Кристаллы. кристаллы. Центр образования 27
 Скачать 7.96 Mb.
|
Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение «Центр образования № 27»Автор: Дмитриева А. А. Ученица 10-Б класса МБОУЦО № 27. Индивидуальный проект «Кристаллы. Их выращивание и применение» Руководитель: Горшкова О. Д. Учитель физики МБОУЦО № 27, Учитель высшей категории «Отличник образования». Содержание Введение …..…………………………………………………………………………………………………….. 3 1. Цели и задачи …………………….…………………………………………………………………………….. 4 2. Актуальность ………………………………….……………………………………………………………….. 5 3. План работы ……………….......…………….………………………………………………………………...... 6 4. Кристаллы……..…..……………………………………………………………………………………………... 7 4.1. Природа кристалла………….……………………….……………………………………………………… 7 4.2. Свойства кристаллов…………………………………………………..………….………………………. 11 4.3. Жидкие кристаллы……………………………...…………………………………………………………. 18 4.4. Драгоценные кристаллы……………………...…………………………………………………………… 27 4.5. Дефекты в кристаллах……………………….……………………………………………………………. 30 5. Практическая часть……………………………………………………………………………………………. 34 6. Вывод по экспериментам…..………………………………………………………………………………..… 39 Заключение …………………………………………………………………………..…………..……………. 40 Список использованной литературы ……………..………………………………………..………………. 41 Введение Почему меня заинтересовала эта тема? 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. Что такое кристаллы? Какими свойствами они обладают? Что такое кристаллическая решётка? Как растут кристаллы? 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 я не нашла или эти ответы были неполными. Благодаря новейшим открытиям в области физики твёрдого тела, а точнее в физике кристаллических тел, произошёл огромный скачок в развитии науки и техники, современных средств связи, компьютерной техники, космических аппаратов. И, может быть, проведённое мной исследование повлечёт за собой осознанный выбор моей будущей профессии. Цели : Изучить строение и физическое свойства кристаллов, благодаря которым они нашли такое широкое применение. Исследовать области применения кристаллов. Выяснить, почему человек издавна обращает внимание на некоторые кристаллы и называет их драгоценными, за какие свойства и качества. Выращивание кристаллов и наблюдение за процессом их роста. Задачи :Познакомиться с представлениями ученых о твердых кристаллах на протяжении нескольких столетий.Рассмотреть особенности пространственных решеток и их классификацию.Изучить физические свойства кристаллов.Выбрать способ, приемлемый для выращивания кристаллов в домашних условиях.Создать мультимедийную презентацию по теме проекта.Актуальность Актуальность исследования состоит в том, что выращивание кристаллов - увлекательное занятие, самое простое, доступное и недорогое для большинства юных открывателей. Объясняется интересом образования различных по форме и цвету кристаллов в любое время года. Значимость также заключается в том, что учёные создают новые вещества с уникальными свойствами, без которых невозможен технический прогресс. Так были созданы сверхпрочные кристаллы, применяемые для буровых установок по добыче нефти и газа, синтезированы кристаллы для лазерной медицины и металлообработки. Неотъемлемой частью нашей жизни стали приборы на основе жидких кристаллов. План работы: 1. Что такое кристалл? 2. Природа процесса роста кристаллов. 3.Типы кристаллических решеток. 4. Идеальные и реальные кристаллы. 5. Моно- и поликристаллы. 6. Анизотропия и изотропия. 7. Полиморфизм. 8. Жидкие кристаллы: их открытие и использование. 9. Виды кристаллов по количеству вершин. 10. Драгоценные кристаллы. 11. Дефекты в кристаллах. 12. Проведение опытов. Кристаллы Кристаллы, в переводе с греческого языка, (krystallos) означают «лёд». Кристаллы − твёрдые тела, в которых атомы расположены закономерно, образуя трёхмерно-периодическую пространственную укладку − кристалличес-кую решётку. Кристаллы − твёрдые вещества, имеющие естественную внешнюю форму правильных симметричных многогранников, основанную на их внутренней структуре. Все кристаллы одного вещества имеют одинаковую форму, хоть и могут отличаться размерами. Каждому химическому веществу, находящемуся при данных термодинамических условиях в кристаллическом состоянии, соответствует определенная кристаллическая структура. В природе существуют сотни веществ, образующих кристаллы. Природа процесса роста кристаллов Рост кристаллов можно разделить на пункты: Естественный (образование кристаллов в природе); Искусственный: а) для научно-технических целей; б) на занятиях экспериментальных, практических, внеклассных работ; в) случайный рост кристаллов - результат был достигнут непреднамеренно, опыт прошёл без контроля экспериментатора, имели место неучтённые факторы или условия, имели место дополнительные химические и физические процессы (испарение растворителя через треснувшую пробку и др.).