Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МОАУ «Покровская средняя общеобразовательная школа»

Районная научно-практическая конференция учащихся

Предмет «физика»

Номинация «исследовательская работа»

Автор Роднов Илья Григорьевич учащийся 8 «Б» класса

Научный руководитель: Роднова Татьяна Геннадьевна,

учитель физики первой квалификационной категории



Содержание

• Введение
• 1. Теоретическая часть
• 1.1 Кристаллы
• 1.2 Способы выращивания кристаллов
• 1.3 Методы выращивания кристаллов в промышленности
• 1.4 Применение кристаллов
• 2. Практическая часть
• 2.1 Актуальность исследования
• 2.2 Выращивание кристаллов из поваренной соли
• 2.3 Выращивание кристаллов из медного купороса
• 2.4 Мониторинг знаний учащихся школы по теме «Кристаллизация»
• Заключение
• Литература
• 

Введение

Кристаллы встречаются нам повсюду: мы ходим по кристаллам, строим из них, выращиваем в лабораториях и заводских установках, создаём приборы и изделия из кристаллов, широко применяем их в технике и в науке, едим кристаллы, лечимся ими, находим кристаллы в живых организмах.

Кристаллы - все твёрдые тела, в которых слагающие их частицы (атомы, ионы, молекулы) расположены строго закономерно.

Выращивание кристаллов - процесс занимательный, но требующий бережного и осторожного отношения к своей работе. Теоретически размер кристалла, который можно вырастить в домашних условиях неограничен. Но, к сожалению, есть некоторые особенности их хранения (конечно, каждая соль и вещество имеют свои особенности). Например, если кристаллик квасцов оставить открытым в сухом воздухе, он, постепенно теряя содержащуюся в нём воду, превратится в невзрачный серый порошок. Чтобы предохранить его от разрушения, можно покрыть бесцветным лаком. Медный купорос и поваренная соль - более стойки и смело можно с ними работать.

Вырастить кристалл можно из разных веществ: например из сахара, соли, медного купороса и даже каменные! Искусственное выращивание камней осуществляется с соблюдением строгих правил по поддержанию температуры, давления, влажности и других факторов (искусственные рубины, аметисты, кварц, цитрины, морионы).

Актуальность: совершенствовать свои умения и навыки, выявлять творческие способности - что может быть более актуальным для современного молодого человека? Хочется проявить себя, проверить свои способности, а эта тема как раз и дает такую возможность. Мы полагаем, что эта тема интересна всем.

Цель данной работы: научиться выращивать кристаллы соли и медного купороса в домашних условиях.

Задачи исследовательской работы:

-изучить теоретические основы выращивания кристаллических тел из перенасыщенных растворов солей;

-изучить строение кристаллических тел;

-подобрать в домашних условиях оборудование и сырье для производства кристаллов;

-получить кристаллы в домашних условиях;

-изучить условия образования кристаллических тел, их форму и цвет;

-проанализировать полученные результаты.

Объект исследования: кристаллы.

Предмет исследования: процесс кристаллизации.

Гипотеза исследования: предполагается, что в домашних условиях можно вырастить кристаллы.

Методы исследования: работа с источниками информации; наблюдение; эксперимент; фиксирование и обобщение результатов.

Ожидаемый результат:

-повышение мотивации к изучению физики;

-углубление знаний по теме «Строение вещества».



1. Теоретическая часть

1.1 Кристаллы

Представление древних ученых о кристаллах мало отличалось от сказок и легенд. Они верили, что хрусталь образуется изо льда, а алмаз - из хрусталя.

Кристаллы люди наделяли множеством таинственных свойств, они были способны исцелять болезни, предохранять от яда и даже влиять на судьбу человека.… Существует такая красивая персидская легенда, в которой говорится: «В начале творения Бог - Творец всего сущего, создал прекрасный, чистый, гармоничный мир, для первых людей. Для его сохранения он поставил божественную защиту - Твердь небесную. Но коварный Дух разрушения и обмана проник в этот совершенный мир, осквернил его и разрушил Твердь небесную. Ее осколки упали на землю, превратившись в драгоценные камни, но не потеряли присущей им божественной энергии защиты и помощи. И с тех пор они служат напоминанием о совершенном мире и проводником к нему. Каждый кристалл являет собой определенную систему защиты и расширения сознания. Концентрируя великую божественную энергию, он способен помочь человеку через очищение прийти к совершенству».

