Выращивание кристаллов медного купороса и хлорида натрия и исследование их физических свойств.

МКУ «Управление образования Исполнительного комитета Елабужского муниципального района»
МБОУ «Гимназия №2» Елабужского муниципального района Республики Татарстан
Муниципальная ученическая научно-практическая конференция
«Поиск и творчество»
 
СЕКЦИЯ ФИЗИКА
 
Выращивание кристаллов медного купороса и
хлорида натрия и исследование их физических свойств.
Исследовательская работа
                                                                                      
      
Выполнена ученицей
9 класса
МБОУ «Гимназии №2» ЕМР РТ
Мустафиной Анастасией АнваровнойНаучный руководитель –
учитель физики
МБОУ «Гимназия №2» ЕМР РТ
Ахматсафина Рузалия РишартовнаЕлабуга, 2016
Оглавление.
Оглавление (основные заголовки работы и соответствующие номера страниц).
Введение (формулировка проблемы, отражение актуальности темы, определение целей и задач, краткий обзор используемой литературы и источников, степень изученности данного вопроса, характеристика личного вклада автора работы в решение избранной проблемы).
Кристаллы и их виды.
Методы выращивания кристаллов.
Основная часть (информация, подразделенная на главы: описание рассматриваемых фактов, характеристика методов решения проблемы, сравнение известных и новых предлагаемых методов решения, обоснование выбранного варианта решения, эффективность, точность, простота, наглядность, практическая значимость и т.д.).
Заключение (выводы и результаты, полученные автором с указанием, если возможно, направления дальнейших исследований и предложений по возможному практическому использованию результатов исследования).
Список использованных источников и литературы (публикации, издания и источники, использованные автором, расположенные в алфавитном порядке и пронумерованные).
Приложения (необязательная часть: иллюстративный материал (рисунки, схемы, карты, таблицы, фотографии и т. п.), который должен быть связан с основным содержанием).

Введение.
Кристаллы окружают нас повсюду. Нельзя не восхищаться изяществом и красотой форм, которые принимают неживые вещества. Каких только кристаллических тел не создала природа. По размерам кристаллы бывают различными. Многие из них можно увидеть только в микроскоп. Но встречаются гигантские кристаллы массой в несколько тонн. Разнообразие кристаллов по форме очень велико. Кристаллы каменной соли, например, могут иметь форму куба, параллелепипеда, призмы или тела более сложной формы.
Наука о кристаллах началась с изучения горного хрусталя. Его блестящие бесцветные кристаллы впервые были найдены еще в древности среди вечных снегов в Швейцарских Альпах. Некоторые кристаллы были настолько большими, что их с трудом могли поднять несколько силачей. В земле иногда находят камни такой формы, как будто их кто-то тщательно выпиливал, шлифовал, полировал. Правильность и совершенство формы этих камней, безукоризненная поверхность поражают. Трудно поверить, что такие многогранники образовались сами без помощи человека. Вот эти-то камни с природной, то есть не сделанной руками человека, с правильной, многогранной формой и называются кристаллами.
Но кристаллы можно получить и в лаборатории. Выращивание искусственных кристаллов очень увлекательный и важный для современной жизни процесс. Многие ученые мира ищут все новые способы синтеза искусственных кристаллов. Но сегодня, этим интереснейшим делом могут заняться не только великие ученые и исследователи, но и мы, обычные школьники.
Все кристаллы, окружающие нас, не образовались когда-то раз и навсегда готовыми, а выросли постепенно. В природе, в лаборатории, на заводе кристаллы растут из растворов, из расплавов, из паров, из твердых веществ. Поэтому представляется важным и интересным изучить процесс образования кристаллов, выяснить условия их образования, вырастить кристаллы без применения специальных приспособлений.
Актуальность темы:
Многие природные вещества имеют кристаллическое строение, искусственные кристаллы широко применяются в технике и в других областях. Изучение строения и свойств кристаллов имеет большую перспективу.
