Содержание

1. Введение.

2

2. Основная часть. 4

2.1 Изучение теории по кристаллам.

2.2 Практическая часть.

2.3 Выводы.

25

3. Заключение.

26

4. Список используемой литературы. 27

1

Введение

Мы живем в мире, в котором большая часть веществ находится в

твердом состоянии. Мы пользуемся различными механизмами,

инструментами, приборами. Мы живем в домах и квартирах. Имеем

мебель, бытовые приборы, современнейшие средства связи: радио,

телевидение, компьютеры и другие. А ведь все это твердые тела. С

физической точки зрения, человек – твердое тело. Так что же такое

твердые тела?

В отличие от жидкостей, твердые тела сохраняют не только объем,

но и форму, так как положение в пространстве частиц, составляющих

тело, стабильно. Из-за значительных сил межмолекулярного

взаимодействия частицы не могут удаляться друг от друга на

значительные расстояния.

В природе часто встречаются твердые тела, имеющие форму

правильных многогранников. Такие тела назвали кристаллами.

Изучение физических свойств кристаллов показало, что

геометрически правильная форма - не главная их особенность.

По сравнению с работой прошлого учебного года, наши цели и

задачи изменились коренным образом. Кристаллы заинтересовали нас

еще больше своими свойствами, видами и применением. В данной

работе мы углубленно изучали, анализировали, исследовали твердые

тела и сферы их использования. По сравнению с прошлым годом

практическая значимость нашей работы заключается в том, чтобы

выявить наиболее практичные физические условия для роста

кристаллов, а также изучить их применение в науке и технике.

Что такое кристаллы? Какими свойствами они обладают? Что такое

кристаллическая решетка? Как растут кристаллы? Как и где они

применяются в настоящее время и каковы перспективы их применения в

будущем? Вот эти вопросы заинтересовали нас, и мы попытались найти на

них ответы.

2

Цели

1. Вырастить кристаллы медного купороса и поваренной соли и

провести наблюдение за процессом их роста.

2. Изучить строение и физические свойства кристаллов (формы

кристаллических решеток, теплопроводность и

электропроводность), сферы их применения.

Задачи

1. Изучить теоретический материал по данному вопросу.

2. Проанализировать промышленные и лабораторные способы

выращивания кристаллов и выбрать способ, приемлемый для

выращивания кристаллов в домашних условиях.

3. Соотнести свои наблюдения с закономерностями, известными из

теории кристаллов. Сравнить формы выращенных кристаллов с

формами их кристаллических решеток.

4. Исследовать анизотропию кристаллов поваренной соли и

медного купороса.

Объект исследования: кристаллы поваренной соли и медного

купороса.

Предмет исследования: физические свойства кристаллов медного

купороса и поваренной соли.

Методы исследования: эксперимент, сравнение.

Буяновский Александр выращивал и изучал кристаллы поваренной

соли и их физические свойства.

Заболотько Илья выращивал и изучал кристаллы медного купороса

и их физические свойства.

3

Основная часть

Изучение теории по кристаллам

Понятие «кристалл». Знания человека о

кристаллах

Изучив книгу Лымарева Н.А. «Кристаллы и их применение» мы

узнали ,что слово «кристаллос» у древних греков обозначало лед. Так

же назывался и водяно-прозрачный кварц (горный хрусталь),

ошибочно считавшийся тогда «окаменевшим льдом». Впоследствии

этот термин был распространен на все кристаллические тела.

В школьных учебниках мы обнаружили ,что кристаллами обычно

называют твердые тела, образующиеся в природных или

лабораторных условиях и имеющие вид многогранников, которые

напоминают самые непогрешимо строгие геометрические

построения. Поверхность таких фигур ограничена более или менее

совершенными плоскостями – гранями, пересекающимися по прямым

линиям – ребрам. Точки пересечения ребер образуют вершины.

Однако стоит заметить, что данное определение нельзя назвать

правильным и оно требует ряд существенных поправок, так как

охватывает не все кристаллические образования.

Оказывается всем известная горная порода гранит, состоит из

зерен полевого шпата, кварца и слюды. Все эти зерна – кристаллы,

однако их неправильные извилистые контуры не сохранили никаких

следов прямолинейности и плоскогранности. Гранит возник из огне-

жидкого глубинного расплава – магмы. В процессе остывания

расплава из него выпадало множество кристалликов полевого шпата,

кварца, слюды. Одновременно рост всех этих твердых образований,

мешавших друг другу развиваться, и привел к тому, что отдельные

кристаллы не смогли получить свойственную им правильную

многогранную форму. Зернистые кристаллические агрегаты, 4

аналогичные граниту и другим горным породам и другим горным

породам, имеют самое широкое распространение не только в

природе, но и в окружающей нас рабочей и домашней обстановке.

Металлы и сплавы, каменные строительные материалы, цемент и

кирпич – все это состоит из кристаллических зерен.

Значит, для образования хорошо ограненных кристаллов

необходимо, чтобы ни что не мешало им свободно и всесторонне

развиваться, не стеснило их и не препятствовало их росту.

Итак, мы сделали вывод, что кристаллами можно назвать все

твердые тела, в которых слагающие их частицы (атомы, ионы,

молекулы) расположены строго закономерно наподобие узлов

пространственных решеток. Это определение является

всеобъемлющим.

Пространственная решетка

В книге АлексинскогоВ.Н. «Занимательные опыты по химии» мы

нашли рисунки, на которых показаны модели закономерного

расположения атомов (ионов) в кристаллах поваренной соли NaCl и

медного купороса CuSO4.