Первые кристаллы были обнаружены тысячелетия назад в Альпах. Люди нашли абсолютно прозрачные, красивые тела по внешнему виду напоминающие лёд и ученые предположили, что вода, находясь при очень низких температурах, застывает и теряет способность таять, даже если её нагревать. Недаром слово «кристалл» в переводе с древнегреческого означает «лёд».

В глубокой древности кристаллами называли только горный хрусталь, позже кристаллами стали называли любые природные твёрдые минералы, которые имели правильную геометрическую форму.

Что же такое кристалл?

«Кристамллы -- твёрдые тела, имеющие естественную форму многогранника».

Все кристаллические тела подразделяются на монокристаллы и поликристаллы. Монокристалл это отдельный ограненный кристалл, например, крупинки соли и песка, алмаз, топаз. А вот поликристалл - это кристалл, состоящий из большого числа мелких кристаллов какого-либо вещества. Примерами поликристалла являются: сахар-рафинад, металлы, сплавы, керамика и многое другое.

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) электрические силы притяжения объединяют атомы или молекулы в кристаллическое твёрдое вещество - так образуются снежинки.

Большинство кристаллических тел являются поликристаллами, т.к. в обычных условиях вырастить монокристаллы достаточно сложно, этому мешают всевозможные примеси. Современная техника нуждается в кристаллах высокой степени чистоты, поэтому перед наукой встал вопрос о разработке эффективных методов искусственного выращивания монокристаллов различных химических элементов и их соединений.

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. Например, для получения кристалла рубина нужно расплавить порошок оксида алюминия, а для этого его нужно нагреть до температуры 2030 °С.

1.2 Способы выращивания кристаллов

Вот мы и подошли к самой, пожалуй, интересной части нашей работы - выращивание кристалла. Прежде чем приступить к работе мы продумали план эксперимента:

1. Провести обзор литературы по данной теме.

2. Выбрать материалы, т.е. решить кристаллы каких веществ будем выращивать.

3. Подобрать необходимое оборудование.

4. Провести сам эксперимент.

5. Сделать вывод.

Было решено, что мы будем выращивать кристаллы соли, медного купороса, меди. Выращивать кристаллы мы будем из насыщенного раствора. Как сделать насыщенный раствор? Возьмём не сильно горячую дистиллированную воду и поместим туда вещество, когда оно растворится, поместим ещё, пока снова добавленное нами вещество окончательно не будет растворяться. Насыщенный раствор готов. Осталось только его отфильтровать (отделить раствор от сгустка на дне). Для этого нам потребуется воронка и вата. Вставляем вату в воронку и фильтруем.

Опыт № 1 Соль

Оборудование: поваренная соль, 4 стакана.

Наш первый объект опыта-соль. Соль используется повсюду, поэтому соль можно купить везде. Насыщенный раствор, соответственно, мы сделали из соли. Достаточно крупных кристаллов соли для «затравки» мы не нашли, поэтому оставили насыщенный раствор в банке на 2 недели. За это время на дне образовались кристаллики соли. На «затравку» мы отобрали самые крупные. Подвешивать кристаллики соли мы не стали, решили, что кристалл может расти и в центре дна стакана!

Нам стало интересно зависит ли рост кристалла от внешних условий. Чтобы это выяснить мы взяли 4 стакана с раствором и солью и поместили в разные места:

1)Светлое тёплое место

2)Тёмное тёплое место

3) Светлое прохладное место

4) Тёмное прохладное место.

И наш опыт доказал, что рост кристалла подвержен внешним факторам.

В светлом и тёплом месте кристалл сразу же начал непрерывно расти, за 10 дней он набрал почти сантиметр! В других местах рост кристалла уменьшался: тёмное теплое место 0,7см/10 дней, светлое прохладное место 0,5 см/10 дней, тёмное прохладное место 0,2см/10 дней.

