Кристаллы - способы и условия выращивания

Тема: Кристаллы-способы и условия выращивания.

Цель исследования:вырастить кристаллы разнообразных веществ из растворов и исследовать влияние различных факторов на выращивание кристаллов в домашних условиях.

Гипотеза: мы предполагаем, что вырастить кристаллы в домашних условиях возможно.

Задачи:

1. познакомиться со способами выращивания кристаллов.

2. освоить методику выращивания.

3. провести наблюдения над процессом выращивания кристаллов.

4. подвести итоги проделанной работы.

5. создать наглядное пособие для младшего поколения.

Актуальность:этой работы состоит в том, что бы вырастить интересные и необычные формы кристаллов. Получить знания и умения в ходе проекта. Многие думают, что кристаллы – это красивые редко встречающиеся камни. Однако кристалл – совсем не музейная редкость. Кристаллы окружают нас повсюду – лед, снег, многие драгоценные и полудрагоценные камни, а также твёрдые тела в которых атомы расположены закономерно, образуя кристаллическую решётку. Интересс к кристаллам проявлял даже такой известный учёный, какМ.В. Ломоносов. Вот и наш интерес состоит в том, что бы вырастить интересные и необычные формы кристаллов. Привлечь к этой работе детей и взрослых. Продолжать выращивать кристаллы разных форм и создавать собственную коллекцию.

Введение.

Эта тема заинтересовала нас ещё в 8классе когда мы проходили кристаллизацию. Тогда нам стало интересно, как и при каких условиях растут кристаллы, и можно ли встретить кристаллы в природе. Кристаллы окружают нас повсюду. Многие из самых обычных веществ вокруг представляют из себя кристаллы.

История происхождения слова «кристалл»

Слово «кристаллос» в переводе с греческого первоначально означало «лёд», а в дальнейшем «горный хрусталь». Удивительное сходство кристаллов льда и горного хрусталя было подмечено уже давно. В древности и в средние века думали, что кристаллы горного хрусталя и кристаллы льда – одно и то же, только лёд замерзает у нас на глазах, а горный хрусталь – лишь при особенно сильном морозе. Предполагали, что лёд становится хрусталём через тысячу лет, а хрусталь становится алмазом через тысячу веков. Но словом «кристалл» называют не только кристаллы замерзшей воды. Почти все камни, горные породы состоят из кристаллов. Соль, сахар и многое другое вокруг нас – это все кристаллические вещества. Самые красивые среди кристаллов – драгоценные камни. В древности кристаллам приписывали всякие необыкновенные свойства. Считали, например, что кристалл аметиста навевает счастливые сны, изумруд спасает мореплавателей от бурь, сапфир помогает при укусах скорпионов, алмаз бережёт от болезней, топаз приносит счастье в ноябре, гранат – в январе и т. д. Человека, укушенного змеёй, заставляли съесть толчёный изумруд. Древние инки поклонялись как божеству большому кристаллу зелёного изумруда.

Разнообразие кристаллов

  Кристаллы, которые залегают глубоко в земле, являются бесконечно разнообразными. Их часто называют «цветами мира камней». Размеры таких природных кристаллов достигают подчас человеческого роста. Встречаются также очень тонкие кристаллы, толщина которых меньше чем у листка бумаги. Но бывают и огромные пласты, толщина которых достигает нескольких метров. Бывают кристаллы маленькие, узкие и острые как иголки, но также могут быть громадной формы, на подобии величественных колонн. Иногда образуются дендриты - это кристаллы, похожие на веточки дерева; очень хрупкие, но очень красивые. Многие кристаллы идеально чисты и прозрачны, как вода. Недаром постоянно можно слышать выражения: «прозрачный, как кристалл», «кристально чистый». Некоторые минералы образуют кристаллы, которые разглядеть можно только с помощью микроскопа.  

