В процессе проведения работы над исследовательским проектом по физике на тему «Выращивание кристаллов» обучающаяся 11 класса расширила знания о способах выращивания монокристаллов и друз в домашних условиях, рассмотрела применение кристаллов в науке и технике, а также вырастила кристаллы поваренной соли и медного купороса.

Подробнее о работе:

В готовом исследовательском проекте по физике на тему «Выращивание кристаллов» автор сделала выводы о том, что в домашних условиях можно вырастить кристаллы различных типов, отличающиеся друг от друга химическим составом, внутренней структурой, формой, окраской. Доказательством этому является созданная презентация и коллекция кристаллов. Подготовка проектного продукта представлена в фотографиях. Сама коллекция и презентация переданы учителю физики в кабинет. Проектный продукт может быть использован на уроках физики при изучении тем, связанных с кристаллическими телами или с агрегатным состоянием веществом. Возможно использование продукта не только на уроках физики, но и на уроках химии для формирования у учащихся межпредметных связей и повышения интереса к учению.

Оглавление

Введение
Глава 1. Теоретическая часть
1.1. Понятие кристалла
1.2. Строение кристаллов
1.3. Свойства кристаллов
1.4. Применение кристаллов
1.5. Способы выращивания кристаллов
Глава 2. Практическая часть
2.1. Выращивание кристаллов в домашних условиях
2.2. Выращивание кристаллов соли
2.3. Выращивание друзы из медного купороса
Заключение.
Список литературы
Приложение

Актуальность. Ледяная сосулька и клинок сабли, железнодорожный рельс и кристалл рубинового лазера, обломок кирпича и драгоценный бриллиант, корпус космической ракеты и раскаленная нить электролампы – все это твердые тела. Мы живем на поверхности твердого тела – земного шара, в домах, построенных из твердых тел. Наше тело, хотя оно и содержит 65% воды (мозг – 80%), тоже считают твердым.

Знать и изучать свойства твердых тел необходимо. Ведь это позволяет создавать новые вещества, улучшать существующие, находить новые области применения твердых тел в науке и технике. В акустике не обойтись без пьезокристаллов. В оптике твердые тела используют для изготовления линз, призм и других элементов оптических установок. Квантовая электроника широко использует в лазерах кристаллы рубина, сапфира и других веществ. Выращивание кристаллов превратилось в целую отрасль промышленности. Искусственные алмазы и другие сверхтвердые материалы позволяют во многих случаях отказаться от дорогих естественных алмазов.

Новые конструкционные материалы, созданные на основе изучения и улучшения механических свойств и жаропрочности твердых тел, идут на изготовление корпусов космических ракет. Огромные возможности для науки и техники открыло создание полупроводниковых материалов и приборов, а также использование жидких и фотонных кристаллов. Получение материалов с заданными механическими, магнитными, электрическими и другими свойствами – одно из основных направлений современной физики твердого тела. Примерно половина физиков мира работают сейчас в этой области науки. Учет вышеизложенных фактов определил тему моей работы: «В глубинах кристалла».

Цель проекта: пополнение материально-технической базы кабинета физики путем создания коллекции кристаллов, а также расширение собственного кругозора.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Изучить литературу по данной теме.
2. Изучить способы выращивания монокристаллов и друз в домашних условиях.
3. Вырастить кристаллы поваренной соли и медного купороса.
4. Проанализировать полученный результат эксперимента.
5. Рассмотреть применение кристаллов в науке и технике.
6. Создать фотогалерею выращенных кристаллов и презентацию.
7. Создать коллекцию кристаллов.

Гипотеза: в домашних условиях можно вырастить достаточно большие кристаллы.
Объект исследования: кристаллические тела.
Предмет исследования: поваренная соль, медный купорос.

В процессе работы я использовала следующие методы исследования:

1. Работа с научной литературой.
2. Проведение констатирующего эксперимента, с целью выяснения физических особенностей кристаллических тел.
3. Целенаправленное, длительное наблюдение за процессом роста кристаллов, с отражением результата наблюдений в виде фотографий.
4. Анализ полученных результатов и соотнесение его с гипотезой.

