Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа № 15»

УДИВИТЕЛЬНЫЕ КРИСТАЛЛЫ

(Исследовательская работа)

Выполнил:

Шеванов Егор Игоревич,

учащийся 9 класса МБОУ «СОШ № 15».

Руководитель:

Ланкина Ольга Тимофеевна,

учитель физики МБОУ «СОШ № 15».

Губкин, 2015

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение………………………………………………………………………….3
Глава 1.

1. Удивительные кристаллы………………………………………………...7

2. Кристаллическая решетка………………………………………………12

3. Применение кристаллов………………………………………………...15

Глава 2.

Эксперимент.

Как растут кристаллы и способы их выращивания…………………………..18
Заключение……………………………………………………………………...20
Литература……………………………………………………………………...21

Введение

Мы живём в мире, в котором большая часть веществ находится в твёрдом состоянии. Мы пользуемся различными механизмами, инструментами, приборами. Живём в домах и квартирах. Имеем мебель, бытовые приборы, современнейшие средства связи: телевидение, радио, компьютеры и т. д. А ведь все это твёрдые тела. С физической точки зрения, человек - твёрдое тело. Так что же такое твёрдые тела?

В отличие от жидкостей, твёрдые тела сохраняют не только объём, но и форму, т. к. положение в пространстве частиц, составляющих тело, стабильно. Из-за значительных сил межмолекулярного взаимодействия частиц не могут удаляться друг от друга на значительные расстояния.

В природе часто встречаются твёрдые тела, имеющие форму правильных многогранников. Такие тела назвали кристаллами.

Знаменитое изречение академика А.Е. Ферсмана "Почти весь мир кристалличен. В мире царит кристалл и его твёрдые прямолинейные законы" полностью согласуется с неугасающим научным интересом учёных всего мира и всех областей знания к данному объекту исследования. В конце 60-х годов прошлого века начался серьёзный научный прорыв в области жидких кристаллов, породивший "индикаторную революцию" по замене стрелочных механизмов на средства визуального отображения информации. Позже в науку вошло понятие биологический кристалл (ДНК, вирусы и т. д.), а в 80-х годах ХХ века - фотонный кристалл.

Что такое кристаллы? Какими свойствами они обладают? Что такое кристаллическая решётка? Как растут кристаллы? Можно ли кристалл вырастить в домашних условиях? Как и где они применяются в настоящее время? Какие кристаллы можно назвать драгоценными камнями? Вот эти вопросы заинтересовали нас, и мы попытались найти на них ответы, т. к. в учебнике этой теме отводится только один параграф и ответов на эти вопросы мы не нашли, или эти ответы были неполными. Тема "Кристаллические тела" считаем актуальна. Благодаря новейшим открытиям в области физики твёрдого тела, а точнее в физике кристаллических тел произошёл огромный скачок в развитии науки и техники, компьютерной техники, космических аппаратов.

Поэтому мы наиболее полно и всесторонне решили изучить эту проблему, поставили цели и определённые задачи. В 1913-1914 гг. английские ученные У.Г. и У.Л. Брэгги и российский ученый Юрий Викторович Вульф, просвечивая кристаллы лучами Рентгена (по способам предложенным Лауэ и Дебаем), доказали, что гипотеза кристаллических решеток является правильной, и положили начало рентгеноструктурному анализу. Все эти эксперименты, по мнению широко известного специалиста в области рентгеновской дифракции профессора Массачусетского технологического института М. Бюргера, стали поворотным пунктом не только в кристаллографии, но и во всей современной науке.

