VII городской конкурс

реферативно-исследовательских работ НОУ для учащихся 1-8 классов

«Интеллектуалы XXI века»

(секция естествознание, химия)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Как растут кристаллы?

 

 

 

 

 

Автор: Кузнецов Илья

5 класс, МБОУ гимназия №63

Научный руководитель:

Малышева Нина Васильевна

учитель химии

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Челябинск 2012 г.
Оглавление

Цель и задача работы......................................................................................................................... 3

Введение............................................................................................................................................. 4

1 Теория кристаллов.......................................................................................................................... 5

1.1 Что такое кристалл?..................................................................................................................... 5

1.2 Происхождение слова «кристалл».............................................................................................. 6

2 Образование кристаллов................................................................................................................ 6

2.1 Образование кристаллов в природе........................................................................................... 6

2.2 Выращивание кристаллов в промышленности......................................................................... 8

2.3 Выращивание кристаллов в домашних условиях...................................................................... 9

2.3.1 Приготовление раствора.......................................................................................................... 9

2.3.2 Фильтрация раствора................................................................................................................ 9

2.3.3 Выращивание крупных одиночных кристаллов................................................................... 10

2.3.4 Выращивание сростков кристаллов (друз)............................................................................ 11

3 Мои опыты.................................................................................................................................... 11

3.1 Медный купорос......................................................................................................................... 11

3.2 Фосфат моноаммония................................................................................................................ 12

3.3 Поваренная соль......................................................................................................................... 12

3.4 Мои результаты.......................................................................................................................... 13

Заключение....................................................................................................................................... 14

Список используемой литературы................................................................................................. 15

Приложения

 

Цель и задача работы

 

Целью данной работы является изучение процесса роста кристаллов в природе,
в промышленности и в домашних условиях.

Задачей данной работы является выращивание кристаллов медного купороса, поваренной соли и фосфата моноаммония в домашних условиях.

Введение

 

Большинство окружающих нас твердых тел представляют собой вещества в кристаллическом состоянии. К ним относятся строительные 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. Все большее применение в технике находят кристаллы.

Возможно, вы считаете, что кристалл – это редкий и красивый минерал или драгоценный камень. Отчасти вы правы. Изумруды и бриллианты являются кристаллами. Но не все кристаллы редки и красивы. Каждая отдельная частица соли или сахара – тоже кристалл! Множество самых обычных веществ вокруг нас представляют из себя кристаллы.

Многие видные ученые, внесшие большой вклад в развитие химии, минералогии, других наук, начинали свои первые опыты именно с выращивания кристаллов. Помимо чисто внешних эффектов, эти опыты заставляют задумываться на тем, как устроены кристаллы и как они образуются, почему разные вещества дают кристаллы разной формы, а некоторые вовсе не образуют кристаллов, что надо сделать, чтобы кристаллы получились большими и красивыми. Провести такой опыт – самому вырастить кристалл, решил и я.

Известный детский писатель фантаст Владислав Крапивин написал цикл повестей «В глубине Великого Кристалла». Цикл объединён общей картиной параллельной метавселенной, имеющей кристаллическое строение, взаимодействием человечеств, живущих в параллельных мирах. В одной из повестей «Застава на Якорном поле», рассказывается о дружбе мальчика-лицеиста и волшебного кристаллика Яшки, который «вырос в обычном цветочном горшке. Но вовсе не из обычного зерна, а из редчайшей звездной жемчужины, какие иногда прилетают на Землю из космоса в период густых августовских звездопадов… И растила его мадам Валентина не просто так. Она создавала крошечную модель всеобщего Мироздания. Потому что была уверена: Вселенная имеет форму кристалла…» [1]. Мне стало интересно, неужели можно самому дома вырастить кристалл, пусть и не такой волшебный, как Яшка, но такой же красивый?