а б

Структура поваренной соли NaCl (а) и медного купороса CuSO4 (б)

Мы узнали, что во всех без исключения кристаллических постройках

из атомов – в структурах кристаллов – можно выделить множество

одинаковых атомов, расположенных наподобие узлов

пространственной решетки. Чтобы представить себе такую решетку,

мысленно заполним пространство множеством равных

параллелепипедов, параллельно ориентированных и

соприкасающихся по целым граням. Простейший пример такой

постройки из параллелепипедов представляет кладка из одинаковых

кубиков или кирпичиков, вплотную приложенных друг к другу. Если

5

внутри каждого параллелепипеда выделить соответственные точки,

например, их центры или вершины, то мы и получим модель

пространственной решетки.

В реальных кристаллических структурах места узлов

пространственной решетки могут занимать отдельные атомы или

ионы (заряженные атомы), а также молекулы. Прямые линии, по

которым расположены частицы в решетке, называют «рядами», а

плоскости, усаженные частицами, именуются «плоскими сетками».

Для всех без исключения кристаллов характерны решетчатые

строения.

Разнообразие форм кристаллов

Из этой же книги мы узнали, что форма является вторичной по

отношению к содержанию. В соответствии с этим и кристаллографы

всегда подчеркивают, что форма кристалла прежде всего зависит от

его внутреннего строения, то есть от кристаллической структуры

(под структурой понимается пространственное расположение всех

материальных частиц: атомов, молекул, ионов, слагающих кристалл).

Такую структуру схематично изображают в виде пространственной

решетки.

При этом вершины ребра и грани кристалла соответствуют узлам,

рядам и плоским сеткам решетки. «Важнейшие» грани, лучше всего

развитые и чаще всего встречающие на кристаллах какого-либо

вещества совпадают с плоскими сетками, наиболее густо покрытыми

частицами. Этот закон, открытый французским ученым Огюстом

Браве (1811 – 1863), дает понятие о зависимости формы кристалла от

его структуры. Вместе с тем не стоит забывать о том, что на

формирование кристаллического тела накладывает свой отпечаток и

питающая его среда.

Грани кристалла могут изменяться по своей форме и

относительным размерам, но их взаимные наклоны постоянны и

неизменны для каждого рода кристаллов. Закон постоянства углов

явился надежным фундаментом для развития геометрической

6

кристаллографии и дал богатейший материал для установления

истинной симметрии кристаллических тел. Впоследствии он лег в

основу специальных методов, которые позволяют по углам между

гранями, то есть по внешней формуле кристаллов, определять их

вещество.

Монокристаллы и поликристаллы

Из работы Шаскольской М.П. «Кристаллы» мы выяснили, что

кристаллические тела могут быть монокристаллами и

поликристаллами. Монокристаллом называют одиночный кристалл,

имеющий макроскопическую упорядоченную кристаллическую

решётку. Монокристаллы обычно обладают геометрически

правильной внешней формой, но этот признак не является

обязательным.

Большинство встречающихся в природе и получаемых в технике

твёрдых тел представляют собой совокупность сросшихся друг с

другом хаотически ориентированных маленьких кристаллов –

кристаллитов. Такие тела называют поликристаллами. В отличие от

монокристаллов поликристаллы изотропны, то есть их свойства

одинаковы во всех направлениях.

Анизотропия

Плотность расположения частиц в кристаллической решетке не

одинакова по различным направлениям. Это приводит к зависимости

свойств монокристаллов от направления – анизотропии.

Анизотропия – зависимость физических свойств веществ от

направления. Физические свойства поликристаллов не зависят от

направления: они изотропны.

Изотропия – независимость физических свойств вещества от

направления. Простейший пример анизотропии кристаллов –

неодинаковая их прочность по различным направлениям. Это

свойство наглядно проявляется при дроблении кристаллических тел.

7

История показала, что тепловые, электрические и оптические

свойства также не одинаковы по различным направлениям.

Анизотропия физических свойств кристаллов и правильная внешняя

форма получили объяснение на основе атомно-молекулярной теории

строения вещества.

Различна в разных направлениях и теплопроводность

монокристаллов. У графита теплопроводность вдоль слоев в 4 раза

больше, чем по нормали к слоям: тепло легче передается в тех

плоскостях и направлениях, где атомы плотнее упакованы.

Особенно наглядна анизотропия механических свойств кристаллов.

Кристаллы со слоистой структурой – слюда, гипс, графит, тальк – в

направлении слоев совсем легко расщепляются на тонкие листочки,

но невозможно разрезать или расколоть их в других плоскостях.

Полиморфизм

Упорядоченное расположение атомов или молекул в кристалле

определяется действием сил межатомного или межмолекулярного

взаимодействия. Тепловое движение атомов или молекул нарушает

эту упорядоченную структуру. При каждом сочетании давления и

температуры реализуется тот тип укладки частиц, который в данных

случаях наиболее устойчив и энергетически выгоден, то есть то или

иное фазовое состояние.

Хорошим примером данного явления является углерод. В природе

встречается три аллотропические модификации углерода: алмаз,

графит и карбин.

Алмаз – кристаллическое вещество с атомной кристаллической

решёткой.

Каждый атом в кристалле алмаза связан прочными ковалентными

связями с четырьмя соседними атомами. Это обуславливает

исключительную твёрдость алмаза. Алмаз широко применяют для

обработки особо твёрдых материалов: для резки стекла, при буровых

работах, для вытягивания проволоки и др. Производительность труда

8

при использовании алмазного обрабатывающего инструмента в

промышленности возрастет в 2-5 раз.