Кристаллизация в природе – длительный процесс, чистые кристаллы, без включений – редкость. В лабораторных условиях можно вырастить кристаллы многих веществ за сравнительно короткое время.
Формирование опыта накопления и обработки результатов исследований с помощью информационных технологий.

Цель работы:
1. Знакомство с методикой выращивания кристаллов.
2. Выращивание кристаллов разных веществ из насыщенных водных растворов солей.
3. Исследование параметров роста кристаллов медного купороса и поваренной соли в насыщенных раствора.
4. Рассмотреть роль информации и информационных процессов в их жизни и в окружающем мире;
Задачи работы:
1. Изучить литературу и ознакомиться с понятием «кристалл», с формами кристаллов, со способами выращивания кристаллов.
2. Освоить методику выращивания кристаллических тел.
3. Научиться готовить насыщенный и ненасыщенный растворы солей.
4. Вырастить монокристаллы различных солей из приготовленной «затравки».
5. Исследовать различные физические свойства кристаллов традиционными методами.
Объект исследования:
 сульфата меди, поваренной соли
Основные методы исследования:
 изучение литературных источников,
 наблюдение, физические опыты и эксперименты,
 математическая обработка результатов экспериментов.
Структура работы:
Исследовательская работа состоит из теоретической и практической части.
В теоретической части рассматриваются различные методы выращивания кристаллов, формируется список веществ, из которых можно выращивать кристаллы.

Теоретическая часть.
Кристаллы и их виды.
В переводе с греческого, слово "кристалл" означал "лед". Однако позже кристалл приобрел и еще одно название - горный хрусталь. Ученные предполагали, что горный хрусталь будет таять при изменении температуры в высшую сторону. Однако, этого так и не произошло. Горный хрусталь наделен и еще одной особенностью - он очень гладкий и имеет плоские грани. Больше такого нигде не сыщешь.
В кристаллах все атомы расположены так, чтобы из них образовывалась трехмерно-периодическая укладка. Таким образом, на поверхности мы видим кристаллическую решетку.
Самые крупные кристаллы существуют в Мексике, в двух пещерах. На глубине более 300 метров находятся кристаллы длинною в 10-15 м. Cостоят они из селенита - прозрачного гипса.
Кристаллы воспроизводят сами себя и таким образом растут. Их по праву можно называть "живыми" существами природы. Они могут образовывать самые различные формы. И, не смотря на это, внутренний рисунок кристалла имеет цикличность в произведении других. Вода является самым основным "ингредиентом" для образования кристалла. Он очень похож на обычную ледяную снежинку. Существует, помимо естественного образования кристаллов, искусственные. На сегодняшний день люди, которые выращивают искусственные кристаллы зарабатывают огромные деньги. Ведь из "ненастоящих" делают такие драгоценные камни как сапфир и рубин. А это - миллионы, если не миллиарды. Есть и представители самых больших и крошечных кристаллов. Хранятся они в Австрии в музее "Хрустальные миры". Самый крупный весит более 62 кг, его достоинство оценивается в 310 тыс. карат. Крошечный же вариант кристалла в диаметре не достигает и одного сантиметра. Все они принадлежат к самой знаменитой нише "Сваровски" и занесены в книгу рекордов Гиннеса. На сегодняшний день почти все кристаллы, которые существуют, выращивают искусственно. Таким образом получают именно то, что необходимо конечному потребителю. Производство кристаллов - один из самых дорогостоящих бизнесов.
Кристалл имеет определённую форму и определённое количество граней, т.к. составляющие его частицы расположены упорядоченно (правильными рядами, сетками, решётками). Все кристаллы одного и того же вещества имеют одинаковую форму, хотя и могут отличаться размерами. Например, все кристаллы поваренной соли имеют форму куба.