В 2003 году ученые выдвинули гипотезу, что Вселенная представляет собой додекаэдр (двенадцатигранник). То есть действительно, она грубо может быть представлена в форме кристалла. Причем, такая структура может порождать бесконечное множество пространств, которые будут одновременно и отражением самих себя и обладать некоторыми новыми признаками, появившимися в результате эволюции.

1 Теория кристаллов

1.1 Что такое кристалл?

Кристалл – это твердое состояние вещества. Он имеет определенную форму и определенное количество граней вследствие расположения своих атомов. Все кристаллы одного вещества имеют одинаковую форму, хоть и могут отличаться размерами.

В природе существуют сотни веществ, образующих кристаллы. Вода – одно из самых распространенных из них. Замерзающая вода превращается в кристаллы льда или снежинки.

Вы, конечно, обращали внимание на бесконечное разнообразие снежинок. Еще в 17 веке знаменитый астроном Иоганн Кеплер написал трактат «О шестиугольных снежинках», а спустя три столетия были изданы альбомы, в которых представлены коллекции увеличенных фотографий тысяч снежинок, причем ни одна из них не повторяет другую (рис 1).

 

Рисунок 1 – Разнообразие снежинок.

Кристаллы – вещества, в которых мельчайшие частицы (атомы, ионы или молекулы) «упакованы» в определенном порядке. В результате при росте кристаллов на их поверхности самопроизвольно возникают плоские грани, а сами кристаллы принимают разнообразную геометрическую форму. Каждый, кто побывал в геологическом музее или на выставке минералов, не мог не восхититься изяществом и красотой форм, которые принимают «неживые» вещества (рис.2, 3).

Рисунок 2 – Кристаллы лазурита.

Рисунок 3 – Кристаллы витерита.

 

1.2 Происхождение слова «кристалл»

Слово «кристалл» звучит почти одинаково во всех европейских языках. Много веков назад среди вечных снегов в Альпах, на территории современной Швейцарии, нашли очень красивые, совершенно бесцветные кристаллы, очень напоминающие чистый лед (рис.4). Древние натуралисты так их и назвали – «кристаллос», по-гречески – лед; это слово происходит от греческого «криос» – холод, мороз. Полагали, что лед, находясь длительное время в горах, на сильном морозе, окаменевает и теряет способность таять. Один из самых авторитетных античных философов Аристотель писал, что «кристаллос рождается из воды, когда она полностью утрачивает теплоту». Римский поэт Клавдиан в 390 году то же самое описал стихами:

Ярой альпийской зимой лед превращается в камень.
Солнце не в силах затем камень такой растопить.

Аналогичный вывод сделали в древности в Китае и Японии – лед и горный хрусталь обозначали там одним и тем же словом. И даже в 19 в. поэты нередко соединяли воедино эти образы:

Едва прозрачный лед, над озером тускнея,
Кристаллом покрывал недвижные струи.

А.С.Пушкин. К Овидию

Рисунок 4 – Друза горного хрусталя.

 

2 Образование кристаллов

2.1 Образование кристаллов в природе

Минеральные кристаллы образуются в ходе определенных породообразующих процессов. Огромные количества горячих и расплавленных горных пород глубоко под землей в действительности представляют из себя растворы минералов. Когда массы этих жидких или расплавленных горных пород выталкиваются к поверхности земли, они начинают остывать.

Они охлаждаются очень медленно. Минералы превращаются в кристаллы, когда переходят из состояния горячей жидкости в холодную твердую форму. Например, горный гранит содержит кристаллы таких минералов, как кварц, полевой шпат и слюда. Миллионы лет тому назад гранит был расплавленной массой минералов в жидком состоянии. В настоящее время в земной коре имеются массы расплавленных горных пород, которые медленно охлаждаются и образуют кристаллы различных видов.

