Проектно-исследовательская работа по химии на тему Изучение роста кристаллов и областей их применения (9 класс)

Муниципальное бюджетное образовательное учреждение

«Никольская средняя общеобразовательная школа»

Проектно-исследовательская работа по теме:

«Изучение роста кристаллов и областей их применения»

Работу выполнили

ученицы 9 класса

Авдеенко Полина

Буланникова Дарья

Научный руководитель

учитель химии

Березина Г.А.

с. Никольское

2016 г.

Содержание

стр.

Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1. Литературный обзор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5

1.1. Понятие кристалла . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5

1.2. Физические свойства кристаллов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5

1.3. Драгоценные камни . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7

1.4. Меры массы драгоценных камней . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8

1.5. Жидкие кристаллы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9

1.6. Общее применение кристаллов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2. Методы исследования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.1. Выбор вещества для эксперимента . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10

2.2. Технология выращивания кристаллов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

Список литературы и интернет-ресурсов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

Введение

Что же такое кристаллы? Кристаллы - это одни из самых загадочных и красивейших творений природы, которых существует великое множество.

Возможно, многие люди при слове «кристалл» сразу же представляют украшение с драгоценным камнем или какой-нибудь полупрозрачный камень - это тоже верно и относится к нашей теме, но давайте же уходить от стереотипов и расширять наши знания о кристаллах! Ведь кристаллы распространены повсеместно. И можем вас заверить, что вы с ними сталкиваетесь каждый день.

Кристаллов действительно существует множество, а значит, у них должна быть большая сфера применения. Так и есть, с развитием науки и технологии, кристаллы находят все большее применение. В каких же сферах используются кристаллы? Второстепенная у них роль или главная?

Конечно, для изучения темы про кристаллы, желательно иметь наглядный объект (иллюстрации, конечно, отлично справляются с это ролью, но куда интереснее подержать в руках настоящий кристалл), поэтому мы в самом начале задались вопросом: «А можно ли вырастить кристалл самостоятельно?». И получили ответ: «Да, можно, но только при определенных условиях».

Многие представят кристалл чем-то твердым (возможно, кто-то вспомнит и про удивительное свойство алмазов), а существуют ли кристаллы в жидком агрегатном состоянии? И если да, то какие они бывают?

Тема кристаллов является очень актуальной, так как понятие «кристалл» - широкое. Ведь все мы живем в мире кристаллов! Мы ходим по ним, едим их, носим и применяем в технике! Они - часть нашей жизни! И поэтому каждый человек должен познакомиться с этой темой.

Благодаря всем этим вопросам мы сформулировали несколько гипотез:

1. Кристалл можно вырастить самостоятельно, но только следуя определенным правилам.

2. Применение кристаллов и их значение в человеческой жизни огромно.

3. Кристаллы существуют не только в твердом агрегатном состоянии.

Нас заинтересовали все эти вопросы, и мы начали искать ответы на них.

Цель нашей работы: изучить технологию выращивания кристаллов и рассмотреть области их применения.

Задачи:

1. Изучить различные источники информации и дополнительную литературу.

2. Определить физические свойства кристаллов.

3. Изучить свойства жидких кристаллов и познакомиться с их применением.

4. Изучить технологию выращивания кристаллов и вырастить кристалл самостоятельно.

5. Определить основные области применения кристаллов в жизни человека.

1. Литературный обзор

   1. Понятие кристалла

Кристаллы - это все твёрдые тела, имеющие форму многогранника, возникающие в результате упорядоченного расположения атомов. Кристаллов в природе существует великое множество и так же много существует различных форм кристаллов. Чтобы поближе познакомиться с ними, можно привлечь результаты рентгеновского анализа кристаллов. Рентгеновские лучи дают возможность «нащупать» атомы внутри кристаллического тела, и определить их пространственное расположение. В результате было установлено, что решительно все кристаллы построены из элементарных частиц, расположенных в строгом порядке внутри кристаллического тела. Упорядоченность расположения таких частиц и отличает кристаллическое состояние от некристаллического, где степень упорядоченности частиц ничтожна.

