проектная работа ученика 10 класса. проект кристаллы. Выращивание кристаллов в домашних условиях
 Скачать 36.36 Kb.
|
|
Муниципальное общеобразовательное учреждение «Средняя общеобразовательная школа имени Героя Советского Союза С.М. Иванова» р.п. Турки Турковского района Саратовской области Тема проекта: «Выращивание кристаллов в домашних условиях» Автор: Тенигин Анатолий, учащийся 10 «Б» класса МОУ «СОШ им. С.М. Иванова» р.п. Турки Руководитель: Жгунова Людмила Викторовна, учитель физики МОУ «СОШ им. С.М. Иванова» р.п. Турки р.п. Турки 2022 г. Содержание Введение………………………………………………………………………..3 1. Основная часть………………………………………………………………5 1.1. Из истории…………………………………………………………………5 1.2. Что такое кристалл…………………………………………………………5 1.3. Разнообразие кристаллов………………………………………………….6 1.4. Способы образования кристаллов…………………………………………7 1.5. Образование кристаллов в природе………………………………………..7 1.6. Выращивание кристаллов в промышленности…………………………..8 1.7. Выращивание кристаллов в домашних условиях………………………..9 2. Практическая часть…………………………………………………………..11 2.1. Выращивание кристаллов из поваренной соли…………………………11 Заключение……………………………………………………………………..12 Список источников…………………………………………………………….13 Приложение…………………………………………………………………….14 Введение «Почти весь мир кристалличен. В мире царит кристалл и его твердые, прямолинейные законы». А.Е. Ферсман. Драгоценные камни всегда завораживали взгляд людей. Их безупречная форма и цвет восхищают. 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! Большинство окружающих нас твердых тел представляют собой вещества в кристаллическом состоянии. Например, снежинки, морозные узоры на стеклах окон и иней, украшающий зимой голые ветки деревьев. Многие кристаллы - продукты жизнедеятельности организмов. Способностью наращивать на инородных телах, попавших в раковину, перламутр, обладают некоторые виды моллюсков. Через 5-10 лет образовывается жемчуг. Кристаллами являются алмазы, рубины, сапфиры и другие драгоценные камни. Но кристаллы также можно получить лабораторным путем. Например, за сутки в лаборатории можно вырастить кристалл соли массой около 1 килограмма. Эти опыты заставляют задумываться над 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 в домашних условиях, решил я. Актуальность исследования состоит в том, что выращивание кристаллов - увлекательное занятие, самое простое, доступное и недорогое для большинства юных открывателей. Целью данной работы является изучение процесса роста кристаллов в природе, в промышленности и в домашних условиях, а также научиться выращивать кристаллы соли в домашних условиях. Задачи исследования: узнать, что такое кристалл. узнать, как образовываются кристаллы в природе. более подробно узнать о видах кристаллов и методах их выращивания; узнать о значении кристаллов в жизни человека; вырастить кристаллы соли; изучить условия образования кристаллов, их формы, цвета; проанализировать полученные результаты. Гипотеза: кристаллы поваренной соли можно вырастить дома Объект исследования: соль и кристаллы соли Предмет исследования - процесс кристаллизации. Методы исследования: Исследовательский (подбор материала в соответствии с тематикой проекта, используя научную литературу и интернет ресурсы); Аналитический – обобщение полученных опытов. Выращивание кристаллов - это сложный технологический процесс, поэтому, чем дольше ждёшь, тем более впечатляющими будут результаты. В своем исследовании я постарался выяснить процесс образования кристаллов. Мне было интересно узнать, как кристаллы растут в природе. Я вырастил кристаллы дома. Я думаю, что моя работа полезна тем, что я могу рассказать ребятам, что из простых и доступных материалов можно создать неповторимые кристаллы. А добавив немного фантазии, можно создать композиции для украшения своего дома. 1. Основная часть 1.1. Из истории Слово «кристаллос» в переводе с греческого первоначально означало «лёд», а в дальнейшем «горный хрусталь». Удивительное сходство кристаллов льда и горного хрусталя было подмечено уже очень давно. В древности и в средние века думали, что кристаллы горного хрусталя и кристаллы льда – одно и то