Природа продолжает преподносить нам сюрпризы, создавая все новые чудеса. Совсем недавно, в 2000 году, в мексиканской пустыне Чихуахуа была открыта необычная пещера, где находятся самые большие природные кристаллы, которые когда-либо создавала природа (рис.5). Мегакристаллы селенита были сформированы гидротермальными жидкостями, исходящими от пещер, расположенных ниже.

Рисунок 5 – Пещера кристаллов

Селенит – разновидность гипса, отличающаяся характерным параллельно-волокнистым строением. Свое название селенит получил за красивые желтовато-серебристые лунные переливы на его поверхности (в Древней Греции Селеной называли богиню Луны).

В горе Найса на глубине 300 метров, в рабочей шахте, где велась добыча цинка, серебра и свинца, шахтеры совершенно случайно обнаружили пустоты, в которых их взору открылись огромные кристаллы селенита. Эти невероятно красивые образования, созданные природой, образуют три полости, которые получили поэтические названия «Глаз Королевы», «Пещера Парусов» и «Стеклянная пещера».

Это самые большие из известных на сегодня природных кристаллов – полупрозрачные лучи неимоверной длины до 15 метров, диаметром 1,2 метра, весом не менее 55 тон каждый – волшебно-причудливым образом переплетены между собой и создают в пещере неимоверной красоты пейзаж. Но полюбоваться этой красотой непросто. Попасть в пещеру без специального обмундирования и оборудования невозможно без риска для жизни. Температура воздуха там составляет около 50 градусов Цельсия, а влажность – практически 100%! Даже в специальном костюме находиться в этих пещерах можно не очень долго – около часа.

Но не только это мешает спелеологам в путешествии по пещере гигантских кристаллов. Нагромождения кристаллов так причудливо сплетены, что порой между ними нельзя пройти человеку, но разрушать эту красоту у ученых и исследователей рука не поднимается.

Увидеть это природное чудо света все же возможно – здесь нам на помощь приходит фотография (Приложение А), но она, к сожалению, не может полностью передать «холодную» кристаллическую красоту подземных пустот, заполненных огромными кристаллами.

Исследователи уверены, что подобных пещер в мексиканской пустыне еще несколько, и они ждут своих первооткрывателей!

 

2.2 Выращивание кристаллов в промышленности

Начиная с XIX века появились технологии выращивания искусственных кристаллов. Некоторые из этих ювелирных камней настолько совершенны, что их крайне сложно отличить от натуральных. Синтетические кристаллы востребованы в промышленности и на рынке ювелирных изделий.

Первые успешные попытки синтеза драгоценных камней приходятся на конец XIX века. В 1877 году Эдмон Фреми и Шарль Фейль получили кристаллы рубина.

В 1902 году Огюст Вернейль смог синтезировать рубины методом плавления в пламени, положив начало промышленному синтезу ювелирных камней. Данный метод, с некоторыми изменениями, до сих пор остается одним из самых распространенных способов выращивания кристаллов ювелирного качества. Порошковая шихта, состоящая из оксида алюминия с добавлением 2% оксида хрома, помещается в печь. Под ударами молотка шихта попадает вниз, контактирует с кислородом и водородом, достигая в пламени температуры 2000^оС. Капли расплавленного материала падают на стержень, на котором образуется шарик кристалла, медленно приобретающий грушевидную форму.

                    

Рисунок 6 – Схема аппарата Вернейля

и монокристалл корунда, полученный этим методом.

Особое место среди кристаллов занимают драгоценные камни, которые с древнейших времен привлекают внимание человека. Люди научились получать искусственно очень многие драгоценные камни. Например, подшипники для часов и других точных приборов уже давно делают из искусственных рубинов. Получают искусственно и прекрасные кристаллы, которые в природе вообще не существуют. Например, фианиты – их название происходит от сокращения ФИАН – Физический институт Академии наук, где они впервые были получены. Фианиты – искусственные кристаллы, которые внешне очень похожи на бриллианты (рис.7).

Рисунок 7 – Фианит.

