МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Національний еколого-натуралістичний центр учнівської молоді

 

 

 

 

 

 

Науково-дослідницька робота

на тему:

«Вплив зовнішніх умов на ріст кристалів»

 

 

 

 

 

 

 

Виконав:

учень 4-Б класу,

Вільногірської загальноосвітньої школи №5

Шакун Єгор Сергійович

 

Науковий керівник:
Мазінова С.Г.

 

 

 

Вільногірськ 2017

ЗМІСТ

ВСТУП

РОЗДІЛ 1. ТЕОРЕТИЧНА ЧАСТИНА

1.1 Що таке кристал?

1.2 Будова кристалічних тіл

1.3 Способи вирощування кристалів.

1.4. Магнітне поле

РОЗДІЛ 2. ПРАКТИЧНА ЧАСТИНА

2.1 Підготовка до дослідів

2.2 Як впливає частота зміни розчину солі на ріст кристала?

2.3 Приготування розчинів при різних температурах

2.4 Вплив магнітного поля на ріст кристалу

2.5 Кристали інших солей

ВИСНОВОК

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

ВСТУП

У світі дуже багато цікавого і незвичайного. Кристали - це камені такої форми, які ніби ретельно випилювали, шліфували та полірували, а також вони знаходяться у надрах земної кори. Вони зустрічаються в нашому житті всюди, притягаючи своєю незвичністю і загадковістю, викликаючи інтерес до спостереження і вивчення. Бувають кристали маленькі, вузькі і гострі, як голки, і бувають величезні, як колони. Більшість кристалів ідеально чисті й прозорі, як вода. Недарма кажуть "прозорий як кристал", "кристально чистий".

Живучи на Землі, ми ходимо по кристалах, будуємо з кристалів, обробляємо кристали на заводах, вирощуємо їх у лабораторіях, широко застосовуємо в техніці і науці, їмо кристали, лікуємося ними. Кристали грали і грають до сих пір важливу роль в житті людини. Вони володіють різноманітними властивостями, саме тому кристали зіграли важливу роль у багатьох технічних новинках XX століття.

          Кристали можна отримати в лабораторії, але вони бувають і в природі. Наприклад, сніжинки, морозні візерунки на склі вікон і іній, що прикрашає взимку голі гілки дерев, являють собою кристали льоду, які виросли з водяної пари. На стінах кратерів вулканів постійно утворюються кристали сірки, кам'яної солі та інших речовин. Багато кристалів є продуктами життєдіяльності організмів. Кристалами є алмази, рубіни, сапфіри та інші дорогоцінні камені. За добу в лабораторії можна виростити кристал кам'яної солі масою близько кілограма. Кристали широко застосовуються в науці, промисловості, електроніці, тощо. [1]

Актуальність роботи полягає в тому, що розвиток науки і техніки призвело до того, що більшість кристалів, які рідко зустрічаються в природі є необхідними для виготовлення деталей приладів, машин, для виконання наукових досліджень. Потреба в багатьох кристалах зросла настільки, що задовольнити її за рахунок природних родовищ виявилося неможливим. Виникла задача дослідження штучного виготовлення кристалів, а також виявлення умов, які дозволяють вирощувати кристали з необхідними фізичними властивостями. Вивчення кристалів, у всіх їх проявах, є найбільш перспективним і затребуваним заняттям в області науки на кілька найближчих десятиліть.

Метою роботи є вивчення впливу різних зовнішніх чинників на ріст та форму кристалів неорганічних солей.

Об’єктом роботи є приготування насичених розчинів солей, алюмокалієвих галунів і вирощування кристалів при зміні зовнішніх умов.

Завдання дослідження:

1. Опанувати теоретичний матеріал з даної теми.

2. Познайомитися зі способами вирощування кристалів;

3.Освоїти методику вирощування кристалічних тіл;

4.Провести спостереження за процесом кристалізації;

5. Дослідити вплив різних температур, дію магнітного поля на формування кристалів;

6.Виявити найбільш сприятливі умови для росту кристалів в домашніх умовах;

7.Проаналізувати виконані експерименти, зробити висновки і представити результати.

РОЗДІЛ 1. ТЕОРЕТИЧНА ЧАСТИНА

1.1 Що таке кристал?

Кристали - це тверді тіла, де атоми або молекули займають певні, впорядковані положення в просторі. У всіх кристалах, у всіх твердих речовин частинки розташовані в чіткому порядку, збудовані симетричним, правильним повторюваним візерунком. Поки є цей порядок, існує тверде тіло, кристал. Він має певну форму і певну кількість граней внаслідок розташування своїх атомів. Всі кристали однієї речовини мають однакову форму, хоч і можуть відрізнятися розмірами.