же, только лёд замерзает у нас на глазах, а горный хрусталь – лишь при особенно сильном морозе. Предполагали, что лёд становится хрусталём через тысячу лет, а хрусталь становится алмазом через тысячу веков. Но словом «кристалл» называют не только кристаллы замерзшей воды. Почти все камни, горные породы состоят из кристаллов. Руды металлов и сами металлы, выплавляемые из этих руд, соль, сахар и многое другое вокруг нас – это все кристаллические вещества. Самые красивые среди кристаллов – драгоценные камни. Первые сведения о горном хрустале мы находим у римского учёного Плиния Старшего (I век н. э.), величайшего авторитета для учёных древности и средневековья. В древности кристаллам приписывали всякие необыкновенные свойства. Считали, например, что кристалл аметиста навевает счастливые сны. Изумруд спасает мореплавателей от бурь. Сапфир помогает при укусах скорпионов. Алмаз бережёт от болезней. Топаз приносит счастье в ноябре. Гранат – в январе и т. д. Человека, укушенного змеёй, заставляли съесть толчёный изумруд. Можно себе представить, как это помогало больному! Так рассуждать могли только в те времена, когда ещё не умели проверять свои утверждения опытом. Древние обитатели Америки – инки – поклонялись как божеству большому кристаллу зелёного изумруда. 1.2. Что такое кристалл. Чаще всего кристаллы представляют собой многогранники, стороны (грани) их идеально плоские, рёбра строго прямые. Они радуют глаз чудесной игрой света в гранях, удивительной правильностью строения. Однако кристаллы - совсем не музейная редкость. Кристаллы окружают нас повсюду. Твёрдые тела, из которых мы строем дома и станки, вещества, которые мы употребляем в быту, - почти все они относятся к кристаллам. Почему же мы этого не видим? Дело в том, что в природе редко попадаются тела в виде отдельных одиночных кристаллов (или как говорят монокристаллов). Чаще всего вещество встречается в виде прочно сцепившихся кристаллических зёрнышек уже совсем малого размера - меньше тысячной доли миллиметра. Такую структуру можно увидеть лишь в микроскоп. Тела, состоящие из кристаллических зёрнышек, называются мелкокристаллическими, или поликристаллическими ("поли" - по-гречески "много"). Конечно, к кристаллам надо отнести и мелкокристаллические тела. Тогда окажется, что почти все окружающие нас твёрдые тела - кристаллы. Песок и гранит, медь и железо, салол, продающийся в аптеке, и краски - всё это кристаллы. Есть и исключения, так стекло и пластмассы не состоят из кристалликов. Такие твёрдые тела называются аморфными. Изучать кристаллы - это значит изучать почти все окружающие нас тела. Так что же такое кристаллы? 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. 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. 1.3. Разнообразие кристаллов. Кристаллы, которые залегают глубоко в земле, являются бесконечно разнообразными. Их часто называют «цветами мира камней». Размеры таких природных многогранников достигают подчас человеческого роста. Встречаются также очень тонкие кристаллы, толщина которых меньше чем у листка бумаги. Но бывают и огромные пласты, толщина которых достигает нескольких метров. Бывают кристаллы маленькие, узкие и острые как иголки, но также могут быть громадной формы, на подобии величественных колонн. Иногда образуются дендриты - это кристаллы, похожие на веточки дерева; очень хрупкие, но очень красивые. Многие кристаллы идеально чисты и прозрачны, как вода. Недаром постоянно можно слышать выражения: «прозрачный, как кристалл», «кристально чистый». 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. Кристаллы могут иметь всевозможные формы. Все известные в мире кристаллы могут быть разделены на 32 вида, которые в свою очередь могут быть сгруппированы в шесть видов. Кристаллы могут иметь форму различных призм, основанием которых могут быть правильный треугольник, квадрат, параллелограмм и шестиугольник. 