Алмаз практически не проводит электрический ток, плохо проводит

тепло.

Прозрачные образцы алмаза сильно преломляют лучи света и при

огранке красиво блестят, из таких алмазов делают украшения

(бриллианты).

Графит непрозрачен, серого цвета, обладает металлическим

блеском. В кристаллической решётке графита атомы углерода

расположены слоями, состоящими из шестичленных колец. В них

каждый атом углерода связан прочными ковалентными связями с

тремя соседними атомами. За счёт четвёртого валентного электрона

каждого слоя возникает металлическая связь. Этим объясняется

металлический блеск и довольно хорошая электрическая

проводимость и теплопроводность графита. Из графита изготовляют

электроды для электрохимических и электрометаллургических

процессов.

Между слоями в графите действуют межмолекулярные силы.

Поэтому графит легко расслаивается на чешуйки. Даже при слабом

трении графита о бумагу на ней остаётся серый след («графит» от

латинского «пишущий»). Графит применяют для изготовления

грифелей карандашей, в технике – в качестве смазочного материала.

Графит тугоплавок, химически весьма устойчив. Из смеси графита с

глиной изготовляют огнеупорные тигли для выплавки металлов в

металлургии. Графит применяют как материал для труб

теплообменников в химической промышленности. В ядерных

реакторах его используют в качестве замедлителя нейтронов.

Карбин стал известен сравнительно недавно. Он был получен

советскими учёными, а уже позднее обнаружен в природе. Это

черный порошок. Кристаллическая решётка построена из линейных

углеродных цепочек. По электрической проводимости карбин

занимает промежуточное положение между алмазом (диэлектрик) и

графитом (проводник): карбин – полупроводник.

9

Аллотропические модификации углерода взаимопревращаемы. При

нагревании алмаз постепенно переходит в графит. Для превращения

графита в алмаз требуются очень высокое давление (порядка 1х1011

Па) и высокая температура (1500-3000 оС). В настоящее время

искусственное получение алмазов из графита проводится в

производственных масштабах.

Много внимания уделял человек изучению кристаллов и их свойств.

Современные знание о кристаллах не являются полными, но эти

знания позволяют использовать кристаллы во многих сферах

человеческой деятельности.

Искусственные кристаллы

Из работы Кантора Б.З. «Минерал рассказывает о себе» мы узнали,

что с давних пор человек мечтал синтезировать камни, столь же

драгоценные, как и встречающиеся в природных условиях. До ХХ в.

Такие попытки были безуспешны. Но в 1902 удалось получить рубины

и сапфиры, обладающие свойствами природных камней. Позднее, в

конце 1940-х годов, были синтезированы изумруды, а в 1955 г. фирма

«Дженерал электрик» и физический институт АН СССР сообщили об

изготовлении искусственных алмазов.

Многие технологические потребности в кристаллах явились

стимулом к исследованию методов выращивания кристаллов с

заранее заданными химическими, физическими и электрическими

свойствами. Труды исследователей не пропали даром, и были

найдены способы выращивания больших кристаллов сотен веществ,

многие из которых не имеют природного аналога. В лаборатории

кристаллы выращиваются в тщательно контролируемых условиях,

обеспечивающих нужные свойства, но в принципе лабораторные

кристаллы образуются так же, как и в природе – из раствора,

расплава или из паров. Так, пьезоэлектрические кристаллы

сегнетовой соли выращиваются из водного раствора при

атмосферном давлении. Большие кристаллы оптического кварца

выращиваются тоже из раствора, но при температуре 350 – 450 °С и

10

давлении 140 МПа. Рубины синтезируют при атмосферном давлении

из порошка оксида алюминия, расплавляемого при температуре 2050

°С. Кристаллы карбида кремния, применяемые в качестве абразива,

получают из паров в электропечи.

Жидкие кристаллы

В той же работе мы встретились с термином «жидкие кристаллы».

Жидкий кристалл - это специфическое агрегатное состояние

вещества, в котором оно проявляет одновременно свойства

кристалла и жидкости. Сразу надо оговориться, что далеко не все

вещества могут находиться в жидкокристаллическом состоянии.

Большинство веществ может находиться только в трех, всем хорошо

известных агрегатных состояниях: твердом или кристаллическом,

жидком и газообразном.

Оказывается, некоторые органические вещества, обладающие

сложными молекулами, кроме трех названных состояний, могут

образовывать четвертое агрегатное состояние -

жидкокристаллическое. Это состояние осуществляется при

плавлении кристаллов некоторых веществ. При их плавлении

образуется жидкокристаллическая фаза, отличающаяся от обычных

жидкостей. Эта фаза существует в интервале от температуры

плавления кристалла до некоторой более высокой температуры, при

нагреве до которой жидкий кристалл переходит в обычную жидкость.

Чем же жидкий кристалл отличается от жидкости и обычного

кристалла и чем похож на них? Подобно обычной жидкости, жидкий

кристалл обладает текучестью и принимает форму сосуда, в который

он помещен. Этим он отличается от известных всем кристаллов.

Однако, несмотря на это свойство, объединяющее его с жидкостью,

он обладает свойством, характерным для кристаллов. Это -

упорядочение в пространстве молекул, образующих кристалл.

Правда, это упорядочение не такое полное, как в обычных

кристаллах, но, тем не менее, оно существенно влияет на свойства

жидких кристаллов, чем и отличает их от обычных жидкостей.

