Исследовательская работа. Тема «Физика в кристаллах»

‌‌‌V‌ районная научно-практическая конференция исследовательских, проектных и творческих работ учащихся «Первые шаги в науке»

Тема

«Физика в кристаллах».

Выполнил: ученик 10 класса Сафин Егор.

Руководитель: Тремаскина В.С.

Содержание.

Введение.--------------------------------------------------------------------------------------4

1.Твердые тела

1.1. Кристаллические и аморфные тела----------------------------------------------4-7

1.2.Кристаллы в природе.---------------------------------------------------------------8-9

1.3. Мир камня---------------------------------------------------------------------------9-10

1.4. Самоцветы - прекрасные творения неживой природы--------------------10-12

1.5. Сокровища Алмазного фонда России---------------------------------------- 12-13

2. Выращивание кристалла из медного купороса и поваренной соли.

2.1 Приготовление насыщенного раствора вещества------------------------------14

2.2 Выращивание кристаллических тел-------------------------------------------14-15

2.3.Изготовление сувениров------------------------------------------------------------15

3.Наблюдение физических явлений

3.1.Испарение------------------------------------------------------------------------------16

3.2. Образование скелетных кристаллов на поверхности раствора---------16-17

3.3. Поверхностное натяжение---------------------------------------------------------17

3.4. Смачиваемость и капиллярные явления------------------------------------17-18

3.5. Анизатропия----------------------------------------------------------------------18-19

Заключение----------------------------------------------------------------------------------19

Литература----------------------------------------------------------------------------------20

Актуальность выбранной темы.

Кристалл издревле и сейчас привлекает внимание людей. Их цвет, блеск и форма затрагивали человеческое чувство прекрасного, и люди украшали ими себя и жилище. Появились понятия: «жидкий кристалл», «биологический кристалл», «фотонный кристалл».

Что такое кристаллы? Какими свойствами они обладают? Как растут кристаллы? Как и где они применяются в настоящее время и каковы перспективы их применения в будущем? Вот эти вопросы заинтересовали меня, и я хочу найти на них ответы.

Цель исследования: вырастить кристаллы медного купороса, поваренной соли, убедиться на опыте в том, что кристаллы данных веществ имеют правильную форму, создание презентации «Кристаллы и их применение».

Задачи:

1. Собрать материал о кристаллах, их свойствах и применении, используя различные источники информации, в том числе Интернет.

2. Провести опыты по выращиванию кристаллов медного купороса и поваренной соли.

3. Систематизировать материал о кристаллах

4. Создать презентацию «Кристаллы и их применение».

5. Представить работу на уроке физики при изучении темы «Твёрдые тела и их свойства»

Объект исследования:

Насыщенные растворы медного купороса и поваренной соли.

Предмет исследования:

Выращивание кристаллов из медного купороса и поваренной соли.

Гипотеза:

Если кристаллизация идет медленно, получается один большой кристалл (монокристалл), если быстро - множество мелких кристаллов (поликристалл).

Методы:

1. Работа с научной литературой и интернетом по теме «Кристаллы и их применение».

2. Работа с научной литературой и интернетом по теме «Выращивание кристаллов».

3. Практическая работа «Выращивание кристаллов медного купороса и поваренной соли.

4. Наблюдение роста кристаллов.

5. Фотографирование полученных кристаллов.

6. Систематизация полученной информации по теме «Физические свойства и применение кристаллов»

Теоретическая значимость работы.

Процесс выращивания кристаллов в домашних условиях это очень интересное и увлекательное занятие, позволяющее ответственно отнестись к закономерностям природы. Работа по выращиванию кристаллов сделала меня более наблюдательным, расширила мой кругозор, приобщила к науке, позволила удивляться. Переживание "чуда" выращивания принесло мне много положительных эмоций и ярких впечатлений. Исследовательская работа приоткрыла мне дверь в загадочную страну кристаллов.

Результатом всей проделанной работы станет презентация «Кристаллы и их применение», с которой выступлю на уроке физики по теме «Твёрдые тела и их свойства» в 10ом классе и на физическом кружке.

Реализация результатов исследовательской работы на практике.

Применение кристаллов в промышленности, медицине и других отраслях современной жизни широко описано в научной литературе. Возникает вопрос: как я могу использовать полученные в ходе работы знания и умения.

Ответ на этот вопрос пришел в канун Нового года. Помогая украшать квартиру, я в насыщенный раствор поваренной соли опустил веточки ели и через некоторое время они покрылись "инеем", елочные гирлянды, сувениры. Вот так любой человек может подарить близким «чудо».

1. Введение.