Исследователи из США сумели вырастить огромные кристаллы пирофосфата калия. Самый крупный из кристаллов весит 318 килограмм. Он рос в большом баке, где при температуре 65 градусов Цельсия испарялся раствор пирофосфата калия. Молекулы  отлагались на затравке размером меньше наперстка, и через 52 дня вырос прозрачный гигант почти без дефектов.

Кристаллы будут использоваться для сооружения сверхмощных лазеров.

 

2.3 Выращивание кристаллов в домашних условиях

2.3.1 Приготовление раствора

Раствор готовят из слегка тёплой (не горячей!) воды. Воду лучше брать дистиллированную, но можно и кипячёную. Химический стакан на половину объёма наполняют водой и небольшими количествами (~по 10гр) добавляют соль. После каждой новой порции соли раствор тщательно перемешивают. При этом раствор может начать охлаждаться, т. к. при растворении вещества расходуется тепловая энергия на расщепление его на ионы. После того, как вещество перестаёт растворяться, добавляют последние 10гр вещества и перемешивают. Уже готовый раствор фильтруют во второй химический стакан, в котором и будет происходить рост кристалла. Стакан накрывают листком бумаги и ждут появления первых кристалликов.

2.3.2 Фильтрация раствора

Конечно же, для фильтрации раствора лучше всего использовать хороший, лабораторный фильтр из фильтровальной бумаги и стеклянную воронку. Если готового фильтра нет, то его можно сделать из обычной промокашки. Для этого из неё вырезают круг диаметром не менее 10см, сгибают его вдвое и затем ещё вдвое. Если теперь отогнуть крайний листок получившегося конуса, то получится бумажная воронка. Её вкладывают в стеклянную и фильтруют раствор. Это надо делать очень осторожно, следить за тем, чтобы уровень жидкости в стеклянной воронке не был выше краёв фильтра.

В самом крайнем случае, если под рукой нет даже промокашки, то фильтр делается из ваты. Вату плотно вставляют в горлышко воронки и затем фильтруют раствор. Естественно, чем плотнее вата, тем медленнее и качественнее происходит фильтрация.

2.3.3 Выращивание крупных одиночных кристаллов

Для того, чтоб кристалл вырос крупным и геометрически ровным, т. е. имел природную форму, необходимо довольно много времени. Обычно кристалл вырастает на 0,1-0,8мм в сутки, что во многом зависит от соли. Т. е. за месяц – полтора можно вырастить довольно крупный кристалл.

Выращивание крупного одиночного кристалла – очень длительный и сложный процесс, требующий терпения и осторожности. Для начала вам потребуется затравка – маленький кристаллик, который и будет центром кристаллизации. Обычно кристаллик, используемый как затравка, представляет собой уменьшенную копию выращиваемого кристалла.

Для того, чтобы получить затравку, используется очень простой метод: готовится максимально концентрированный раствор соли, переливается в стакан с вертикальными стенками и накрывается листком бумаги. Через несколько дней на дне стакана появляются первые кристаллики. Обычно они все имеют разную форму. Именно из них и отбираются те, которые имеют более правильную форму.

Раствор, в который собираются погрузить затравку, желательно приготовить заранее и оставить на пару дней для выпадения первых кристалликов (чтобы быть уверенным, что затравка не растворится). Раствор фильтруют от выпавших кристалликов, переливают в чистый стакан и погружают туда затравку. Стакан накрывают бумагой и оставляют на полке. Уже через неделю можно заметить, что кристалл заметно подрос. Чем дольше он будет оставаться в растворе, тем крупнее он станет.

Раствор со временем испаряется и если верхняя часть кристалла окажется на воздухе, то это может испортить весь кристалл. Для того, чтобы этого не произошло, необходимо добавлять раствор по мере необходимости.

В процессе выращивания кристалла может возникнуть ещё одна проблема: в ходе роста основного кристалла на дне появляются и растут другие, случайно выпавшие кристаллы. Их желательно удалять хотя бы раз в 1-2 недели.