Кристаллы не сотворены готовыми, а вырастают в форме многогранников. Основную массу кристаллов, которые с давних пор используются человеком, составляют минералы. Из них особого внимания удостоились драгоценные камни. На металлургических, химических, фармацевтических и сахарных заводах специалисты постоянно используют кристаллы металлов, соли, соды и сахара. В XIX веке получил широкое распространение искусственный синтез минералов.
Методы выращивания кристаллов.
Кристаллы образуются тремя путями: из расплава, из раствора и из паров. Примером кристаллизации из расплава может служить образование льда из воды, так как вода - это расплавленный лед. К кристаллизации из расплава относится и процесс образования вулканических пород.
Кристаллы в природе образуются также из растворов, примером чему могут служить сотни миллионов тонн соли, выпавшей из морской воды. Такой процесс можно продемонстрировать в лаборатории с водным раствором хлорида натрия. Если дать воде возможность медленно испаряться то раствор станет насыщенным и дальнейшее испарение приведет к выделению соли.
Ученых давно интересовало, как образуются кристаллы; почему разные вещества дают кристаллы разной формы, а некоторые вовсе не образуют кристаллов; что надо сделать, чтобы кристаллы получились большими и красивыми. Исследования показали, что кристаллы – это вещества, в которых мельчайшие частички упакованы в определённом порядке. Именно этот порядок и определяет форму кристалла. Одни вещества кристаллизуются легко, другие с большим трудом или вовсе не образуют кристаллов. (Приложение1)
Кристаллизацию обычно ведут при охлаждении раствора. При каждой температуре в данном количестве растворителя может раствориться не больше определённого количества вещества. Так, в 100 г воды при 90 градусах может раствориться 54 г хлорида калия – и ни грамма больше.
Начнем охлаждать раствор. С понижением температуры растворимость большинства веществ уменьшается. При охлаждении раствора частички вещества, которым уже не хватает воды, чтобы находиться в растворённом состоянии, слипаются друг с другом, образуя крошечные кристаллы – зародыши. Если охлаждение медленное, зародышей образуется немного, и, постепенно обрастая частичками вещества со всех сторон, они превращаются в красивые кристаллики правильной кубической формы. При быстром же охлаждении образуется много центров кристаллизации, и конечно, правильных кристаллов при этом не получится, потому, что множество быстро растущих кристалликов мешает друг другу.
Роль центров кристаллизации могут играть и посторонние твёрдые примеси, находящиеся в растворе, поэтому, чем он чище, тем больше шансов, что центров кристаллизации будет немного. Итак, чем чище раствор и чем медленнее он охлаждается, тем лучше.
Есть и другой метод получения из растворов правильных кристаллов: постепенное удаление воды. «Лишнее» вещество при этом кристаллизуется. И чем медленнее будет удаляться вода, тем лучше получатся кристаллы. Можно, к примеру, попросту надолго оставить открытый сосуд с раствором при комнатной температуре – вода при этом будет испаряться очень медленно. В промышленных масштабах большие кристаллы часто получают охлаждением расплавленного вещества.
Практическая часть.
Выращивание кристаллов.
Правила по технике безопасности:
1. Работать с веществами надо очень аккуратно.
2. Пользоваться для выращивания кристаллов необходимо специальной посудой.
3. После работы с медным купоросом обязательно вымыть руки с мылом – это соединение хорошо растворяется в воде и легко смоется с кожи.
Метод охлаждения насыщенного раствора. Этот процесс не требует наличия каких-то особых химических препаратов. Кристаллы поваренной соли NaCl представляют собой бесцветные прозрачные кубики.
Сначала приготовили как можно более концентрированный раствор поваренной соли, внося её в стакан с водой, до тех пор, пока очередная порция вещества не перестала растворяться при перемешивании. После этого слегка подогрели смесь, чтобы добиться полного растворения соли и добавили еще вещества до насыщения горячего раствора.