Большинство окружающих нас твердых тел представляют собой вещества в кристаллическом состоянии. К ним относятся строительные и конструкционные материалы: различные марки стали, всевозможные металлические сплавы, минералы и т. д. Специальная область физики-физика твердого тела - занимается изучением строения и свойств твердых тел. Эта область физики является ведущей во всех физических исследованиях. Она составляет фундамент современной техники.

В любой отрасли техники используются свойства твердого тела: механические, тепловые, электрические, оптические и т. д. Все большее применение в технике находят кристаллы. Вы, наверное, знаете о заслугах советских ученых - академиков, лауреатов Ленинской и Нобелевской премий А. М. Прохорова и Н Г Басова в создании квантовых генераторов. Действие современных оптических квантовых генераторов - лазеров - основано на использовании свойств монокристаллов (рубина и др.) Как устроен кристалл? Почему многие кристаллы обладают удивительными свойствами? Каковы особенности структуры кристаллов, которые отличают их от аморфных тел? Ответы на эти и аналогичные вопросы вы сможете найти в нашей работе.

1.Твердые тела

1.1. Кристаллические и аморфные тела.

В природе тела находятся в различном состоянии, большинство из них -в твердом. К ним относятся строительные и конструкционные материалы: различные марки стали, всевозможные металлические сплавы, минералы и т. д. Специальная область физики-физика твердого тела - занимается изучением строения и свойств твердых тел. Эта область физики является ведущей во всех физических исследованиях. Она составляет фундамент современной техники. В любой отрасли техники используются свойства твердого тела: механические, тепловые, электрические, оптические и т. д. Все большее применение в технике находят кристаллы. Каждый может легко разделить тела на твердые и жидкие. Однако это деление будет только по внешним признакам. Для того чтобы выяснить, какими же свойствами обладают твердые тела, будем их нагревать. Одни тела начнут гореть (дерево, уголь) - это органические вещества. Другие будут размягчаться (смола) даже при невысоких температурах - это аморфные. Третьи будут изменять свое состояние при нагревании. Это и есть кристаллические тела. Такое поведение кристаллических тел при нагревании объясняется их внутренним строением.

Твёрдое тело состоит из миллиарда частиц, которые взаимодействуют между собой. Это обусловливает появление определённого порядка в системе и особых свойств всего количества микрочастиц. Так, коллективные свойства электронов определяют электропроводность твёрдых тел, а способность тела поглощать тепло - теплоёмкость - зависит от характера коллективных колебаний атомов при тепловом движении. Коллективные свойства объясняют все основные закономерности поведения твёрдых тел.

Структура твёрдых тел многообразна. Тем не менее, их можно разделить на два больших класса: кристаллы и аморфные тела.

Кристаллические тела - это такие тела, атомы и молекулы которых расположены в определенном порядке, и этот порядок сохраняется на достаточно большом расстоянии. Пространственное периодическое расположение атомов или ионов в кристалле называют кристаллической решеткой. Точки кристаллической решетки, в которых расположены атомы или ионы, называют узлами кристаллической решетки

Друза кристаллов

Кристаллическая

структура кристаллов

Кристаллические тела бывают монокристаллами и поликристаллами.

Монокристаллы - одиночные кристаллы (кварц, слюда) Идеальная форма кристалла имеет вид многогранника.

Монокристаллы кварца

Такой кристалл ограничен плоскими гранями, прямыми ребрами и обладает симметрией. В кристаллах можно найти различные элементы симметрии. Плоскость симметрии, ось симметрии, центр симметрии. На первый взгляд кажется, что число видов симметрии может быть бесконечно большим. В 1867 г. русский инженер А. В. Гадолин впервые доказал, что кристаллы могут обладать лишь 32 видами симметрии. Убедимся в симметрии кристаллика снега- снежинки

Симметрия кристаллов и другие их свойства, о которых мы будем говорить далее, привели к важной догадке о закономерностях в расположении частиц, составляющих кристалл.

А сейчас познакомимся с поликристаллами.

Поликристаллы - это твёрдые тела, состоящие из большого числа кристаллов, беспорядочно ориентированных друг относительно друга (сталь, чугун …)

Аметист (разновидность кварца)

Поликристалл висмута

Поликристаллы тоже имеют правильную форму и ровные грани, температура плавления у них имеет постоянное значение для каждого вещества. Но в отличии от монокристаллов, поликристаллы изотропны, т.е. физические свойства одинаковые по всем направлениям. Это объясняется тем, что кристаллы внутри располагаются беспорядочно, и каждый в отдельности обладает анизотропией, а в целом кристалл изотропен.

Кроме кристаллических тел существуют - аморфные тела.