У природі існують сотні речовин, що утворюють кристали. Вода - одна з найпоширеніших з них. Замерзаюча вода перетворюється в кристали льоду або сніжинки. Мінеральні кристали теж утворюються в ході певних породоутворюючих процесів. Величезні кількості гарячих і розплавлених гірських порід глибоко під землею в дійсності являють собою розчини мінералів. Мінерали перетворюються в кристали, коли переходять зі стану гарячої рідини в холодну тверду форму. Наприклад, гірський граніт містить кристали таких мінералів, як кварц, польовий шпат і слюда.

Кристалічні тверді речовини зустрічаються у вигляді окремих поодиноких кристалів – монокристалів, а також полікристалів, які є скупченням безладно орієнтованих дрібних кристаликів, які по іншому називаються (кристалічними) зернами. За своїми властивостями монокристали відрізняються від полікристалів. Монокристали, мають правильну геометричну форму, а полікристали складаються з безлічі зрощених кристалів. (рис. 1)

 

 

 

                        а)  б)

Рис. 1. а – монокристал; б – полікристал

1.2 Будова кристалічних тіл

Внутрішня будова кристалів підпорядковується строгим законам симетрії. Так, будь-який кристал складається з маленьких кристаликів, і в кожному атоми розташовані в просторі строго періодично[2]. Кристали можуть мати від чотирьох до декількох сотень граней. Для наочного уявлення внутрішньої структури кристала використовують його зображення за допомогою кристалічної решітки. Кристалічна решітка - тривимірне розташування атомів, іонів або молекул в кристалічній речовині.

Вчені висунули ідею існування кристалічної решітки і побачили у цьому причину правильної форми кристалів[2]. Принцип побудови кристалічної решітки можна представити в такий спосіб, окремі атоми групуються в однакові елементарні блоки за принципом щільної упаковки. Утворені блоки об'єднуються, утворюючи загальну геометричну конструкцію - кристалічну решітку. (рис.2)

Рис. 2 Кристалічна решітка

 

1.3 Способи вирощування кристалів.

Кожен міг спостерігати, як виникають, ростуть і поступово змінюють свою форму кристали льоду на склі замерзлого вікна. Кристали ростуть. Вони завжди ростуть правильними, симетричними многогранниками, якщо їм ніщо не заважає при рості. Кристалізацію можна вести різними способами [5].

1 спосіб: Кристали можуть рости при конденсації пари - так виходять сніжинки і візерунки на холодному склі.

2 спосіб: Охолодження насиченого гарячого розчину або розплаву. До кристалізації з розплаву відноситься і процес утворення вулканічних порід. Саме через охолодження мільйони років тому на Землі з'явилося багато мінералів. «Розчином» для цього «досліду» служила магма - розплавлена ​​маса гірських порід в надрах Землі. Піднімаючись до поверхні з розжареної глибини, магма охолоджувалася. В результаті цього охолодження, яке могло тривати не одну тисячу років, утворилися ті самі мінерали, по яким ми ходимо. Процес цей дуже тривалий.

3 спосіб: Поступове видалення води з насиченого розчину. При випаровуванні («висиханні») вода перетворюється в пар, але розчинені у воді хімічні речовини не можуть випаруватися разом з нею і осідають у вигляді кристалів. Найпростіший приклад - сіль, яка утворюється при випаровуванні води з соляного розчину. І в цьому випадку, чим повільніше випаровується вода, тим краще виходять кристали. Саме використовуючи такий спосіб я вирощував свій кристал.

1.4. Магнітне поле

Магнітне поле не сприймається органами почуттів, одною із його основних властивостей є невидимість. Магнітне поле виникає навколо тіл, які тривалий час зберігають намагніченість - магнітів, тіл, які володіють власним магнітним полем. Основна властивість магнітів: притягувати тіла виготовлені з заліза або його сплавів. Постійний магніт завжди має два магнітних полюси: північний (N) і південний (S) (рис. 3). Найбільш сильне магнітне поле постійного магніту у його полюсів. Однойменні полюси магніту відштовхуються, а різнойменні полюси притягуються. Природні магніти - це шматки магнітного залізняку.

Рис. 3 Постійні магніти

РОЗДІЛ 2. ПРАКТИЧНА ЧАСТИНА

2.1 Підготовка до дослідів

Для того, щоб визначити як впливають різні фактори на формування кристалу, спочатку треба приготувати затравку (дод. А). Для цього на водяну баню ставимо склянку з водою і насипаємо трохи порошку мідного купоросу, постійно помішуючи. Після повного розчинення ще додаємо трохи порошку і добре розмішуємо [3]. Таким чином, ми отримали насичений розчин мідного купоросу. Залишаємо приготовану суміш на добу. На наступний день переливаємо суміш в іншу банку через фільтр. Через добу на дні банки з'явилися перші кристалики - вони всі мали різну форму. Саме з них ми відібрали ті, які більше сподобалися і які мали більш правильну форму [4]. Вони будуть використані в якості затравки в подальших дослідах (рис.4). Прив'язуємо кристалики до нитки.(дод. Б)

Рис. 4 Приклад кристалу, який використовується в якості затравки
 

2.2 Як впливає частота зміни розчину солі на ріст кристала?