В земле иногда находят камни такой формы, как будто их кто-то тщательно выпиливал, шлифовал, полировал. Это - многогранники с плоскими гранями, с прямыми ребрами. Вот эти-то камни с природной, то есть не сделанной руками человека, правильной, симметричной формы и называются кристаллами. Кристаллы, залегающие в земле, бесконечно разнообразны. Размеры природных многогранников достигают подчас человеческого роста и более. Встречаются кристаллы - лепестки, тоньше тетрадного листа бумаги и кристаллы - пласты в несколько метров толщиной. Бывают кристаллы маленькие, узкие и острые, как иголка, и бывают громадные, как колонны. В некоторых местностях Испании такие кристаллические колонны ставят как столбы для ворот. В музее Горного института в Санкт-Петербурге хранятся кристаллы горного хрусталя (кварца) высотой около метра и весом более тонны, который много лет служил тумбой ворот одного из домов Екатеринбурга. Многие кристаллы идеально чисты и прозрачны как вода. Недаром говорят: (прозрачный, как кристалл), Все кристаллы, окружающие нас, не образовались когда-то раз и навсегда готовыми, а выросли постепенно. Кристаллы бывают не только природными, но так же и искусственные выращиваемые человеком. Зачем же создают еще и искусственные кристаллы, если и так почти все твёрдые тела вокруг нас имеют кристаллическое строение? При искусственном выращивании можно получить кристаллы крупнее и чище, чем в природе. Есть и такие кристаллы, которые в природе редки и ценятся дорого, а в технике очень нужны. Поэтому разработаны лабораторные и заводские методы выращивания кристаллов алмаза, кварца, сапфира и др. В лабораториях выращивают большие кристаллы, необходимые для техники и науки, драгоценные камни, кристаллические материалы для точных приборов, там создают и те кристаллы, которые изучают кристаллографы, физики, химики, металловеды, минералоги, открывая в них новые замечательные явления и свойства. В природе, в лаборатории, на заводе кристаллы растут из растворов, из расплавов, из паров, из твердых веществ. Поэтому представляется важным и интересным изучить процесс образования кристаллов, выяснить условия их образования, вырастить кристаллы без применения специальных приспособлений. Эта проблема определила тему исследовательской работы.

Цели работы:

1. Изучить литературные источники о строении и физических свойствах кристаллов, исследовать области их применений;

2. Пронаблюдать за процессом роста кристаллов;

3. Разработать видео-урок по выращиванию кристаллов.

Задачи:

1. Провести анализ источников по теме проекта;

2. Выбрать способ, приемлемый для выращивания кристаллов в домашних условиях;

3. Отобрать вещества, из которых возможно вырастить кристаллы;

4. Исследовать зависимость формы кристалла от условий кристаллизации.
   Гипотеза исследования: мы предположили, что кристаллы могут появляться при создании определенных условий, значит, если изменить условия кристаллизации и растворить различные вещества, то могут получиться кристаллы разной формы и цвета в домашних условиях. Практическая значимость: результаты исследования могут быть использованы для проведения уроков по теме «Кристаллы» и на кружке - «Юный физик».

Методы:

1. Изучение литературы.

2. Химические опыты по выращиванию кристаллов в домашних условиях.

3. Фотографирование.

Глава 1.

1. Удивительные кристаллы

Слово "кристаллос" у древних греков обозначало лед. Так же назывался и водяно-прозрачный кварц (горный хрусталь), ошибочно считавшийся тогда "окаменевшим льдом". Впоследствии этот термин был распространён на все кристаллические тела.

Кристаллами обычно называют твердые тела, образующиеся в природных или лабораторных условиях и имеющие вид многогранников, которые напоминают самые строгие геометрические построения. Поверхность таких фигур ограничена совершенными плоскостями - гранями, пересекающимися по прямым линиям ребрам. Точки пересечения ребер образуют вершины. Данное определение нельзя назвать правильным и оно требует ряд существенных поправок, так как охватывает не все кристаллические образования. Приведем несколько примеров, доказывающих это:

Для образования хорошо ограненных кристаллов необходимо, чтобы ничто не мешало им свободно и всесторонне развиваться, не теснило бы их и не препятствовало их росту.

Кристаллами можно назвать все твердые тела, в которых слагающие их частицы (атомы, ионы, молекулы) расположены строго закономерно наподобие узлов пространственных решеток. Это определение является всеобъемлющим, оно приложимо к любым однородным кристаллическим телам: и буклям, и зернам, и "скелетам", и плоскогранным фигурам.