Аморфные тела - это твёрдые тела, где сохраняется только ближний порядок в расположении атомов. (Кремнезём, смола, стекло, канифоль, сахарный леденец).

Янтарь

Например, кварц может находиться как в кристаллическом состоянии, так и аморфном - кремнезём. Они не имеют постоянной температуры плавления и обладают текучестью . Аморфные тела изотропны, при низких температурах они ведут себя подобно кристаллическим телам, а при высокой подобны жидкостям.

На примере графита и алмаза можно показать, что свойства кристаллических веществ определяются структурой кристаллических решеток. Между алмазом и графитом оказывается много общего, хотя на первый взгляд это общее трудно увидеть. Алмаз необычно тверд, прозрачен, не проводит электрический ток (диэлектрик), обработанные алмазы - драгоценность, известны в быту как бриллианты.

Графит

Алмаз

Графит мягок, легко расслаивается, непрозрачен, электропроводен и не похож на драгоценный камень. А между тем и алмаз, и графит - это чистый углерод.

Р

Алмазазличие свойств алмаза и графита связано только с различием кристаллических решеток. При определенных условиях возможен переход вещества из одной кристаллической модификации в другую. Если нагреть графит до температуры 2000-2500 К под давлением 10¹⁰ Па, то произойдет перестройка кристаллической решетки, в результате чего графит превратится в алмаз. Так получают искусственные алмазы.

1.2.Кристаллы в природе.

Реальный кри­сталл - это огромная совокупность одинаковых структурных элементов (молекул, атомов, ионов), которые во всех трех измерениях расположены в стро­гом порядке, образуя кристаллическую решетку [4].

Часть атомной структуры кристалла, параллельными переносами которой (трансляциями) в трех измерениях можно построить всю кристаллическую решетку называют элементарной ячейкой. Как правило, элементарная ячейка имеет форму прямоугольного параллелепипеда. Длину ребра этого элементарного параллелепипеда называют периодом кристаллической решетки [2].

Одним из первых, кто выдвинул идею существования кристалличе­ской решётки, был Ньютон. "Нельзя ли предположить, - писал он, - что при образовании... кристалла части­цы... установились в строй и в ряды?" Его современник, нидерландский физик Христиан Гюйгенс, увидел в этом причину правильной формы кристаллов. "Правильность, обнару­живаемая в этих образованиях, - от­мечал он, - по-видимому, проис­ходит от расположения маленьких невидимых и одинаковых частичек, из которых они состоят" [5].

Большинство твердых веществ на Зем­ле являются кристаллическими. Вопрос о происхождении минералов в природе тесно связан с происхождением и развитием Земли. Считается, что многие минералы и горные породы образовались при охлаждении земной коры по­добно тому, как образуется лед при замерзании воды. Магма, вещество земной коры в расплавленном состоянии, представляет собой сложный расплав различных веществ, насыщенный различ­ными горячими газами и парами. При охлаждении магмы снача­ла в ней образовались кристаллы того вещества, температура кристаллизации которого самая высокая.

По мере дальнейшего охлаждения происходила кристаллизация других минералов, обладающих меньшей температурой кристаллизации, и так до тех пор, пока вся магма не затвердела. При затвердевании объем земной коры уменьшался, и в ней появлялись трещины и пустоты. В таких пустотах рост кристаллов происходит беспрепятственно. В них часто находят крупные и хорошо ограненные кристаллы кварца, пластинчатые кристаллы слюды площадью в несколько квадратных метров и многие другие.

Рис. 1

Рис. 2

Многие минералы возникли из пересыщенных водных раство­ров. Первым среди них следует назвать каменную соль NаСl, являющуюся одним из наиболее знакомых каждому человеку ми­нералов. Толщина пластов каменной соли, образовавшихся при испарении воды соленых озер, достигает в некоторых месторож­дениях нескольких сотен метров.

Близ Солт-Лейк-Сити (США) находится Долина Смерти, покрытая бесконечными белыми полями соляных многогранников - такыров, естественных образований, формирующихся при высыхании соляных озер (рис. 1). А у подножия восточных склонов этой Долины Смерти образуются мощные соляные "торосы" (рис. 2).

В России в Астраханской области находится безжизненное соленое озеро Баскунчак, площадь которого 106 км². Каменная соль, кристаллизуясь, образует поликристаллические структуры, напоминающие заснеженные ветви кустарника. На рисунке 3 показан "осколок" такой ветви.

Рис. 3

1.3. Мир камня

Всю историю своего существования люди пытались обрести чудо, например, получить из свинца золото или превратить горный хрусталь в бриллианты.