Применение кристаллов  

                                           

             Применения кристаллов в науке и технике так многочисленны и разнообразны, что их трудно перечислить. Поэтому ограничусь несколькими примерами. Например, каменная соль давно и навечно вошла в жизнь человека. Мы называем ее в быту просто солью, в технике -  поваренной, или пищевой, солью. Ни с чем несравнимый вкус соли человек оценил давно. В древности страны, куда ее завозили, платили цену, равную золоту: за килограмм соли – килограмм золотого песка.

Природные кристаллы всегда возбуждали любопытство у людей. Их цвет, блеск и форма затрагивали человеческое чувство прекрасного, и люди украшали ими себя и жилище.    

Самый твердый и самый редкий из природных минералов - алмаз. Сегодня алмаз в первую очередь камень-работник, а не камень-украшение. Благодаря своей исключительной твердости алмаз играет громадную роль в технике. Алмазными пилами распиливают камни. Вся часовая промышленность работает на искусственных рубинах. Кристалл кварца используется в телефонных трубках. А самая красивая, самая чудесная разновидность кварца - это и есть горный хрусталь т.е. прозрачные кристаллы кварца. Поэтому из прозрачного кварца делают линзы, призмы и др. детали оптических приборов.

Как образуются сталактиты? Со сводов пещер капает жесткая вода. Это и преобразованные в каменных породах осадки, которые просочились с поверхности земли сквозь «крышу», и собственный пещерный конденсат. На поверхности камня проходит обратная реакция. Растворенный в воде гидрокарбонат кальция снова превращается в карбонат, отдавая углекислый газ. В быту подобный процесс ведёт к появлению налёта на ванных, накипи в кастрюлях и радиаторах. Вначале на скале появляется колечко, затем растущая трубочка. Пока отверстие не засорилось, вода капает из него, и постепенно вырастает острая прямая каменная сосулька — сталактит. Если водоток хороший, если нет соседних каплей, сталактит будет одиночным и может вырасти большим. Там, где столетиями идёт постоянный дождик, нарастает целый лес сталактитов, обычно разной длины и толщины, иногда и разной окраски. Если капель совсем мелкая, могут появиться густые заросли «соломки» длиной более метра и толщиной в несколько миллиметров, прозрачной, сияющей в свете фонаря, словно изысканная подземная люстра.

Скорость роста пещерных сталактитов бывает очень разной. Это зависит от количества и состава стекающей с «потолка» воды, от температуры и влажности воздуха в пещере. Трудно даже говорить о каких-то средних величинах. В одних пещерах метровые сталактиты вырастают за тысячу лет, в других — за пять тысяч лет. Но в любом случае обломанная «каменная сосулька» — невосполнимый ущерб природе.

Что влияет на скорость роста кристаллов

При медленном охлаждении скорость роста кристалловопережает рост центров кристаллообразования, что более благоприятно для процесса улавливания и уменьшения уноса. Мягкие условия охлаждения могут быть обеспечены, во-первых, оптимальным температурным режимом в конденсаторах системыулавливания и, во-вторых, использованием для этих целей соответствующего теплоносителя. В качестве теплоносителя для создания мягких условий охлаждения рекомендуется воздух, так как теплообмен между газами обеспечивается при низких коэффициентах теплопередачи.
 Если кристалл получен удовлетворительный, то в раствор можно вводить новуюзатравку, ориентируясь на тот же режим роста. Однако трудно рассчитывать на успех первой постановки. Возможно, потребуется заново определить скорость рециркуляции в зависимости от теплообмена в конденсаторе. Заметим, что измерение скоростейконденсации во время опыта не приводит к срыву процесса.

 Другая интересная проблема, касающаяся роста кристаллов, в особенности больших, состоит в том, необходима ли для образования двухмерных центров кристаллизации на совершенной кристаллической грани более высокая степень перенасыщения, чем для роста неполностью укомплектованной грани. Еще в 1878 г. Гиббс предположил, что рост кристалла происходит посредством образования на кристаллической грани центров кристаллизации в виде однослойных островков, которые затем быстро растут до границ грани.

После не большого количества прочитанной литературы мы решили вырастить кристаллы самостоятельно. Для выращивания мы использовали разные способы. С учетом времени и разности температур. Способов существует огромное разнообразие, но мы поговорим о некоторых.

