Содержание
Кристаллы возникают при переходе вещества из любого агрегатного состояния в твердое. Главным условием образования кристаллов является понижение температуры до определенного уровня, ниже которого частицы (атомы, ионы), потеряв избыток теплового движения, проявляют присущие им химические свойства и группируются в пространственную решетку.
Способы и факторы зарождения кристаллов
При температурах, измеряемых тысячами градусов, ни одно из известных в природе веществ в кристаллическом состоянии существовать не может. Вторым важным условием является давление. Температура и давление – это термодинамические условия существования кристаллического вещества. Высоко нагретое вещество при охлаждении может проходить стадии газообразной смеси, жидкости, расплава, твердого состояния. Поэтому возможны три способа образования кристаллов.
- Кристаллизация путем возгонки – переход непосредственно из газообразного состояния к твердому. В этом случае кристаллы образуются прямо из пара, минуя жидкую фазу. Примером могут служить возгонка и перекристаллизация йода. В природе этот процесс происходит в кратерах, вулканических трещинах (налеты нашатыря, серы и др.). Зимой при ясной морозной погоде в воздухе образуются снежинки.
- Раскристаллизация в твердом состоянии – переход из твердого состояния в твердое. Здесь возможны два процесса. Первый – кристаллическое вещество может образовываться из аморфного. Так, с течением времени раскристаллизовываются стекла и содержащие стекло вулканические породы. Второй процесс – перекристаллизация: структура одних веществ разрушается и образуются новые кристаллы с иной структурой. Явления перекристаллизации широко распространены в природе и ведут к образованию новых минералов, горных пород и руд. Все метаморфические горные породы в той или иной степени являются перекристаллизованными. Под влиянием температуры, давления и других факторов известняк, например, переходит в мрамор, глинистые породы – в филлиты и кристаллические сланцы, кварцевые песчаники – в кварциты.
- Кристаллизация из расплавов и растворов – основной способ образования кристаллов в природе. Так образуются из огненно-жидкого силикатного расплава (магмы) массивные кристаллические породы – граниты. На дне озер, заливов и в море отлагаются кристаллы солей. Из расплавов и растворов выращиваются искусственные кристаллы (например, технические и драгоценные камни: пьезокварц, карборунд, рубин, алмаз, сапфир и др.).
Таким образом, основное условие зарождения – переохлаждение или перенасыщение. Зарождение кристаллов – переохлаждение или перенасыщение. Зарождение кристаллов может идти самостоятельно. Но иногда для роста кристаллов достаточным бывает наличие мельчайших кристалликов самого кристаллизуемого вещества или близких к нему по строению частиц других твердых веществ. Процесс образования кристаллов проходит скачкообразно, с выделением энергии, с перегруппировкой частиц, с резким изменением первоначальных свойств. Кристаллизационная способность у различных веществ неодинакова, она определяется количеством центров кристаллизации, образующихся в единицу времени в единице объема, и скоростью роста кристаллов. При большой скорости образования центров кристаллизации возникает много мелких кристаллов, при малом количестве центров возникают крупные кристаллы.
Как вырастить кристалл из соли дома
Можно самостоятельно проводить опыты по выращиванию кристаллов. Предварительно приготовляется измельченная в порошок навеска той или иной соли (квасцы, медный купорос и др.). Навеску насыпать в химически стеклянный или фарфоровый стакан и налить с помощью градуированной мензурки требуемое количество воды. Покрыв круглым (часовым) стеклом стакан, нагрейте его содержимое, чтобы ускорить растворение соли в воде. Затем полученный раствор профильтруйте.
Таблица 1 — Растворимость солей (в граммах) в 100 см3 воды.
|
Температура, ⁰С |
Калиево-алюминиевые квасцы KAl·12H2O | Натровая селитра
NaNO3 |
Сернокислый магний
MgSO4·7H2O |
Медный купорос
CuSO4·5H2O |
| 0 | 3,9 | 73 | 76,9 | 31,6 |
| 10 | 9,5 | 80,6 | 93,8 | 37 |
| 20 | 15,1 | 88,5 | 115,9 | 42,3 |
| 30 | 22 | 96,6 | 146,3 | 48,8 |
| 40 | 30,9 | 104,9 | 179,3 | 56,9 |
Отфильтрованную жидкость поместите в специальный стакан с широким дном и низкими стенками. В стакане раствор остывает и интенсивно испаряется, чему способствует характерная форма стакана, создающая большую поверхность испарения. В результате охлаждения и испарения получается сначала насыщенный, а затем перенасыщенный раствор (в нем содержится избыток растворенного вещества). При этом в кристаллизаторе начинают выпадать кристаллики. На следующий день (после приготовления раствора) нужно выбрать несколько или один из выпавших кристалликов, слить осторожно раствор в чистый кристаллизатор и поместить туда отобранные кристаллы – «завтраки». «Завтраками» называются твердые частицы, способные вызывать кристаллизацию. Для получения хорошо ограненного (изометричного) кристалла следует выращивать его на волоске, или нитке-шелковинке. Кристаллы, выращенные на дне сосуда, будучи стеснены в росте, приобретут неправильную форму (сплюснутые, вытянутые). По истечении некоторого срока, когда раствора станет мало, следует приготовить свежий раствор и перенести в него кристалл. Список оборудования для выращивания кристаллов: реактивы, ступка (фарфоровая), весы с разновесами (аптекарские), два стакана (химических или фарфоровых), мензурка, горелка, асбестовая сетка, круглое часовое стекло, стеклянная палочка для размещения раствора, воронка, фильтровальная бумага, штатив для воронки, стакан с широким дном, пинцет, термометр. Удобный материал для получения хорошо образованных кристаллов представляют алюминиевые квасцы. Растворимость квасцов в горячей воде значительно больше, чем в холодной, поэтому мы можем ускорить процесс, охлаждая насыщенный раствор. Растворите квасцы в горячей воде до пределов растворимости; получится насыщенный раствор. Опыт показывает, что в 200 г горячей воды можно растворить 25 г квасцов. На нитках-шелковинках, опущенных в раствор, вырастают кристаллы правильной формы, свойственной квасцам – октаэдры. С нитки удалите мелкие и неправильные кристаллы и оставьте один лучший, который будет постепенно нарастать. Вещество квасцов равномерно оседает на гранях свободно растущего кристалла. При охлаждении насыщенного раствора (75 г хромовых квасцов на 20 г воды) до температуры 11⁰С на дно сосуда выпадают корки мелкозернистых кристаллов. Правильные кристаллы хромовых квасцов в виде октаэдров фиолетового цвета растут на нитках, опущенных в раствор. Кристаллы алюминиевых квасцов могут расти в растворе хромовых и наоборот, так как у тех и других одинаковый тип пространственной решетки. Поместите растущий на нитке фиолетовый кристалл хромовых квасцов в насыщенный раствор алюминиевых квасцов – вы получите двухслойный кристалл с фиолетовым внутренним октаэдром и наружным бесцветным.