Как известно, драгоценные настоящие природные камни (кристаллы) - это твердые соли различных металлов, молекулы которых организованы в упорядоченную структуру, так называемую кристаллическую решетку. В природе кристаллы образовывались в течение миллионов лет, в глубине земной коры, при высоких температурах (до 2000 °С) и под колоссальным давлением сотни тысяч атмосфер. Мест, где складывались такие условия, крайне мало, чем и объясняется редкость драгоценных камней. Поэтому, ученые решили создать аналог природных минералов. Им в лабораторных условиях необходимо было воспроизвести природные явления, причем в ускоренном варианте. Однако, получить столь высокие температуры и давление стало возможным лишь в начале прошлого века.

В 1902 году французскому инженеру Вернейлю после многочисленных неудачных попыток удалось синтезировать небольшой кристалл рубина весом 6 г. Фактически он стал самым первым искусственным драгоценным камнем, идентичным природному. Именно благодаря синтетическим рубинам стал возможен ряд открытий. Например, на основе рубина был изобретен лазер, позволивший точно измерить расстояние от Земли до Луны. Позже оказалось, что с помощью технологии синтеза рубинов, возможно, получать и другие ценные кристаллы - сапфиры и гранаты.

До сих пор в мире рубины, сапфиры и гранаты пользуются большим спросом. Сапфировые стекла, например, необходимы для производства иллюминаторов космических кораблей, головок самонаводящихся ракет, мобильных телефонов и часов.
Большой популярностью пользуются и искусственно выращенные алмазы. Повышенная твердость алмазов определяет их использование в промышленности. Алмазы применяют на операциях резки, полирования, шлифования и сверления.

Американские ученые научились выращивать гигантские алмазы совершенной формы. Это позволит расширить сферу применения алмазов в промышленности.

Так же в промышленности используют искусственные кристаллы кварца и кремния.

А в ювелирном деле первым научились использовать искусственный изумруд. Он ценится исключительно из-за своей редкости, а также небольших объемов производства. Не менее ценным для ювелиров стал гранат зеленого и розового цветов.

В 1968 году российские физики получили прозрачный кристалл, не имеющий природного близнеца, и назвали его фианитом в честь своего Физического института Академии наук (ФИАН), хотя первые опыты по синтезу подобных кристаллов осуществлялись еще в 20-х годах французскими химиками. Целью синтеза фианита было получение кристалла для применения в лазерах. Правда, превзойти гранат по своим "лазерным" свойствам фианит не смог, но его необычную красоту, многоцветность и дешевизну по достоинству оценили ювелиры. До 98% фианитов производится для их нужд.

Кристаллы фианита

А для хирургии выпускается скальпель с фианитом. Установлено, что некоторые люди страдают аллергией на металл, а лезвие из фианита позволяет избежать аллергической реакции. Выращивать фианиты легко и приятно, а добавление тех или иных примесей позволяет создавать уникальные кристаллы не встречающихся в природе цветов, например лаванды, или добиваться необычных оптических эффектов, таких как смена цвета при изменении освещения - так называемый александритовый эффект.

1.4. Самоцветы - прекрасные творения неживой природы.

Древние греки верили, что алмазы - это частицы звезд, упавших на землю.

Полагают, что алмазы были обнаружены еще за 400 лет до Рождества Христова.

В переводе с греческого «алмаз» - значит неукротимый.

Алмаз - самый ценный из камней

С

Изумруд - зеленое диво землиреди самоцветов есть чудесный зеленый камень, наиболее любимый человеком сглубочайшей древности до наших дней .персы называли этот камень «зуммурунди», т.е. зеленый. На Руси его издавна знали как «смарагд» (от греческого «смарагдос»), а затем изумруд.

Удивительный рубин, камень красивый и кровавый, о тебе поем мы славу, всем камням ты господин

Наиболее ценные - кроваво - красные и карминно - красные рубины.

По древнему индийскому преданию, рубины образовались из капель крови, пролитой богами.

В древнем Риме сапфир считался священным камнем

По древним поверьям сапфир считался камнем, дающим верность, целомудрие и скромность, сохраняя от гнева и страха.(от греч. «сапфейрос»- голубой ценный камень).

1.5. Сокровища Алмазного фонда России

Алмаз «ШАХ»

Алмаз «Шах» является почти не обработанным крупным камнем, представляющим собой сильно вытянутый кристалл.

В описи драгоценностей российской короны за 1898 год сказано следующее: «Алмаз «Хосрев - Мирза» неправильной формы… поднесен в 1829 году персидским принцем Хосрев - Мирзой и доставлен для хранения от г. Министра Императорского двора при письме за № 3802».Однако за этими холодными канцелярскими строками большая человеческая трагедия. Это было своего рода выкупом за смерть великого поэта А. С. Грибоедова.