Физика минералов (а. mineral physics; н. Mineralienphysik; ф. physique des mineraux; и. fisica de minerales) - раздел минералогии, посвященный изучению физических (магнитных, люминесцентных, электрических, тепловых и др.) свойств минералов. Включает научно-методические основы исследования минеральных веществ как твёрдых кристаллических тел и все физические методы, применяемые при минералого-геохимических, рудно-петрографических исследованиях и при геологоразведочных работах. Физика минералов занимает пограничное положение между материаловедением, циклом наук о Земле и технологией переработки и использования минерального сырья. Физика минералов имеет фундаментальное значение для познания природы минерального вещества, играет важную роль в разработке научных основ поисковой и технологической минералогии, минералургии, минералогического материаловедения, физики горных пород и др. На основе физики минералов разрабатываются критерии прогноза рудных месторождений полезных ископаемых при активных и пассивных методах зондирования земной поверхности.

Теоретическое понимание природы и свойств минералов базируется на современных расчётах химической связи и электронной структуры в рамках теорий кристаллического поля, молекулярных орбиталей, зонной теории. Особое направление в физике минералов связано с глубинной минералогией, с экспериментальными исследованиями вещества мантии Земли. Ведущую роль в физике минералов играют методы спектроскопии и микроскопии твёрдого тела: ядерный гамма-резонанс, или мёссбауэровская спектроскопия; оптическая, инфракрасная, рентгеновская, электронная, романовская, ожеспектроскопия; электронный парамагнитный резонанс, ядерный магнитный и ядерный квадрупольный резонанс; двойной электронно-ядерный резонанс; люминесцентная электронная микроскопия высокого разрешения; электронный, протонный, ионный и ядерный микрозондовый анализ, оптическая, инфракрасная, фотоакустическая, рентгеновская и акустическая микроскопия; методы нелинейной оптики и др. Иногда к физике минералов относят также различные дифракционные методы кристаллохимии (все виды рентгеноструктурного анализа, микродифракция электронов, электроно- и нейтронография и др.).

С развитием физики минералов появилась возможность диагностики, микроанализа и структурной идентификации микрочастиц минералов сколь угодно малых размеров. С физико-минералогическим подходом связываются наиболее перспективные направления в развитии фундаментальных исследований минерального вещества, глубинной минералогии, прикладных работ в минералургии, технологической и поисковой минералогии, минералогического материаловедения.
Первые минералогические и геофизические работы в области физики минералов относятся к концу 1950-х - началу 1960-х гг. В полном объёме проблемы этой области знаний были сформулированы в CCCP А. С. Марфуниным (1965). Симпозиумы по физике минералов были включены в программы 25-27-го Международных геологических конгрессов и сессий Международной минералогической ассоциации. В ФРГ издаётся специализированный международный журнал "Физика и химия минералов" (на английском языке). Теоретические и прикладные исследования по физике минералов ведутся во многих институтах Академии Наук CCCP и Академии Наук союзных республик, Министерства геологии CCCP и Министерства металлургии CCCP, в ряде вузов. За рубежом большое развитие физико-минералогическое направление получило в США, ФРГ, Франции, Великобритании, Болгарии, Китае и других странах. Комиссии по физике минералов действуют в рамках Всесоюзного минералогического общества, минералогических обществ Франции и ФРГ, Американского

Кристаллические тела можно разделить на две группы: монокристаллы и поликристаллы.
Монокристаллы - это твердые тела, частицы которых образуют единую кристаллическую решетку. Кристаллическая структура монокристалла обнаруживается по их внешней форме.
Поликристаллы агрегаты из большого числа маленьких кристаллов, ориентированных друг относительно друга хаотически. Большинство твердых технических материалов являются поликристаллическими.

Монокристалл Поликристалл
Блестящие и ровные грани кристаллов выглядят так, как будто над ними поработал искусный шлифовальщик (рис.1). Отдельные части кристалла повторяют друг друга, образуя красивую правильную форму.

Рис.1
Разнообразие кристаллов по форме очень велико. Кристаллы могут иметь от четырёх до нескольких сотен граней. Но при этом они обладают замечательным свойством, - какими бы небыли размеры, форма и число граней одного и того же кристалла, все плоские грани пересекаются друг с другом под определенными углами. Посмотрим в лупу на сахарный песок: мы увидим, что это мелкие, но очень правильные кристаллы, блестящие, прозрачные, с плоскими сторонами.