Интенсивнее всего кристалл рос впервые дни, затем его рост уменьшался, так как уменьшалась концентрация раствора. Поэтому мы периодически добавляли в стаканы насыщенный раствор соли, а также убирали кристаллики соли, которые образовывались на дне. Это необходимо делать для того, чтобы они не забирали на себя активное вещество.

На фотографиях (Приложение 4) видно, что сначала кристаллы не прозрачные, белые, но стечением времени они становятся более прозрачными. У нас получились поликристаллы, но всё - таки наиболее правильную форму из всех имеет кристалл, который рос в темном, теплом месте. Когда кристаллы достаточно выросли, мы их достали, обсушили и покрыли лаком. Потому, что на открытом воздухе кристаллы быстро обезвоживаются, и будут разрушаться.

Из этого можно сделать вывод. Рост и форма кристалла зависят от внешних условий: температуры и света!

Выращивать соль - одно удовольствие! Вам стоит попробовать!

Опыт № 2 Медный купорос

Оборудование: медный купорос, 2 стакана, перчатки.

После соли мы решили сделать кристаллы медного купороса. Получить насыщенный раствор медного купороса особого труда не составляет. Один кристалл мы смогли привязать на ниточке и подвесить, другой же оставили на дне стакана. На следующий день после затравки, кристаллы уже начали покрываться мелкими кристалликами. Кристаллы начали бурно расти. Кристалл на дне начал бурно расти в толщину и в высоту. Уже за 6-7 дней он преодолел 1,5 см! Не менее удачный опыт оказался с кристалликом на нитке, он начал расти по всей нитке, и уже не распознать того маленького кристалла, который мы пустили на затравку. (Приложение 5)

Кристаллы получились большие, блестящие, как будто их покрыли лаком. Вам стоить попробовать!

Внимание! Важно помнить, что медный купорос не соль, и после работы с ним нужно тщательно вымыть руки. Не пробуйте раствор медного купороса на вкус!

1.3 Методы выращивания кристаллов в промышленности

В исследовательских лабораториях и промышленности выращивают кристаллы из паров, расплавов и растворов, из твёрдой фазы, синтезируют путем химических реакций, осуществляют электролитическую кристаллизацию, кристаллизацию из гелей и другие. В настоящее время для получения совершенных кристаллов большого диаметра чаще всего применяют следующие методы выращивания:

- из газовой (паровой) фазы при градиенте давления,

-из расплавов при температурном градиенте,

-из растворов при градиенте концентрации на границе раздела кристалл- раствор.

Кристаллизация из паровой (газовой) фазы широко используется для выращивания как массивных кристаллов, так и эпитаксиальных плёнок, тонких (поликристаллических или аморфных) покрытий, нитевидных и пластинчатых кристаллов. Конкретный метод выращивания выбирают в зависимости от материала. В методах выращивания, основанных на физической конденсации кристаллизуемого вещества, вещество поступает к растущему кристаллу в виде собственного пара, состоящего из молекул их ассоциаций - димеров, триммеров и так далее. В методе синтеза в паровой фазе кристаллизуемое соединение образуется в результате реакции между газообразными компонентами непосредственно в зоне кристаллизации.

Кристаллизация из расплава - это наиболее распространённый способ выращивания монокристаллов. В настоящее время более половины технически важных кристаллов выращивают из расплава. Веществами, наиболее подходящими для выращивания из расплава, являются те, которые плавятся без разложения, не имеют полиморфных переходов и характеризуются низкой химической активностью[1].Методами кристаллизации из расплава выращивают элементарные полупроводники и металлы, оксиды, галогениды, халькогениды, вольфраматы, ванадаты, ниобаты и другие вещества. В ряде случаев из расплава выращиваются монокристаллы, в состав которых входит пять и более компонентов. При кристаллизации из расплава важно учитывать процессы, влияющие на состав расплава (термическая диссоциация, испарение, взаимодействие расплава с окружающей средой), процессы на фронте кристаллизации, процессы теплопереноса в кристалле и расплаве, процессы массопереноса (перенос примесей, обусловленный конвекцией и диффузией в расплаве)[2].