Алмаз «ОРЛОВ»

Алмаз «Орлов» был найден в Индии в начале XVII века в копях Голконды.В 1773 году граф Орлов преподнес бриллиант Екатерине II день ее именин. С тех пор «Орлов» украшает навершие скипетра русских царей; по оценке 1865 года его стоимость около 2,5 млн. рублей серебром. Это бриллиант чистейшей воды с едва заметным синевато - зеленоватым оттенком, размер его 22 * 32 * 35 мм

Шапка Мономаха

Древнейшим царским венцом в России считается шапка Мономаха. Во всех духовных грамотах московских князей упоминается "шапка золотая". Вероятно, именно она в 1572 году была названа по имени одного из византийских императоров "шапкой Мономаха". В период формирования на Руси централизованного государства идея преемственности власти московских князей от византийских императоров была необходима для укрепления престижа Московского княжества.

Вопрос о том, где, когда и кем была сделана шапка Мономаха, остается нерешенным до сих пор. Древняя часть этого венца напоминает восточный головной убор, а полусферическое резное на вершине с крестом драгоценные камни, крупный жемчуг и опушка из меха соболя - более поздние добавления.

Держава Екатерины II:

Для коронации Екатерины II ювелир Георг Фридрих Экарт изготовил новую державу. Держава представляет собой гладко отполированный золотой шар, опоясанный бриллиантовыми поясками. К коронации Павла I держава была увенчана овальным цейлонским сапфиром весом в 200 карат, а место пересечения бриллиантовых поясков украсили редким индийским алмазом необычной огранки весом в 46,92 карата.

2. Выращивание кристалла из медного купороса и поваренной соли.

2.1 Приготовление насыщенного раствора вещества.

Техника безопасности.

1.При работе с сыпучими веществами нельзя: их вдыхать, брать в рот.

2.Руки нужно защищать перчатками, а глаза очками.

3.После работы обязательно вымыть руки с мылом.

В стакан горячей воды насыпаем один из следующих порошков:

медный купорос, поваренную соль.

Высыпаем столько порошка, сколько может раствориться; воду помешиваем, чтобы быстрее проходило растворение. Когда порошок перестанет растворяться и начнет оседать на дно, сольем раствор в другой стакан, а затем профильтруем его через фильтровальную бумагу или чистую тряпочку. В полученном растворе количество вещества как раз соответствует его растворимости при данной температуре; раствор получается насыщенным: он больше не может «поглотить» ни крупинки вещества. При остывании раствор становится перенасыщенным. При остывании раствор не может долго существовать: лишнее вещество выделяется из него и оседает на дно стакана.

Полученный концентрированный раствор перельем в банку или химический стакан; туда же с помощью проволочной перемычки (можно также сделать перемычку из стержня шариковой ручки) подвесим на нитке кристаллическую "затравку" - маленький кристаллик той же соли - так, чтобы он был погружен в раствор. На этой "затравке" и предстоит расти будущему экспонату коллекции кристаллов.

2.2 Выращивание кристаллических тел.

Выращивание кристаллов поваренной соли - процесс, не требующий наличия каких-то особых химических препаратов. Кристаллы соли, которые есть у нас дома - поваренная соль или пищевая соль, или каменная соль (всё одно и то же). Кристаллы поваренной соли NaCl представляют собой бесцветные прозрачные кубики.

Химический стакан с насыщенным раствором поваренной соли и нитка с "затравкой" для роста кристаллов. Через трое суток после начала опыта нитка, опущенная в насыщенный раствор, превратилась в "ожерелье" из кристаллов хлорида натрия.

Выращивание кристаллов медного купороса

Выращивание кристаллов медного купороса - производится также, как выращивание кристаллов поваренной соли. Синий ромбовидный кристалл медного купороса выращиваются точно таким же способом: сначала готовится насыщенный раствор соли, затем раствор в этот раствор опускается понравившийся кристалл соли (маленький кристалл медного купороса). Если Вы решили не переливать раствор из ёмкости, в которой его готовили, то тогда надо кристаллик подвесить, что бы он не касался других кристалликов, оставшихся на дне! Выращивание кристаллов производят не только из растворов, но и из расплавов соли. Ярким примером могут служить жёлтые непрозрачные кристаллы серы, имеющие форму ромба или вытянутых призм. Но с серой, особо, работать не советуем. Газ, образующийся при её испарении, вреден для здоровья.
Можно избежать роста отдельных граней кристалла. Для этого эти грани надо нанести раствор вазелина или жира.

