Мир кристаллов

План

1.Строение и свойства кристаллов

      1.1. Что такое кристаллы, формы кристаллов, кристаллические системы

      1.2. Типы кристаллов

      1.3. Физические свойства кристаллов

   2. Выращивание кристаллов

       2.1. Естественное образование кристаллов в природе

       2.2. Искусственное выращивание кристаллов

     3. Выращивание кристаллов из насыщенных растворов

Введение

Кристаллы одни из самых красивых и загадочных творений природы. Изучая на уроке физики тему «Структура твердых тел», я заинтересовался тем, как можно вырастить кристалл в домашних условиях.               Мне стало интересно узнать, как получаются кристаллы в природе, отчего зависит их разнообразные формы, почему некоторые кристаллы очень красивы и имеют правильные геометрические формы.

Цель работы: изучить строение и физические свойства кристаллов, вырастить кристалл медного купороса в домашних условиях.

Задачи:

• изучить литературу  и интернет-ресурсы по данной теме.
• познакомиться с методами выращивания кристаллов.
• вырастить кристаллы из насыщенных растворов, пронаблюдать за процессом их роста.

1. Строение и свойства кристаллов.                                                                                                                                                                                                                                                                 1.1 Что такое кристаллы. Форма кристаллов, кристаллические системы.

При производстве горных работ нередко удается находить минералы, имеющие естественную форму многогранников. Им издавна присвоено название кристаллов. Слово «кристалл» происходит от древнегреческого названия стеклообразных кусков кварца, которые греки называли «krystallos». Они полагали, что кварц – особый вид льда, который не тает. В переводе с греческого «krystallos» означает лед. Но этим словом называют не только кристаллы замерзшей воды. Почти все камни, горные породы состоят из кристаллов. Руды металлов и сами металлы, выплавляемые из руд, соль, сахар и многое другое вокруг нас – это все кристаллические вещества. Самые красивые среди кристаллов – драгоценные камни. Нельзя не восхищаться изяществом и красотой форм, которые принимают неживые вещества. Каких только кристаллических тел не создала природа.  Примерами хорошо образованных кристаллов служат горный хрусталь, каменная соль, алмаз, рубин, изумруд, топаз.

   Горный хрусталь                                          

      Алмаз  

Кристаллы – это твердые тела, принимающие при своем образовании правильную геометрическую форму, и имеющие гладкие, часто блестящие плоские грани, острые углы и края.

В зависимости от относительных размеров частиц, образующих кристалл, и типа химической связи между ними кристаллы имеют различную форму, определенную способом соединения частиц. Характерная особенность формы кристаллов какого-нибудь вещества или минерала заключается в том, что углы между многими гранями или ребрами повторяются во всех образцах кристаллов одного и того же вещества и не повторяются в кристаллах разных веществ. Что касается формы граней, числа граней и ребер и величины кристалла, то для одного и того же вещества они могут значительно различаться друг от друга.

В соответствии с геометрической формой кристаллов существуют следующие кристаллические системы:

1. Кубическая
2. Гексагональная
3. Тетрагональная
4. Ромбическая
5. Моноклинная
6. Триклинная                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                     1.2Типы кристаллов.

В зависимости от того, какие частицы лежат в узлах кристаллической решетки, принято различать несколько типов кристаллов                                

        1)ионные                                          2)металлические

   2) атомные                                         4)молекулярные

  По количеству ячеек кристаллические тела делят на следующие типы:

1)монокристаллы

2) поликристаллы.

1.3.Физические свойства кристаллов

Форма

 Кристаллы имеют многогранную форму. Для кристаллических многогранников характерно то, что многие углы их повторяются во всех или почти во всех образцах кристаллов данного вещества.

Размер

По размерам кристаллы бывают различными. Многие из них можно увидеть только в микроскоп. Но встречаются гигантские кристаллы массой в несколько тонн.

Твердость

Твердость кристаллов — это комплексное физическое свойство, зависящее от внутренней структуры, значений межатомных расстояний, валентности ионов и атомов и т. д. Наиболее точные количественные значения твердости определяют с помощью специальных приборов — склерометров. Алмазную или стальную пирамидку вдавливают в пришлифованную поверхность минерала, а затем изменяют длину диагонали образовавшейся ямки. Затем эти значения рассчитываются в килограммах на 1 мм.  

Самозарождение и рост кристаллов

Способность кристаллов к самозарождению и росту является одним из важнейших их свойств. Они возникают и растут при испарении растворов, охлаждении растворов, в результате химических реакций.

Постоянство температуры плавления кристаллов

Очень важное свойство всякого кристаллического вещества состоит в том, что оно обладает вполне определенной температурой плавления, если только оно способно плавиться без разложения или иного химического превращения. По этому свойству можно отличить кристаллическое вещество от аморфного. Известно, что лед плавиться точно при 0 градусов Цельсия, олово при 230 градусов, железо при 1550. Это кристаллические вещества. Стекло, пластмассы, смолы не имеют определенной температуры плавления, при нагревании они размягчаются постепенно, так что нельзя сказать определенно, когда они перестанут быть твердыми и становятся жидкими. Это вещества аморфные.

Спайность

 Это свойство многих кристаллов заключается в их способности с большей или меньшей легкостью раскалываться по некоторым определенным плоскостям.