Выводы. Проект информационный, частично носит практико-ориентированный характер. Проектный продукт может быть использован на уроках физики при изучении темы «Строение веществ» в 7 классе, «Агрегатные состояния вещества» в 8 классе и в 10 классе по теме «Кристаллические тела». Возможно использование продукта не только на уроках физики, но и на уроках химии для формирования у обучающихся межпредметных связей и повышения интереса к учению.

Много веков назад среди вечных снегов в Альпах, на территории современной Швейцарии, нашли очень красивые, совершенно бесцветные кристаллы, напоминающие чистый лед. Сначала древние натуралисты дали им название «кристаллос», которое по-гречески означает лед, а затем горный хрусталь. Они полагали, что лед, находясь, длительное время в горах, на сильном морозе окаменевает и теряет свою способность таять. Один из самых авторитетных философов Аристотель писал, что «кристаллос рождается из воды, когда она полностью утрачивает теплоту».

Так что же такое кристалл? Определение «кристалл» дано во многих энциклопедиях и справочниках. Например, по словарю С. М. Ожегова: «кристалл – это твердое тело, имеющее упорядоченное, симметричное строение». А вот в справочнике «Элементарной физики» кристаллу дается более полное определение: «кристалл – это однородное анизотропное тело, в котором частицы (ионы, атомы, молекулы) расположены в пространстве правильно построенными цепочками, плоскими сетками и трехмерными решетками; эти частицы совершают колебания относительно положения равновесия».

Твердым телам или кристаллам, присуще периодически повторяемое в пространстве расположение атомов, ионов, молекул. Иначе говоря, кристаллическая решетка. У кристаллических твердых тел существует четыре вида пространственных решеток.

1. Ионная решетка. В узлах этой решетки в определенном порядке чередуются ионы противоположных знаков, удерживающиеся в положении устойчивого равновесия электростатическими силами. Например, такая пространственная решетка у соли (NaCl).
2. Атомная решетка. В узлах этой решетки находятся нейтральные атомы, взаимодействия между которыми происходит через общие для каждых двух соседних атомов электронные пары (ковалентная связь). Примером служит алмаз и графит.
3. Молекулярная решетка. В узлах данной решетки расположены нейтральные молекулы, удерживающие молекулярными силами притяжения. Например, такую кристаллическую решетку имеют: H2, N2, O2, CO2, HO2.
4. Металлическая решетка. В узлах этой решетки находятся положительные ионы, взаимодействие между, которыми осуществляется через общественные, свободные электроны.

Семейство кристаллических тел состоит из двух групп: монокристаллов и поликристаллов. Монокристалл – это отдельный, однородный кристалл, имеющий непрерывную кристаллическую решетку и характеризующийся анизотропией свойств. Примером может служить монокристалл каменной соли, алмаза, исландского шпата. Поликристалл – это твердое тело, состоящее из беспорядочно ориентированных монокристаллов. Примерами поликристаллов являются: сахар-рафинад, а также, такие металлические изделия, как вилки, ложки, колпаки автомобильных колес.

Кристаллы имеют много различных свойств. Во-первых, это анизотропность, кристаллы имеют свои физические свойства в зависимости от направления роста, то есть они могут по-разному проводить тепло, электричество, свет, а также иметь различную прочность.Прочность кристаллов – это одно из интересных его свойств. Например, если рассмотреть такой элемент таблицы Менделеева, как углерод, то можно заметить, что из-за образования разных кристаллических решёток могут получиться два совершенно разных вещества. Это алмаз, который является одним из самых прочных минералов и графит, который можно назвать хрупким веществом.

Во-вторых, однородность. Составляющие кристаллов, одинаково расположенные в пространстве, имеют одинаковые свойства. В-третьих, самоогранка кристаллов. Если осколок кристалла будет находиться в среде, которая подходит для его роста, то он приобретёт определённую многогранную форму и покроется гранями, которые соответствуют его виду. В-четвёртых, симметрия. В кристаллах есть различные элементы симметрии: ось симметрии, центр симметрии. Идеальные формы кристаллов симметричны.