Наиболее удачный результат получается при выращивании кристаллов медного купороса из раствора, концентрацией 29,2% при охлаждении его до 13,5⁰С. В 200 г воды при подогревании растворите 82,5 г растертого в порошок медного купороса. Раствор пропустите через бумажный фильтр. Спустя 14-15 часов выпадут хорошо образованные кристаллы до 1,5 см в длину. Кроме квасцов и медного купороса, хорошо кристаллизуется двухромовокислый калий. Опыт по самоогранению кристалла: придайте выращенному кристаллу квасцов (обтачиванием напильником) форму шара, снова опустите его в насыщенный маточный раствор и следите за его ростом. Через 1-2 дня вы заметите, что на шарике появляются грани и через неделю вместо шарика снова образуется правильный октаэдр.
Выращивание кристаллов — очень интересное хобби, тем более кристаллы очень красивы, и быть может, им найдётся применение и в магии. Нижзеприведённая статья — написанна мною, но использует знания, полученные в книгах по выращиванию кристаллов — то есть эта статья — их пересказ и мой собственный опыт (в школьные годы юбил эим заниматься, может и вернусь к этому).
Вещество имеет несколько агрегатных состояний, среди которых всем известные — твёрдое, жидкое и газообразное. Кристалл — это
твёрдое состояние вещества. Он характеризуется тем, что молекулы в нём выстроенны определённым образом.
Кристаллы — очень красивое, завораживающее явление природы — я думаю, многие с этим согласятся.
В природе встречаются прекрасные самоцветы или же недрагоценные камни, обладающие правильной формой.
Люди научились выращивать искуственные самоцветы. Для этого требуется мощное оборудование. Но некоторыекристаллы можно вырастить прямо дома, без всяого оборудования. Это будут, конечно, не искусственные алмазы и рубины, но кристаллы соли или медного купороса тоже весьма прекрасны.
Ниже я приведу несколько способов выращивания их.
Образование кристалла. Расстворимость вещества.Речь здесь и ниже пойдёт о тех кристаллов, которые состоят из расстворимых в воде веществ и будут выращиваться в воде.
Образование кристалла — это постепенное «налипание» молекул вещества на мелкий кристалл или на что-то другое —
затравку
. Так во время такого налипания кристалл растёт. Задача выращивающих кристалл — заставить налипать это вещество. Самый простой способ — использовать расстворы.
Как известно, в воде расстворяется определённое количество вещества. Если, скажем, в воде расстворять соль — то, добавляя постепенно всё больше и больше соли, вы увидете, что она больше нивкакую не расстворяется. Такой расствор (в котором вещества расстворено до предела) называется концентрированным. Чтобы вырастить кристалл нужен концентрированный расствор, а затем нужно постепенно убирать максимум вещества, который может быть расстворён в воде. Тогда лишнему веществу будет некуда деваться и оно будет оседать на затравку.
Для того, чтобы это сделать используется два способа. Первый — убрать воду, но не само вещество — то есть испарение. Вода испаряется, а вещество остаётся. Таким образом воды меньше, а вещества столько же. А так как расствор концентрированный — то его количество начинает превышать максимум, что может вместить в себя вода и часть вещества оседает.
Второй способ — просто уменьшить расстворимость вещества (то есть количество вещества, что может быть расстворено в объёме воды).
Расстворимость вещества — не константа, она зависит от температуры воды. Чем горячее вода, тем больше расстворимость твёрдого вещества. Следовательно, сделав концентрированный расствор в горячей воде, а затем остудив воду — вы получите тот же эффект — значимая часть вещества перестанет «влезать» в воду и осядет.
Теперь становится ясно, как выращивать кристаллы — достаточно взять концентрированный расствор вещества, налить в банку, положить туда затравку и либо остудить воду, либо выпаривать (можно и то и другое).
Однако, есть ещё несколько важных моментов.
Скорость образования кристаллов — если выпаривать воду слишком быстро, то кристалл не будет успевать вырасти, и у вас появится множество мелких кристаллов или же вообще кристаллический «мох». Веществу нужно время, чтобы «размеситься» ввиде кристалла.
И второе — затравка. Я уже писал про неё выше. Вообще, веществу свойственно оседать и выкристаллизовываться на каких-то неровностях
или же на подобном веществе. Если взять гладкую банку и поставить расти без затравки, то вырастет множество мелких кристалльчиков.
Но если вы хотите вырастить цельный кристалл, следует позабтиться о том, чтобы в банке было поменьше предметов. Например, если вы выращиваете его на ните, то лучше использовать гладкую нить или проволоку, а не пушистую нить, так как иначе она скорее всего обрастёт
множеством кристаллов. Хотя для выращивания кристаллического «ожерелья» хорошо использовать пушистую нить.
Так же одно из интересных свойств кристалла — его форма. Существует несколько основных форм кристалла. Так, например, из поваренной соли всегда будут вырастать кубические кристаллы. Конечно, это не значит, что из неё вырастет идеальный куб. Обычно, всё же, кристаллы
получаются идеальными. Но в основе его формбудет куб. То есть — неровности и «лишние» кристалльчики будут кубическими. И он никак не будет ромбообразным, например.
Ещё одна вещь, довольно очевидная но всё же напишу. Вещество, из которого выращивается кристалл — должно быть однородным и кристаллическим. То есть, из соли можно вырастить кристалл, а морская соль не пойдёт для этого (покольку неоднородна), так же, как и многие органические расстворимые вещества.