Кристаллизацию из растворов применяют при выращивании веществ, разлагающихся при температурах ниже температуры плавления. Рост кристаллов осуществляется при температурах ниже температуры плавления, поэтому в выращенных такими методами кристаллах отсутствуют дефекты, характерные для кристаллов, выращенных из расплава. При выращивании кристаллов из растворов движущей силой процесса является пересыщение. Методом температурного перепада выращивают, например, кристаллы дигидрофосфата калия и дигидрофосфата аммония. Скорость роста кристаллов в таких условиях составляет около 1 мм/сут. Кристаллы весом 400 г. растут в течение 1,5-2 месяцев.

1.4 Применение кристаллов

Из кристаллов делают много нужных вещей и их область применения достаточно велика. Кристаллы сыграли важную роль во многих технических новинках 20 века.

1. В оптике их используют для изготовления линз, призм и других элементов оптических установок;

2. В часовой промышленности опорные инструменты изготавливают из искусственных кристаллов рубина или сапфира, также кристаллы рубина используются в лазерах. Первый лазер на рубине был создан в 1960 году. Оказалось, что кристалл рубина усиливает свет. Луч лазера обладает огромной мощностью, он может прожигать листы железа, сваривает провода. Применяется в глазной хирургии.

3. В акустике не обойтись без пьезокристаллов. Их применяют для воспроизведения, записи и передачи звука. Также их используют для измерения слабых изменений температур, для измерения давления крови, давления соков в стеблях растений, давления при выстреле в стволе артиллерийского орудия и т.д.

4. Самый твердый из природных материалов - алмаз. Благодаря своей твердости он играет огромную роль в технике. Буровые инструменты, алмазные пилы, сверла, граверные инструменты и это ещё далеко не все области применения алмаза.

5. Большая область полупроводниковой электроники основана на полупроводниковых кристаллах (германий и кремний). Компьютеры, системы связи, транзисторы, микросхемы, солнечные батарее - это лишь небольшая область применения полупроводников.

6. Также существует много интересных методов применения кристаллов в области терапии, нужно приложить к больному месту камень или просто носить его как украшение.

Здесь приведены только примеры применения кристаллов в технике, но ведь и дома в которых мы живем, дороги по которым мы ходим, и транспорт на котором мы ездим, сделаны из кристаллов. Ну и, конечно, же, нельзя не упомянуть ещё об одной отрасли, где кристаллы нашли свое применение - это ювелирная промышленность. Зайдя в любой ювелирный салон можно найти огромный выбор украшений с камнями, перед которыми не могут устоять как женщины, так и мужчины.

А знаете ли вы, что существует много интересных методов применения кристаллов в области терапии. Нужно приложить к больному месту камень или просто носить его как украшение.



2. Практическая часть

2.1 Актуальность исследования

кристалл соль медный купорос

Окружающий нас мир состоит из кристаллов, можно сказать, что мы живём в мире кристаллов. Жилые здания и промышленные сооружения, самолёты и ракеты, теплоходы и тепловозы, горные породы и минералы слагаются из кристаллов. Мы едим кристаллы, лечимся ими и частично состоим из кристаллов.

Кристаллы это вещества, в которых мельчайшие частицы “упакованы” в определённом порядке. В результате при росте кристаллов на их поверхности самопроизвольно возникают плоские грани, а сами кристаллы принимают разнообразную геометрическую форму. Интересно происхождение слова “кристалл”. Много веков назад в снегах Альп на территории современной Швейцарии нашли очень красивые бесцветные кристаллы, напоминающие чистый лед. Древние натуралисты так их и назвали - “кристаллос”, по-гречески лед. Полагали, что лед, находясь длительное время в горах, на сильном морозе, окаменевает и теряет способность таять. Аристотель писал, что “кристаллос рождается из воды, когда она полностью утрачивает теплоту”. Еще в средних веках этот термин “кристалл” применялся исключительно к кварцу. Вместе с тем большая часть природных минералов обладает кристаллическим строением. Первые минералоги интересовались прежде всего, именно формой кристаллов, разнообразие которой поражает. Знаменитый русский кристаллограф Е.С. Фёдоров, который теоретически вывел законы построения кристаллов, говорил: “Кристаллы блещут симметрией”. Кристаллы действительно так хороши собой, что ими можно любоваться часами. Многие учёные, внёсшие большой вклад в развитие химии и минералогии, начинали свои первые опыты с выращивания кристаллов, пытаясь понять, как они образуются.