Насыпали пищевую соль в стакан с водой при температуре 20°С и оставили на несколько минут, предварительно помешав. За это время соль растворилась. Затем добавили ещё соль и снова перемешали. Повторяли этот этап до тех пор, пока соль уже не будет растворяться и будет оседать на дно стакана. Так мы получили насыщенный раствор соли. Перелили его в чистый стакан такого же объёма, избавившись при этом от излишек соли на дне. Выбрали один более крупный кристаллик поваренной соли и положили его на дно стакана с насыщенным раствором. Уже через 3 дня было заметно значительный для кристаллика рост. С каждым днём он увеличивался. Затем проделали всё то же ещё раз (приготовили насыщенный раствор соли и опустили в него этот кристаллик), он стал расти гораздо быстрее — от размеров 0,3 до ,0,9 см за следующие 3 дня.
Метод выпаривания растворителя. Когда раствор остыл, убрала полотенце, открыли емкость и оставила раствор на неделю для испарения воды. Наблюдала за ростом кристаллов.
Каждую неделю в стаканы с монокристаллами я добавляла новые порции насыщенного раствора. Для этого на водяной бане готовила насыщенные растворы необходимых солей. Растворы отфильтровывала. Выливала в химические стаканы с большей емкостью. Затем в теплые насыщенные растворы вносила полученные образцы и продолжала опыт. Если на монокристаллах или нитке образовывались мелкие кристаллики, то я их счищала. Если на дне стакана образовывались кристаллы, я их растворяла и добавляла в новую порцию раствора.
Метод выращивания кристалла медного купороса на медной проволоке. Сначала приготовили в банке концентрированный раствор медного купороса. Затем из медной проволоки, согнули нужную фигуру и опустили в раствор. Банку накрыли марлей и убрали в темное место на двое суток.
Наблюдения.
Установили ёмкость с насыщенными растворами и кристалликами-затравками в место, где нет сквозняков, вибрации и сильного света (т.к. выращивание кристаллов требует соблюдение этих условий).
Накрыли ёмкость с кристалликами листом бумаги от попадания пыли и мусора.
Оставили раствор на две недели.
Кристалл сульфата меди глубокого синего цвета имеет форму скошенного параллелепипеда. Из всех выращенных кристаллов он самый правильный. Стороны кристалла ровные. На них не образовывались мелкие кристаллики. Выращивание этого кристалла продолжалось три с половиной месяца. Полученный кристалл мы обсушили салфеткой и покрыли бесцветным лаком.
Маленькие кристаллики поваренной соли также имеют форму куба.
Выводы
1. Растворимость в воде большинства веществ увеличивается с повышением температуры.
2. Выращивать кристаллы можно различными способами.
3. Кристаллы разных солей имеют различную форму.
4. Форма и размер кристаллов зависят от условий проведения эксперимента
Рекомендации по выращиванию кристаллов:
1. Для выращивания кристаллов использовать только свежеприготовленные растворы.
2. Использовать только чистую посуду.
3. Обязательно фильтровать раствор.
4. Кристаллик нельзя при росте без особой причины вынимать из раствора.
5. Не допускать попадание мусора в насыщенный раствор. Для этого накрывать его фильтровальной бумагой.
6. Периодически (раз в неделю) менять или обновлять насыщенный раствор.
7. Удалять образовавшиеся сросшиеся мелкие кристаллы.
8. Чем медленнее охлаждается раствор, тем крупнее образуются кристаллы.
9. Полученные кристаллы тщательно покрывать бесцветным лаком против выветривания.
Твердость кристаллов.
Твёрдость кристалла - это сопротивление, которое оказывает его поверхность при попытке поцарапать ее другим предметом и характеризует меру связности атомной структуры вещества.
Мы использовали подручные материалы: карандаш BIC 650 HB №2 с твердостью 1 и собственные ногти со средней твердостью 2,5.