Первый кристалл. Ну что же, я описал некую теорию. Теперь я опишу немного практики. Существуют поликристаллы и монокритсаллы. Поликристаллы — это группа из множества мелких кристалльчиков. Так кристаллическое «ожирелье» — это поликристалл. Монокристалл — это один большой кристалл. Если рассматривать поваренную соль — то это посути множество мелких монокристаллов. А если срастутся множество кристаллов, образуя этакий «ёжик» или нечто подобное — это будет поликристалл.
Я опишу технику выращивания монокристалла — это сложнее. Но зная принцип выращивания монокристалла — вы сможете выращивать и поликристаллы. Конечно, идеального монокристалла сложно добиться, но можно добиться близкого к этому. Итак, я опишу инструкцию как
вырастить большой «самоцвет». Задача — вырастить как можно больше и как можно правильней.
Часто советуют начать с поваренной соли. Но это довольно сложно, на самом деле, и очень долго. Поскольку наиболее быстрый способ выращивания кристаллов — методом остужения, а у поваренной соли расстворимость очень слабо зависит от температуры. В кипятке может расствориться почти столько же соли, как и в почти ледяной воде. А метод выпаривания очень долгий.
Потому, я предлагаю начать с медного купороса — его можно купить в хозяйственном магазине. Это такое синее вещество. Осторожно, он ядовитый! Потому обращайтесь с ним осторожно, старайстесь чтобы он на кожу не попадал (особенно на царапинки) и вообще не рассыпать.
Из него получаются очень красивые синие кристаллы. И у купороса значимо меняется расстворимость в зависимости от температуры, потому он очень удобен для выращивания кристаллов из него.
Принцип выращивания такой.
1.Приготовьте вашу затравку (маленький кристалл, либо большой, который вы хотите ещё увеличить). Где его взять я опишу ниже.
Подвесьте его в банку где будет расти ваш кристалл. Важно именно подвесить, чтобы он мог расти всесторонне. Чтобы подвесить — возьмите нитку или проволоку и обмотайте ею с одной стороны кристалльчик, а с другой — карандаш или палочку, который будет помещён на
верх банки (так чтобы кристалл свешивался и был чуть ниже центра банки). Берите проволоку с запасом — так как кристалл будет увеличиваться, следовательно могут увеличиться и габариты банки, а следовательно и высота. То есть обмотайте несколько кругов вокруг карандаша. Нитку или проволоку берите такую, чтобы она была как можно глаже. Конечно если такой совсем нет, то это не критично (в последнем пункте опишу почему).
2.Взять тёплую воду (но не кипяток, будет слишком быстро остывать). Сделать концентрированный расствор. Для этого засыпьте купорос в банку с водой и размешивайте. Подсыпайте купроса пока он не перестанет расстворяться. Затем отцедите воду в ту банку, где подвешен ваш кристалл (чтобы лишних кристалльчиков не было). Да, посуда должна быть чистой — чем чище — тем лучше. Иначе грязь будет образовывать множество затравок, а расстворившись в воде она будет уменьшать целостность вещества. Конечно стирильности сложно добиться, но грязную посуду брать не стоит.
3.Поставьте банку в тёплое место. Тёплое чтобы вода не слишком быстро остывала. Можете даже накрыть чем-нибудь. Всё зависит от вашей стартовой температуры. Если она не слишком высока, то можно просто в комнате. Подождите пока вода остынет до температуры того места, куда вы поставили банку. Затем переставьте банку в более холодное место — например к окну. И так до тех пор, пока температура не станет минимальной (хотя в холодильник купорос ставить я не советую, так что минимальная — это температура окна). В общем, остужайте пока можете. Главное кипяток сразу на окно не ставьте.
4.Когда остудите расствор — сливайте его в другую банку. Что вы с ним будете делать я не знаю. Можете выпарить, чтобы добро (то есть, оставшийся в нём купорос) не пропадало, можете вылить (если не жалко), можете разогреть его и расстворить в нём новый купорос и повторить процедуру. Главное что вам нужно — это приготовить кристалл к следующему сеансу. Обычно, на нём (а так же на нитке) несмотря ни на что вырастают лишние кристаллы. Это неизбежно — особенно в таком способе (всё же это не самый аккуратный способ). Но это и не страшно — надо просто аккуратно вычистить лишние кристаллы. Делайте это аккуратно, старайтесь не повредить основной. Затем повторяйте предидущие пункты.
Такой способ требует вашего участия, так как скорость роста потрясающая. Обычно говорят про несколько дней, но тут видимые результаты могут быть меньше, чем за час! Такими темпами можно выращивать огромные кристаллы. Я слышал, что фанаты выращивали такие, что поднять их несколько человек могут! Потому, каждые полчасачас вам следует переставлять банку, а затем сменять расствор.
Конечно, вы врядли можете дежурить круглые сутки, потому пока вы заняты, вы можете просто оставлять банку на месте — хоть температура не будет меняться, но вода испаряется. Тут к месту поговорка : «Солдат спит, служба идёт.»
Вы можете выращивать и поликристаллы — тоже вполне красивая вещь. Если в тёплый расствор поместить шерстяную нить и свесить её дугой — получится отличное ожерелье (хотя носить его в качестве украшения я не рекомендую).
Затравка.Перед тем, как расить основной кристалл, вам понадобится затравка. В качестве неё возьмём небольшой кристалл. Конечно, можно взять мелкие кристаллы, которые в самой банке с купоросом. Но они слишком мелкие. Потому можете просто налить в небольшую чистую ёмкость, вроде блюдца или чего-то подобного тёплого концентрированного расствора купороса. Около получаса спустя на дне появится множество мелких кристалльчиков. Выбирайте самый крупный и правильный.
На первых порах я советую для роста кристалла использовать маленькие ёмкости (самая маленькая банка, которая есть), а базовую температуру воды брать не слишком большую, чуть больше комнатной. Дело в том, что если вы сразу начнёте растить маленький кристалл в том же темпе, что большой, то там могут нарастать лишние кристалльчики размера схожего или даже большего, чем сама затравка. Так что, пока кристалльчик не окрепнет, стоит проявлять чуть больше терпения.