2.2 Выращивание кристаллов из поваренной соли

Для выращивания кристаллов в домашних условиях необходимо приготовить горячий насыщенный раствор какой-либо соли: хлорида натрия, сульфата меди или железа, квасцов, бихромата калия и т. д. - перечень очень велик, осторожно охладить его, чтобы излишек растворенного вещества не выпал в осадок (такой раствор называется пересыщенным), и, наконец, ввести затравку - кристаллик той же соли или твёрдое тело. После этого остаётся прикрыть сосуд листком бумаги, наблюдать и ждать, пока не вырастет крупный кристалл, на что могут уйти недели или даже месяцы; изредка необходимо подливать понемногу насыщенный раствор соли (по мере испарения воды).

Нальём в банку воду, насыпаем поваренную соль и размешиваем, до тех пор, пока она не перестанет растворяться. Раствор процедим через фильтр, чтобы не осталось соринок. Дадим отстояться. На дне и стенках сосуда выпадут маленькие кристаллики соли, выберем один из них для затравки. Возьмём нитку с маленьким кристалликом, повесим на карандаше так, чтобы она погрузилась в раствор, но не доставала до дна и не касалась стенок сосуда. Поставим стакан с раствором в место, где нет сквозняков. Уже на следующий день видно как ниточка обрастает кристалликами. Продолжаем наблюдать.

Важно помнить! Кристаллик нельзя при росте без особой причины вынимать из раствора, необходимо не допускать попадание мусора в насыщенный раствор, наиболее предпочтительно использовать дистиллированную воду, следить за уровнем насыщенного раствора, периодически (раз в неделю или две) обновлять при испарении раствор.

Приготовим еще раз насыщенный раствор соли и опустим в него этот кристалл, он стал расти гораздо быстрее -- от размеров 0,3 до 0,9 см за следующие 3 дня (рис. 1).

Рисунок 1. - Бесцветные прозрачные кубики поваренной соли

2.3 Выращивание кристаллов из медного купороса

Необходимо приготовить перенасыщенный раствор медного купороса, для этого нальем стакан воды в кастрюлю, нагреем до 80°С и будем постепенно всыпать порошок медного купороса постоянно размешивая. Перельем раствор в стакан и оставим на сутки. Сначала, способом быстрого испарения в открытом сосуде на дне стакана получили монокристаллы и поликристаллы медного купороса: (рис.2). Процедим раствор и из выпавших на дне стакана кристаллов купороса, выберем подходящие по форме и размеру в качестве затравочных для дальнейшего их выращивания.

Рисунок 2. - Монокристалл, зародыш для поликристалла

Поместим кристаллы-зародыши в новый раствор для дальнейшего наращивания при комнатной температуре и закрытом сосуде. Через 2 недели получил поликристалл размером 2,8 см (рис. 3).



Рисунок 3. - Поликристалл размером 2,8 см

2.4 Мониторинг знаний учащихся школы по теме «Кристаллизация»

В процессе работы над проектом родилась идея провести мониторинг учащихся 7-10 классов по теме «Кристаллизация». Разработана анкета-опросник для учеников (таблица 1).

Таблица 1. Анкета-опросник учащихся по теме «Кристаллизация»

№	Вопрос	Ответ
1	Знаете ли вы что такое кристаллы?	Да	Нет
2	Выращивали вы их у себя дома?	Да	Нет
3	Знаете ли вы виды кристаллов?	Да	Нет
4	Знаете ли вы зачем человек выращивает кристаллы?	Да	Нет

Подводя итоги анкетирования, получили мониторинг знаний учащихся по теме «Кристаллизация».