Нам не удалось поцарапать кристалл соли карандашом, но ногтем мы смогли оставить на нем царапину. Наблюдения велись с помощью микроскопа.
Исходя из опыта, мы можем сделать вывод, что твердость кристалла соли по шкале Мооса больше 1, но меньше 2,5. Результаты опыта соответствуют эталонному значению твердости для кристаллов поваренной соли.
Магнитные свойства кристаллов
В ходе эксперимента кристалл был помещен в сильное магнитное поле, но поле не оказало на него никакого влияния. Результаты эксперимента подтверждают диомагнетические свойства кристалла, которые должны проявляться у кристалла хлорида натрия.
Спайность кристаллов
Случайно уронив кристалл, мы познакомились с ещё одним его свойством, которое называется спайность.
Спайность – это свойство кристаллов раскалываться (расщепляться) при ударе или давлении по определенным направлениям (чаще всего параллельно граням). В зернах минералов, обладающих спайностью, наблюдается система параллельных трещин. Различают минералы с совершенной и несовершенной спайностью. Минералы, обладающие совершенной спайностью, наблюдаются тонкие, четкие трещины параллельные друг другу.
Заключение.
Искусственные кристаллы очень нужны. Выращивая кристаллы в лабораториях, человек может узнать, как кристаллы рождаются и живут в природных условиях, изучить свойства кристаллов. Кроме того, процесс выращивания кристаллов очень красив и увлекателен.
Полученные кристаллы могут быть использованы для создания картин, цветов, композиций, и воплощения дизайнерских идей. Выращенные кристаллы можно применить как украшение на новогодней елке, как украшение интерьера, бижутерию для модниц, как брелок на ключи и сотовый телефон.
Разработанная модель исследований измерения линейных и объемных размеров кристаллов с помощью новых информационных технологий позволила провести исследования характеристик выращиваемых кристаллов, вычислить составляющие погрешности, оценить основные метрологические характеристики программы, а также представить результаты эксперимента в наглядной форме в виде графиков и диаграмм.
Проведенные экспериментальные исследования подтвердили адекватность разработанной модели
Список использованных источников и литературы
1. Энциклопедический словарь юного химика. /Под ред. Трифонова Д.Н. – М.: «Педагогика – Пресс», 1999. – 368с.: ил.
2. Верховский В. Н, Смирнов А. Д. Техника химического эксперимента – М.: «Просвещение», 1975. – 383с.: ил.
3. Справочник по физике. Б.М. Яворский, А.А. Детлаф, Наука, 2-е изд., 1985
4. http://ru.wikipedia.org/wiki/
5. http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2686.html
6. Применение электронных таблиц Excel в экспериментальной деятельности. Д.Ю.Усенков , М: Лаборатория Бином, 2010 г.

Приложение1.
Соли, которые можно использовать при выращивании кристаллов
Таблица 1. Соль Формула Цвет Соли г/0,5 л*
Алюмокалиевые квасцы KAl(SO4)2 * 12H2O Серебристо-белые 150 – 200
Хромокалиевые квасцы KСr(SO4)2 * 12H2O Сине-фиолетовые 400
Медный купорос CuSO4 * 5H2O Ярко-синие, прозрачные 200 – 250
Сегнетова соль NaKC4H4O6 * 4H2O Бесцветные 550
Жёлтая кровяная соль K (Fe (CN)) Светло-жёлтые 200
Смесь алюмокалиевых и хромокалиевых квасцов KAl(SO4)2 * 12H2O KСr(SO4)2 * 12H2O Бледно-лиловые 150 – 200
Хромовокислый калий KСrO4 Лимонно- жёлтые 375
Железный купорос FeSO4 * 7H2O Зеленоватые 302
Бура Na2B4O7 * 10H2O Белые 28
Красная кровяная соль K (Fe (CN)) Рубиновые 450
Железоаммиачные квасцы NH4Fe(SO4)2 * 12H2O Светло-фиолетовые 350