Следует разделять реальные и идеальные кристаллыСвойства кристаллов Монокристаллы и поликристаллы Кристаллические тела могут быть монокристаллами и поликристаллами. Монокристаллом называют одиночный кристалл, имеющий макроскопическую упорядоченную кристаллическую решётку. Монокристаллы обычно обладают геометрически правильной внешней формой, но этот признак не является обязательным (кварц, алмаз, рубин, сапфир, изумруд и т.д.). Большинство встречающихся в природе и получаемых в технике твердых тел представляют собой совокупность сросшихся друг с другом хаотически ориентированных маленьких кристаллов − кристаллитов. Такие тела называются поликристаллами. В отличие от монокристаллов поликристаллы изотропны, т. е. их свойства одинаковы во всех направлениях (металлы и их сплавы, сахар и т.д.). Монокристаллы Монокристалл – это одиночный кристалл. Физические свойства: 1) Правильная геометрическая форма 2) Постоянная температура плавления 3) Анизотропия (различие в физических свойствах от выбранного в кристалле направления)Кварц Алмаз Поликристаллы Поликристаллы – это твёрдые тела, состоящие из большого числа маленьких кристалликов. Физические свойства: 1) Правильная форма 2) Постоянная температура плавления 3) Изотропия (физические свойства одинаковые по всем направлениям) Кремний Сахар Анизотропия и изотропия Анизотропия – различие свойств по различным направлениям (по разным направлениям в одной плоскости решетки или по разным направлениям кристаллографическим плоскостям). Она характерна для только для кристаллических тел и связана с правильным распространением атомов в пространстве. => плотность упаковки различна =>свойства различны. Причина: упорядоченность атомов. Изотропия – одинаковость свойств по всем направлениям, присуща аморфным веществам. В них атомы располагаются хаотично. Графит - пример кристалла с так называемой слоистой структурой, у него различие структуры вдоль слоев и поперёк них бросается в глаза. В других структурах эти различия могут быть не так уж очевидны, но всегда от симметрии структуры, от расположения атомов, от сил связи между ними зависит анизотропия свойств кристалла. Кристаллы со слоистой структурой - слюда, гипс, графит, тальк в направлении слоев совсем легко расщепляются на тонкие листочки, но невозможно разрезать или расколоть их в других плоскостях. Бесцветные кристаллы каменной соли прозрачны, как стекло. А вот разбиваются они совсем не 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 весьма совершенной спайностью: при ударе они всегда разбиваются на так называемые ромбоэдры с гладкими, плоскими гранями. Ромбоэдр – это косоугольный параллелепипед, или, можно сказать, куб, вытянутый 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. Полиморфизм Полиморфизм – это способность некоторых веществ существовать в состояниях с различной атомной кристаллической структурой. 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. Однородность – выражается в том, что любые элементарные объёмы кристаллического вещества, одинаково ориентированные в пространстве, абсолютно одинаковы по всем своим свойствам: имеют один и тот же цвет, массу, твердость , и т.д. Таким образом кристаллы есть однородное, но в тоже время анизотропное тело. Способность к самоогранению – выражается в том, что любой обломок кристалла в соответствующей для его роста среде, с течением времени покрывается гранями. Кристаллические решетки металлов часто имеют форму шестигранной призмы (цинк, магний), гранецентрированного куба (медь, золото) или объемно центрированного куба (железо). Постоянная температура плавления – выражается в том, что при нагревании кристалла температура повышается до определённого предела. При дальнейшем нагревании вещество начинает плавится, а температура некоторое время остается постоянной, также всё тепло идет на разрушение кристаллической решетки. Прочность кристалла при растяжении При растяжении образца предел прочности определяется максимальным значением результирующей силы межионного притяжения, приходящейся на элемент сечения единичной площади, перпендикулярный направлению растяжения. Жидкие кристаллы Жидкий кристалл – это специфическое агрегатное состояние вещества, в котором оно проявляет одновременно свойства кристалла и жидкости. Далеко не все вещества могут находиться в жидкокристаллическом состоянии. Большинство веществ может находиться только в трех агрегатных состояниях: твердом или кристаллическом, жидком и газообразном. Оказывается, некоторые органические вещества, обладающие сложными молекулами, кроме трех названных состояний, могут образовывать четвертое агрегатное состояние – жидкокристаллическое. Это состояние осуществляется при плавлении кристаллов некоторых веществ. При их плавлении образуется жидкокристаллическая фаза, отличающаяся от обычных жидкостей. Эта фаза существует в интервале от температуры плавления кристалла до некоторой более высокой