Хранение кристаллов.Ну чтоже, вот вы и вырастили ваш кристалл. Большой, правильный, красивый! Я думаю, вы будете не очень приятно удивлены, когда обнаружите, что он покрылся голубой мохообразной коркой, спокойно лёжа на вашей полке. Причин тому множество — коррозия, влажность и так далее. Кристалл следует защитить. Используйте защитный лак, покройте его тщательно и весь. Так же, можете хранить его в закрытых, защищённых местах, хотя это не лучший выход, если вы хотите его иметь на полке. Да и к тому же, лакировка защитит от ядовидого купороса. Это не значит, что после того, как вы его потрогали не стоит мыть руки, но всё же опасность будет значительно меньше. Помните так же, что кристаллы купороса хрупкие. Не стоит их бить или давить, а то лишитесь своего чуда.
Кристаллы меди!На самом деле можно выращивать не только кристалы расстворимых веществ. Можо вырастить настоящий кристалл меди! Нет, вам не понадобится лаборатория и мощное оборудование! Это легко сделать в самых домашних условиях. Надо лишь совсем чуть-чуть знать химию, и всё. И в результате, вы получите самый настоящий кристалл меди. Да, металлы в принципе кристаллические, но тут будет цельный металлический кристалл.
Как же такое чудо возможно?
Всё просто. Рассмотрим, что такое соль. Соль — это соединение металла с кислотой. Поваренная оль(та, которую мы используем в пищу) — это результат реакции натрия и соляной кислоты. Медный купорос — это результат реакции серной кислоты и меди. То есть, можно сказать соль имеет две составляющие — металлическую и кислотную.
Соли обладают замечательным свойством — они стремятся иметь самую «сильную» металлическую составляющую. Потому, если соль вступит в рекцию с металлом, который имеет большую активнось, чем металлическая составляющая соли — то она выталкает из себя свой металл и возьмёт более активный. А чтобы получить такую реакцию — достаточно расстворить соль в воде и положить в эту воду активный металл.
С поваренной солью вы, вероятно, не наблюдали подобную реакцию — просто потому, что её металлическая составляющая — натрий — крайне активна. Немногие металлы активней натрия (например калий). А металлы подобной активности реагирую с чем только могут — если бросить калий в воду, то он быстрее с ней прореагирует — птому в чистом виде практически не встречаются.
А вот медь вполне пассивный металл (ещё более пассивные — благородные, вроде золота).
Секрет в том, чтобы в расствор медного купороса положить более актиный металл — например железо. Тогда медь начнёт выталкиваться и кристаллизовываться, а жеоезо станет металлической составляющей соли — и вы получите железный купорос. Так же алюминий более активный — он вообще ужасно активный, но из-за своей защитной оболочки (окисления) почти ни с чем не реагирует. Но если использовать катализатор, то он начнёт реагировать. В качестве катализатора пойдёт поваренная соль — если взять расствор поваренной соли и медный купорос и бросить туда кусочки алюминия, то вода чуть ли не закипит — такой бурной будет реакция.
Это хорошо для химических опытов, но плохо для задачи выращивания кристаллов — поскольку вместо кристаллов будет образовываться «тина» — то есть мириады совсем микроскопических кристалльчиков. Чтобы выращивать металлические кристаллы — надо крайне много времени. Вообще, у меня получилось лишь один раз, и то кристалл был около миллиметра.
Чтобы у меди хватало времени выкристаллизовываться — надо замедлить процесс как можно сильнее. Кристалл будет расти месяцы.
Я пишу саму технику, и буду приводить теоретическое обоснование её.
Сначала вырастите несколько кристаллов медного купороса (небольших, вроде затравки). Это нужно, поскольку кристаллы расстворяются менее охотно, чем порошёк. Большие использовать необязательно.
Потом возьмите длинную банку — важна её длинна. Вниз положите кристаллы, засыпьте поваренную солю почти до верху. В самом верху положите активный металл — железо или аллюминий. Заливайте холодную воду и забывайте на несколько месяцев про кристалл меди. Я рекоменндовал бы сразу много таких кристаллов ставить — так вероятность успеха больше.
Вы увидите, как расствор постепенно идёт вверх. Он будет зелёным, так как расствор медного купороса, смешанный с расствором поваренной соли зелёный. Он постепенно доберётся до вершины банки и начнётся реакция. Затем из красивого зелёного вода красится в грязный ржавый цвет — значит реакция уже пошла. Готово будет когда кристаллов внизу практически не останется (вы увидите это сквозь стекло). Ставя кристалл меди, можете поэксперементировать с банками разной высоты и с другими параметрами (включая металл).
Железо вообще лучше подходит для роста кристаллов меди, но алюминий тоже можно (тут соль будет и как катализатор и как замедлитель).
Как вы понимаете, можно выращивать кристаллы и других металлов — например, железа из железного купороса.
Когда будете доставать кристалл, аккуратно вылейте и высыпьте содержимое банки в тазик. Кристалл может быть не на самом верху (где по идее он может быть) — он может затеряться в соли — подороге или в самом низу. К тому же, скорее всего, он будет мелким, так что обыщите всё.
Позже я приведу таблицы расстворимости (в зависимости от температуры) и актиыноти металлов.
Материал из SurWiki
Куватова Насима
Исследовательская работа: Файл:Кристаллы.rar
Презентация: Файл:Кристаллы.ppt
Source(s): Выращивание кристаллов и их применение
Цели: выяснить и показать , что кристалл, каким бы способом он не был получен, подчиняется закону симметрии. Определить основные области применения кристаллов.
Задачи: Приобретение обучающимися:
- общеучебных умений: работать с научной литературой, проводить наблюдения, осуществлять самоконтроль и самоанализ.
- пециальных знаний и умений по данной теме проекта, умение ориентироваться в информационном пространстве, самостоятельно конструировать свои знания.
- исследовательских знаний и умений: формулировать гипотезы, выделять проблемы, планировать эксперимент в соответствии с гипотезой, делать выводы.
Оборудование и реактивы: весы, химическая посуда (стаканчики, воронки, колбы), штативы, проволока, фильтры, вода, соли ( алюмокалиевые квасцы, сернокислый никель, дихромат калия, медный купорос, нитрат алюминия).