Химический стакан с раствором медного купороса и нитка с "затравкой" для выращивания кристаллов. Через трое суток после начала опыта на нитке появился кристалл медного купороса, похожий на драгоценный камень.

Сосуд с раствором поставим в открытом виде в теплое место. Когда кристалл вырастет достаточно большим, вынем его из раствора, обсушим мягкой тряпочкой или бумажной салфеткой, обрежем нитку и покроем грани кристалла бесцветным лаком, чтобы предохранить от "выветривания" на воздухе.

Что нужно знать!
Чтобы вырастить кристалл, полезно знать, какие процессы управляют его ростом; почему разные вещества дают кристаллы различной формы, а некоторые вовсе не образуют кристаллов; что надо сделать, чтобы кристаллы получились большими и красивыми.
Если кристаллизация идёт очень медленно, получается один большой кристалл, если быстро - множество мелких кристаллов. Вещества, состоящие из одного кристалла, называют монокристаллическими (пример - алмаз), а из множества мелких - поликристаллическими (таковы металлы и многие другие вещества).
Выращивание кристаллов производят разными способами.

2.3.Изготовление сувениров.

3.Наблюдение явлений

3.1.Испарение.

При выращивании кристаллических тел объем раствора в сосуде с течением времени уменьшается, так как с поверхности жидкости испаряется вода. Поэтому необходимо доливать в кристаллизатор насыщенный раствор вещества, остывший до комнатной температуры. В чем заключается процесс испарения?

Молекулы жидкости, как и твердого тела или газа, непрерывно движутся с разными скоростями. Если какая-нибудь достаточно "быстрая" молекула окажется у поверхности жидкости, то она может преодолеть притяжение соседних молекул и вылететь из жидкости. У оставшихся молекул жидкости при соударении меняются скорости, некоторые из молекул приобретают при этом скорость, достаточную для того, чтобы, оказавшись у поверхности, вылететь из жидкости. Этот процесс продолжается, поэтому жидкость испаряется постепенно.

Так как некоторое число быстро движущихся молекул всегда имеет в жидкости, то испарение происходит при любой температуре. Но чем температура жидкости выше, тем больше в ней число движущихся молекул, способных преодолевать силы притяжения окружающих молекул и вылететь с поверхности жидкости. Еще скорость испарения жидкости зависит от площади ее поверхности. Поэтому для выращивания кристаллов лучше использовать широкие сосуды. В открытом сосуде масса жидкости вследствие испарения постепенно уменьшается, так как большинство молекул пара рассеивается в воздухе, не возвращаясь обратно в жидкость.

В кристалле медного купороса на одну молекулу сернокислой меди CuSO₄ приходится пять молекул воды. Наши наблюдения и опыты показывали, что испарение воды происходит и с поверхности выращенного кристалла. Извлеченные из раствора кристаллы невозможно сохранять в воздухе длительное время именно по причине испарения воды, входящей в состав кристаллического тела.

а

б

Рис. 5

На поверхности кристалла сначала появляются бледно-голубые штрихи (рис. 5), затем весь кристалл становится бледно-голубого цвета и при прикосновении разваливается. Если полученный порошок прокалить (обезводить), то он станет белого цвета.

Чтобы сохранить кристалл, в структуру которого входят молекулы воды, необходимо предотвратить процесс испарения. Для этого его нужно покрыть слоем прозрачного вещества, после высыхания которого образуется непроницаемая для влаги пленка. Это может быть лак или клей.

3.2 Образование скелетных кристаллов на поверхности раствора

Для того, чтобы ускорить процесс приготовления насыщенного раствора, мы в горячую воду (60-70 ⁰С) добавляли порошок медного купороса столько, сколько могло бы в ней раствориться. Если на дне сосуда с горячим раствором остается нерастворенное вещество, значит раствор насыщенный. Чем выше температура воды, тем больше в ней раствориться кристаллического вещества. При охлаждении полученный раствор становится пересыщенным, и начинается кристаллизация. На поверхности раствора образуются еле заметные практически плоские скелетные кристаллики. Этот процесс начинается именно в поверхностном слое раствора, потому что в данной области из-за активного испарения воды образуется избыточная концентрация кристаллического вещества.

3.3 Поверхностное натяжение

Скелетные кристаллы становятся кристаллами-затравками для множества будущих кристалликов медного купороса. Не смотря на то, что плотность этих кристаллов больше плотности воды, некоторое время, разрастаясь, они находятся на поверхности раствора. Удерживают их силы поверхностного натяжения, которые обусловлены особой структурой приповерхностного слоя жидкости.