1. Медленный способ.

Основной метод выращивания в домашних условиях, на предприятии используется намного реже.

Готовится насыщенный раствор в выбранном растворителе. Для этого вещество должно хорошо или среднерастворимо в веществе. Вещество порциями и с длительным помешиванием добавляется в раствор пока тот не станет насыщенным. Затем в раствор помещается затравка. Она привязывается на нить, ставится на подставку либо просто кладется на дно сосуда.

Сосуд оставляют с открытым горлом на долгое время. Испарение растворителя увеличивает концентрацию вещества в растворе, а т.к. она уже является предельной то получающийся избыток оседает на кристалле, вызывая его рост.

Условия.

1. Охладили насыщенный раствор.
Понижали температуру растворимости большинства веществ уменьшалось, и они, как говорится, выпадают в осадок. Сначала в растворе и на стенках сосуда появляются крошечные кристаллы-зародыши. Охлаждали медленно, а в растворе не появлялись твёрдых примесей (скажем, пыли), зародышей образовалась немного, и постепенно они превращались в красивые кристаллы правильной формы. При быстром охлаждении центров кристаллизации возникали много, сам процесс идёт активнее, и правильных кристаллов при этом не получалось.
2. Постепенноеудаляли воду из насыщенного раствора
Медленноудаляли воду, тем лучше получались кристаллы. Мы оставили открытый сосуд с раствором при комнатной температуре на длительный срок — вода при этом испарялась медленно при этом мы положили лист бумаги. Растущий кристалл подвесили в насыщенном растворе на тонкой прочной нитке. В последнем случае мы поворачивали кристалл на другой бок. И  по мере испарения воды  подливали в сосуд  свежий раствор.
3. Мы быстро удаляли воду из насыщенного раствора.

И при этом кристаллы становились правильной формы, с острыми гранями, но мелкими. Потому что раствор находился в широком сосуде.

Для выращивания мы использовали разные способы. С учетом времени и разность температур. Способов существует огромное разнообразие, но мы поговорим о некоторых.

I. Хорошо и среднерастворимые вещества.

1. Медленное испарение растворителя.

Основной метод выращивания в домашних условиях, на предприятии используется намного реже.

Готовится насыщенный раствор в выбранном растворителе. Для этого вещество должно хорошо или среднерастворимо в веществе. Вещество порциями и с длительным помешиванием добавляется в раствор пока тот не станет насыщенным. Затем в раствор помещается затравка. Она привязывается на нить, ставится на подставку либо просто кладется на дно сосуда.

Сосуд оставляют с открытым горлом на долгое время. Испарение растворителя увеличивает концентрацию вещества в растворе, а т.к. она уже является предельной то получающийся избыток оседает на кристалле, вызывая его рост.

2. Медленное остывание раствора.

Методика близка к первой. Готовится горячий насыщенный раствор, в него помещается затравка.

Раствор в сосуде начинает медленно охлаждаться.

В результате уменьшения температуры граница насыщенности медленно понижается и все большее количество вещества остается в избытке.

Оно оседает на затравку и приводит к росту кристалла.

3. Температурный градиент.

Готовится насыщенный раствор в достаточно длинной емкости. В верхней половине емкости помещается затравка. На дно помещается дополнительная порция вещества. Сосуд ставится на источник тепла – термостат, нагреватель, батарею. Температура не должна быть высокой, отличия между температурой между верхом и низа емкости должно быть всего в несколько градусов. Сосуд может быть герметичным, хотя желательно просто накрыть его крышкой попадания пыли. В результате нижний слой нагревается, предел растворимости повышается, растворяется часть порции вещества со дна емкости. Этот более теплый слой, благодаря конвенции, медленно подымается вверх по емкости. Во время движения происходит постепенное охлаждение. Поэтому при достижении верха емкости слой становится перенасыщенным. Достигая затравки происходит осаждения вещества на ней, кристалл растет. Метод позволяет получать крупные и достаточно прозрачные кристаллы, но в домашних условиях не так прост в реализации.

