Начнем с простого опыта. Возьмите четверть стакана воды и сыпьте в него понемногу чистую поваренную соль, помешивая ложечкой. Сначала соль хорошо будет растворяться в воде, потом все хуже и хуже, и в конце концов новые порции соли совсем перестанут растворяться, сколько бы ни размешивать раствор.
Вылейте раствор соли на блюдце, лучше на металлическое, например на жестяную крышку от банки, и подогрейте на плитке или просто поставьте в теплое место. Вода постепенно начнет испаряться, а на блюдце появятся крупинки соли. Смотрите внимательнее: эти крупинки растут. Вот уже и вся вода испарилась. Рассмотрите-ка оставшиеся крупинки соли в лупу. Что удивительного в них? Каждая крупинка - это правильный кубик, ровный, с гранями гладкими и блестящими, как зеркало. Это выросли кристаллы поваренной соли.
Посмотрите в лупу на сахарный песок. Каждая крупинка - это тоже кристаллик с ровными, гладкими гранями, но уже не простые кубики, а кристаллик более сложной формы. В лупу да и простым глазом можно разглядеть, как поблескивают в кусковом сахаре отдельные грани слипшихся вместе многих мелких кристалликов - правильных многогранников. Эти кристаллики сахара тоже выросли сами из растворенного или расплавленного сахарного сиропа.
Нетрудно вырастить самому и другие кристаллы. Синий медный купорос можно достать
Мелкие кристаллики квасцов, выращенные из раствора.
Кристаллы природного флюорита.
в хозяйственном магазине; белые калиевые квасцы - в магазине химикалий. Наверняка найдутся различные вещества в школьной лаборатории. Растворите их в горячей воде - столько, сколько сможет раствориться, а потом поставьте банку с раствором в холодное, спокойное место. На следующий день вы увидите, что в банке выросли кристаллы - красивые ровные многогранники. Опустите в такую банку нитку, и кристаллики нарастут на ней. Такими кристаллическими бусами хорошо украсить новогоднюю елку - их гладкие, блестящие грани будут сверкать и переливаться при свете огней.
Такие же правильные многогранные кристаллы встречаются часто и в мире камней. Нередко в земле находят камни такой формы, как будто их вырезал, отшлифовал и отполировал искусный мастер. Кристаллы- это камни с природной, т. е. не сделанной рукой человека, правильной, симметричной, многогранной формой.
Несколько лет назад наши геологи нашли глубокую пещеру, свод и стены которой были покрыты огромными голубоватыми кристаллами флюорита такой поразительной красоты и совершенства, каких не видели до тех пор нигде в мире. Вход во флюоритовый грот находится в отвесной скале над горным озером. Чтобы попасть в него, геологам пришлось висеть на веревках на 200-метровой высоте. Но труд был вознагражден прекрасной картиной, открывшейся перед их глазами. Самой замечательной была группа кристаллов весом
Цель работы :наблюдение за процессом роста кристалла хлористого натрия и сравнение полученных кристаллов с моделями кристаллических решеток,проверить анизотропию прочности путем раскалывания.
Ход работы:
Чтобы вырастить кристаллы в домашних условиях,нужно приготовить перенасыщенный раствор соли.В качестве исходного вещества выбрали соль,которые использует человек очень часто, это поваренная соль.
Налила в стакан горячей воды и посыпала в него поваренную соль,все время помешивая.Сыпала до тех пор,пока соль не перестала растворяться и на дне образовался осадок,не исчезающий при помешивании.Затем взяла кусочек тонкой проволоки и обмотала его шерстяной ниткой.На стакан сверху положила палочку и к ней подвесила обмотанную проволочку на нитке.Рассол постепенно остыл,потом вода из него начала испаряться.Через три дня (можно дольше) вытянула проволочку.Соль осела на шерстинках маленькими правильными кубиками.
Нужно периодически измерять размеры некоторых граней.Грани кристалликов изменяют свои размеры,они растут,углы между соответственными гранями остаются постоянными.