температуры, при нагреве до которой жидкий кристалл переходит в обычную жидкость. Для жидких кристаллов характерна вытянутая структура молекул, которая приводит к анизотропии свойств. Жидкие кристаллы обладают важными оптическими свойствами, которые в широких пределах изменяются внешними воздействиями. Разделяют три вида жидких кристаллов: нематические, смектические, холестерические. Жидкие кристаллы открыл в 1888 г. австрийский ботаник Ф. Рейнитцер. Он обратил внимание, что у кристаллов холестерилбензоата и холестерила-цетата было две точки плавления и, соответственно, два разных жидких состояния – мутное и прозрачное. Долгое время физики и химики в принципе не признавали жидких кристаллов, потому что их существование разрушало теорию о трёх состояниях вещества: твёрдом, жидком и газообразном. Учёные относили жидкие кристаллы то к коллоидным растворам, то к эмульсиям. Научное доказательство было предоставлено профессором университета Карлсруэ Отто Леманном после многолетних исследований, но даже после появления в 1904 году написанной им книги «Жидкие кристаллы», открытию не нашлось применения. В 1963 г. американец Дж. Фергюсон использовал важнейшее свойство жидких кристаллов – изменять цвет под воздействием температуры – для обнаружения невидимых простым глазом тепловых полей. После того как ему выдали патент на изобретение, интерес к жидким кристаллам резко возрос. Нематические жидкие кристаллы Название происходит от греческого «нема» – нить. Нематические жидкие кристаллы характеризуются ориентацией продольных осей молекул вдоль некоторого направления, т. е. для них характерен дальний ориентационный порядок. Нити подвижны и хорошо заметны в естественном свете. Важными характеристиками нематических жидких кристаллов являются оптическая и диэлектрическая анизотропия. По электрическим свойствам нематические жидкие кристаллы имеют невысокое удельное сопротивление. Упорядоченность в ориентации поперечных осей молекул и в расположении их центров тяжести отсутствует. Это обеспечивает свободу поступательных перемещений молекул. Смектические жидкие кристаллы Название произошло от греческого «смегма», что означает «мыло», так как впервые жидкие кристаллы этого типа обнаружены в мылах. В смектических жидких кристаллах концы молекул как бы закреплены в плоскостях, перпендикулярных продольным осям молекул. Смектические кристаллы характеризуются слоистым строением. Смектики – это наиболее обширный класс жидких кристаллов. Из-за высокой вязкости смектические кристаллы не получили широкого применения в технике. Холестерические жидкие кристаллы Жидкие кристаллы холестерического типа дают производные холестерина. Молекулы холестерических жидких кристаллов имеют форму продолговатых пластинок, расположенных параллельно друг другу. Своеобразная молекулярная структура холестерических жидких кристаллов обусловливает их уникальные оптические свойства. Холестерические жидкие кристаллы обладают весьма большой оптической активностью, на два-три порядка превышающей оптическую активность органических жидкостей и твердых кристаллов, и резко изменяют окраску при изменении температуры среды на десятые доли градуса, а также при изменении состава среды на доли процента. Использование жидких кристаллов Электрооптические свойства жидких кристаллов широко используют в системах обработки и отображения информации, в буквенно-цифровых индикаторах (электронные часы, микрокалькуляторы, дисплеи и т. п.), оптических затворах. Преимущества этих приборов – низкая потребляемая мощность (порядка 0,1 мВт/см2), низкое напряжение питания, что позволяет, например, сочетать жидкокристаллические дисплеи с интегральными схемами и тем самым обеспечивать миниатюризацию индикаторных приборов (плоские телевизионные экраны). Одно из важных направлений использования жидких кристаллов – термография. Подбирая состав жидкокристаллического вещества, создают индикаторы для разных диапазонов температуры и для различных конструкций. Например, жидкие кристаллы в виде плёнки наносят на транзисторы, интегральные схемы и печатные платы электронных схем. Неисправные элементы – сильно нагретые или холодные (т.