Исследовательскаяработа по физике на тему: Живой кристалл

Введение.

Не то, что мните вы, природа.

Не слепок, не бездушный лик.

В ней есть душа, в ней есть свобода.

В ней есть любовь, в ней есть язык.

Ф.И. Тютчев.

Живой кристалл.

Люди, посвящающие свою жизнь кристаллу, часто воспринимают его живым. Во всяком случае, говорят о нем, как о живом существе. Например, в поэтической прозе поэта А. Е. Ферсмана «Камень», он разговаривает с обломком минерала, как с живым существом, которое умеет прятаться от зоркого глаза искателя, а в ответ на обиду или несправедливость менять окраску - розовую на черную.

В разговоре двух металловедов идет речь об усталости металлического кристалла, о его старении, способности отдыхать, издавать звуки, видимо, выражая недовольство тяжесть приложенной нагрузки. Или еще: геологи ведут разговор о памяти минерала, о его способности разумно приспосабливаться к внешним условиям. Или по разговорам работников, которые в лаборатории или цехе искусственно создают кристаллы, они растут, захватывают примеси, передают нечто по наследству.

Сочетание слов «живой кристалл» придает этой работе романтическую окраску, по поводу умения кристалла расти. В данной работе были выращены кристаллы медного купороса и поваренной соли. В ходе выращивания кристаллов были замечены ряд особенностей роста кристаллов, факторы, влияющие на их рост. Была определена скорость роста кристаллов поваренной соли и медного купороса, средняя величина прироста грани кристаллов, а также рассчитана количество атомных слоев, которое укладывается в процессе роста кристалла поваренной соли за 1 секунду и за все время наблюдения.

Литературный обзор.

1.1.Признаки жизни.

Жизнь кристаллов многокрасочна, и не всеми красками каждый кристалл обязан отсвечивать. Иные признаки жизни могут и не обнаруживаться в кристалле по причине простой и очень уважительной: эти признаки ему не свойственны. Существует, однако, непременные признаки, которых не быть в кристалле не может. Во-первых, если кристалл находиться при некоторой конечной температуре, составляющие его атомы и молекулы обязаны совершать тепловые колебания. Интенсивность этого движения растёт с температурой. Во-вторых, атомы обязаны принимать участие еще в иных колебаниях, интенсивность которых от температуры не зависит. Атомы в кристалле одновременно должны подчиняться двум законам, требующим, чтобы атомы колебались в угоду каждому из них. В-третьих, атомы в кристалле, подчиняясь законам термодинамики, обязаны блуждать по кристаллической решетке, иногда меняя временные позиции оседлости (обязаны диффундировать). В-четвертых, все электроны, имеющиеся в кристалле, обязаны непрерывно двигаться. А главное, кристалл растет, приобретая причудливую вполне закономерную форму.

Все признаки живого кристалла в домашних условиях увидеть невозможно, но один из признаков жизни - его рост - вполне реально.

Реальный кристалл - огромная совокупность одинаковых атомов или молекул, которые во всех трех измерениях расположены в строгом порядке, образуя кристаллическую решетку. Только в некоторых местах реального кристалла строгий порядок различным способом нарушается, и эти нарушения означают наличие дефектов, которые помогают кристаллу приспосабливаться к окружающей среде.

1.2. Механизм роста кристаллов.

Долгое время считалось очевидным, что рост кристаллов происходит слой за слоем. Сначала завершается построение одного слоя, потом начинается укладка следущего и т.д. В результате грани, наращиваясь, слой за слоем, перемещаются параллельно самим себе, как при кладке кирпичной стены. О справедливости такого предположения говорят факты существования плоских граней у кристаллов. Ясно, что осаждение нового атома наиболее вероятно там, где он будет удерживаться большим числом соседей, так как в любой другой поверхности грани он удерживается меньшим числом соседей. Когда закончится застройка ряда, начнется застройка следущего и т.д., пока не завершится вся плоскость.