Поколение нас, захлебнувшихся номером Икс Промерявших часы на вселенских весах мирозданья… Поколение знающих мерность безумных страниц И не верящих в догмы, анафемы и предсказанья… Налетают шторма букв и чисел, видений и снов Детонируют руку, шлифуя-граня рану-душу Преломляясь о грани КРИСТАЛЛА – основы ОСНОВ Рассыпаясь осколками бликов, ликующей тушью Но, по-волчьи, чутьём, мы друг друга… «по звуку» и «в слог»… Как «по запаху - влёт»… и… готов соплеменник-подранок… А на утро: «Пока! Приезжай!.. Вот те Бог, вот порог… – Про КРИСТАЛЛ не забудь!.. – Про ВЕСЫ… – Дожидаюсь ОГРАНОК…» /Д. Блощинский/
Актуализация
Кристалл ,как загадочная и прекрасная часть природы, издревле привлекал внимание людей.
Кристалл обычно служит символом неживой природы. Однако грань между живым и неживым установить очень трудно, и понятие «кристалл» и «жизнь» не являются взаимоисключающими.
Природные кристаллы всегда возбуждали любопытство у людей. Их цвет, блеск и форма затрагивали человеческое чувство прекрасного, и люди украшали ими себя и жилище. С давних пор с кристаллами были связаны суеверия; как амулеты, они должны были не только ограждать своих владельцев от злых духов, но и наделять их сверхъестественными способностями.
Позднее, когда те же самые минералы стали разрезать и полировать, как драгоценные камни, многие суеверия сохранились в талисманах «на счастье» и «своих камнях», соответствующих месяцу рождения. Все драгоценные природные камни, кроме опала, являются кристаллическими, и многие из них, такие, как алмаз, рубин, сапфир и изумруд, попадаются в виде прекрасно ограненных кристаллов.
Наиболее известные примеры кристаллов: лед, алмаз, кварц, каменная соль. Большинство твердых тел не обладает характерной для кристаллов правильной геометрической формой многогранника с плоскими гранями и острыми ребрами. Слово «кристалл» происходит от греческого – «лед».
Вода – «универсальный» растворитель
Вода — самый распространенный растворитель для твердых, жидких и газообразных веществ. Из повседневной жизни хорошо известно, что если некоторые вещества растворяются в воде, то при этом образуются растворы.
Растворами называются гомогенные однородные системы, содержащие два и больше веществ. Растворы могут быть не только жидкие, но и твердые, например, стекло, сплав серебра и золота. Известны также и газообразные растворы, например воздух. Наиболее важными и распространенными являются водные растворы.
Согласно современным представлениям растворение есть результат химического взаимодействия растворителя и растворенного вещества, при этом образуются молекулярные соединения. В водных растворах эти соединения называются гидратами, а в неводных — сольватами.
Насыщенным раствором называется такой раствор, который находится в равновесии с избытком растворяемого вещества. Он содержит максимально возможное количество растворенного вещества. Понятие «насыщенные растворы» следует отличать от понятия «концентрированные растворы». Концентрированным раствором называется раствор с высоким содержанием растворенного вещества. Если концентрация раствора не достигает концентрации насыщения при данных условиях, то раствор называется ненасыщенным. При осторожном охлаждении горячего насыщенного раствора (например, медного купороса или глауберовой соли) можно получить так называемые перенасыщенные растворы.
Кристаллы в природе
Кристаллы льда и снега
Кристаллы замершей воды, т.е. лед и снег, известны всем. Эти кристаллы почти полгода (а в полярных областях и круглый год) покрывают необозримые пространства Земли, лежат на вершинах гор и сползают с них ледниками, плавают айсбергами в океанах.
Ледяной покров реки, массив ледника или айсберга — это, конечно, не один большой кристалл. Плотная масса льда обычно поликристаллическая, т.е. состоит из множества отдельных кристаллов. Их не всегда различишь, потому что они мелки и все срослись вместе. Иногда эти кристаллы можно различить в тающем льду, например, в льдинках весеннего ледохода на реке. Тогда видно, что лед состоит как бы из «карандашиков», сросшихся вместе, как в сложенной пачке карандашей: шестигранные столбики параллельны друг другу и стоят торчком к поверхности воды; эти «карандашики» и есть кристаллики льда.
Известно, как опасны для растений весенние или осенние заморозки. Температура почвы и воздуха падает ниже нуля, подпочвенные воды и соки растений замерзают, образуя иголочки кристалликов льда. Эти острые иголки рвут нежные ткани растений, листья сморщиваются, чернеют, стебли и корни разрушаются. После морозных ночей по утрам в лесу и в поле часто можно наблюдать, как на земле вырастает «ледяная трава». Каждый стебелек такой травы — это прозрачный шестигранный кристаллик льда. Ледяные иголочки достигают длины в 1-2см, а иной раз доходят до 10-12см. Случается, что земля оказывается покрытой пластинками льда, стоящими торчком. Вырастая из земли, эти кристаллики льда поднимают на своих головках песок, гальку, камешки весом до 50-100г. Льдинки даже выталкивают из земли и уносят вверх маленькие растения. Иногда ледяная корка обволакивает растение, и корень просвечивает сквозь лед. Бывает и так, что щеточка ледяных иголок сообща поднимает тяжелый камень, сдвинуть который не под силу одному кристаллику. Искрится и горит радужным блеском хрустальная «ледяная трава», но лишь только пригреют лучи солнца, кристаллики изгибаются навстречу солнцу, падают и быстро тают.
В морозное весеннее или осеннее утро, когда солнце еще не успело уничтожить следы ночных заморозков, деревья и кусты покрыты инеем. На ветках повисли капли льда. Вглядитесь: внутри ледяных капель видны пучки тонких шестигранных иголочек — кристалликов льда. Покрытые инеем листья кажутся щетками: как щетинки стоят на них блестящие шестигранные столбики кристаллов льда. Сказочным богатством кристаллов, хрустальным нарядом украшен лес.
Каждый отдельный кристаллик льда, каждая снежинка хрупка и мала. На снежинках легче всего убедится в том, что форма кристаллов правильна и симметрична. Удивительно разнообразны формы звездочек-снежинок, но симметрия их всегда одинакова: только шесть лучей. Почему? Такова симметрия атомной структуры кристаллов снега. Это относится не только к снегу. Формы кристаллов могут быть весьма разнообразными, но симметрия этих форм для каждого вещества одна, ее определяет симметрия и закономерность атомного строения данного вещества. Снежинка может быть только шестилучевой — такова симметрия строения кристаллов снега.