Заздалегідь приготований новий розчин розливаємо в 2 банки і занурюємо туди приманки, накриваємо папером і залишаємо рости. Через добу готуємо новий розчин. В першій банці нічого не змінюємо, тобто кристал залишається рости в маточному розчині, а в другій банці зливаємо попередній розчин, заливаємо новий і вносимо ту саму затравку, яка була в попередньому розчині. І так ми змінювали розчин на перший, другий, четвертий і сьомий день. Кожен раз коли змінюючи розчин, вимірювали параметри кристалу і масу. Отримані дані наведені в таблиці 1.

Табл. 1 Отримані результати в ході дослідження

Час вирощування	Розмір кристала(довжина) (см)		Маса кристала(г)
	В маточному розчині	В розчині, який змінювали	В маточному розчині	В розчині, який змінювали
1 доба	0,6	0,7	7	5
2 доба	1,1	1,3	15	10
4 доба	2,4	3,2	21	18
7 доба	2,9	3,9	27	23

 

Зробивши дане дослідження ми можемо прийти до такого висновку, що кристал, який ріс з маточного розчину є правильної форми, тобто утворився монокристал, маса якого більше, але сама довжина кристалу є меншою в порівнянні з кристалом, що ріс в розчині, який періодично змінювали, в ньому виріс так званий полікристал (рис.5).

 

 

 

Рис. 5 Кристали отримані в результаті досліду: 1 – монокристал (з маточного розчину), 2 – полікристал (з змінюваного розчину)

2.3 Як впливає приготування розчинів при різних температурах

 Використовуючи ту саму методику приготування розчину, яка наведена в 2.1, ми зробимо 4 розчини, але при різних температурах. Тобто кожного разу температура буде збільшуватися. Робимо водяну баню для 1 розчину нагріваємо до кімнатної температури (25°С), 2 розчин – до 40°С, 3 розчин – до 65°С, 4 розчин - до 90°С, майже до кипіння. Для цього використовуємо термометр (рис. 6).

 

 

 

 

 

 

Рис. 6 Нагрівання розчину до певної температури

 

У кожен розчин вносимо попередньо приготовану затравку (майже однакового розміру) і залишаємо в однакових умовах. Впродовж тижня спостерігаємо за ростом кристалу та робимо виміри маси та довжини.  Отримані дані наведені у таблиці 2.

 

Табл. 2 Отримані результати в ході дослідження

Час вирощування (к-сть днів)	Маса, г
	25°С	40°С	65°С	90°С
1	4	4	5	7
2	5	5	7	10
4	7	8	10	15
6	10	13	16	19
8	12	17	21	25
10	15	20	24	29
12	19	23	29	33
14	24	27	32	39

Проаналізувавши отримані результати, зробимо такий висновок, швидкість росту кристалів, тобто маса на яку збільшилася затравка за один день залежить від температури. Чим вище температура, тим більше швидкість росту кристала. Тому, для того, щоб виростити якомога більший кристал, готують маточний розчин з температурою близькою до кипіння.

 

2.4 Вплив магнітного поля на ріст кристалу

 Для того, щоб виконувати дослідження по оцінці впливу магнітного поля на формування кристалу, спочатку треба впевнитися, чи дійсно існує магнітне поле. Для цього аркуш паперу треба покласти на смугові магніти , розташовані спочатку однойменними полюсами, а потім різнойменними. І насипати на лист паперу залізні ошурки. За допомогою них ми отримали уявлення  про вигляд магнітного поля. Силові лінії магнітного поля замкнені. (дод. В)

 Готуючи насичений розчин за вже відомою методикою, при однаковій температурі, розливаємо його у дві банки. Першу розміщаємо в магнітне поле,    іншу – подалі від магнітів. Спостерігаючи за ростом кристалів, вимірювали їх масу. Отримані дані наведені у таблиці 3.