Молекулы жидкости взаимно притягиваются. Каждая отдельная молекула внутри жидкости притягивается окружающими ее молекулами. А молекулы, находящиеся на поверхности жидкости, испытывают притяжение только нижних молекул. Поэтому расстояние между молекулами жидкости в приповерхностном слое меньше, чем расстояние между молекулами внутри жидкости. Следовательно, молекулы на поверхности жидкости обладают большей потенциальной энергией, поскольку потенциальная энергия это энергия взаимодействия, которая тем больше, чем меньше расстояние между частицами. Молекулы жидкости из поверхностного слоя стремятся проникнуть внутрь жидкости, потому что в физике каждое тело стремиться перейти в состояние, которое соответствует минимуму потенциальной энергии. Этим и объясняется возникновение сил поверхностного натяжения, удерживающих на поверхности насыщенного раствора скелетные кристаллы. Эти кристаллы со временем вырастают, и действующая на них сила тяжести становится больше сил поверхностного натяжения, поэтому они опускаются на дно сосуда.

3.4 Смачиваемость и капиллярные явления

При выращивании кристаллов на внутренних стенках кристаллизатора выше поверхности жидкости образуется налет из мелких крупиц кристаллического вещества, растворенного в воде. С течением времени этот налет становится толще, достигает верхних краев сосуда, разрастаясь в верхней части внешней стороны стенок сосуда. Если не предпринимать никаких мер, то у кристаллизатора на столе появится лужа из насыщенного раствора, который может полностью вытечь из сосуда. Эти явления объясняются тем, что стекло смачивается находящейся в сосуде жидкостью, то есть взаимное притяжение между молекулами стекла и молекулами жидкости больше, чем взаимное притяжение между молекулами жидкости. Поэтому поверхность жидкости у стенок сосуда искривляется: край жидкости немного поднимается на стенку сосуда.

Вследствие испарения воды из раствора на стенках сосуда образуются мелкие кристаллики вещества. Они пористы, как губка, и находящаяся под кристаллами жидкость попадает в поры, и через них идет к поверхности. Вода снова испаряется, оставляя еще один слой кристаллов. Это происходит много раз, в результате чего и зарастают стенки сосудов. Здесь мы сталкиваемся с капиллярными явлениями, так как систему пор в поликристаллическом образовании можно считать капиллярами.

Под капиллярными явлениями понимают подъем или опускание жидкости в узких трубках - капиллярах - по сравнению с уровнем жидкости в широких трубках. Смачивающая жидкость поднимается по капилляру. При этом, чем меньше радиус трубки, тем на большую высоту она поднимается. Так насыщенный раствор, поднимаясь вверх по порам-капиллярам, может полностью вытечь из кристаллизатора.

Чтобы избежать этого неприятного явления, связанного с выращиванием кристаллов, необходимо регулярно чистить кристаллизатор, либо предотвратить смачиваемость стенок сосуда, смазав их вазелином или каким-нибудь жиром.

3.5 Анизатропия кристаллов.

Силы взаимодействия между атомами в кристаллах по разным направлениям неодинаковы. Поэтому механические, тепловые, электрические и оптические свойства кристаллов по разным направлениям оказываются различными. Это свойство кристаллов называется анизотропией.

В кристаллической решетке различно число частиц ,приходящихся на одинаковые по длине, но разные по направлению отрезки(рис. 6), т.е.плотность расположения частиц кристаллической решетки по разным направлениям не одинакова ,что и приводит к различию свойств кристалла вдоль этих направлений.

Простейший пример анизотропии кристаллов -неодинаковая их механическая прочность по разным направлениям ..Кристаллы легче всего раскалываются с образованием кусков, ограниченных плоскими гранями, пересекающимися под определенными углами..

Например, кристаллы слюды, имеющие вид тонких пластинок очень легко разделяются на еще более тонкие пластинки. Если разбить кристаллы соли ,то получатся более мелкие кристаллы той же формы. Тела ,состоящие из одного или нескольких одинаково расположенных кристаллов, легче деформируются в одном направлении ,чем в другом. Это, например, относится к кускам льда. По своим механическим свойствам брусок из льда похож на стопу стеклянных пластин, соединенных не вполне затвердевшим клеем.

Бесцветные кристаллы каменной соли прозрачны ,как стекло Если ударить ножом или молоточком по кристаллу, он разбивается на кубики с ровными ,гладкими ,плоскими гранями. Это явление спайности, т.е. способности раскалываться по ровным ,гладким плоскостям, так называемым плоскостям спайности. Кристаллы кальцита тоже обладают спайностью : при ударе они всегда разбиваются вдоль одной из его диагоналей.