11

Обязательным свойством жидких кристаллов, сближающим их с

обычными кристаллами, является наличие порядка пространственной

ориентации молекул. Такой порядок в ориентации может

проявляться, например, в том, что все длинные оси молекул в

жидкокристаллическом образце ориентированы одинаково. Эти

молекулы должны обладать вытянутой формой. Кроме простейшего

названного упорядочения осей молекул, в жидком кристалле может

осуществляться более сложный ориентационный порядок молекул.

Мы общаемся с жидкими кристаллами, и они играют немаловажную

роль в нашей жизни. Многие современные приборы и устройства

работают на них. К таким относятся часы, термометры, дисплеи,

мониторы и прочие устройства.

При всей принципиальной простоте работы устройств на

жидкокристаллических элементах их широкое внедрение в массовую

продукцию и производство зависит от ряда технологических

вопросов, связанных с обеспечением длительного срока работы

жидкокристаллических элементов, их работы в широком

температурном интервале, наконец, конкуренции с традиционными и

устоявшимися техническими решениями и т. д.

Однако решение всех этих проблем - это только вопрос времени, и

скоро, наверное, трудно будет себе представить совершенный

аппарат, не содержащий жидкокристаллического устройства.

Фотонные кристаллы

В интернете мы обнаружили информацию, что в 1998 году в

лаборатории Sandia National Laboratories, принадлежащей

американскому Департаменту энергетики, была разработана новая

„светоизгибающая“ (light bending) технология, которая в недалёком

будущем найдёт применение в телекоммуникационных сетях.

Микроскопическая трёхмерная структура (получившая название

фотонной решётки) создана на основе кремния и позволяет

передавать когерентный свет в оптическом диапазоне длин волн с

минимальными потерями. Эффективность передачи составляет 95

процентов, что значительно превосходит показатель стандартных

12

светопередающих сред (около 30 процентов), используемых в

настоящее время. При этом можно направлять лучи по сложной

траектории, содержащей „изгибы“, практически под прямым углом в

заданную точку. Решётка представляет собой пачку тонких

кремниевых двухмерных дифракционных решёток, каждый слой

которой повёрнут на 90 градусов относительно соседнего. Для

создания работающей „фотонной решётки“ достаточно десяти таких

слоёв.

Фотонная решетка обладает уникальной способностью изгибать

траекторию световых волн определённой частоты практически в

любом направлении и практически без потерь. Это изобретение

может привести к существенному прогрессу в области

телекоммуникаций и оптических компьютеров.

Специалисты по волоконной оптике сразу заинтересовались

фотонными кристаллами, разглядев самые разные перспективы их

использования для увеличения пропускной способности сетей. Чтобы

увеличить объём передаваемых по волоконным световодам данных,

надо создавать как можно более короткие оптические импульсы. Это

определяется временем срабатывания эмиссионных диодов. Вторая

проблема — волоконные световоды прозрачны в малом диапазоне

длин волн. Третья проблема — на выходе информационных каналов

требуются узкочастотные оптические фильтры и высокоскоростные

оптические переключатели — своеобразные интегральные оптические

схемы. Для них нужно создавать миниатюрные плоскостные

волноводы.

Фотонные кристаллы могут помочь решить все эти проблемы. С их

помощью можно сузить диапазон длин волн излучения в

полупроводниковых лазерах и эмиссионных диодах или создать

оптические фильтры с высокой селективностью. Главный недостаток

существующих эмиссионных диодов и полупроводниковых лазеров в

том, что они испускают фотоны в большой телесный угол и в

широком частотном диапазоне. На основе фотонных кристаллов

можно создать зеркало, которое будет отражать определённую волну

света для любого выбранного угла и направления.

13

Применение кристаллов

Кристаллы сыграли важную роль во многих технических новинках

20 в. Некоторые кристаллы генерируют электрический заряд при

деформации. Первым их значительным применением было

изготовление генераторов радиочастоты со стабилизацией

кварцевыми кристаллами. Заставив кварцевую пластинку

вибрировать в электрическом поле радиочастотного колебательного

контура, можно тем самым стабилизировать частоту приема или

передачи.

Опираясь на законы оптики, ученые искали прозрачный бесцветный

и бездефектный минерал, из которого можно было бы шлифованием

и полированием изготавливать линзы. Нужными оптическими и

механическими свойствами обладают кристаллы неокрашенного

кварца, и первые линзы, в том числе и для очков, изготавливались из

них. Даже после появления искусственного оптического стекла

потребность в кристаллах полностью не отпала; кристаллы кварца,

кальцита и других прозрачных веществ, пропускающих

ультрафиолетовое и инфракрасное излучение, до сих пор

применяются для изготовления призм и линз оптических приборов.

Полупроводниковые приборы, революционизировавшие

электронику, изготавливаются из кристаллических веществ, главным

образом кремния и германия. При этом важную роль играют

легирующие примеси, которые вводятся в кристаллическую решетку.

Полупроводниковые диоды используются в компьютерах и системах

связи, транзисторы заменили электронные лампы в радиотехнике, а

солнечные батареи, помещаемые на наружной поверхности

космических летательных аппаратов, преобразуют солнечную

энергию в электрическую. Полупроводники широко применяются

также в преобразователях переменного тока в постоянный.14

Методы выращивания кристаллов

В работе Ольгина «Опыты без взрывов» мы нашли информацию о

способах выращивания кристаллов.