2.3.4 Выращивание сростков кристаллов (друз)

Это – один из самых быстрых способов выращивания кристаллов. Если выращивание одиночных кристаллов занимает много времени и рассчитано на постепенный, правильный рост кристаллов, то выращивание друзы гораздо легче, потому что оно ориентируется на быстрое, хаотическое выпадение кристаллов.

Для начала вам потребуется приготовить перенасыщенный раствор соли в горячей воде. После охлаждения раствора в него вносят затравку – подвешенный на ниточке кристаллик. Уже через 5-10 часов можно увидеть большое количество кристалликов на нитке, на затравке, на дне стакана. Раствор оставляют в покое в течение 3-5 дней, затем вынимают нитку с кристаллом, раствор нагревают, добавляют воды и снова делают максимально концентрированным. После охлаждения в него вновь вносят нитку с уже подросшим кристаллом и оставляют на 3-5 дней.

Эту процедуру повторяют до тех пор, пока кристалл не достигнет необходимого размера. Кстати, довольно неплохие результаты получаются, если смешать оба метода: сначала вырастить друзу, а потом погрузить её в раствор для медленной кристаллизации.

Изучив литературу, я приступил к выращиванию кристаллов (рис. 8).

Рисунок 8 – выращивание кристаллов в домашних условиях.

 

 

3 Мои опыты

3.1 Медный купорос

Самые быстрорастущие и красивые кристаллы в моей коллекции. Мною были выращены монокристаллы и друза (рис.9).

Рисунок 9 – Монокристаллы и друза медного купороса.

В приложении Б представлен фотоотчет роста кристаллов медного купороса.

 

3.2 Фосфат моноаммония

Чтобы вырастить этот кристалл, я использовал набор «Удивительные кристаллы».

Рисунок 10 – Набор удивительные кристаллы

В результате я получил как монокристалл, так и друзу. Именно монокристалл фосфата моноаммония мне больше всего напоминает того крапивинского Яшку. К сожалению, уроки он за меня не делает, но верю, что мой Яшка принесет мне удачу (рис.11).

В Приложении В можно увидеть фотоотчет о росте монокристалла.

Рисунок 11 – Монокристалл фосфата моноаммония

            Также мною были выращены кристаллы фосфата моноаммония синего, красного и желтого цветов с использованием наборов «Чудесная радуга кристаллов» и «CrystalGrowing» (рис.12).

Рисунок 12 – Разноцветные друзы фосфата моноаммония

3.3 Поваренная соль

После приготовления раствора, я поместил в насыщенный раствор нитку. На следующий день нитка покрылась кристаллами соли. Взяв один из получившихся кристаллов, я решил использовать его в качестве затравки для монокристалла. К сожалению, монокристалл NaClмне получить не удалось, ребро грани кристалла составляет всего 2 мм, поэтому вместо роста монокристалла, начинают образовываться рядом соседние кристаллики. Таким образом, получилась друза, напоминающая кубик. Неудивительно, ведь поваренная соль имеет кубическую сингонию.

Рисунок 13 – Кристаллы NaCl (поваренной соли)

 

3.4 Мои результаты

Выращивание кристаллов – очень интересный и увлекательный процесс.

К сожалению, в данном процессе присутствует элемент случайности. Вроде и раствор насыщенный, и охлаждается медленно, а кристалл не образовывается, или готовишь новый раствор для бóльшего роста кристалла, а утром видишь, что кристалл не только не стал больше, но и совсем растворился … Тем не менее, можно выделить общие признаки роста кристаллов.