Сравнили формы полученных кристаллов с формами моделей кристаллических решеток. У поваренной соли NaCl грани должны иметь форму квадратов,а кристаллы –кубов.Выращенный кристалл соответствует этим требования
Вывод
Выбрала наиболее удобный, приемлемый способ выращивания кристаллов в домашних условиях и вырастила кристаллы поваренной соли.По мере роста кристаллов проводила наблюдение. Сравнила формы полученных кристаллов с формами их кристаллических решеток,они соответствуют формам кристаллам-кубам.
Силы притяжения,возникающие между плоскостями состоящие только из одного типа ионов Na+ или Cl-(образующие грани октаэдра) в пять раз больше чем между плоскостями параллельными граням куба,в каждом из которых лежат и те и другие ионы, и Na+,и Cl- .Вот почему кристалл Na Cl гораздо легче расколоть по плоскостям куба,чем по плоскостям октаэдра.Поэтому он и кристаллизуется,образуя кубы.Кристалл фактически состоит из ионов противоположных знаков.
Заключение
Монокристаллы - твердые тела,частицы которых образуют единую кристаллическую решетку.
Внешняя форма монокристаллов одного вида может быть различной,но углы между
соответствующими гранями у них остаются постоянными.Это закон постоянства углов сформулировал французский естествоиспытатель Ж.Б.Роме де Лиля.Он сделал важный вывод: правильная форма кристаллов связана с закономерным размещением частиц, образующих кристалл.Монокристаллами являются большинство минералов.Однако крупные природные монокристаллы встречаются довольно редко.В настоящее время многие монокристаллы выращиваются искусственно.
Кристаллы характеризуются наличием значительных сил межмолекулярного взаимодействия.. Силы взаимодействия между атомами в кристаллах по разным направлениям неодинаковы Силы притяжения,возникающие между плоскостями образующие грани октаэдра в кристаллах поваренной соли состоящих из ионов одного типа,в пять раз больше,чем силы между плоскостями,параллельными граням куба,в каждой из которых лежат и те и другие ионы,и Na+,и Cl-.В этом можно проследить действие закона анизотропии..Суть его в том, что многие свойства твердых тел зависят от направления,в котором эти свойства измеряются.Мы исследовали анизотропию прочности на поваренной соли. Если кристаллы поваренной соли,имеющие кубическую форму,раскалывать,то мелкие осколки будут иметь преимущественно форму прямоугольных параллелепипедов. Это значит,что в направлениях, параллельных граням,прочность кристалла поваренной соли гораздо меньше,чем в диагональных и других направлениях. Исследовать другие физические свойства мы не смогли из-за ограниченности приборов и материалов.Например,теплопровдность кристалла,измеренная в различных направлениях,может оказаться неодинаковой.Она будет одинаковой лишь в параллельных и симметричных направлениях. То же можно сказать об электропроводности,твердости, и других свойствах.Иначе говоря,симметрия внешней формы сопровождается и симметрией физических свойств кристаллов.
Комплексные соединения хрома. Соль Рейнеке
Растереть в ступке 8,5 г Бихромата аммония и 10 г Роданида аммония в тонкую смесь. Оставшиеся 40 г роданида аммония нагреть в фарфоровой чашке до 160єС (при этом наблюдается его плавление) и...
Кристаллизация растворов на примере выращивания кристаллов поваренной соли
Опыт № 3. Цель: получить насыщенный раствор поваренной соли. Оборудование: соль, вода, стакан. Ход работы: Приготовил ёмкость-стакан отмерил две части воды и одну часть поваренной соли. Попросил взрослого нагреть мне две части воды...
Лавуазье – один из основателей научной химии
Одна из первых по времени, наиболее важных работ Лавуазье посвящена решению вопроса, можно ли воду превратить в землю. Вопрос этот занимал в то время многих исследователей и оставался нерешённым, когда к нему приступил Лавуазье...
Мир солей
Кислые соли - представляют собой продукты неполного замещения атомов водорода атомами металла. Кислые соли - продукт неполной нейтрализации многоосновных кислот основаниями. От двухосновных кислот (H2 SO4, H2 CO3, H2 S и т.д...
Мир солей
Средние соли можно рассматривать...
Мир солей
Основные соли можно рассматривать как продукт неполного замещения гидроксильных групп основания или амфотерного гидроксида на кислотные остатки. Основные соли - продукт неполной нейтрализации многокислотного основания кислотой...