Спайность-это проявление анизотропии прочности кристаллов: силы сцепления между атомами в некоторых симметрично расположенных плоскостях очень малы, и кристаллы раскалываются по этим плоскостям.

Теплопроводность некоторых кристаллов по различным направлениям также не одинакова. У графита теплопроводность вдоль слоев в четыре раза больше , чем по нормали к слоям : тепло легче передается в тех плоскостях и направлениях ,где атомы плотно упакованы. .

Иногда кристаллы образуются прямо из паров ,а не из жидкости .В этом случае они бывают особенно правильны. Примером этого является образование инея и снежинок из водяных паров воздуха. Одна снежинка-это группа кристалликов ,образованная более чем из двухсот ледяных частичек. Снежные кристаллы образуются из расположенных в безупречном порядке молекул воды .Но почему они всегда шестиугольные?

Каждая снежинка формируется из шестиугольной молекулы воды. Один атом кислорода окружен четырьмя атомами водорода(два через атомные связи и два через водородные мостики).Затем появляются другие такие же молекулы все они присоединяются к первой.

Главная особенность, определяющая форму кристалла (снежинок),это крепкая связь между молекулами воды, подобная соединению звеньев в цепи. Отсюда и симметрия. Симметрия-это свойство кристаллов совмещаться друг с другом в различных положениях путем поворотов, отражений ,параллельных переносов (рис.4.снежинки).

Рис 4

Заключение.

В результате проделанной работы овладел методикой приготовления насыщенного раствора кристаллического вещества и научился выращивать кристаллы медного купороса, поваренной соли. Производя наблюдения за процессом роста кристаллических тел, я заметил несколько интересных явлений и объяснили некоторые из них. Перечислю эти явления.

Явление кристаллизации - превращения жидкого вещества в твердое, которое начинается на поверхности насыщенного раствора, с образования скелетных кристаллов.

Испарение - парообразование с поверхности жидкости, явление, благодаря которому насыщенный раствор становится перенасыщенным, и начинается образование кристаллов. Это же явление может разрушить выращенный кристалл медного купороса или алюмокалиевых квасцов, так как в них содержаться молекулы воды. Чтобы сохранить кристалл, его нужно покрыть слоем прозрачного вещества, после высыхания которого образуется непроницаемая для влаги пленка. Это может быть лак или клей.

Выращивая кристалл на подвешенной на нити затравке, необходимо периодически доливать в кристаллизатор заранее приготовленный насыщенный раствор. Небрежное отношение к приготовлению насыщенного раствора может повлечь растворение кристалла. Добавленный в сосуд ненасыщенный раствор, стремясь к насыщению, недостающее количество кристаллического вещества восполняет за счет подвешенного для доращивания кристалла.

Смачиваемость, объясняемая взаимодействием между молекулами жидкости и твердого тела (стенок кристаллизатора), и силы поверхностного натяжения обеспечивают образование капилляров на стенках сосуда выше поверхности насыщенного раствора. Жидкость, поднимаясь по капиллярам, может вытечь из сосуда. Чтобы предотвратить капиллярные явления, необходимо разрушать капилляры, периодически осуществляя чистку кристаллизатора, или смазать стенки сосуда вазелином или жиром.

Анизатропия. Плотность расположения частиц в кристаллической решетке не одинакова по различным направлениям. Силы взаимодействия между атомами в кристаллах по разным направлениям также неодинаковы. Это приводит к зависимости свойств кристаллов от направления-анизотропии.

Выращивание кристаллов - это увлекательный и кропотливый процесс. Однако некоторые явления могут омрачить радостные ожидания получить красивый кристалл с прямыми ребрами и ровными гранями.

Литература:

1. Энциклопедия для детей т.4 М. Аванта . 1995 г.

2. Материалы 3 научно практической конференции "Школа-наука-вуз" Вязьма 2005г

3. «Исследовательская деятельность учащихся» П.В.Цыганкова Смоленск. 2005г

4. "Замечательные минералы" В.И.Соболевский. М.Просвещение 1983г

5. "Рассказы о самоцветах" Детгиз 1957г

6. "Древо познания" Универсальный иллюстрированный справочник

для всей семьи.

7. "Я познаю мир" Универсальный иллюстрированный справочник

для всей семьи.

8. Большая книга эксперимента для школьников - М, Росмен, 2001

9. Журнал «Квант» № 5 - М, 1998

10. Журнал «Физика в школе» №2 - М, 2003

11.«Физика. Строение вещества». А. Е. Гуревич. 2001 год

12. Интернет-ресурсы.