После этого рост кристалла затрудняется, так как образование нового слоя - событие менее вероятное. В любом месте на завершенной плоскости атом будет связан с небольшим числом атомов кристалла. Вероятность того, что эта слабая связь не будет нарушена тепловым движением, велика, поэтому атом не может закрепиться на кристалле, и поэтому кристаллы растут в виде совокупности маленьких кристалликов.

При таком механизме застройки атомных плоскостей скорость роста кристалла должна быть очень малой.

Способы зарождения новых слоев и скорости роста граней кристаллов различных веществ неодинаковы. Дни кристаллы вырастают в виде пластин, другие - в виде иголок. Это вызвано многими причинами. Одна из них - различие молекул вещества по форме. Различие скоростей роста граней кристаллов многих веществ, объясняется зависимостью от направления величины сил связи частиц, образующих кристалл. Вероятность прилипания молекул в направлении действия больших сил больше, чем в направлении действия меньших сил. Но не только форма молекул и заметная разница сил их взаимодействия в различных направлениях определяют форму растущего кристалла. Если кристаллы

Растут при больших пересыщениях раствора, то часто образуются необычные формы. Объясняется это тем, что вершины кристаллов соприкасаются с более персыщенныым раствором, чем их грани. Опережая в росте боковые грани, вершины внедряются в глубь неиспользованного раствора, что способствует их дальнейшему быстрому росту.

1.3.Природа сил связи в кристаллах поваренной соли.

Чаще всего вещества кристаллизуются в виде сложных многогранников,

состоящих из плотно уложенных рядами маленьких частиц, имеющих присущую данному веществу геометрическую форму. В форме правильных многогранников кристаллизуются сравнительно небольшое число кристаллов. Например, поваренная соль кристаллизуется в виде куба.

Кристалл поваренной соли состоит из совокупности большого числа ионов Na⁺ и Cl^-, определенным образом расположенных друг относительно друга. Это ионный кристалл.

Известно, что в молекуле NaCl единственный валентный электрон натрия по существу большее время проводит около атома хлора. В результате образуется положительный ион натрия и отрицательный ион хлора, взаимодействующие между собой благодаря электрическим силам.

Ион натрия и ион хлора имеют полностью заполненные электронные оболочки и симметричное электронное облако. Это значит, что при сближении частиц вещества каждый ион натрия будет взаимодействовать не с одним каким-либо ионом хлора, а попытается присоединить к себе возможно большее их число. Аналогично будет вести себя и ион хлора. В результате в кристалле поваренной соли каждый ион хлора окажется окруженным ионом натрия, а каждый ион натрия - ионами хлора; образуется хорошо известная структура поваренной соли.

Ионная связь достаточно сильно скрепляет частицы вещества в кристалле, поэтому эти кристаллы отличаются прочностью. Ионные кристаллы обычно обладают тепло- и электропроводностью.

Особенность этих кристаллов состоит в том, что в них нельзя выделить отдельные молекулы. Каждый положительный ион в ионном кристалле одинаково сильно связан со всеми окружающими его отрицательными ионами (и наоборот), так что выделить, например, молекулу NaCl из всего кристалла поваренной соли невозможно. Весь кристалл, по существу, представляет собой одну гигантскую молекулу.

2.Практическая часть

2.1. Кристаллизация поваренной соли и медного купороса.

Большинство окружающих нас тел - поликристаллы: они состоят из множества отдельных кристалликов, беспорядочно ориентированных друг относительно друга.

Для того чтобы вырос один правильный кристалл, нужны специальные условия для каждого вещества (постоянная температура, давление, плотность раствора и т.д.), нужно учитывать конвекционные потоки жидкости, степень переохлаждения жидкости, наличие примесей и т.д.

Крупные одиночные кристаллы, имеющие свою правильную форму, в природе встречаются очень редко. Но такой кристалл можно вырастить в искусственных условиях.

Кристаллизация может происходить из раствора, расплава, а также из газообразного состояния вещества.