Строение и свойства кристаллов столь многогранны, что их изучением занимается отдельная наука – минералогия. Удивительные свойства кристаллов имеют огромное значение для развития современных науки, техники, строительной промышленности и многих других отраслей.

Применения кристаллов в науке и технике так многочисленны и разнообразны, что их трудно перечислить. Поэтому я ограничусь несколькими примерами. 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. Примерно 80% применяемых в технике алмазов идет на заточку инструментов и резцов "сверхтвердых сплавов". Алмазы служат опорными камнями (подшипниками) в хронометрах высшего класса для морских судов и в других особо точных навигационных приборах.

На алмазных подшипниках не обнаруживается никаких следов износа даже после 25 миллионов оборотов. Рубин и сапфир относятся к самым красивым и самым дорогим из драгоценных камней. Сапфир прозрачен, поэтому из него делают пластины для оптических приборов. Основная масса кристаллов сапфира идет в полупроводниковую промышленность.

А вот вся часовая промышленность работает на искусственных рубинах. Из 1 кг синтетического рубина удается изготовить около 40 000 опорных камней для часов. На полупроводниковых заводах тончайшие схемы рисуют рубиновыми иглами. В текстильной и химической промышленности рубиновые нитеводители вытягивают нити из искусственных волокон, капрона, нейлона. Новая жизнь рубина — это лазер. В 1960 году был создан первый лазер на рубине.

Другим замечательным минералом, применяемым в технике, является кварц. Кремень, аметист, яшма, опал, халцедон, горный хрусталь — все это разновидности кварца. Например, чистые бездефектные кристаллы горного хрусталя идут на изготовление призм, спектрографов, поляризующих пластинок. Особенно удивительны электрические свойства кварца. Если сжимать или растягивать кристалл кварца, на его гранях возникают электрические заряды.

Это пьезоэлектрический эффект в кристаллах. Пьезоэлектрические кристаллы широко применяются для воспроизведения, записи и передачи звука. Существуют и пьезоэлектрические методы измерения давления крови в кровеносных сосудах человека и давления соков в стеблях и стволах растений. Пьезоэлектропластинками измеряют, например, давление в стволе артиллерийского орудия при выстреле, давление в момент взрыва бомбы, мгновенные давления в цилиндрах двигателей при взрыве в них горячих газов.

В технике также нашел своё применение поликристаллический материал поляроид. Поляроид — это тонкая прозрачная пленка, сплошь заполненная крохотными прозрачными игольчатыми кристалликами вещества. Поляроидные пленки применяются в поляроидных очках. Поляроиды гасят блики отраженного света, пропуская весь остальной свет. Они незаменимы для полярников, которым постоянно приходится смотреть на ослепительное отражение солнечных лучей от заледеневшего снежного поля.

Поляроидные стекла помогут предотвратить столкновения встречных автомобилей, которые очень часто случаются из-за того, что огни встречной машины ослепляют шофера, и он не видит этой машины. Исключительная роль выпала на долю кристаллов в современной электронике. Большинство полупроводниковых электронных приборов изготовлено из кристаллов германия или кремния. Крупные монокристаллы этих веществ выращивают из раствора, расплава или газовой фазы. Например, выращенный из раствора маленький кристалл германия помещают в насыщенный водный раствор, который начинают выпаривать.

Из-за того, что соли осаждаются на кристалле, он увеличивается. Кристаллы, выращенные в трех фазах, достигают огромных размеров: 30-40 см в длину и 5-10 см в диаметре. Из «этих монокристаллов – гигантов» германия или кремния вырезают множество пластинок шириной в доли миллиметра, которые протравливают и полируют. Кремниевые пластинки используются для создания интегральных схем.