е. неработающие) – сразу заметны по ярким цветовым пятнам. Новые возможности получили врачи: нанося на тело пациента жидкокристаллические материалы, врач может легко выявлять затронутые болезнью ткани по изменению цвета в тех местах, где эти ткани выделяют повышенное количество теплоты. Таким образом, жидкокристаллический индикатор на коже больного быстро диагностирует скрытое воспаление и даже опухоль. С помощью жидких кристаллов обнаруживают пары вредных химических соединений и опасные для здоровья человека гамма- и ультрафиолетовое излучения. На основе жидких кристаллов созданы измерители давления, детекторы ультразвука. Драгоценные кристаллы Важно отметить, что драгоценные кристаллы в необработанной форме – не такие уж красивые. Их еще называют камнями или минералами. Драгоценными они называются, потому что очень красивы в огранке и используются в ювелирном деле. Многим знакомы драгоценные камни аметисты, бриллианты, сапфиры, рубины. Самым твердым камнем считается алмаз. Хрупкий кристалл травянисто-зеленого цвета – изумруд. Разновидностью минерала корунда красного цвета является рубин. Месторождения этого кристалла существуют почти на всех континентах. Что считается неоспоримым его идеалом? Бирманские рубины. Месторождения рубинов в РФ находятся в Челябинской и Свердловской областях. Прозрачными драгоценными кристаллами различной окраски – от бледно-голубой до темно-синей – являются сапфиры. Это хоть и редкий минерал, но ценится ниже рубина. Дорогой разновидностью кварца является прекрасный драгоценный камень аметист. Аметист имеет красивый фиолетовый или лиловый отлив. Необычные друзы Очень красивым зрелищем являются друзы. Это собрание множества кристаллов на одном основании. Они имеют положительную и отрицательную полярность. С их помощью очищается воздух и перезаряжается атмосфера. В природе встречаются друзы кварца, изумруда, топаза. Человеку они несут спокойствие и гармонию. Друзами еще называют сросшиеся кристаллы. Чаще всего такому явлению подвержены гранаты, пириты, флюориты. Они часто выставляются в виде экспонатов музеев. Мелкие сросшиеся кристаллики называют щеткой, большие минералы именуют цветком. Очень красивой разновидностью друз являются жеоды. Они растут на стенках. Высоко ценятся друзы агата, селенита, аметиста, цитрина, мориона. Российские алмазы Итак, самый твердый кристалл – алмаз – добывают из кимберлитовых трубок, образовавшихся в результате извержений подземных вулканов. Кристаллическая решетка этого камня образуется под воздействием высокой температуры и высокого давления углерода. Добыча алмазов в России началась в Якутии только в середине прошлого века. Сегодня РФ уже находится в лидерах по добыче этих драгоценных камней. Ежегодно на добычу алмазов в России выделяются миллиарды рублей. Стоит отметить, что на тонну кимберлитовых трубок приходится несколько карат алмазов. Дефекты в кристаллах Дислокация – это дефекты кристаллического строения, представляющие собой линии, вдоль и вблизи которых нарушено характерное для кристалла правильное расположение атомных плоскостей. Вакансия – свободный, незанятый атомом, узел кристаллической решетки. Собственный межузельный атом – атом основного элемента, находящийся в междоузельном положении элементарной ячейки. Примесный атом замещения – замена атома одного типа, атомом другого типа в узле кристаллической решетки. В позициях замещения могут находиться атомы, которые по своим размерам и электронным свойствам относительно слабо отличаются от атомов основы. Примесный атом внедрения – атом примеси располагается в междоузлии кристаллической решетки. В металлах примесями внедрения обычно являются водород, углерод, азот и кислород. В полупроводниках – это примеси, создающие глубокие энергетические уровни в запрещенной зоне, например, медь и золото в кремнии. 1. Точечные (нульмерные) дефекты. Само их название свидетельствует о том, что нарушения структуры локализованы в отдельных точках кристалла. Размеры указанных дефектов во всех трех измерениях не превышают одного или нескольких межатомных расстояний. К точечным дефектам относят вакансии ,атомы в междоузлиях, атомы примесей в узлах или междоузлиях.Точечные дефекты могут появиться в твердых телах вследствие нагревания (тепловые дефекты), облучения быстрыми частицами (радиационные дефекты), пластической деформации. 2. Линейные (одномерные) дефекты характеризуются тем, что нарушения периодичности простираются в одном измерении на расстояния, много большие параметра решетки, тогда как в двух других измерениях они не превышают нескольких параметров. Линейными дефектами являются дислокации, микротрещины. Дислокации возникают в результате пластической деформации кристалла в процессе роста или при последующих обработках. 3. Поверхностные (двухмерные) дефекты в двух измерениях имеют размеры, во много раз превышающие параметр решетки, а в третьем - несколько параметров. Двухмерные дефекты могут быть следствием наличия примесей в расплаве. Границы зерен и двойников, дефекты упаковки, межфазные границы, стенки доменов, а также поверхность кристалла представляют собой двухмерные дефекты. 4. Объемные (трехмерные) дефекты – это микропустоты и включения другой фазы. Они возникают обычно при выращивании кристаллов или в результате некоторых воздействий на кристалл. Нульмерные (точечные) дефектыЛинейные дефекты – дислокации Краевая дислокация Поверхностные (двухмерные) дефекты Объемные (трехмерные) дефекты Винтовая дислокация Винтовые дислокации образуются при скольжении одной атомной плоскости относительно другой по винтовой линии не менее чем на один период.