II. Малорастворимые вещества

1. Рост с одновременным получением

Используются две емкости, соединенные трубкой.

В трубке находится полупроницаемая мембрана либо специальный гель.

В емкости по отдельности заливаются растворы, содержащие реагенты для получения вещества. Для солей это раствор, содержащий нужный катион (ион металла), а в другую - содержащий нужный анион (кислотный остаток).

Во время обычной реакции растворы реагируют быстро и по всему объему, получающиеся вещества практически не образуют кристаллов (либо образуют, но микроскопических размеров).

Гель или мембрана приводят к локализации реакции и её сильному замедлению, поэтому образуются отдельные крупные (все относительно, обычно их размер всего в пару миллиметров) кристаллы.

Большая температура обычно увеличивает скорость реакции, но кристаллы растут более мелкими.

Используется редко, т.к. выход метода низок, и установка требует большого внимания.

2. Гидротермальный метод

Представляет собой тот же самый метод температурного градиента, с той лишь разницей, что вещество растворяется в растворителе при больших температурах и давлении. В таких условиях малорастворимые вещества становятся хорошо растворимыми, что позволяет намного проще обходиться с ними.

В домашних условиях не реализуем из-за трудности воспроизведения нужных условий. Однако в промышленности используется достаточно широко, именно этим методом выращивают кристаллы кварца и синтетического рубина.

2. Метод Чохральского

Очень широко используется в промышленности для выращивания кристаллов металлов и полупроводников.

Используется термоустойчивый тигель с расплавленным веществом (и обычно в инертной атмосфере).

На поверхность расплава опускается затравочный кристалл или стержень с системой охлаждения, который затем немного поднимается над расплавом. Расплав, благодаря силам поверхностного натяжения, оказывается соединен со стержнем тонкой областью. На границе касания, внутри этой области, начинается кристаллизация, причем силы поверхностного натяжения ориентируют возникающий кристалл в направлении стержня. Медленное вытягивание стержня из раствора приводит к подниманию части выросшего кристалла, все так же соединенного с раствором. На новой границе касания продолжается направленный рост кристалла.

Данный метод позволяет легко получить однородные кристаллы тугоплавких веществ с заданными свойствами.

Существует большое количество модификаций метода, предлагающих разное направление вытягивания, использование флюсов и особых системы охлаждения, но их различия не существенны и важны только для промышленности.

3. Метод химического транспорта

Широко используется в промышленности для получения чистых кристаллов простых веществ.

Нагретое вещество под действием другого превращается в летучее или легкоплавкое соединение. На месте кристаллизации под действием сильного нагрева, разрядов тока или другого способа происходит разложение соединения на исходные вещества, одно из которых кристаллизуется на затравке или предмете, а другое переносится в начало для дальнейшего переноса.

Обычно в качестве транспорта используются газообразные галогены. Тогда метод называют методом газового транспорта

4. Метод паровой фазы

Близок к предыдущему методу, но используются два летучих соединения, которые реагируют в обрасти возле затравки, образуя необходимое вещество.

5. Электролитический метод

Используется для получения кристаллов простых металлов и их сплавов.

Требуется раствор или расплав соли металла, электроды и источник тока.

Электроды погружаются в раствор, на них подается постоянный ток. На одном их электродов восстанавливается металл в виде дендритов или полусфер, на другом окисляется анион кислотного остатка.

Форма, плотность и скорость роста этих дендритов зависит от величины силы тока, самой используемой соли, наличия различных примесей и некоторых других параметров.

6. Электрохимический метод

Используется для получения относительно чистых кристаллов простых металлов.

Требуется раствор соли металла и второй металл, стоящий левее в ряду напряжений.

Второй металл опускается в раствор соли первого и химически вытесняет его, в результате чего первый вырастает в виде дендритов, корки или рыхлого покрытия на втором.

Обычно такой метод напрямую не дает сколько-нибудь крупных кристаллов, однако использование металлов, расположенных рядом в ряду напряжений, использование ингибиторов реакции либо физическое ограничение поступления раствора к металлу приводит к росту достаточно крупных образований.