Первый Способ (способ Вернейля)

Синтез драгоценных ювелирных и технических камней по способу

М.А. Вернейля считается классическим и является первым

промышленным методом выращивания кристаллов корунда, шпинели

и других синтетических кристаллов. В мире ежегодно выпускается

около 200 тонн синтетического корунда и шпинели. Метод Вернейля

заключается в следующем: к горелке с направленным вниз соплом

через внешнюю трубу подводится водород, а через внутреннюю –

кислород. В ток кислорода попадается измельченный порошок окиси

алюминия зернистостью около 20 мкм, полученный прокаливанием

алюмоаммиачных квасцов, который при этом нагревается до

определенной температуры и затем попадает в водородно-

кислородное пламя гремучего газа, где он расплавляется. Внизу под

соплом располагается стержень из спеченного корунда,

выполняющего роль кристаллоносца. На него стекает расплавленная

окись алюминия, образую шарик расплава. Стержень кристаллоносца

постепенно опускается со скоростью 5-10 мм/ч, при этом

обеспечивается постоянное нахождение расплавленной растущей

части корунда в пламени.

Второй способ (способ Чохральского)

Второй распространенный метод выращивания синтетических

кристаллов драгоценных камней – способ Чохральского. Он

заключается в следующем: расплав вещества, из которого

предполагается кристаллизовать камни, помещают в огнеупорный

тигель из тугоплавкого металла (платины, родия, иридия, молибдена 15

или вольфрама) и нагревают в высокочастотном индукторе. В

расплав на вытяжном валу опускают затравку из материала будущего

кристалла, и на ней наращивается синтетический материал до

нужной толщины. Вал с затравкой постепенно вытягивают вверх о

скоростью 1-50 км/ч с одновременным выращиванием при частоте

вращения 30-150 об/мин. Вращают вал, чтобы выровнять температуру

расплава и обеспечить равномерное распределение примесей.

Диаметр кристаллов до 50 мм, длина до 1 м. Методом Чохральского

выращивают синтетический корунд, шпинель, гранаты, ниобат лития

и другие искусственные камни.

Третий способ (охлаждение насыщенного горячего раствора)

При каждой температуре в данном количестве растворителя

(например, в воде) может растворится не более определенного

количества вещества. Например, в 100 г воды при 90°C может

раствориться 200 г алюмокалиевых квасцов. Такой раствор

называется насыщенным. Будем теперь охлаждать раствор. С

понижением температуры растворимость большинства веществ

уменьшается. Так, при 80°C в 100 г воды можно растворить уже не

более 130 г квасцов. Куда же денутся остальные 70 г? Если

охлаждение вести быстро, избыток вещества просто выпадет осадок.

Если этот осадок высушить и рассмотреть в сильную лупу, то можно

увидеть множество мелких кристалликов. При охлаждении раствора

частички вещества (молекулы, ионы), которые не могут находиться в

растворенном состоянии, слипаются друг с другом, образуя

крошечные кристаллы-зародыши. Образованию зародышей

способствует примеси в растворе, например, пыль, мельчайшие

неровности на стенках сосуда (химически иногда специально трут

стеклянной палочкой по внутренним стенкам стакана, чтобы помочь

кристаллизации вещества). Если раствор охлаждать медленно,

зародышей образуется немного, и, обрастая постепенно со всех

сторон, они превращаются в красивые кристаллик правильной

формы. При быстром же охлаждении образуется много зародышей,

16

причем частички из раствора будут «сыпаться» на поверхность

растущих кристалликов, как горох из порванного мешка; конечно,

правильных кристаллов при этом не получится, потому что

находящиеся в растворе частицы могут просто не успеть

«устроиться» на поверхности кристалла на положенное им место.

Кроме того, множество быстро растущих кристалликов так же

мешают друг другу, как несколько паркетчиков, работающих в одной

комнате. Посторонние твердые примеси в растворе также могут

играть роль центров кристаллизации, поэтому чем чище раствор, тем

больше шансов, что центров кристаллизации будет немного. Охладив

насыщенный при 90°C раствор квасцов до комнатной температуры,

мы получим уже в осадке уже 190 г, потому что при 20°C в 100 г воды

растворяется только 10 г квасцов. Получится ли при этом один

большой кристалл правильной формы массой 190 г? К сожалению,

нет: даже в очень чистом растворе вряд ли начнет расти один-

единственный кристалл: масса кристалликов может образоваться на

поверхности остывающего раствора, температура немного ниже, чем

в объеме, а также на стенках и дне сосуда. Метод выращивания

кристаллов путем постепенного охлаждения насыщенного раствора

неприменим к веществам, растворимость которых мало зависит от

температуры, К таким веществам относятся, например, хлориды

натрия и алюминия, ацетат кальция.

Четвертый способ (выращивание кристаллов из расплавленных

веществ при медленном охлаждении жидкости)

При использовании всех способов наилучшие результаты

получаются, если используется затравка – небольшой кристалл

правильной формы, который помещают в раствор или расплав. Таким

способом получают, например, кристаллы рубина. Выращивание

кристаллов драгоценных камней проводят очень медленно, иногда

годами. Если же ускорить кристаллизацию, то вместо одного

кристалла получится масса мелких.