1.2. Физические свойства кристаллов.

Рассматривая различные кристаллы, мы видим, что все они разные по форме, но любой из них представляет симметричное тело. И действительно, симметричность - это одно из основных свойств кристаллов. Симметричными мы называем тела, которые состоят из равных одинаковых частей.

Стоит упомянуть два основных свойства кристаллов. Одним из них является анизотропия. Под этим термином подразумевается изменение свойств в зависимости от направления. Это свойство называется еще неравносвойственностью. Выражается она в том, что физические свойства кристаллов (твердость, прочность, теплопроводность, электропроводность, скорость распространения света) неодинаковы по разным направлениям.

Вместе с тем кристаллы являются телами однородными. Однородность кристаллического вещества состоит в том, что два его участка одинаковой формы и одинаковой ориентировки одинаковы по свойствам.

Электрические свойства. Кристаллы относятся к так называемым одномерным проводникам. При температурах, близких к комнатной, электропроводность имеет ионный характер, т.к. основными носителями заряда являются ионы.

Такие свойства твёрдых тел как упругость, прочность, поверхностное натяжения определяются силами взаимодействия между атомами и строением кристаллов. Изучая силы межатомного взаимодействия, можно, например, определить величину модуля упругости, предела прочности материала, энергии связи кристалла и коэффициента поверхностного натяжение.

Однородность выражается в том, что любые элементарные объемы 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, всякий кристалл есть однородное, но в то же время и анизотропное тело.

Способность к самоогранению. Способность к самоогранению выражается в том, что любой обломок или выточенный из кристалла шарик в соответствующей для его роста среде с течением времени покрывается характерными для данного кристалла гранями. Эта особенность связана с кристаллической структурой. Стеклянный же шарик, например, такой особенностью не обладает.

Кристаллы одного и того же вещества могут отличаться друг от друга своей величиной, числом граней, ребер и формой граней. Это зависит от условий образования кристалла. Неизменными остаются углы между соответственными гранями растущего кристалла. Эта особенность кристаллов известна как закон постоянства гранных углов.

Постоянная температура плавления выражается в том, что при нагревании кристаллического тела температура повышается до определенного предела; при дальнейшем же нагревании вещество начинает плавиться, а температура некоторое время остается постоянной, так как все тепло идет на разрушение кристаллической решетки.

Спайностью называется свойство кристаллов раскалываться или расщепляться по определенным кристаллографическим направлениям с образованием ровных гладких плоскостей, называемых плоскостями спайности.

Окраска. Некоторые кристаллы имеют настолько чистый и красивый цвет, что их используют как краски или лаки. Часто их названия применяют в обиходной речи: изумрудно-зеленый, рубиново-красный, бирюзовый, аметистовый и др.

Прозрачность. Прозрачностью называется свойство вещества пропускать сквозь себя свет. Прозрачность кристаллов обуславливается отсутствием в них сильных электронных или колебательных переходов в видимой области спектра электромагнитных волн.

1.3. Драгоценные камни.

Драгоценные камни - минералы, которые обладают красивым внешним видом (как правило, только после полировки или огранки) и при этом достаточно редки, а как следствие и дороги. Их широко используют для производства ювелирных изделий, собирают в коллекциях, используют как банковские активы. Трудно отличимые на вид имитации большинства драгоценных камней изготавливаются искусственно, имитации или подделки многих драгоценных камней делались ещё во времена Древнего Рима (в наши дни такие синтетические камни и имитации самоцветов весьма популярны, так как стоят намного дешевле). Менее редкие минералы часто называют полудрагоценными.

Изучением драгоценных камней, как минералов, и поисками способов их точного распознавания от синтетических подделок занимается раздел минералогии, называемый геммология.