Остановимся на рассмотрении кристаллизации из раствора, которая и использовалась при выращивании кристаллов поваренной соли и медного купороса.

Получение кристаллов из раствора сводится к двум способам. Первый состоит в медленном испарении растворителя из насыщенного раствора, а второй в медленном понижении температуры раствора.

В данном объеме той или иной жидкости при постоянной температуре и давлении может раствориться не больше определенного количества того или иного кристаллического вещества. Полученный при этом раствор называют насыщенным. Кристалл, помещенный в ненасыщенный раствор, начнет в нем растворяться. Если насыщенный раствор охладить, он станет пересыщенным. Достаточно попасть в раствор малейшей частице кристалла, как раствор немедленно начнет кристаллизоваться.

Таким образом, пересыщение раствора является необходимым, но недостаточным условием для кристаллизации. Чтобы кристаллизация началась, нужно внести в раствор затравку - небольшой кристалл растворенного вещества.

Из раствора кристалл выращивают обычно следующим образом. Вначале в жидкости (в воде) растворяют достаточное количество кристаллического вещества. При этом раствор подогревают до тех пор, пока вещество полностью не растворится. Затем раствор медленно а

Охлаждают, переводя его тем самым в пересыщенное состояние. В пересыщенный раствор подвешивают затравку.

Недостатком методов выращивания кристаллов из раствора является возможность загрязнения кристаллов частицами растворителя.

Кристалл растет из тех участков пересыщенного раствора, которые его непосредственно окружают. В результате этого вблизи кристалла раствор оказывается менее пересыщенным, чем вдали от него. Так как пересыщенный раствор тяжелее насыщенного, то над поверхностью растущего кристалла всегда имеется направленный поток "использованного раствора". Без такого перемещения раствора рост кристаллов быстро бы прекратился.

Степень переохлаждения раствора (а, следовательно, скорость кристаллизации) значительно изменяет форму кристаллов. В сильно переохлажденных жидкостях кристаллы растут всегда в виде причудливой совокупности длинных игл.

Чем меньше скорость, тем лучше получаются кристаллы. Это справедливо для всех методов выращивания. Но, к сожалению, не все кристаллы можно вырастить так просто.

2.2. Кристаллизация поваренной соли из раствора

с добавление чернил.

Если в пересыщенный раствор поваренной соли добавить чернила (красные, синие и т. д..), а потом подвесить затравку, то можно получить окрашенные кристаллы поваренной соли.

Кристаллизацию из раствора можно использовать и в декоративных целях. Если в качестве затравки использовать хорошо просушенные и протертые от пыли ветки лиственницы, стебли травы или кустарника, кроме хвои, то таким способом можно получить заиндевевшую ветку на праздник Нового Года.

2.3 Определение скорости роста кристаллов поваренной

Поваренной соли и медного купороса.

Если нанести небольшую каплю насыщенного раствора поваренной соли или медного купороса на покровное стекло микроскопа, то через некоторое время начнется интенсивное образование кристаллов и их рост.

Характеристикой процесса роста кристалла может быть, например, отношение прироста грани кристалла ко времени, за которое прирост про сходит.

Рядом с покровным стеклом на столике микроскопа располагаем листок миллиметровой бумаги, то, глядя одним глазом в окуляр микроскопа можно увидеть изображения растущих кристаллов на фоне миллиметровой. С началом роста кристалла выбираем для наблюдения одиночный кристалл. Располагаем миллиметровую бумагу так, чтобы линии на ней были параллельны одной из граней кристалла, и наблюдая рост кристалла, определяем по секундомеру время, за которое грань кристалла вырастет на 1 мм. Когда сторона кристалла вырастет на 1 мм, отмечаем время по секундомеру. Таким же способом определяем время, за которое грань кристалла вырастет еще на 1 мм, и еще раз. Зная, что увеличение микроскопа равняется 140 (7*20=140), т.е. 1 мм при наблюдении по миллиметровой бумаге равен в действительности 1/140 мм, определяем величину прироста грани кристалла поваренной соли и медного купороса за время роста. Теперь можно определить величину прироста грани кристалла за 1с. В каждом интервале времени наблюдения, скорость роста каждого 1/140 мм грани кристалла, среднюю скорость роста грани кристалла.