Кристаллы могут также расти при конденсации паров – так

получаются снежинки и узоры на холодном стекле. При вытеснении

металлов из растворов их солей с помощью более активных металлов

17

также образуются кристаллы. Например, если в раствор медного

купороса опустить железный гвоздь, он покроется красным слоем

меди. Но образовавшиеся кристаллы меди настолько мелкие, что их

можно разглядеть только под микроскопом. На поверхности гвоздя

медь выделяется очень быстро, поэтому и кристаллы ее слишком

мелкие. Но если процесс замедлить, кристаллы получаются

большими. Для этого медный купорос надо засыпать толстым слоем

поваренной соли, положить на него кружок фильтровальной бумаги,

а сверху - железную пластинку диаметром чуть поменьше. Осталось

налить в сосуд насыщенный раствор поваренной соли. Медный

купорос начнет медленно растворяться в рассоле (растворимость в

нем меньше, чем в чистой воде). Ионы меди (в виде комплексных

анионов CuCI42 – зеленого цвета) будут очень медленно, в течении

многих дней, диффундировать вверх, за процессом можно наблюдать

по движению окрашенной границы.

Достигнув железной пластинки, ионы меди восстанавливаются до

нейтральных атомов. Но так как процесс этот происходит очень

медленно, атомы меди выстраиваются в красивые блестящие

кристаллы металлической меди. Иногда эти кристаллы образуют

разветвления – дендриты. Меняя условия опыта (температура, размер

кристаллов купороса, толщина слоя соли и другие), можно менять

условия кристаллизации меди.

Пятый способ выращивания кристаллов (метод П.У.

Бриджмена)

Другой метод выращивания кристаллов из расплава называется

методом Бриджмена. Сам П.У. Бриджмен был американским физиком,

нобелевским лауреатом и занимался в основном установками для

создания высоких давлений и исследованиями поведения веществ

при рекордных давлениях. В методе, названном его именем,

монокристаллы, зарождающиеся в нижней части тигля с расплавом,

служат затравкой. Тигель опускается в более холодную зону печи,

при этом кристалл растет вверх, понемногу заполняя тигель и

увеличивая свой диаметр, поскольку нижняя часть тигля выполнена в

виде конуса. Скорость выращивания в такой установке составляет

18

несколько мм/ч. С некоторой натяжкой метод зонной плавки тоже

можно считать выращиванием из расплава, хотя это, скорее, метод

очистки. В этом случае у длинного монокристалла расплавляется

некоторая зона, и зона очистки, перекристаллизация и

совершенствование кристаллической структуры, а сам материал

претерпевает два фазовых перехода – сначала он расплавляется,

потом кристаллизуется.

Итак, мы видим, что методы, применяемые для промышленного

выращивания кристаллов, весьма разнообразны. Выбор метода

определяется веществом, а если их несколько – экономическими

соображениями. Разработка методов и создание установок – долгое и

дорогое дело, установки сложны, а эксплуатация – занятие

недешевое.

Метод выпаривания раствора

Когда насыщенный раствор испаряется, объём его уменьшается, а

количество растворённого вещества остаётся прежним. Иначе

говоря,

создаётся избыток вещества, который выпадает в осадок.

Первым этапом является приготовление насыщенного раствора.

Растворимость любых веществ зависит от температуры. Обычно с

повышением температуры растворимость увеличивается, а с

понижением температуры уменьшается.

При отсутствии центров кристаллизации это вещество может

оставаться в растворе, то есть раствор будет перенасыщенным.

На втором этапе идет получение кристалла-затравки. Здесь нужно

внимательно наблюдать за затравкой, чтобы она не упала в сосуд или

стояла в неправильном положении, иначе рост кристалла будет

нарушен.

Последний, третий этап – один из самых сложных. В течение месяца

идет наблюдение за ростом монокристалла. При этом температура

помещения должна быть постоянной, а раствор не должен быть

сильно концентрированным, иначе может нарушиться

кристаллическая решетка кристалла. Если вода в сосуде слишком

19

мутная – следует поменять раствор. Раствор не следует трясти – это

приведет к преждевременной кристаллизации.

Если следовать всем этим указаниям, то кристаллы получатся

красивые, с правильной кристаллической решеткой.

Практическая часть

Выращивание больших монокристаллов соединений,

растворимых в воде

Проанализировав разные способы выращивания кристаллов, мы

выбрали способ выпаривания раствора, потому что он выгодный и

наиболее подходящий для выращивания кристаллов в домашних

условиях.

Приготовление маточного раствора.

Самое важное: для выращивания кристаллов мы использовали

только свежеприготовленные растворы. Так как в процессе стояния в

20

растворах у многих веществ накапливаются определённого состава

комплексы (например, аквакомплексы) меняют структуру кристалла

(такие кристаллы могут начинать быстрее выветриваться). Какие-то

растворы сильно гидролизуются (их можно очистить фильтрованием).

В некоторых могут начать процветать случайно попавшие споры

грибов (чаще в органических веществах).

Для приготовления маточного раствора мы взяли чистый, хорошо

вымытый термостойкий стакан на 1 литр. В него налили горячую

(t=50 °C, при высоких температурах вещество сильно гидролизуется),

кипяченую воду 700-800 мл. В стакан засыпали вещество

(поваренную соль в первом случае и медный купорос во втором)

небольшими порциями (одна порция = 1 столовая ложка без горки),

каждый раз перемешивали, и добивались полного растворения. Когда

раствор «насытился» - вещество осталось на дне, - добавили ещё две

порции и оставили раствор при комнатной температуре на сутки.

Чтобы в раствор не попала пыль, его накрыли листом

фильтровальной бумаги и оставили в комнате, где сохраняется

постоянная температура, где в дальнейшем будет продолжаться

опыт. Мы помнили,что чтобы кристаллы росли правильно, а у

бесцветного вещества они были прозрачными, кристаллизация

должна идти медленно, иначе кристалл мутнеет.