Рисунок 4. Мониторинг знаний учащихся по теме «Кристаллизация»

На диаграмме видно, что 15 человек вообще не знают что такое кристаллы. 22 ученика нашей школы выращивали кристаллы самостоятельно. Знание видов кристаллов показала 39% опрошенных и, 31% опрошенных четко определили, зачем человек выращивает кристаллы.



Заключение

Изучив литературу, посвященную кристаллам, и проведя эксперимент по выращиванию кристаллов, мы пришли к следующим выводам:

Ш кристаллы окружают нас повсюду, «почти весь мир кристалличен»;

Ш кристаллы различных веществ отличаются друг от друга по всей форме;

Ш кристаллы окружающие нас, не образовались когда-то раз и навсегда готовыми, а выросли постепенно: в природе, в лаборатории, на заводе.

Ш вырастили кристаллы медного купороса и соли.

Когда мы познакомилась с миром кристаллов, то я понял, что эта область науки очень интересна и занимательна. Раньше и не догадывался о том, что человек может выращивать кристаллы сам. И меня удивило то, что искусственные кристаллы так похожи на настоящие: цветом, формой, свойствами. Также интересно то, что у искусственных кристаллов даже есть преимущества над природными. Хотя раньше мне казалось, что богатства созданные природой самые красивые и неповторимые. И тот факт, что человек может творить на уровне с природой, говорит о развитие нашего общества.

Ведь, например, в 8 веке и думать не могли, чтобы повторить природное творение.

А сейчас человек является творцом. Но, я думаю, всё-таки природа иногда творит неповторимое. К, примеру, пещера гигантских кристаллов - это необыкновенно красивое создание природы, которое навряд ли дано кому-нибудь повторить.

Также я и не догадывался, что кристаллы имеют такое колоссальное значение в жизни человека. А как оказалось, кристаллы нужны во многих важных для человека производствах без них бы не развивались такие важные отрасли как приборостроение, космонавтика.

Можно сделать вывод, что мир кристаллов не только очень удивительный, но и важный для всего человечества в целом.



Использованные источники и литература

1. Большая советская энциклопедия. В 50-ти томах. Т.23. 2-е изд./Ред. Б.А.Введенский. - М.: Изд-во «Большая советская энциклопедия

2. Википедия [Электронный ресурс]. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/

(дата последнего обращения 10.02.2015)

3. Грааль И. Легенды и предания о силе кристаллов и камней//Сайт «Ярмарка мастеров» [Электронный ресурс]. URL:

http://www.livemaster.ru/topic/128263-legendy-i-predaniya-o-sile-kristallov-i-kamnej (дата последнего обращения 02.02.2015)

4. Детская энциклопедия. В12-ти томах. Т.3. Вещество и энергия. 3-е изд./Ред. Петрянов И.В.- М.: Педагогика, 1973. - 544с., ил.

5. Кристаллы//Сайт «Энциклопедия Кругосвет» [Электронный ресурс]. URL: http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/himiya/

KRISTALLI.html (дата последнего обращения 12.02.2015)

6. Китайгородский А.И. Кристаллы/ Науч.-попул.библ. - выпуск 19. - М.: Изд-во «Технико - теоретической литературы», 1950. - 64 с., ил.

7. Что такое. Кто такой: детская энциклопедия/сост. М.С.Ханова. - М.: Астрель, АСТ, 2008. - 319 с.: ил.

8. Шаскольская М.П. Кристаллография: Учеб. Пособие для втузов. - 2-е изд., перераб. И доп. - М.: Высш. шк., 1984. - 376 с., ил

9. Шубников А.В. Образование кристаллов. - М.: Изд-во Академии наук СССР, 1947. - 74 с., ил

10. Элуэлл Д. Искусственные драгоценные камни: Пер. с англ./ Предисл. И.Я.Некрасова. - 2-е изд. - М.: Мир, 1986. - 160 с., ил.

11. Энциклопедический словарь юного физика/Сост. В.А.Чуянов. - М.: Педагогика, 1984. - 352 с., ил.

12. Энциклопедический словарь юного химика/Сост. В.А.Крицман, В.В. Станцо. - М.: Педагогика, 1982. - 368 с., ил.

Размещено на Allbest.ru

...