Приглядевшись, например, к выращенным кристаллам соли внимательно, мы видим, что они построены из «кирпичиков», плотно приложенных друг к другу. Разбив кристалл, мы можем наблюдать, что он разлетится на кусочки разной величины. Рассмотрев их внимательно, обнаружим, что эти кусочки имеют правильную форму, вполне подобную форме большого кристалла - их родителя. Для кристаллов поваренной соли типична форма кубиков (рис.4), для медного купороса - ромбов (рис.5), для йодида свинца - ровных шестиугольников.

Рис.4 Рис.5 Рис.6
Существуют особые формы кристаллов: иглы, перья, ветки, цветы, деревца и т.п. Примерами таких причудливых кристаллов служат всем известные ледяные узоры на окнах и узоры из раствора хлорида аммония. У каждого вещества есть своя характерная форма кристаллов, по которой его можно узнавать.

2. Кристаллическая решетка.

Регулярное расположение частиц с периодической повторяемостью в трех измерениях, называется пространственной (кристаллической) решеткой
В кристаллическом твердом теле в отличие от жидкости и газа частицы располагаются упорядоченно, колеблясь вблизи узлов кристаллической решетки. Принцип построения кристаллической решетки можно представить следующим образом. Отдельные атомы группируются в идентичные элементарные блоки по принципу плотной упаковки. Получившиеся блоки объединяются, образуя общую геометрическую конструкцию - кристаллическую решетку. Существует всего семь основных блоков, которыми можно заполнить трехмерное пространство (без пропусков) и из которых могут быть сконструированы все кристаллы (табл. 1).Основные элементы (ячейки) кристаллических решеток Брама

таблица1.
Типы кристаллических решеток: а) кубическая; б) кубическая центрированная; в) гранецентрированная; г) гексагональная.
Некоторые вещества, имеющие одинаковый химический состав, отличаются по физическим свойствам из-за различия структуры их кристаллических решеток.

Полиморфизм - существование различных кристаллических структур у одного и того же вещества.
Алмаз, графит и фулерен - три разновидности углерода, имеющие разную кристаллическую структуру

В результате нагревания в вакууме при температуре около 150 °С алмаз превращается в графит. Плотность расположения частиц в кристаллической решетке не одинакова по различным направлениям. Это приводит к зависимости свойств монокристаллов от направления - анизотропии.
Анизотропия - зависимость физических свойств вещества от направления.
Физические свойства поликристаллов не зависят от направления; они изотропны.
Изотропия - независимость физических свойств вещества от направления.
Кристаллы могут иметь и разные размеры. Некоторые минералы образуют кристаллы, которые разглядеть можно только с помощью микроскопа. Другие же образуют кристаллы, вес которых составляет несколько сотен фунтов.
Изучение внешней формы кристаллов началось прежде изучения симметрии, однако только после вывода 32 видов симметрии появилась надежная основа для создания геометрического учения о внешней форме кристаллов. Основным его понятием является понятие простой формы.
«Простой формой называется многогранник, который может быть получен из одной грани с помощью элементов симметрии (оси, плоскости и центра симметрии)».

Простые формы (а) кристаллов и некоторые их комбинации
Простые формы могут быть общими и частными в зависимости от того, как расположена исходная грань по отношению к элементам симметрии. Если она расположена косо, то простая форма, полученная из нее, будет общей. Если же исходная форма расположена параллельно или перпендикулярно к элементам симметрии, то получается частная простая форма.
Простые формы так же могут быть закрытыми и открытыми.
Закрытая форма может одна образовать кристаллический многогранник, в то время как одна открытая простая форма замкнутого многогранника образовать не может.