Примечание. Экспериментатору следует знать, что любая примесь в

растворе может стать включением в кристалл или быть источником

дефекта. В итоге вместо монокристалла появиться «химеры»,

состоящие из наростов и искажений (это возникшие из заразных

центров кристаллизации микрокристаллики пробуравили друг друга);

они будут увеличиваться по мере роста кристалла. Иногда это

выглядит более эффектно, чем правильный монокристалл (вырастить

который, кстати, задача сложная). На следующий день осмотрели

раствор. В нём не должны плавать примеси. На дне должен

оставаться избыток кристаллов. В том случае, если обнаружены

примеси, раствор подогревают на 20 °С (поставить стакан с

раствором в таз с тёплой водой на 1-2 часа) и фильтруют на воронке,

внутрь которой помещают фильтр или (что быстрее и лучше) кусочек

21

ваты, затем повторяют охлаждение до комнатной температуры, но

нам этого делать не потребовалось. Этот раствор необходим нам в

большом количестве, поэтому нужно иметь посуду для его хранения

и по необходимости готовить дополнительно. Хранили мы его в

пластиковой бутылке ,на дне должны оставаться кристаллы.

Получение кристалла – затравки.

Раствор аккуратно сливали с осадка кристаллов и в количестве 1 л

помещали в термостойкую круглодонную колбу. Туда же помещали 1

чайную ложку (с горкой) выпавших кристаллов. Теперь колбу

нагревали на водяной бане, добиваясь полного растворения.

Полученный раствор грели ещё 5 минут, на кипящей водяной бане,

после чего его перелили в чистый, подогрев до температуры

раствора термостойкий стакан (можно ополоснуть кипятком). Стакан

обернули сухим полотенцем, накрыли фильтровальной бумагой и

оставили остывать. Сейчас раствор нужно беречь от сквозняков, от

резких перепадов температур.

Спустя сутки убрали полотенце, стараясь не колыхать стакан,

чтобы не вызвать незапланированную кристаллизацию. Осмотрели

содержимое - на дне и на стенках образовались небольшие плоские

кристаллики-параллелограммы:

- если образовалось множество мелких сросшихся бесформенных

кристалликов, как после резкого охлаждения, то количество соли

уменьшают и повторяют описанную стадию;

- если кристаллики не образовались, раствору следует постоять

ещё сутки; иначе следует увеличить количество растворяемого

вещества, повторив этап заново.

Эта стадия эксперимента учит правильно выращивать затравку,

которая далее будет исходным кирпичиком для получения огромной

конструкции. Мы подобрли подходящие по структуре кристаллики (с

длинной ребра от 0,3 см и более) и хранили их отдельно в растворе

соли в банке с притёртой пробкой вдали от источников высоких

температур и света. С каким-то одним продолжили эксперимент.

22

Следует помнить: чем меньше выбранная затравка, чем она

правильнее, тем легче раствору (системе) подстроиться под неё.

Выращивание монокристалла.

Мы приготовили насыщенный раствор на основе исходного

маточного.

Для этого готовый раствор поставили на водяную баню и добавили

0,5 чайной ложки вещества. Чем меньше будет добавлено на этом

этапе, тем лучше (можно также просто нагреть насыщенный раствор,

без добавления вещества). Греют и перемешивают. Как только

вещество растворилось, колбу вынули и раствор перелили в заранее

приготовленный нагретый стакан. Стакан с раствором поставили в

выбранное место и дали 20-30с постоять, чтобы жидкость немного

успокоилась. Наш раствор не перенасыщенный, поэтому «лишние

градусы» могут вызвать растворение затравки, что ненужно. Если

раствор тёплый, дать ему остыть до 30 или чуть меньше. Следили за

остыванием раствора очень внимательно, чтобы не допустить

понижения температуры до комнатной (обычно на остывание

раствора выделяют около двух часов).

Теперь следили за ростом кристалла каждый день, ни в коем случае

не сотрясая раствор, иначе эта встряска породит в системе

мгновенную кристаллизацию. Раствор доливали по мере его

испарения. Это очень сложная операция, поскольку возникшая

сильная диффузия может вызвать сбой в росте кристалла. Сначала

система будет «обживать» затравку, они будут подстраиваться друг

под друга. В итоге у нас получилось следующее:

23

а б

Кристаллы медного купороса (а) и поваренной соли (б)

Проведение опытов выращивания кристаллов поваренной соли и медного купороса

Мы выращивали кристаллы в трех различных условиях в сосуде объемом 1л:

1. При температуре 0°C при наблюдении было замечено, что в

приготовленных растворах выпал осадок, то есть количество

вещества по-прежнему довольно большое. При этом кристаллы,

образованные на затравке достигают 3 мм.

2. При температуре +20°C в ходе выращивания кристаллов было

замечено, что в растворах солей этих сосудов выпал небольшой

осадок, и, следовательно, в процессе образовались кристаллы,

размером 1-2 мм.

3. При температуре +50°C процесс выращивания кристаллов в

данных сосудах не дал результатов. Несмотря на то, что вещества в

данных сосудах растворились полностью, в них не образовалось не

одного крупного кристалла, достигающего 1 мм и более. Но на

затравках имеются небольшие кристаллики.

Исследование физических свойств кристаллов

Каждый из нас рассматривал разные виды кристаллов. Заболотько

Илья изучал кристаллы медного купороса. А Буяновский Александр -

поваренной соли.