Во-первых, чем насыщеннее раствор, тем быстрее вероятность образования кристалла. Чем лучше отфильтрован раствор, тем больше вероятность образования монокристалла, т.к. примеси, оставшиеся в растворе, служат дополнительными центрами кристаллизации. Если раствор охлаждать недостаточно медленно, то это, с большой долей вероятности, приведет к образованию друзы (сростка кристаллов), т.к. его молекулы не успеют построить правильный кристалл. А при слишком резком охлаждении образуется аморфное (стеклообразное) состояние вещества. Например, при очень быстром охлаждении (миллионы градусов в секунду) даже металлы можно получить в некристаллическом стеклообразном состоянии.

Результаты моих исследований представлены в сводной таблице.

Характеристики	Монокристалл	Поликристалл (друза)	Аморфное состояние
Насыщенность раствора	насыщенный	насыщенный	перенасыщенный
Чистота раствора	практически без примесей	допускается небольшое наличие примесей	не влияет
Скорость охлаждения раствора	Медленная	Средняя	Очень быстрая
Наличие затравки	обязательно	не обязательно	не влияет

 

Заключение

Выращивание кристаллов – очень интересный и увлекательный процесс.

К сожалению, в данном процессе присутствует элемент случайности. Вроде и раствор насыщенный, и охлаждается медленно, а кристалл не образовывается, или готовишь новый раствор для бóльшего роста кристалла, а утром видишь, что кристалл не только не стал больше, но и совсем растворился … Тем не менее, можно выделить общие признаки роста кристаллов.

Во-первых, чем насыщеннее раствор, тем быстрее вероятность образования кристалла. Чем лучше отфильтрован раствор, тем больше вероятность образования монокристалла, т.к. примеси, оставшиеся в растворе, служат дополнительными центрами кристаллизации. Если раствор охлаждать недостаточно медленно, то это, с большой долей вероятности, приведет к образованию друзы (сростка кристаллов), т.к. его молекулы не успеют построить правильный кристалл. А при слишком резком охлаждении образуется аморфное (стеклообразное) состояние вещества. Например, при очень быстром охлаждении (миллионы градусов в секунду) даже металлы можно получить в некристаллическом стеклообразном состоянии.

Результаты моих исследований представлены в сводной таблице.

Характеристики	Монокристалл	Поликристалл (друза)	Аморфное состояние
Насыщенность раствора	насыщенный	насыщенный	перенасыщенный
Чистота раствора	практически без примесей	допускается небольшое наличие примесей	не влияет
Скорость охлаждения раствора	Медленная	Средняя	Очень быстрая
Наличие затравки	обязательно	не обязательно	не влияет

 

Тема кристаллов настолько обширна и разнообразна, что в рамках данной работы невозможно осветить все ее аспекты. Я планирую в дальнейшем продолжить изучение увлекательного процесса роста кристаллов. Например, можно научиться выращивать фантомы (кристалл в кристалле) или получить кристаллы чистой меди, используя медный купорос и раствор хлорида натрия. Или можно изучить теорию японского исследователя доктора Масару Эмото об уникальных свойствах воды. При охлаждении банок воды с разными надписями, позитивными и негативными, получались абсолютно разные снежинки, от красивых до безобразных.

Предлагаю Вам поближе познакомиться с удивительным и прекрасным миром кристаллов. Каждый кристалл имеет собственную жизнь и душу. Сумеет ли человечество познать её? Может это удастся Вам…

Список используемой литературы

1. Крапивин В.П. В глубине Великого кристалла

2. Минералы. Сокровища Земли. Еженедельное издание №1-№70, 2009-2011 г. Де Агостини.

3. Шаскольская М.Л. Кристаллы, М.: Наука, 1985 г.

4. Кантор Б.З. Минерал рассказывает о себе, М.: Недра, 1985 г.

5. Ольгин О., Опыты без взрывов, М.: “Химия”, 1995 г.

6. Стёпин Б. Д., Аликберова Л.Ю., Книга по химии для домашнего чтения, М.: Химия, 1994г.

7. Алексинский В. Н. Занимательные опыты по химии, М.: Просвещение, 1995 г.