Каждая грань кристалла представляет собой плоскость, на которой располагаются атомы. Когда кристалл растет, все грани передвигаются параллельно сами себе, так как на них откладываются все новые и новые слои атомов. По этой причине, параллельно каждой грани в структуре кристалла располагается огромное количество атомных плоскостей, которые когда-то в начальных стадиях роста тоже располагались на гранях кристалла, но в процессе роста оказались внутри него.
Ребра кристалла представляют собой прямые, на которых атомы располагаются в ряд. Таких рядов в кристалле тоже огромное количество и они располагаются параллельно действительным ребрам кристалла.
Кристаллы правильной геометрической формы встречаются в природе редко. Совместное действие таких неблагоприятных факторов, как колебания температуры, тесное окружение соседними твердыми телами, не позволяют растущему кристаллу приобрести характерную для него форму. Кроме того, значительная часть кристаллов, имевших в далеком прошлом совершенную огранку, успела утратить ее под действием воды, ветра, трения о другие твердые тела. Так, многие округлые прозрачные зерна, которые можно найти в прибрежном песке, являются кристаллами кварца, лишившимися граней в результате длительного трения друг о друга.

3. Применение кристаллов.

Природные кристаллы всегда возбуждали любопытство у людей. Их цвет, блеск и форма затрагивали человеческое чувство прекрасного, и люди украшали ими себя и жилище. С давних пор с кристаллами были связаны суеверия; как амулеты, они должны были не только ограждать своих владельцев от злых духов, но и наделять их сверхъестественными способностями. Позднее, когда те же самые минералы стали разрезать и полировать, как драгоценные камни, многие суеверия сохранились в талисманах "на счастье" и "своих камнях", соответствующих месяцу рождения. Все природные драгоценные камни, кроме опала, являются кристаллическими, и многие из них, такие, как алмаз, рубин, сапфир и изумруд, попадаются в виде прекрасно ограненных кристаллов. Украшения из кристаллов сейчас столь же популярны, как и во время неолита. Опираясь на законы оптики, ученые искали прозрачный бесцветный и бездефектный минерал, из которого можно было бы шлифованием и полированием изготавливать линзы.

Нужными оптическими и механическими свойствами обладают кристаллы неокрашенного кварца, и первые линзы, в том числе и для очков, изготавливались из них. Даже после появления искусственного оптического стекла потребность в кристаллах полностью не отпала; кристаллы кварца, кальцита и других прозрачных веществ, пропускающих ультрафиолетовое и инфракрасное излучение, до сих пор применяются для изготовления призм и линз оптических приборов.
Применения кристаллов в науке и технике так многочисленны и разнообразны, что их трудно перечислить. Поэтому ограничимся несколькими примерами. Самый твердый и самый редкий из природных минералов - алмаз. За всю историю человечества его добыто всего около 150 т, хотя в мировой алмазодобывающей промышленности сейчас работает почти миллион человек. Сегодня алмаз в первую очередь камень-работник, а не камень-украшение. Около 80% всех добываемых природных алмазов и все искусственные алмазы используются в промышленности. Примерно 80% применяемых в технике алмазов идет на заточку инструментов и резцов "сверхтвердых сплавов". Алмазы служат опорными камнями (подшипниками) в хронометрах высшего класса для морских судов и в других особо точных навигационных приборах. На алмазных подшипниках не обнаруживается никаких следов износа даже после 25 млн. оборотов. Несколько уступая алмазу по твердости, соревнуется с ним но разнообразию технических применении рубин - благородный корунд, окись алюминия Al₂O₃ с красящей примесью окиси хрома. Мировое производство искусственных рубинов превышает 100 г. в год. Из 1 кг синтетического рубина удается изготовить около 40 000 опорных камней для часов. Незаменимыми оказались рубиновые стержни на фабриках по изготовлению тканей из химического волокна. На изготовление 1 м ткани из искусственного волокна требуется израсходовать сотни тысяч метров волокна. Нитеводители из самого твердого стекла изнашиваются за несколько дней при протяжке через них искусственного волокна, агатовые способны работать до двух месяцев, рубиновые нитеводители оказываются практически вечными. Новая область для широкого применения рубинов в научных исследованиях и в технике открылась с изобретением рубинового лазера - прибора, в котором рубиновый стержень служит мощным источником света, испускаемого в виде тонкого светового луча.
Исключительная роль выпала на долю кристаллов в современной электронике. Большинство полупроводниковых электронных приборов изготовлено из кристаллов германия или кремния.