Современный уровень технологии позволяет на пластине кремния площадью несколько квадратных миллиметров разместить десятки тысяч электронных элементов. Полупроводниковые диоды используются в компьютерах и системах связи, транзисторы заменили электронные лампы в радиотехнике, а солнечные батареи, помещаемые на поверхности космических летательных аппаратов, преобразуют солнечную энергию в электрическую.

Фотонные кристаллы – один из объектов нанотехнологии, междисциплинарной области, которая служит основой техники XXI века. Фотонные кристаллы открыли удивительную возможность для хранения, передачи и обработки информации на базе материалов нового типа (фотоника). Эффективность передачи в уже созданных кристаллах составляет 95%, для стандартных светопередающих сред 30%. Вероятно, в ближайшее время будут использоваться сочетания традиционных полупроводниковых устройств и устройств на базе фотонных кристаллов. В будущем планируется переход на компьютеры, основанные исключительно на фотонике.

Этими примерами можно было бы закончить мой короткий рассказ. Но перечень видов применения кристаллов в технике непрерывно растет. Дальнейшее развитие науки продолжает выявлять в них все новые и новые свойства. Рубиновые стекла в иллюминаторах и приборах космических кораблей, световоды из горного хрусталя, позволяющие практически мгновенно передавать с помощью лазерного луча громадное количество информации, алмазы в качестве детекторов ядерных излучений — даже простое перечисление показывает, что замечательные кристаллы находятся на самом переднем крае науки и техники.

Кристаллы правильной геометрической формы встречаются в природе редко. Совместное действие таких неблагоприятных факторов, как вода, ветер, колебания температуры, тесное окружение соседними твердыми телами, не позволяют растущему кристаллу приобрести характерную для него форму. Но такой кристалл можно вырастить в искусственных условиях. Выращивание кристаллов физико-химический процесс. Растворимость веществ можно отнести к физическим явлениям, так как происходит разрушение кристаллической решётки. Другой физический процесс – диффузия, когда происходит самопроизвольное перемешивание веществ.

Однако зачастую мы наблюдаем и химические процессы: гидролиз и сольватацию. Есть несколько способов образования кристаллов. Во-первых, образование кристаллов из раствора. В данном случае чаще всего используется метод испарения. Кристаллы растут из насыщенного раствора при медленном испарении или медленном понижении температуры. При выращивании кристаллов из растворов состав кристалла будет отличаться от исходного химического состава. В основе такого выращивания находится зависимость типа растворителя и растворимости его от температуры. Способ выращивания кристаллов из растворов является одним из самых простых. Его чаще всего используют для выращивания в домашних условиях.

Во-вторых, образование кристаллов из расплавов. Способы выращивания кристалла из расплава бывают с большим объёмом расплава и с малым. С большим объёмом расплава – это методы Киропулоса, Чохральского, Стокбаргера, Бриджмена. С малым объёмом расплава – это метод Вернейля и зонной плавки. Рассмотрим по одному методу из каждого типа.

Метод Киропулоса – метод объёмного роста кристаллов для получения монокристаллов. Чаще всего его используют для изготовления светодиодов, в качестве прочного оптического материала, а также для выращивания крупных кристаллических слитков сапфира. Сам метод заключается в том, что сырьё плавят в тигле, т. е. в специальном металлическом или керамическом контейнере для плавки металлов, затем погружают туда кусочек монокристаллического материала. После монокристаллический материал начинает вытягиваться вверх. Точно контролируя температуру и скорость вытягивания можно получить большой монокристаллический слиток расплава.

Метод Вернейля – способ выращивания монокристаллов, использующийся для создания искусственных драгоценных камней, в основном рубинов и сапфиров. Смесь оксидов расплавляется в огне водородно-кислородной горелки (печи Вернейля), получившиеся капли в процессе охлаждения образуют кристалл. Данный метод является бестигельным, что снимает проблему дополнительного загрязнения расплава из-за возможных химических взаимодействий. Получение качественных кристаллов возможно только при тщательно отрегулированной работе всех механизмов.