1.4. Способы образования кристаллов. Существует три способа образования кристаллов: кристаллизация из расплава, из раствора и из газовой фазы. Примером кристаллизации из расплава может служить образование льда из воды (ведь вода - это расплавленный лёд), а также образования вулканических пород. Пример кристаллизации из раствора в природе - выпадение сотен миллионов тонн соли из морской воды. При охлаждении газа (или пара) вещество переходит в кристаллическое твёрдое вещество - так образуются снежинки. Наиболее распространёнными способами искусственного выращивания монокристаллов являются кристаллизация из раствора и из расплава. В первом случае кристаллы растут из насыщенного раствора при медленном испарении растворителя или при медленном понижении температуры. Если твёрдое вещество нагреть, оно перейдёт в жидкое состояние - расплав. Трудности выращивания монокристаллов из расплавов связаны с высокой температурой плавления. 1.5. Образование кристаллов в природе. По размерам природные кристаллы могут быть самыми разными: от микроскопических до весьма крупных вплоть до нескольких метров длиной и в поперечном сечении. Внешний облик кристаллов зависит от того, насколько спокойно происходил их рост. Большинство кристаллов в природе растут медленно - тысячи и миллионы лет. Некоторые кристаллы растут очень быстро, например кристаллы растворимых солей, иногда сублимационных минералов (сера, таблички гематита) в кратерах действующих вулканов. Кристаллы образуются, когда какое-либо вещество или их комплекс переходит из жидкого или газообразного состояния в твердое. Рост кристалла начинается с образования зародышей и скелетных форм. При длительном равномерном и беспрепятственном поступлении вещества со всех сторон возникают нормальные кристаллические формы, но в большинстве случаев кристаллы стеснены в своем росте соседними телами (соседними кристаллами). Это приводит к образованию несовершенных кристаллов с искаженными гранями, так как поступление растворов, питающих кристалл, происходит с разных сторон неравномерно. 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. 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. Мегакристаллы селенита были сформированы гидротермальными жидкостями, исходящими от пещер, расположенных ниже. 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». 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. 1.6. 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. Например, синтетический рубин — искусственный драгоценный камень, являющийся полным аналогом натурального рубина, получаемый выращиванием монокристалла из расплава корунда. В 1877 году Эдмон Фреми и Шарль Фейль получили кристаллы рубина. Полностью синтетический крупный корундовый рубин получен французским ученым Огюстом Вернейлем, который придумал оригинальную технологию и оборудование, позволяющие за 2 — 3 часа выращивать кристаллы рубина массой 20 — 30 каратов. Изобретение Вернейля не только дало возможность искусственно производить рубин для ювелирных и технологических целей в необходимых количествах и крупных размерах, но и открыло перспективы синтеза и выращивания кристаллов других драгоценных камней. 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. 1.7. Выращивание кристаллов в домашних условиях. В домашних условиях достаточно просто можно вырастить кристаллы из соли и сахара. Чтобы вырастить кристаллы, сначала надо приготовить насыщенный раствор: в очень горячую, но не кипящую, воду надо насыпать вещество и размешивать до тех пор, пока оно не перестанет растворяться. Готовый раствор фильтруют во второй химический стакан, в котором и будет происходить рост кристалла. Конечно же, для фильтрации раствора лучше всего использовать хороший, лабораторный фильтр из фильтровальной бумаги и стеклянную воронку. Далее можно, не дожидаясь когда раствор остынет, повесить на карандаше ниточку с маленькой гаечкой или камешком так, чтобы она погрузилась в раствор, но не касалась дна, при этом нитку, находящуюся выше груза можно смазать вазелином, чтобы раствор не поднимался по нитке. И поставить раствор охлаждаться, накрыв листом бумаги. Чем медленнее он будет остывать, тем крупнее получатся кристаллы. Поэтому желательно укутать стакан или банку с раствором и поставить ее в место, где нет сквозняков. Уже через 2-3 дня грузик обрастет кристаллами. Далее нужно только следить