Схема образования винтовой дислокации Практическая часть Для приготовления насыщенного раствора я налила в ёмкость объемом 200 мл горячей воды и добавила туда 100 г сухого медного купороса. Затем добавляла несколько раз по половине ложки вещества и тщательно размешивала до полного его растворения. После того, как медный купорос перестал растворяться и стал оседать на дне ёмкости, я прекратила добавление. У меня получился насыщенный раствор. Затем я поставила банку с раствором в спокойное место и закрыла крышкой, чтобы туда не попала пыль. Когда вода начала остывать, из раствора начали образовываться кристаллы. Это получился поликристалл, который я высушила на салфетке и сделала из него затравку. Спустя неделю затравка обрастает кристаллами Спустя две недели кристалл вырос еще больше и потемнел Затравку необходимо привязать на нитку и опустить в новый насыщенный раствор . Для более быстрого роста кристалла необходимо постоянно менять раствор , чтобы он всё время оставался насыщенным. Кристалл, выращенный на свету Кристалл, выращенный в холодильнике Наблюдения за ростом кристалла медного купороса Не меняя положение затравки, я периодически измеряла размеры некоторых граней и заметили следующее: грани изменяют свои размеры – растут, но форма их остаётся неизменной, углы между соответственными гранями тоже остаются постоянными. Но, возможно, эта закономерность характерна только данному кристаллу? Поэтому я вырастила два разных кристалла медного купороса, сравнила формы граней и измерила их углы. Оказалось, что и для другого кристалла эта закономерность тоже справедлива. Это даёт право говорить о том, что в различных кристаллах одного и того же вещества и форма граней, и их взаимные расстояния, и их число могут изменяться, но углы при этом остаются постоянными. Растворимость медного купороса при 20 °С составляет 35,6 г в 100 г воды. Я взяла 200 мл воды, значит необходимо: 35,6 · 200/100 = 71,2 г CuSO4 · 5H2O. За неделю может вырасти кристалл длинной в 1 см, за три-пять недель – 5 см. К сожалению, на воздухе кристаллы медного купороса теряют часть своей воды, при этом происходит их выветривание (разрушение). Чтобы кристаллы медного купороса сохранились дольше, нужно поместить их в плотно закрытую банку и хранить в прохладном помещении. По аналогии можно вырастить кристалл из поваренной соли. Делая опыты с солью, я пришла к следующим выводам: – соль хорошо растворяется в воде; – в процессе испарения образует бесцветные кристаллы кубической формы; – увеличиваясь в размерах , кристаллы срастаются; – грани выросшего кристалла гладкие, если росту кристалла ничто не мешает. Вывод по экспериментам Для выращивания кристаллов необходимы: 1. Перенасыщенный раствор. 2. Постоянная температура. 3. Не менять место положения. 4. Для сохранения покрыть кристалл лаком. 5. Кристаллик нельзя, (при росте) без особой причины, вынимать из раствора. 6. Не допускать попадание мусора в насыщенный раствор. 7. Периодически (раз в неделю) менять или обновлять насыщенный раствор. Заключение При выполнении этой работы мы выяснили, что мир кристаллов красив и разнообразен. Каждый его представитель уникален по своим свойствам, размерам и особенностям строения. Кроме того, что кристаллы красивы, они играют важную роль в жизни человека. В ходе работы мы исследовали очень интересное свойство кристаллов- их рост в искусственной среде. Оказывается, кристаллы можно вырастить дома, без каких-либо усилий. В результате проведенных исследований гипотеза полностью подтверждается: нам удалось вырастить кристаллы медного купороса в домашних условиях. Список использованной литературы:
Спасибо за внимание! |