Конечно, не все физические свойства можно исследовать в

домашних условиях, но такие, как анизотропность и спаянность –

можно. Мы раскололи по одному поликристаллу поваренной соли и

медного купороса. Тщательное изучение осколков показало, что они

представляют собой одинаковой формы геометрические тела,

отличающиеся только размерами. Илья выяснил, что один большой

поликристалл медного купороса при механическом воздействии

24

может дробиться на части, ограниченные плоскими поверхностями,

пересекающимися под острыми и тупыми углами (если

прямоугольный параллелепипед растянуть по диагонали, то получим

примерную форму таких осколков), а Александр выявил, что

поликристалл поваренной соли дробится на части, пересекающимися

под прямым углом. Поперёк этих поверхностей разрушить кристаллы

очень сложно. Способность кристалла раскалываться в определённых

направлениях называется спаянностью.

Затем мы исследовали самые крупные монокристаллы на

теплопроводность.

Наносили каплю парафина на разные грани монокристаллов и давали

ей застыть. Затем дотрагивались до этих граней хорошо прогретой

спицей и наблюдали за формой таявшей капельки парафина. При

исследовании Ильей монокристаллов медного купороса, в одних

случаях форма проталинки была круглая, а в других вытянутая, а это

значит, что в первом случае тепло распространялось по всем

направлениям одинаково, а во втором – тепло распространялось в

одних направлениях медленнее, в других быстрее и форма

проталинки была уже не круглой. Подобный эксперимент Александр

провел с монокристаллами поваренной соли - никакой разницы в

форме проталинки не наблюдали, а, следовательно, монокристаллы

поваренной соли одинаково проводят тепло по всем направлениям.

Также мы исследовали электропроводность монокристаллов в

разных направлениях. Измерив, сопротивление монокристалла

медного купороса по двум направлениям Илья обнаружил, что в

одном направлении сопротивление равно 8 кОм в другом

направлении 12 кОм, что говорит о зависимости электропроводности

кристалла от направления внутри кристалла. При исследовании

электропроводности поваренной соли Александр пришел к выводу,

что в обоих направлениях она равна примерно 7,41 кОм.

Ещё одна задача стояла перед нами. Сравнить формы полученных

кристаллов с формами их кристаллических решёток. В литературе мы

нашли модели кристаллической решётки поваренной соли и медного

купороса. Медный купорос имеет триклинную кристаллическую

25

решетку и относится к триклинной сингонии. Кристаллы медного

купороса имеют форму растянутого по диагонали параллелепипеда.

Поваренная соль относится к кубической сингонии – куб «гексаэдр».

Грани ее кристаллов должны иметь форму квадратов, а кристаллы –

кубов. Выращенные нами кристаллы соответствует этим

требованиям.

Выводы

26

Проведя практическую часть работы, мы сделали следующие

выводы:

1. Все физические свойства, благодаря которым кристаллы так

широко применяются, зависят от их строения – их пространственной

решётки.

2. Исследовав теплопроводность и электропроводность кристаллов в

разных направлениях, мы убедились в их анизотропности.

3. Мы опытным путем определили форму кристаллической решетки

поваренной

соли

5. Мы приготовили затравку и оставили сосуды на 1.5 месяца.

Спустя это промежуток времени мы получили результаты и

сделали общий анализ своей работы по росту кристаллов.

Выяснили, что наилучшими и благоприятными условиями для их

роста, как поваренной соли, так и для медного купороса –

является низкая температура. Именно при таком состоянии

раствора, у нас получились кристаллы, достигающие размеров 3

мм, и у которых наиболее отчетливо видна кристаллическая

решетка.

27

Заключение

Проделав данную работу, мы сделали следующие выводы. По

сравнению с научно-исследовательской работой прошлого года, нами

еще глубже была изучена литература о кристаллах, их свойствах и

применении. Мы усложнили условия практической части нашей

работы, применив еще один вид исходного вещества – медного

купороса, изменив условия выращивания кристаллов. Изучив

литературу о кристаллах, мы проанализировали и представили в

работе виды пространственных решеток и кристаллов, определения

анизотропии и изотропии, а также другие важнейшие физические

свойства твердых тел. В предыдущей работе основной нашей задачей

было найти наиболее благоприятные физические условия для роста

кристаллов поваренной соли при комнатной температуре. Данная же

работа включает в себя рост кристаллов не только поваренной соли,

но и медного купороса при разных температурах.

Изучив дополнительную информацию в научных статьях,

исследовательских работах, мы установили, что на основе

кристаллов был создан первый лазер на рубине. В медицине, с

помощью кристаллов, в частности в глазной хирургии, лечат больных.

Опираясь на законы оптики, ученые искали прозрачный, бесцветный

и бездефектный минерал, из которого можно было шлифованием и

полированием изготавливать линзы. И они его нашли – это кристаллы

неокрашенного кварца.

Говоря о кристаллах в общем, можно сказать, что они являются

неотъемлемой частью нашей жизни. Без кристаллов невозможно

дальнейшее продвижение человечества в науке и технике.

Кристаллы – это будущее!

28

Список используемой литературы

1. Алексинский В. Н. «Занимательные опыты по химии»

Издательство: «Просвещение», 1980 год. 127 страниц.

2. Кантор Б. З. «Минерал рассказывает о себе»

Издательство: «Недра», 1985 год. 135 страниц.

3. Лымарева Н.А. «Кристаллы и их применение»

Издательство: «Учитель», 2008 год. 185 страниц.

4. Ольгин О. «Опыты без взрывов»

Издательство: «Химия», 1986 год. 118 страниц.

5. Шаскольская М. П. «Кристаллы»

Издательство: «Наука», 1978 год. 143 страницы.

6. http://ru.wikipedia.org/wiki/Фотонный_кристалл

29