В России принято разделять камни, используемые для ювелирных украшений и для производства камнерезных изделий, на три группы: ювелирные (драгоценные) камни; поделочные камни, предназначенные для производства камнерезных изделий (шкатулок, пепельниц и т. п.), и промежуточную группу ювелирно-поделочных камней. Общепринятой классификации, четко разделяющей драгоценные и полудрагоценные камни, нет.

В соответствии с федеральным законом от 26 марта 1998 г.№ 41-ФЗ «О драгоценных металлах и драгоценных камнях» (ст. 1), к драгоценным камням отнесены: природные алмазы, изумруды, рубины, сапфиры и александриты, а также природный жемчуг в сыром (естественном) и обработанном виде.

4. Меры массы драгоценных камней

Долгое время в мире не существовало единой меры массы, которая применялась бы в ювелирном деле всех стран. В Англии 1 карат равнялся 205,3 мг, во Флоренции - 197,2 мг, и так далее. В результате возникали неточности и расхождения в массе камней.

Только в 1907 году на конференции в Париже было определено, что 1 карат отныне равняется 200 мг или 0,2 г. Выраженная в каратах масса камня обычно указывается, включая вторую цифру после запятой.

В торговле ювелирными камнями в качестве единицы массы используется также грамм. Как правило, его применяют для обозначения веса менее дорогих камней, особенно необработанных. При взвешивании жемчуга используют гран, равный 50 мг, то есть ¼ части карата. Но в последнее время масса жемчуга все чаще переводится в караты.

При продаже драгоценного камня обычно указывается цена за 1 карат. Поэтому, чтобы узнать стоимость самоцвета, необходимо умножить указанную цену на массу камня в каратах. Цена карата в зависимости от размера камня растет непропорционально. Так, камень, весящий 2 карата, стоит не вдвое, а в несколько раз дороже, чем такой же камень массой 1 карат.

В ювелирном деле камни массой до 0,3 карата считаются мелкими, от 0,3 до 1 карата - средними, свыше 1 карата - крупными.

4. Жидкие кристаллы

Жидкие кристаллы - это фазовое состояние, в которое переходят некоторые вещества при определенных условиях (температура, давление, концентрация в растворе). Жидкие кристаллы обладают одновременно свойствами как жидкостей (текучесть), так и кристаллов (анизотропия). По структуре жидких кристаллов представляют собой вязкие жидкости, состоящие из молекул вытянутой или дискообразной формы, определённым образом упорядоченных во всем объёме этой жидкости. Наиболее характерным свойством жидких кристаллов является их способность изменять ориентацию молекул под воздействием электрических полей, что открывает широкие возможности для применения их в промышленности.

4. Общее применение кристаллов

Живя на Земле, сложенной кристаллическими породами, мы никак не можем отвлечься от проблемы кристалличности: мы ходим по кристаллам, строим из кристаллов, обрабатываем кристаллы на заводах, выращиваем их в лабораториях, широко применяем в технике и науке, едим кристаллы, лечимся ими... Изучением многообразия кристаллов занимается наука кристаллография. Она всесторонне рассматривает кристаллические вещества, исследует их свойства и строение. В давние времена считалось, что кристаллы представляют собой редкость. Действительно, нахождение в природе крупных однородных кристаллов - явление нечастое. Однако мелкокристаллические вещества встречаются весьма часто. Так, например, почти все горные породы: гранит, песчаники, известняк - кристалличны. По мере совершенствования методов исследования кристалличными оказались вещества, до этого не считавшиеся таковыми. Сейчас мы знаем, что даже некоторые части организма кристалличны, например, роговица глаза, витамины, миелиновая оболочка нервов - это кристаллы. Долгий путь поисков и открытий, от измерения внешней формы кристаллов вглубь, в тонкости их атомного строения еще не завершен. Но теперь исследователи довольно хорошо изучили его структуру и учатся управлять свойствами кристаллов.

2. Практическая часть

2.1 Выбор вещества для эксперимента.

Для нашего эксперимента мы выбрали соль медного купороса (CuSO₄∙5H₂O), т. к. для роста кристаллов этой соли не нужны особые условия, они растут достаточно быстро и имеют яркий цвет.