Для поваренной соли рассчитали, какое количество атомных слоев (N) укладывается в процессе роста кристалла за 1с., если диаметр ионов (d_и)

Натрия и хлора равен примерно 0,3 нм:

N= L / d_и, N=2,43

За все время наблюдения N₀=Nt, N₀=71646.

У кристалла медного купороса количество атомных слоев, укладываемых в процессе роста сосчитать проблематично, т.к. это не чисто ионный кристалл.

3.Таблица результатов.

4. ВЫВОДЫ.

Выращивая кристаллы разных веществ и, наблюдая за их ростом, мы сделали следущие выводы:

1. В результате роста из раствора каждое вещество образует кристаллы совершенно определенной формы: поваренная соль кристаллизуется в форме куба; сахар, медный купорос - в форме призм.

2. При внимательном рассмотрении формы кристаллов можно наблюдать дефекты их структуры (трещины, изломы, нарушение правильности формы и т. д.). Ведь реальные условия выращивания не всегда соответствуют благоприятным условиям роста правильной формы кристалла.

3. На рост кристалла влияет степень переохлаждения раствора. В сильно переохлажденных жидкостях кристаллы медного купороса растут в виде вытянутых призм, а кристаллы поваренной соли в виде совокупности длинных игл.

4. Если затравку привязать на каркас из проволоки различной формы (например, в виде цифры "5", звезды, шишки и т. д.), то можно получить красивые объемные фигуры.

5. При определении роста кристаллов поваренной соли и медного купороса, оказалось, что скорость роста кристалла со временем уменьшается, уменьшается со временем и величина прироста грани кристалла. Вероятно, это связано с тем, что со временем уменьшается содержание в растворе ионов вещества, благодаря которым кристалл растет, наращивая на себе слои один за другим.

6. Расчеты показали, что скорость роста кристаллов поваренной соли меньше скорости роста кристаллов медного купороса. Различие скоростей роста грани кристаллов этих веществ, объясняется разной величиной сил связи, части, образующих кристалл и тем, что молекулы

этих веществ разные по форме. Чем меньше скорость роста, тем лучше по форме получаются кристаллы. Это справедливо для всех методов выращивания.

7. По этой же причине в процессе роста кристалла поваренной соли уменьшается количество укладываемых атомных слоев. По расчетам в среднем за 1 секунду образуется 2,43 слоя. А за все время наблюдения примерно 71646 атомных слоев.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Кристалл обычно служит символом неживой природы. Однако грань между живым и неживым установить очень трудно, и понятие "кристалл" и "жизнь" не являются взаимоисключающими. Кристаллы возникают как продукты жизнедеятельности организмов. В морской воде растворены различные соли. Многие морские животные строят раковины и скелеты из кристаллов углекислого кальция - арагонита. Простейшие живые организмы - вирусы - могут соединяться в кристаллы. В кристаллическом состоянии они не обнаруживают никаких признаков живого, так как сложные жизненные процессы в кристаллах протекать не могут. Но при изменениях внешних условий на благоприятные (такими для вирусов являются условия внутри клеток живого организма) они начинают двигаться, размножаться.

При всех химических процессах, протекающих в живом организме, этот организм остается самим собой в течении десятков лет! Более того,

Потомки каждого живого организма являются удивительной близкой его копией! Следовательно, в клетках любого живого организма или растения имеется что-то постоянное, неизменное, способное управлять химическими процессами, протекающих в них. Такими носителями "программы" процессов, протекающих в живой клетке, оказались молекулы ДНК. Согласно современным данным, молекула ДНК с точки зрения физики рассматриваются как особый вид твердого тела - одномерные апериодические кристаллы. Следовательно, кристаллы - это не только символ неживой природы, но и основа жизни на Земле.