Пьезоэлектрические и пироэлектрические свойства

В Индии и на Цейлоне с древних времен, было известно, что кристаллы турмалина, положенные в горячую золу, сначала притягивали, а затем отталкивали частицы золы. Это явление стало известно в Европе в 1703 г., когда голландские купцы привезли кристаллы турмалина с Цейлона.

Карл Линней в 1747 г. дал турмалину научное название — электрический камень (tapis elektricus). Позже это явление было названо пироэлектричеством. Оно заключается в появлении электрических напряжений на гранях кристалла при нагревании.  

Проявления пьезоэлектрических свойств кристаллов впервые были установлены в 1880 г. Сущность этого явления заключается в том, что если к граням таких кристаллов подвести электрическое напряжение, кристаллы деформируются: сжимаются или растягиваются. И наоборот, если сжимать или растягивать пьезокристалл, на его гранях возникают электрические напряжения.

Как правило, все пироэлектрические кристаллы являются пьезоэлектриками, но не все пьезоэлектрики обладают пироэлектрическими свойствами.

Другие свойства

Многие свойства кристаллов решающим образом зависят не только от симметрии, но и от количества и типов дефектов в кристаллах. Таковы прочность и пластичность, окраска, люминесцентные свойства и др. Окраска многих кристаллов (поглощение света в них) связана с наличием в них тех или иных примесных атомов.

Основной отличительный признак свойств кристаллов — их анизотропия, т.е. зависимость от направления, тогда как в изотропных (жидкостях, аморфных твёрдых телах) или псевдоизотропных (поликристаллы) телах свойства от направлений не зависят.

Все свойства кристаллов связаны между собой и обусловлены его кристаллической структурой — расположением атомов и силами связи между ними. Эти силы обусловлены электронным строением атомов или молекул, составляющих кристаллическую решётку. При этом ряд свойств кристаллов зависит непосредственно от межатомных взаимодействий, например тепловые, упругие, акустические свойства.

Электрические, магнитные, оптические свойства существенно зависят от распределения электронов по уровням энергии (от электронного спектра). Так, очень высокая электропроводность металлов или относительно низкая у диэлектриков и полупроводников, связаны с высокой или низкой концентрацией электронов проводимости.

   2. Выращивание кристаллов

Рост кристаллов можно разделить на две группы. Это естественное образование кристаллов в природе и искусственное выращивание

3. Выращивание кристалла

Выращивание кристаллов в домашних условиях производят разными способами. Например, охлаждая насыщенный раствор или постепенным удалением воды из насыщенного раствора. Для своего опыта я выбрал первый способ. Для проведения опыта мне необходимо было приготовить насыщенный раствор, сделать затравку и пронаблюдать за ростом кристалла. Опыт включал в себя следующие этапы:

Этап 1:

Растворить соль, из которой будет расти кристалл, в горячей  воде (подогтерть нужно для того, чтобы соль растворилось немного больше, чем может раствориться при комнатной температуре). Растворять соль до тех пор, пока она не перестанет растворяться.

Для выполнения этого этапа я использовал 300 мл кипяченой волы, 300 гр. медного купороса. Вода была налита в банку, которую я нагревал на водяной бане и растворял там медный купорос до тех пор, пока он не перестал там растворяться. После этого дал раствору остыть, чтобы выбрать выпавшие кристаллики для затравки. 

Этап 2:

 Насыщенный раствор перелить в другую ёмкость, где можно производить выращивание кристаллов (с учётом того, что он будет увеличиваться).  Так как у меня не было  ёмкости для поддержания постоянной температуры, я каждый день нагревал раствор на водяной бане и затем давал ему остывать при комнатной температуре.

Этап 3:

 Привязать  на нитку кристаллик медного купороса, нитку привязать, например, к карандашу  и опустить в ёмкость, где налит насыщенный раствор.  Перенести ёмкость с насыщенным раствором и кристалликом в место, где нет сквозняков, вибрации и сильного света (выращивание кристаллов требует соблюдение этих условий). Накрыть чем-нибудь сверху ёмкость с кристалликом (например бумагой) от попадания пыли и мусора. 

Этап 4:

Проводить ежедневные наблюдения и замеры кристалла

Таблица роста кристалла

Вывод

В данной работе была рассказана лишь малая часть того, что известно о кристаллах в настоящее время, однако и эта информация показала, насколько неординарны и загадочны кристаллы по своей сущности.

В облаках, на вершинах гор, в песчаных пустынях, морях и океанах, в научных лабораториях, к клетках растений, в живых и мертвых организмах – везде встретим мы кристаллы.  Люди привыкли использовать кристаллы, делать из них украшения, любоваться ими. Теперь, когда изучены методы искусственного выращивания кристаллов, область их применения расширилась, и, возможно, будущее новейших технологий принадлежит кристаллам и кристаллическим агрегатам.   

Изучая литературу и интернет ресурсы по данной теме, мне удалось вырастить поликристалл и монокристалл медного купороса. Наблюдая за ростом кристалла, я заметил, что наиболее быстро он растет в первые 3-4 дня, затем его рост замедляется, начинается корректировка дефектов. При росте данного монокристалла к нему присоединялись ещё маленькие кристаллики, я их удалял при замерах. При удалении маленьких кристалликов образовывались неровности, которые в последние дни затягивались и кристалл становился гладким, без повреждений.

 Искусственные кристаллы  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. Мне очень понравилось самому выращивать кристаллы, наблюдать за их ростом очень интересно.

Выполнил: Гаврилин Андрей