2.2 Технология выращивания кристаллов.

Кристаллы выращивают в основном способом постепенного охлаждения насыщенного раствора.

Технология выращивания состоит из нескольких этапов, и первый - это «затравка».

Воду в стаканчике нужно предварительно нагреть и растворить в ней выбранную соль. Далее нужно отфильтровать раствор и накрыть чем-нибудь, чтобы никакие частицы не попадали в него. Оставить раствор нужно, примерно, на два дня. Через это время на дне стакана появятся кристаллы - это и есть наша "затравка" (рис.1). Пинцетом или ножом нужно выбрать кристалл наиболее правильной формы, привязать его на нить и поместить его в стакан или банку, где будет происходить рост кристалла. И, конечно, нельзя трогать соль медного купороса голыми руками! Все вышеперечисленные действия лучше проводить в перчатках.

Как только поместили кристаллик в сосуд, его нужно залить раствором соли. Для этого, раствор из предыдущего опыта нужно нагреть и добавить немного соли, чтобы восстановить концентрацию.

Раствор нужно сливать и менять каждые два дня. Налипшие на нитку или сам кристалл крупинки соли необходимо счищать и промывать под проточной водой (рис.2,3).

Когда кристалл вырос до требуемых вам размеров, его нужно покрыть прозрачным лаком и затем хранить вдали от солнечных лучей.

Выводы

1. В ходе исследовательской работы мы изучили различные источники информации и дополнительную литературу.

2. Кристаллы обладают характерными свойствами симметричности, анизотропии, способностью к самоогранению и однородностью.

3. Жидкие кристаллы, обладающие свойствами жидкостей и кристаллов, имеют природное происхождение, а также нашли применение при изготовлении дисплеев и экранов.

4. Соблюдая технологию выращивания кристаллов, нам удалось вырастить собственные кристаллы в условиях школьной лаборатории.

5. Широкое применение кристаллов в науке и технике основано на особенностях их строения и физических свойств.

Заключение

Тема «Кристаллы» актуальна, и если в нее вникать, то она будет интересна каждому, даст ответы на многие вопросы. Самое главное - безграничное применение кристаллов. Кристаллы загадочны по своей сущности и настолько неординарны, что в нашей работе мы рассказали лишь малую часть того, что известно о кристаллах и их применении в настоящее время. Кристаллическое состояние вещества - это та ступенька, которая объединила неорганический мир с миром живой материи. Будущее новейших технологий принадлежит кристаллам и кристаллическим агрегатам!

Список литературы и интернет-ресурсов

1. Большая Энциклопедия Нефти Газа. [Электронный ресурс]. Режим доступа: www.ngpedia.ru/id120031p1.html

2. Драгоценные камни. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D1%80%D0%B0%D0%B3%D0%BE%D1%86%D0%B5%D0%BD%D0%BD%D1%8B%D0%B5_%D0%BA%D0%B0%D0%BC%D0%BD%D0%B8

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

4. Кристалл алмаза. [Электронный ресурс]. Режим доступа: www.youtube.com/watch?v=lAgAKjHowqs

5. Кристаллы. [Электронный ресурс]. Режим доступа: mindraw.narod.ru/photoalbum4.html

6. Кристаллы. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D1%80%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%BB%D1%8B

7. Мир камня. [Электронный ресурс]. Режим доступа: edu.zelenogorsk.ru/projs/eko/kamny/drago/genezis.html

8. Окраска кристаллов. [Электронный ресурс]. Режим доступа: vunivere.ru/work38016/page5

9. Рост кристаллов. [Электронный ресурс]. Режим доступа: www.youtube.com/watch?v=z9Oba-g0Rmg

10. Строение кристаллов. [Электронный ресурс]. Режим доступа: 5klass.net/zip/fizika/Stroenie-kristallov.zip</</p>

11. Шаскольская М.П. Кристаллы. М.: Наука, 1985.

13