Кристаллы в облаках
Кристаллики льда, причудливыми узорами которых мы любуемся в снежинках, могут в несколько минут погубить самолет. Обледенение — страшный враг самолетов — тоже результат роста кристаллов.
Здесь мы имеем дело с ростом кристаллов из переохлажденных паров. В верхних слоях атмосферы водяные пары или капли воды могут долго сохраняться в переохлажденном состоянии. Переохлаждение в облаках доходит до -30˚C. Но как только в эти переохлажденные облака врывается летящий самолет, тотчас же начинается бурная кристаллизация. Мгновенно самолет оказывается облепленным грудой быстро растущих кристаллов льда.
Кристаллы в пещерах
Все природные воды — в океанах, морях, озерах, ручьях и подземных источниках — являются естественными растворами, все они растворяют встречающиеся им породы, и во всех этих растворах происходят сложные явления кристаллизации.
Особенно интересна кристаллизация подземных вод в пещерах. Капля за каплей просачиваются воды и падают со сводов пещеры вниз. Каждая капелька при этом частично испаряется и остается на потолке пещеры вещество, которое было в ней растворено. Так постепенно образуется на потолке пещеры маленький бугорок, вырастающий затем в сосульку. Эти сосульки сложены из кристалликов. Одна за другой капли мерно падают день за днем, год за годом, века за веками. Звук их падения глухо раздается под сводами. Сосульки все вытягиваются и вытягиваются, а навстречу им начинают расти вверх такие же длинные столбы сосулек со дна пещеры. Иногда сосульки, растущие сверху (сталактиты) и снизу (сталагмиты), встречаются, срастаются вместе и образуют колонны. Так возникают в подземных пещерах узорчатые, витые гирлянды, причудливые колоннады. Сказочно, необыкновенно красивы подземные чертоги, украшенные фантастическими нагромождениями сталактитов и сталагмитов, разделенные на арки решетками из сталактитов. В природе кристаллы неправильной формы встречаются несравненно чаще, чем правильные многогранники. В руслах рек из-за трения кристаллов о песок и камни углы кристаллов стираются, многогранные кристаллы превращаются в округлые камешки — гальку; от действия воды, ветра, морозов кристаллы растрескиваются, рассыпаются; в горных породах кристаллические зерна мешают друг другу расти и приобретать неправильные формы.
Фотографии природных кристаллов в пищерах.
Азишская в Краснодарском крае (республика Адыгея).
Кристаллы растущие снизу
Кристаллы растущие сверху
Колонный зал, выросший из кристаллов
Методы выращивания кристаллов из растворов
Кристаллизация с помощью «затравок»
Явление кристаллизации солей нетрудно воспроизвести на опыте. Растворите в воде щепотку простой поваренной соли и налейте соленую воду на блюдце. Когда вода испарится, посмотрите в лупу, и вы увидите, что на блюдце остались правильные белые с полосками гранями кубики кристаллов. Кристаллы каменной (поваренной) соли образовались из раствора на ваших глазах. Так в миниатюре, можно наблюдать явление кристаллизации раствора, которое в природе, в соленых озерах и в подпочвенных водах, происходит в гигантских масштабах.
Почему же кристаллы выделяются из раствора? Чтобы понять это, следует познакомиться с некоторыми свойствами растворов.
Попробуйте растворять в воде столовую соль: в граненом стакане воды растворится 70 граммов соли, а если вы будете сыпать соль дальше, она перестанет растворяться и будет оседать на дно. То же самое вы увидите с сахаром: в стакане с холодной воды растворится примерно двадцать чайных ложек сахарного песка, а затем сахар тоже будет оседать на дно, не растворяясь. В 100 граммах холодной воды может раствориться только совершенно определенное количество сахара (194 грамма), поваренной соли (35 граммов) или любого другого вещества. Количество вещества, которое может раствориться в 100 граммах воды, называется растворимостью этого вещества в воде; например, растворимость поваренной соли в воде при комнатной температуре равна 35 граммам. Растворимость зависит от температуры. Попробуйте растворить сахар не в холодной воде, а в горячей, и вы убедитесь что при повышении температуры растворимость сахара увеличивается. У разных веществ растворимость по-разному зависит от температуры.
Итак, при каждой данной температуре в воде может раствориться лишь строго ограниченное количество вещества, определяемое его растворимостью.
Возьмите стакан горячей воды и всыпьте любое кристаллическое вещество, растворимое в воде: гипосульфит, соду, борную кислоту, квасцы. Если вы достанете крупные кристаллы, то сначала растолките их в порошок. В стакан горячей воды всыпьте столько порошка, сколько может раствориться. Когда порошок совсем перестанет растворяться и начнет оседать на дно, слейте образовавшийся раствор в другой стакан так, чтобы на дно стакана с раствором не попало ни одной крупинки порошка. Для этого профильтруйте раствор через фильтрованную бумагу или через чистую тряпочку. В получившемся растворе количество вещества как раз соответствует его растворимости при данной температуре; раствор «насытился», и больше он не может поглотить ни крупинки вещества. Такой раствор называется насыщенным. Теперь оставьте стакан с раствором и дайте ему остыть. При остывании растворимость почти всех веществ уменьшается; пока наш раствор был горячим, в стакане воды было растворено, скажем, 12 ложек вещества, тогда как при комнатной температуре в нем могло бы раствориться лишь 10 ложек этого вещества. Таким образом, теперь в растворе окажется лишнее вещество. Иначе говоря, при высокой температуре раствор был насыщенным, а остыв, он стал перенасыщенным. Такой перенасыщенный раствор не может долго существовать, поэтому лишнее вещество выделяется из раствора и оседает на дно стакана. Рассмотрите в лупу, и вы увидите, что этот осадок состоит из кристаллов.
Растворенное вещество кристаллизуется из пересыщенных растворов потому, что его оказывается в растворе слишком много — больше, чем раствор может удержать в себе.