В-третьих. Образование кристаллов из газовой фазы. Данные методы используются для выращивания, как больших кристаллов, так и малоразмерных кристаллических материалов. Такие методы более универсальны по сравнению с другими. Почти для любого вещества можно подобрать условия для роста монокристаллов. Процесс кристаллизации способен протекать в достаточно простых условиях, что обеспечивает минимальное количество дефектов у кристаллов. Низкие скорости роста в силу низко концентрационной исходной среды обеспечивает совершенство получаемых кристаллов. Но если смотреть с позиций экономичности процесса, то это является и недостатком кристаллизации из газовой фазы.

Данный метод можно разделить на метод физической конденсации потоков атомов и молекул, т. е. кристаллы выращиваются из газа или пара схожего состава, и на кристаллизацию с добавлением химических реакций, т. е. в данном случае используется более одного компонента. Рассмотрим метод запаянной ампулы. Метод запаянной ампулы наиболее прост. Пластины германия и кремния вместе с веществом, которое должно соединяться, заключают при этом в кварцевую ампулу, которую откачивают и запаивают. Поместив ее затем в печь, нагревают до необходимой температуры в течение времени, обеспечивающего проникновение примеси на заданную глубину. Поверхностная концентрация примеси, устанавливающаяся в ампуле, определяется давлением ее паров при данной температуре.

Я использовала способ выращивания кристаллов из перенасыщенного раствора медного купороса путем его охлаждения и выпаривания.
Первым этапом является приготовление насыщенного раствора. Растворимость любых веществ зависит от температуры. Обычно с повышением температуры растворимость увеличивается, а с понижением температуры — уменьшается. При охлаждении насыщенного раствора в нем будет находиться избыточное количество вещества. При отсутствии центров кристаллизации это вещество может оставаться в растворе, то есть раствор будет пересыщенным.

С появлением центров кристаллизации избыток вещества выделяется из раствора, и выпадает в виде кристаллов, число которых тем больше, чем большее число центров кристаллизации, содержащихся в растворе. Центрами кристаллизации могут служить пылинки, мелкие кристаллики. Если дать выпавшим кристалликам подрасти в течение суток, то среди них найдутся чистые и совершенные по форме экземпляры. Они могут служить затравками для выращивания крупных кристаллов.

Для выращивания монокристалла в тщательно отфильтрованный насыщенный раствор вносят кристаллик — затравку, заранее прикрепленный на нить. Можно вырастить кристалл и без затравки. Для этого нитку или леску обрабатывают, спиртом опускают в раствор так, чтобы конец висел свободно. На конце нити или лески может начаться рост кристалла. Во время роста кристалла стакан с раствором лучше всего держать в теплом сухом мести, где температура в течение суток остается постоянной. На выращивание крупного кристалла в зависимости от условий эксперимента может потребоваться от нескольких дней до нескольких недель.

В ходе работы я использовала следующие материалы и приборы: медный купорос, вода, банка 0,5–0,7 литра, перчатки, ложка, термометр, марля, нитки или леска, карандаш или палочка.

Ход работы.

1. Наливаем в банку (0,5 -0,7 литра) горячую воду (50–70 градусов). Аккуратно добавляем в воду медный купорос. В горячей воде он растворяется быстрее.
2. Медный купорос необходимо добавляем до тех пор, пока он не перестанет растворяться в воде. Полученный раствор будет насыщенным. Через несколько часов на стенках и дне банки образуются небольшие кристаллы. Процедите жидкость через марлю и поставьте банку с раствором в теплое сухое место, где температура в течение суток будет постоянной. Из остатков вещества на марле выберите кристаллики правильной, красивой формы для затравки.
3. Леску или нитку с затравкой привязываем к карандашу и опускаем в раствор. Через 5–10 часов на дне банки, на леске, на затравке появятся кристаллики. На дне банки растет друза (множество кристаллов).
4. Для придания определенной формы, во время роста, лишние кристаллы можно удалять с помощью плоскогубцев (кристаллы очень крепкие, прочные). Раствор будет постоянно испаряться и его количество уменьшаться. Не бойтесь, так и должно быть. На выращивание крупного кристалла в зависимости от условий может потребоваться от нескольких дней до нескольких недель.
5. Если вы хотите получить кристалл больших размеров, то приготовьте дополнительный раствор. Действуете так же, как в первом случае. Помните, при добавлении раствора, концентрация вещества и температура жидкости в обоих банках должна быть одинаковая, иначе кристалл растворится. Если такое произойдет, не переживайте, через некоторое время он опять вырастет.
6. Кристалл следует покрыть бесцветным лаком в несколько слоев, чтобы не разрушался, не терял форму и яркий насыщенный синий цвет.

