а его вес за 30 дней увеличился в 60 раз.

Рис. 20 - 21. Кристаллы, выращенные в ходе опытов № 4-5

3. Заключение

По результатам проведенных опытов можно сделать вывод, что несмотря на возникшие сложности, цель моего исследования была достигнута. Мне удалось убедиться, что примеси влияют на рост кристаллов, а также выделить несколько отличий между кристаллами, выращенными из раствора моноаммонияфосфата (NH₄H₂PO₄) с добавлением примеси алюмокалиевых квасцов (KAl(SO₄)₂·12H₂O) в различной концентрации:

• форма: кристалл, выращенный в более кислой среде, получился с тонкими шипами, а не гранями;

• размер: за равное время кристалл с меньшим количеством примеси вырос крупнее по весу и размеру;

• микроскопическое исследование: чем больше в растворе алюмокалиевых квасцов, тем тоньше структуры под микроскопом.

Благодарю за внимание!

4. Список литературы

1. Н. Н. Еремин, Т. А. Еремина Занимательная кристаллография Электронное издание — Москва: МЦНМО, 2014. — 148 с.

2. Н. И. Леонюк, Е. В. Копорулина, Е. А. Волкова, В. В. Мальцев Кристаллография: зарождение, рост и морфология кристаллов: учебник для вузов — Москва: Издательство Юрайт, 2026. — 152 с.

3. А. Е. Ферсман Занимательная минералогия — Москва: Издательство Эксмо, 2025. — 368 с.

4. Вселенная Первых URL: https://xn--80aa3ak5a.xn--90acagbhgpca7c8c7f.xn--p1ai/ (дата обращения: 25.05.2026)

5. Вики Выращивание Кристаллов URL: https://ru.crystalls.info (дата обращения: 25.05.2026).

6. Crystalverse URL: https://crystalverse.com/growing-crystals/ (дата обращения: 25.05.2026).