Прозрачные кристаллики алюмокалиевых квасцов выросли из водного раствора за несколько часов. Чтобы подготовить водный раствор алюмокалиевых квасцов, надо растворить в 400 см3 горячей воды истолченные в порошок 48 г алюмокалиевых квасцов. Если же растворить 60г квасцов, то получится раствор, перенасыщенный при 15˚C на 12г. Поэтому-то надо брать горячую воду: в холодной не растворились бы больше 48г. Перенасыщенный раствор начнет кристаллизоваться, если в него попадает какая-нибудь «затравка». Для этого достаточно приоткрыть крышку банки на одну- две секунды: в раствор попадут пылинки квасцов из воздуха. Можно также внести в раствор иголкой несколько пылинок квасцов. Попав в перенасыщенный раствор, пылинки квасцов в нем немедленно начнут расти, а уж если в растворе началась кристаллизация, она не остановится, пока не выделится весь избыток растворенного вещества.
Так же можно вырастить один большой кристалл. Для этого в неостывший раствор надо положить или подвести на нитке небольшой кристаллик – «затравку». Сначала он немного растворится, а затем примется расти.
Если в сосуд с раствором опустить какой-нибудь предмет, на котором находится много затравок, то он весь обрастет кристалликами. Опустите в раствор нитку, на которой есть кристаллические пылинки, — на них начнут осаждаться кристаллики, и в результате вырастает «нитка бус» из многогранных кристалликов. Такие нитки по красоте могут соперничать с искусственно ограненными бусами, но, к сожалению, кристаллы, выращенные из водных растворов, обычно очень быстро тускнеют и легко разрушаются. В этом трудность их применения в технике.
Можно сделать фигурки из кристаллов.
Для этого надо приготовить каркас из проволоки, обмотанной обычными нитками или ватой, окунуть его в насыщенный раствор, тут же вынуть и просушить при комнатной температуре. Нитки пропитаются раствором и при высыхании на них образуются мельчайшие кристаллики, которые в дальнейшем послужат «затравками». А дальше опускайте этот каркас в раствор и наращивайте на нем кристаллы. Если опустить в раствор разборную синтетическую елочку, предварительно обмотав ее ствол и ветви нитками, то можно вырастить «заснеженную» елку. Для этого лучше взять не квасцы, а дигидрофосфат калия (КН2РО4) или дигидрофосфат аммония (NH4H2PO4), — замечательные кристаллы, которые растят для приборов, управляющих лучом Лазаря. Их растворимости на 100 г воды:
| При температуре | 20˚C | 40˚C |
| КН2РО4 | 22,5г | 33г |
| NH4H2PO4 | 36,5г | 56,6г |
Основные области применения кристаллов
Живя на Земле, сложенной кристаллическими породами, мы, безусловно, 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 считавшиеся аморфными. Сейчас мы знаем, что даже некоторые части организма кристалличны, например, роговица глаза, витамины, мелиновая оболочка нервов — это кристаллы. Долгий путь поисков и открытий, от измерения внешней формы кристаллов в глубь, в тонкости их атомного строения еще не завершен. Но теперь исследователи довольно хорошо изучили его структуру и учатся управлять свойствами кристаллов.
Кристаллы – это красиво, можно сказать чудо какое-то, они притягивают к себе; говорят же «кристальной души человек» о том, в ком чистая душа. Кристальная – значит, сияющая светом, как алмаз … И если говорить о кристаллах с философским настроем, то можно сказать, что это материал, который является промежуточным звеном между живой и неживой материей. Кристаллы могут зарождаться, стареть, разрушаться. Кристалл, когда растет на затравке (на зародыше), наследует дефекты этого самого зародыша. Вообще можно привести множество примеров, настраивающих на такой философский лад, хотя конечно здесь много от лукавого… Например, по телевидению теперь можно услышать о непосредственной связи степени упорядоченности молекул воды со словом, с музыкой и о том, что вода изменяется в зависимости от мыслей, от состояния здоровья наблюдателя. Кристаллы нашли своё применение в различных областях: для изготовления украшений, в технике, например рубиновый лазер, жидко-кристаллические экраны и т.д
Алмаз
Около 80% всех добываемых природных алмазов и все искусственные алмазы используются в Промышленности. Алмазные инструменты используются для обработки деталей из самых твёрдых материалов, для бурения скважин при разведке и добыче полезных ископаемых, служат опорными камнями в хронометрах высшего класса для морских судов и других, особо точных приборах. На алмазных подшипниках не обнаруживается никакого износа даже после 25 млн. оборотов. Высокая теплопроводность алмаза позволяет использовать его в качестве теплоотводящей подложки в полупроводниковых электронных микросхемах. Конечно, алмазы используются и в ювелирных изделиях — это бриллианты.
Рубин
Высокая твёрдость рубинов, или корундов, обусловила их широкое применение в промышленности. Из 1 кг синтетического рубина получается около 40 000 опорных камней для часов. Незаменимыми оказались рубиновые стержни-нитеводители на фабриках по изготовлению химического волокна. Они практически не изнашиваются, в то время как нитеводители из самого твёрдого стекла при протяжке через них искусственного волокна изнашиваются за несколько дней.
Новые перспективы для широкого применения рубинов в научных исследованиях и в технике открылись с изобретением рубинового лазера, в котором рубиновый стержень служит мощным источником света, испускаемого в виде тонкого луча.
Жидкие кристаллы
Это необычные вещества, которые совмещают в себе свойства кристаллического твёрдого тела и жидкости. Подобно жидкостям они текучи, подобно кристаллам обладают анизотропией. Строение молекул жидких кристаллов таково, что концы молекул очень слабо взаимодействуют друг с другом, в то же время боковые поверхности взаимодействуют очень сильно и могут прочно удерживать молекулы в едином ансамбле. Жидкие кристаллы применяются в различного рода управляемых экранах, оптических затворах, плоских телевизионных экранах.
Лазер
Практическая часть. Этапы работы над проектом.
| Содержание работы на этапе | Деятельность учителя | Деятельность учащихся |
| Проведение эксперимента | ||
|
Наблюдает, советует, косвенно руководит деятельностью, организует и координирует в случае необходимости отдельные этапы проекта. |
|
| Анализ полученных данных и подведение итогов | ||
| Анализ полученных данных и подведение итогов | Корректирование выводов участников проекта в ходе анализа полученных данных. |
|
Приложение
Кристаллы, выращенные в ходе исследовательской работы.