Табл. 3 Отримані результати в ході дослідження

Час вирощування (к-сть днів)	Маса, г
	Під дією магнітного поля	Без магнітного поля
1	7	4
2	11	6
4	17	11
7	24	16

За отриманими результатами можна відповісти на питання «Чи впливає магнітне поле на формування кристалу?», - так. Під дією магнітного поля виріс монокристал з рівними гранями та більшою масою, ніж кристал, який був вирощений поза дією магнітного поля. Кристал, який ріс без магнітного поля має вигляд полікристала (друзи), який має нерівномірно зрощені кристали.(рис. 7)

 

 

 

 

Рис. 7 Кристали отримані в результаті досліду: 1 – монокристал (під дією магнітного поля), 2 –полікристал ( поза дією магнітного поля)

2.5 Кристали інших солей

 Для всіх дослідів, ми використовували мідний купорос, адже він поширений, його легко придбати в будь-якому сільськогосподарському магазині. Також мідний купорос є більш безпечним для використання в дослідах, які проводять діти, та все одно не треба забувати про елементарні правила безпеки.  Але я дуже захопився процесом вирощування кристалів, тому в моїй «колекції» є ще декілька кристалів інших солей (рис.8):

Кристали повареної солі	Кристали алюмо-калієвих галунів
Кристали сульфату нікелю	Кристали сульфату кобальту

Рис. 8 Кристали деяких солей

ВИСНОВОК

Тема вирощування кристалів стає все більш актуальною для всього людства. В даний час кристали буквально увійшли в кожну оселю. У серці кожного телевізора, стільникового телефону, комп'ютера знаходиться кристал. Вирощування кристалів зберігає природні багатства і прискорює науково-технічний прогрес. Світ кристалів і світ людей стали нерозривні.

Виконавши цю експериментально-дослідницьку роботу, я впевнився, що вирощування кристалів є дуже трудомістким і тривалим процесом. При вивченні кристалів я переконався: властивості їх настільки різноманітні, що ми змогли дослідити лише деякі з них. З проведених дослідів можна зробити такий висновок, що на зростання кристалів впливають різні чинники: природа речовини, температура розчину, швидкість його охолодження, частота зміни маточного розчину, магнітні поля.

Для того, щоб отримати ідеальний монокристал необхідно: вирощувати кристали з розчинів, який повільно остигає, щодня змінюваних розчинів і готувати розчин при температурі близькій до температури кипіння. Найбільш швидко ростуть кристали мідного купоросу, алюмокалієві галуни. Повільно і не утворюючи великих кристалів: хлорид натрію, сульфат нікелю. При дії на кристали в момент їх зростання магнітним, а можливо і електромагнітним полем, можна отримувати кристали різної форми. По закінчення росту кристали необхідно покрити лаком або помістити в герметичний посудину для запобігання вивітрювання.

Процес вирощування кристалів в домашніх умовах це дуже цікаве і захоплююче заняття, що дозволяє свідомо поставитися до закономірностей природи. Робота по вирощуванню кристалів зробила мене більш спостережливим, розширила мій кругозір, долучила до науки, дозволила дивуватися. Переживання "чуда" вирощування принесло мені багато позитивних емоцій і яскравих вражень. Дослідницька робота відкрила мені двері в загадкову країну кристалів. Світ кристалів виявився дивовижний і різноманітний. Хочу й подалі збагачувати свою «колекцію» все новими видами кристалів з різних солей, різної форми.

 

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

1. Бокштейн Б. С. Атомы блуждают по кристаллу / Б. С. Бокштейн. – Москва: Наука, 1984. – 209 с.
2. Энциклопедия для детей – Москва: Аванта плюс, 2005. – 312 с.
3. Алексинский В. Н. Занимательные опыты по химии / В. Н. Алексинский. – Москва: Просвещение, 1995. – 157 с.
4. Выращивание кристаллов в домашних условиях (wikipedia.org/wiki/E519)
5. Шаскольская М.П. Очерки о свойствах кристаллов: очерки / М.П. Шаскольская – М. : Наука, 1978.

 

 

Додаток А

Перед тим, як починати виконувати дослідження треба ретельно вивчити правила безпеки, а головне строго виконувати їх, адже недотримання правил безпеки приведе до небажаних травм.

• Небажано для вирощування кристалів використовувати харчовий посуд, і тим більше, її згодом використовувати за прямим призначенням: можуть бути отруєння;
• Після роботи з солями необхідно ретельно відмити руки. Безумовно, краще використовувати гумові рукавички і спеціальний захисний одяг;
• Небажано вибирати для дослідів невідомі і не підписані реактиви або речовини з закінченим терміном придатності;
• Зберігати реактиви в герметичній упаковці, сухому місці, недоступному для малолітніх дітей і домашніх тварин;
• Бажано наявність витяжки, щоб все виділення негайно пішли з вашої кухні;
• Якщо розчин потрапив на шкіру, то потрібно добре промити це місце чистою водою. При попаданні розчинів в очі і на слизові оболонки слід звернутися до лікаря;
• При роботі з використанням плити, виконувати дослід тільки під наглядом дорослих.

Додаток Б

Приведене поступове приготування затравки і подальше її використання у ході росту кристалу.

 

Додаток В

 

Магніти розташовані однойменними полюсами
Магніти розташовані різнойменними полюсами