за уровнем раствора в банке: кристалл должен все время находиться в растворе. Кристаллы вырастают за 2-3 недели, но их можно выращивать и дольше. Во время роста можно корректировать их рост, удаляя некрасивые наросты. Выращивание крупного одиночного кристалла – очень длительный и сложный процесс, требующий терпения и осторожности. Для начала требуется 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, 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. Выращивание сростков кристаллов (друз)– 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. Довольно неплохие результаты получаются, если смешать оба метода: сначала вырастить друзу, а потом погрузить её в раствор для медленной кристаллизации. Кроме перечисленных веществ, кристаллы можно выращивать из нашатыря, кальцинированной соды, буры, сульфата магния, медного купороса, квасцов, лимонной кислоты, селитры — форма у них будет разная. Но при этом надо помнить, что все перечисленные вещества являются химическими реактивами, поэтому работать с ними надо осторожно. 2. Практическая часть. 2.1. Выращивание кристаллов из поваренной соли. Опыт №1. Растворяем в воде соль до тех пор, пока она не будет растворяться, и станет оседать на дно стакана. Мы получили насыщенный раствор соли. Переливаем его в чистую ёмкость. Выбираем любой понравившийся более крупный кристаллик поваренной соли, привязываем за нитку и подвешиваем, чтобы он не касался стенок стакана. Уже через некоторое время можно заметить рост кристаллика. С каждым днём он будет увеличиваться. Результат: мы получили кристалл поваренной соли. Вывод: Поваренная соль состоит из кристаллов. При соприкосновении кристаллов соли с водой, они растворяются. Быстрее всего кристаллы соли могут образовываться в насыщенном растворе поваренной соли. По мере того как вода испаряется, соль снова образует кристаллы. В домашних условиях можно вырастить кристаллы при необходимых условиях: наличие насыщенного солевого раствора и ниточки с затравкой. Однако при проведении опыта было выявлено, что некоторые явления мешают полноценно расти кристаллу. Так как раствор был быстро остужен и не смазали ниточку вазелином, то на крышке образовался сросток кристаллов (друз), и он рос быстрее, чем сам кристалл, недостаточно профильтрованный раствор позволил образовываться кристалликам на дне баночки. Заключение. Моя гипотеза подтвердилась: я вырастил кристаллы в домашних условиях. Выращивание кристаллов - очень интересный и увлекательный процесс. При выполнении опытов я столкнулся с некоторыми трудностями. Я пришёл к выводу, что, 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 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. Таким образом: при благоприятных условиях поваренная соль принимает форму кристаллов; кристаллы различных веществ имеют разную форму; быстрее и легче кристалл растёт тогда, когда в насыщенный раствор помещается кристалл - «затравка». 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. Для начала попробую вырастить большие монокристаллы из соли, медного купороса и лимонной кислоты. 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. Я думаю, что моя работа полезна тем, что я могу рассказать ребятам, что из простых и доступных материалов можно создать неповторимые кристаллы. А добавив немного фантазии, можно создать композиции для украшения своего дома. Я обязательно продолжу работу в этих направлениях. Список источников. http://course-crystal.narod.ru/p31aa1.html: Мир кристаллов (дистанционный курс по физике) М.П. Шасколинская. Кристаллы.: Москва. - Наука. Физико-математическая литература, 1995г. Белов Н.В. Энциклопедия драгоценных камней и кристаллов, Минск: «Харвест», 2009 Большая книга «Почему». Перевод с итальянского Ольги Живаго, М.: РОСМЭН, 2010 Пакулова В.М. Природа. Неживая и живая. М.:«Дрофа», 1998 Шалагаева Г.П. Современная энциклопедия начальной школы. М.:«Эксмо», 2006 Интернет- ресурсы: Геология Земли http://www.geologiazemli.ru/articles/112 Википедия http://ru.wikipedia.org/wiki/E519 Кристаллов.NET http://www.kristallov.net/mineraly.html Мир кристаллов http://www.mirkristallov.com/ Приложение |