Эти кристаллы выращены нами в январе — мае 2010 года.
Мы продолжаем свои исследования.
Список литературы:
- Пособие по химии для поступающих в ВУЗы.-изд. Московского университета, 1985 г
- Шаскольская М.П. Кристаллы.- М.:Наука. Главная редакция физико- математической литературы, 1985.-208с.
- Опыты в домашней лаборатории.- М.: Наука. Главная редакция физико- математической литературы,1980г,144с.
- Мякишев Г.Я. Физика: Молекулярная физика. Термодинамика. 10 кл.: Учебник для углублённого изучения физики. – 5 изд. – М.: Дрофа, 2002. – 352 с.:ил.
- Квант: научно-популярный физико-математический журнал. М.: Наука. 1974 г.
- Проектная деятельность учащихся. Авт.-сост. Н.В.Ширшина. — Волгоград: учитель, 2007. – 184 с.
- Лекции по общей химии. Л.С. Гузей.: Москва «Первое сентября»
- Мир химии. Занимательные рассказы о химии. Санкт-Петербург. «Мим-экспресс»
ВЫРАЩИВАНИЕ КРИСТАЛЛОВ
В ДОМАШНИХ УСЛОВИЯХ
Кристалл ,как загадочная и прекрасная часть природы, издревле привлекал внимание людей.
Кристалл обычно служит символом неживой природы. Однако грань между живым и неживым установить очень трудно, и понятие «кристалл» и «жизнь» не являются взаимоисключающими.
Природные кристаллы всегда возбуждали любопытство у людей. Их цвет, блеск и форма затрагивали человеческое чувство прекрасного, и люди украшали ими себя и жилище. С давних пор с кристаллами были связаны суеверия; как амулеты, они должны были не только ограждать своих владельцев от злых духов, но и наделять их сверхъестественными способностями.
Позднее, когда те же самые минералы стали разрезать и полировать, как драгоценные камни, многие суеверия сохранились в талисманах «на счастье» и «своих камнях», соответствующих месяцу рождения. Все драгоценные природные камни, кроме опала, являются кристаллическими, и многие из них, такие, как алмаз, рубин, сапфир и изумруд, попадаются в виде прекрасно ограненных кристаллов.
Наиболее известные примеры кристаллов: лед, алмаз, кварц, каменная соль. Большинство твердых тел не обладает характерной для кристаллов правильной геометрической формой многогранника с плоскими гранями и острыми ребрами. Слово «кристалл» происходит от греческого – «лед».
Природа кристаллов
Кристаллические вещества – это твердые тела, в которых частицы ( атомы, молекулы и ионы) периодически правильно повторяются в трех измерениях, образуя бесконечную структуру. Частицы, расположенные в пространстве в определенном порядке, образуют кристаллическую решетку.
КРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ РЕШЕТКА – это регулярное расположение в пространстве атомов, определяющее специфику состояния вещества, называемого твердым телом.
Симметрия и порядок – вот отличительные характеристики кристаллов. Симметричными называют тела, состоящие из равных, одинаковых частей, которые могут быть совмещены друг с другом. Существует много различных элементов симметрии : плоскость , ось, центр симметрии, трансляция и другие.
Все кристаллы симметричны. Это значит , что в них можно найти различные элементы симметрии. Элементы симметрии могут сочетаться друг с другом только по строгим математическим законам. Всего таких сочетаний для кристаллических структур может быть 230. Их называют «Федоровскими пространственными группами» в честь кристаллографа Федорова, который одновременно с немецким математиком Шенфлисом в конце XIX в. вывел эти законы.
В кристаллической решетке можно выделить наименьший параллелепипед, при перемещении ( трансляции ) которого в трех измерениях получится весь кристалл. Такая структурная единица называется элементарной ячейкой. Всего существует 14 элементарных трехмерных геометрических ячеек, или решеток, названных по имени французского ученого, установившего их, Бравэ.
По типам химической связи кристаллы подразделяются на ионные (обычная поваренная соль ), ковалентные кристаллы (алмаз, кремний), металлические, молекулярные кристаллы ( нафталин ). Разный тип связи в кристаллах приводит к различиям в свойствах твердых веществ.
Как растут кристаллы.
Кристалл – это твердое вещество, имеющие естественную форму многогранника. Химические связи кристаллов очень упорядочены и симметричны. Кристаллы бывают различных форм. Крупные одиночные кристаллы, имеющие свою правильную форму, в природе встречаются очень редко. Но такой кристалл можно вырастить в искусственных условиях. Кристаллизация может происходить из раствора, расплава, а также из газообразного состояния вещества. Рассмотрим кристаллизацию из раствора.
В данном объёме той или иной жидкости при постоянной температуре и давлении может раствориться не больше определённого количества того или иного кристаллического вещества. Полученный при этом раствор называют насыщенным.Кристалл, помещённый в насыщенный раствор, не будет ни расти, ни растворяться в нём. Если повысить температуру жидкости, то растворимость её
повышается, поэтому имеющееся количество растворённого вещества уже не будет насыщать раствор. Кристалл, помещённый в ненасыщенный раствор, начнёт
в нём растворяться. Если насыщенный раствор охладить, он станет пересыщенным. Пересыщенные растворы могут сохраняться в замкнутых сосудах долгое время, не кристаллизуясь. Однако достаточно попасть в раствор
малейшей частицы кристалла, как раствор немедленно начнёт кристаллизоваться. Таким образом, пересыщение раствора является необходимым, но достаточным условием для кристаллизации. Чтобы кристаллизация началась,
нужно внести в раствор затравку — небольшой кристалл растворённого вещества. Из раствора кристалл выращивают обычно таким образом. Вначале в воде растворяют достаточное количество кристаллического вещества. При этом раствор подогревают до тех пор, пока вещество полностью не растворится. Затем раствор медленно охлаждают, переводя его тем самым в пересыщенное состояние. В пересыщенный раствор подмешивают затравку. Если, в течение всего времени кристаллизации, поддерживать температуру и плотность раствора одинаковыми во всём объёме, то в процессе роста кристалл примет правильную форму.
Дата добавления: 2016-09-06; просмотров: 1456;