Форма таких кристаллов не контролируется

Наш эксперимент.

Мы взяли поваренную соль, сахар и медный купорос.

И сделали из них насыщенный раствор.

После поставили на сутки прикрыв их от пыли.

По истечению суток на дне емкостей образовалось много маленьких кристалликов,которые мы и использовали для создания кристаллов.

Мы выбрали кристаллик наиболее правильной формы и далеко не самый большой из имеющихся, но его форма нам понравилась больше всего. Чем правильнее будет форма затравки, тем правильнее в дальнейшем будет форма кристалла. Чтобы были более понятны размеры затравки. Теперь нужно к затравке привязать нитку. Мы привязали самые крупные из кристалликов соли, сахара и медного купороса, и подвесили их на нитке по середине раствора.

Мы продели через крышку емкости и закрепили на обратной стороне. Мы закрепили так, чтобы в любой момент была возможность отрегулировать высоту подвеса. К примеру, мы с обратной стороны намотали излишек нитки на спичку.

Раствор мы готовили по рецептам научной литературы : взяв емкости мы наполнили их водой после начали растворять вещества отдельно друг от друга в теплой воде, при повышенной температуре увеличивается растворимость солей. После долгого размешивания они перестали растворятся и мы процедили раствор от остатков через специальную фильтрованную бумагу.После того как профильтровали, в раствор нужно кинуть несколько кристалликов соли – на них и начнут образовываться затравки.

Практическая часть

После первого дня изменений не наблюдалось, а по истечению пяти дней были замечены значительные изменения.

На затравке наросли еще больше маленьких кристалликов. Через месяц уже можно было увидеть крупные кристаллы, разных форм и оттенков. Кристалл медного купороса выращивался дольше всех.

Самые большие кристаллы, выращенные нами.

Вырастив кристалл до определенного размера, обрезаем ниточку и промакиваем салфетками. Дело в том, что если оставить кристалл как есть, он довольно скоро разрушится.Самый лучший вариант, это покрыть его прозрачным лаком.

И в результате у нас получилась большая коллекция разнообразных кристаллов. Отличающихся размерами, цветами, формами и составами.

Вывод:Мы обнаружили в ходе исследования что на рост кристаллов влияют различные факторы: природа вещества, температура раствора, скорость его охлаждения, регулярная смена маточного раствора.

Мы использовали быстрый и длительный вариант нашего опыта. При быстром опыте мы потратили несколько дней. При быстром способе не получались большие красивые кристаллы. А длительный способ - мы потратили около месяца. Зато получились красивые, крупные кристаллы.

Сравнительные результаты

Выращивание кристаллов морской соли

  Через 10 суток после начала опыта мы заметил, что кристалл начал расти. На нитке появился налет, больше похожий на осадок или пыль. Маленькие кристаллики начали формироваться на пятый день. Через 30 дней мы вынули его из раствора, обсушили бумажной салфеткой и покрыли кристалл бесцветным лаком. Кроме этого, в процессе работы мы заметили, что:1) морская соль плохо растворяется и в холодной и в горячей воде; 2) раствор приобретает цвет соли, которую мы взяли, а кристалл нет. Вывод: для выращивания кристалла морской соли нужно длительное время.

Выращивание кристалла медного купороса

В ывод: через трое суток после начала опыта на нитке появился кристалл медного купороса. Через месяц, когда кристалл вырос достаточно большим, мы вынули его из раствора, обсушили бумажной салфеткой и покрыли кристалл бесцветным лаком, чтобы предохранить от разрушения на воздухе

Выращивание кристалла из сахара

Е щё мы вырастили кристалл сахара. Вывод: Кристалл соли растет быстрее, а кристалл сахара с трудом удалось вырастить только за 3 недели. Одиночного кристалла не получилось, но осадочные кристаллы на дне банки достаточно большие.

Выращивание кристаллов поваренной соли.