Для выращивания кристаллов соли мне понадобились следующие материалы и приборы: соль, вода, банка 0,5 литра, перчатки, ложка, термометр, нитки или леска, карандаш или палочка.

Ход работы.

1. Приготовить соль.
2. Наливаем в банку горячую воду (60–80 градусов). Аккуратно добавляем в воду соль. В горячей воде она растворяется быстрее.
3. Соль необходимо добавлять до тех пор, пока она не перестанет растворяться в воде. Полученный раствор станет насыщенным. Леску или нитку привязываем к карандашу и опускаем в раствор. Через несколько часов на дне, стенках, краях банки, на леске появятся кристаллики. Кристаллы будут прозрачные или белые, зависит от качества соли. Раствор будет постоянно испаряться и его количество уменьшаться.
4. Вытащить нить из банки и положить на салфетку. После высыхания кристаллы из соли следует покрыть бесцветным лаком в несколько слоев, чтобы не разрушались, не теряли форму и цвет.

Ещё одна задача стояла передо мной. Сравнить формы полученных кристаллов с формами их кристаллических решеток. Кристаллы поваренной соли относятся к кубической сингонии – куб, монокристалл медного купороса – ромбоэдр, форма кристалла железного купороса соответствует ромбической призме.

Выращивание сростков кристаллов (друз) это – один из самых быстрых способов. Если выращивание одиночных кристаллов занимает много времени и рассчитано на постепенный, правильный рост кристаллов, то выращивание друзы гораздо легче, потому что оно ориентируется на быстрое, хаотическое выпадение кристаллов. Для начала необходимо приготовить перенасыщенный раствор вещества в горячей воде. После охлаждения раствора в него вносят затравку – подвешенный на ниточке кристаллик. Уже через 5–10 часов можно увидеть большое количество кристалликов на нитке, на затравке, на дне стакана. Неплохие результаты получаются, если смешать оба метода: сначала вырастить друзу, а потом погрузить её в раствор для медленной кристаллизации.

В домашних условиях можно вырастить кристаллы различных типов, отличающиеся друг от друга химическим составом, внутренней структурой, формой, окраской. Доказательством этому является созданная презентация и коллекция кристаллов. Подготовка проектного продукта представлена в фотографиях. Сама коллекция и презентация переданы учителю физики в кабинет. Проектный продукт может быть использован на уроках физики при изучении тем, связанных с кристаллическими телами или с агрегатным состоянием веществом. Возможно использование продукта не только на уроках физики, но и на уроках химии для формирования у учащихся межпредметных связей и повышения интереса к учению.

1. Шаскольская М.П. Кристаллы. Книга/М.П. Шаскольская – М.: Наука, 1985.
2. Китайгородский А.И. Кристаллы. Книга/ А.И. Китайгородский – М: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1984. – 208с.
3. Журнал «Квант» Клия О.М. «Как вырастить кристалл». 1970 № 5. - 42-44с.
4. Разумовский В.Г. Физика и научно-технический прогресс: книга для учителя/ В.Г. Разумовский, Э.М. Браверманн, Н.Е. Важеевская и другие – М.: Просвещение, 1988. – 176с.
5. Ольгин О. Опыты без взрывов: книга для учителя/ О. Ольгин
6. Мякишев Г.Я. Физика. 10 класс: учебник для общеобразовательных учреждений/ Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.Н. Сотский. – М.: Просвещение, 2009.- 366с.