Глава 11.

Эксперимент. Как растут кристаллы и способы их выращивания.
Почти любое вещество может при известных условиях дать кристаллы. Кристаллы образуются чаще всего из жидкой фазы - раствора или расплава; возможно получение кристаллов из газовой фазы или при фазовом превращении в твердой фазе. Кристаллы выращивают (синтезируют) в лабораториях и на заводах. Можно получать и кристаллы таких сложных природных веществ, как белки и даже вирусы.
Многим известно, что растворимость веществ зависит от температуры. Обычно с повышением температуры растворимость увеличивается, а с понижением - уменьшается.

Мы знаем, что одни вещества растворяются хорошо, другие - плохо. При растворении веществ образуются насыщенные и ненасыщенные растворы. Насыщенный раствор - это раствор, который содержит максимальное количество растворяемого вещества при данной температуре. Ненасыщенный раствор - это раствор, который содержит меньше растворяемого вещества, чем насыщенный при данной температуре.

Был использован самый простой способ выращивания кристаллов медного купороса и каменной соли из раствора. Сначала необходимо приготовить насыщенный раствор. Для этого в стакан наливают воду (горячую, но не кипящую) и в неё насыпают порциями вещество (порошок медного купороса или каменной соли) и размешивают стеклянной или деревянной палочкой до полного растворения. Как только вещество перестанет растворяться, это значит, что при данной температуре раствор насыщен. Потом он будет охлаждаться, когда вода станет постепенно испаряться из него, «лишнее» вещество выпадает в виде кристалликов. Сверху на стакан необходимо положить карандаш (палочку), вокруг которого обмотана нитка. К свободному концу нитки привешивается какой-нибудь груз, чтобы нитка распрямилась и висела в растворе вертикально, не доставая немного дна. Оставить стакан в покое на 2-3 дня. Спустя время можно обнаружить, что нитка обросла кристалликами.






Искусственные кристаллы очень нужны. Выращивая кристаллы в лабораториях, человек может узнать, как кристаллы рождаются и живут в природных условиях, изучить свойства кристаллов. Кроме того, процесс выращивания кристаллов очень красив и увлекателен.

Заключение.

1. Все физические свойства, благодаря которым кристаллы так широко применяются, зависят от их строения - их пространственной решётки.

2. Драгоценные камни принадлежат миру минералов, т. е. выращены природой в недрах Земли из растворов, расплавов или путём перекристаллизации. Химический состав таких кристаллов выражается формулой. Отношение человека к драгоценным камням за многие столетия претерпело изменения: от обожествления и применения в медицине до демонстрации своей состоятельности или доставления эстетического удовольствия от красоты и гармонии камня.

3. Наряду с твёрдотельными кристаллами в настоящее время широко применяются жидкие кристаллы, а в скором будущем мы будем пользоваться приборами, построенными на фотонных кристаллах.

4. Мы отобрали наиболее приемлемый способ для выращивания кристаллов в домашних условиях и вырастили кристаллы медного и железного купороса, а также кристаллы алюмокалиевых квасцов. По мере роста кристаллов проводили наблюдения

ЛИТЕРАТУРА:

1. «Большая энциклопедия Кирилла и Мефодия 2003» (электронная версия).

2. Журнал «Наука и жизнь», выпуск 2, 1987

3. Банн Ч «Кристаллы. Их роль в природе и науке» /Ч. Банн - М.: «Мир», 1977.

4. Шаскольская М. Л. «Кристаллография» /М.Л. Шаскольская М., «Высшая школа», 1976.

5. Кристаллы. Рост, структура, свойства. - М.: «Наука», 1993.

6. Современная кристаллография, т. 1-4, М., 1979-81

7. Фримантл М. Химия в действии./М. Фримантл - М.: «Мир», 1991г.

8. Эткинс П. Молекулы./ П. Эткинс - М.: «Мир», 1991г.

9. Савина Л.А.Я познаю мир: Дет. энциклопедия: Химия/ Авт. - сост. Л. А. Савина, М.: ООО «Издательство АСТ», 1995г