Ч тобы вырастить кристаллы соли, мы налил в стакан горячей воды и стали сыпать в воду соль по 1 чайной ложке, помешивая, чтобы соль быстрее растворялась. Добавляли соль в воду до тех пор, пока она не перестала растворяться. Когда заметили, что соль больше не растворяется, раствор процедили через фильтр (воспользовались салфеткой). Процеживать раствор обязательно, потому что соринки могут помешать росту красивых кристаллов.  Поставили раствор охлаждаться. Чем медленнее он будет остывать, тем крупнее должны получиться кристаллы. Маленькие кристаллы поваренной соли начали расти через три дня на дне банки. На 10-й день появились маленькие кристаллы на нитке. Вывод: из раствора соли кристаллы в домашних условиях начинают расти быстрее, чем из других веществ. 

Кристаллы разной формы можно получить, меняя температуру, величину кристаллов – зародышей, размеры сосуда, создавая тем самым оптимальные для роста условия. 

Результатом нашего эксперимента стала большая

коллекция кристаллов.

После этого мы со своей коллекцией кристаллов провели экскурсию по младшим и старшим классам и им было очень интересно узнать историю их создания.

Мы рассказали как можно в домашних условиях из безопасных веществ (повареной соли, сахара и соли для ванн) вырастить кристаллы не обычной формы и размера.

После этого мы устроили конкурс «Креативное название», провели мониторинг и выбрали самые оригинальные названия.

Вывод:

В основном наша гипотеза подтвердилась, кристаллы можно получить в домашних условиях, для этого нужно знать способы их выращивания и необходимость соблюдать технику безопасности при работе с веществами.В ходе работы мы сделали выводы:

1.Кристаллы можно вырастить в домашних условиях.

2.Кристаллы растут в насыщенном растворе.

3.С понижением температуры в растворе и на стенках сосуда появляются крошечные кристаллы, которые со временем растут.

4.Когда охлаждение медленное, кристаллы превращаются в красивые кристаллы правильной формы.

5.При быстром охлаждении - правильных кристаллов не получится, ведь множество быстрорастущих кристалликов мешают друг другу.

6.Рост кристалла начинается, когда в растворе есть центр кристаллизации.

7.Чтобы вырастить один большой кристалл, в насыщенный раствор надо подвесить на нити небольшой кристалл- «затравку».

8 .Кристаллы можно выращивать разного цвета и размера.

10.Чтобы предохранить кристалл от разрушения, можно покрыть его бесцветным лаком.

Заключение:

Процесс выращивания кристаллов в домашних условиях — это очень интересное и увлекательное занятие. Работа по выращиванию расширяет кругозор.

Полученные кристаллы можно использовать на уроках познания мира как наглядное пособие, можно применять для украшения интерьера помещений, для создания разнообразных декоративных композиций и панно. Выращенные кристаллы в виде разнообразных цветов, фигурок, веточек можно использовать для изготовления сувениров и подарков для друзей и знакомых.

Над данной коллекцией мы работали летом, но и сейчас мы не останавливаемся НА ДОСТИГНУТОМ.

В настоящее время продолжаем выращивать кристаллы в виде новогодних игрушек, леденцы на палочке из сахара разной цветовой гаммы.

Список литературы:

1. Шаскольская М. П.. Кристаллы. Наука, 1985 г.

2. Материалы Интернета.

3. Энциклопедический словарь

4. «Рассказы о самоцветах»Детгиз 1957г.

5.Энциклопедия для любознательных «Что, зачем и почему?»

М. Махаон 2012 г.

6.Соболевский В.И. Замечательные минералы: Кн. для учащихся.

Просвещение, 1983 г.

 7. Ольгин О., «Опыты без взрывов», «Химия», 1995 г.    

8.   Здорик Т. Б. «Камень, рождающий металл», «Просвещение», 1984 г.

 9.  Кантор Б. З.«Минерал рассказывает о себе», Недра, 1985 г.

10.  Стёпин Б. Д. Аликберова Л. Ю., «Книга по химии для домашнего

чтения», Химия, 1994 г.