Мир солей
Двойные соли можно рассматривать как продукт замещения атомов водорода многоосновной кислоты на атомы разных металлов, или как продукт замещения гидроксильных групп многокислотного основания на кислотные остатки разных кислот...
Мир солей
Комплексные соли- соли, в состав которых входят комплексные ионы. (Комплексными называются соединения, в которых хотя бы одна ковалентная связь образовалась по донорно-акцепторному механизму.) Например...
Определение аскорбиновой кислоты в реальном препарате
Для анализа мною было сделаны опыты, которые описывают два метода: йодометрия и кулонометрия. 1) Йодометрия. Аскорбиновая кислота (витамин C, C6H8O6, ниже обозначается как AscH2) - слабая кислота, которая диссоциирует по двум ступеням: AscH2 AscH? + H+ Ka1 = 6...
Синтез и свойства 4-замещенных 5Н-1,2,3-дитиазолов
Наиболее важное и интенсивно исследующееся до настоящего времени соединение класса 1,2,3-дитиазолов - соль Аппеля 1а была впервые получена реакцией ацетонитрила с монохлоридом серы и описана как нестабильный 2,3,4-трихлор-1,2,3-дитиазол...
Соль Мора
Двойные соли -- это соединения типа KAl(SO4)2·12H2O (алюмокалиевые квасцы). Двойные соли существуют только в твердом виде. При растворении в воде они диссоциируют на ионы, например: KAl(SO4)2 = К+ + Al3+ + 2SO42? Но это происходит не обязательно...
Соль Мора
Соли аммония -- соли, содержащие положительно заряженый ион аммония NH4+; по строению, цвету и другим свойствам они похожи на соответствующие соли калия. Все соли аммония растворимы в воде, полностью диссоциируют в водном растворе...
Физические и химические свойства натрия
Соли щелочных металлов бесцветны (если они не содержат окрашенных анионов). Они почти все легко растворимы; только литий образует несколько большее число довольно трудно растворимых солей. Водные растворы солей содержат бесцветные...
Фосфор и его соединения
а) Фосфористая кислота H3PO3. Безводная фосфористая кислота Н3РО3 образует кристаллы плотностью 1,65 г/см3, плавящиеся при 74°С. Структурная формула:...
Химия и технология производства 2–нафтола щелочным плавлением
Щелочное плавление? - соли ведут в закрытом чугунном котле 6 с якорной мешалкой. Емкость котла 2500 - 5000 л в зависимости от масштабов производства. На 2...
Вооружимся лупой и внимательно рассмотрим какое-нибудь порошкообразное тело (соль, сахарный песок, соду, лекарственные порошки и т. п.). Мы увидим, что отдельные крупинки этих порошков представляют собой тела, ограниченные плоскими, как бы шлифованными гранями. Эти грани образуют между собой определенные углы, у разных веществ, вообще говоря, разные (рис. 439). Наличие таких естественных граней служит признаком того, что вещество находится в кристаллическом состоянии.
Рис. 439. а) Кристаллик льда имеет форму шестиугольной призмы, боковые грани которой образуют углы . б) Кристалл поваренной соли имеет форму куба
Иногда тело представляет собой один кристалл. Примером этого могут служить крупинки сахарного песка. Такие тела называют монокристаллами или просто кристаллами. Некоторые вещества могут образовывать весьма большие кристаллы (рис. 440), иногда очень правильной формы. В других случаях тело представляет собой множество мелких, причудливым образом сросшихся между собой кристаллов, иногда чрезвычайно мелких. Примером этого может служить кусок сахара-рафинада, кусок любого металла и т. п. Такие тела называют поликристаллическими.
Рис. 440. Крупный кристалл кварца (горного хрусталя), найденный на Урале
Естественное образование граней на кристалле - только один из признаков кристаллического состояния вещества. Наиболее общим признаком является различие физических свойств тела по разным направлениям. Прежде всего бросается в глаза неодинаковая механическая прочность в разных направлениях кристалла. Кристаллы легче всего раскалываются по определенным плоскостям. Например, кристаллы слюды, имеющие вид тонких пластинок, очень легко разделяются на еще более тонкие пластинки. Если разбить кристалл соли, показанный на рис. 439, б, то получатся более мелкие кристаллы той же формы. Тела, состоящие из одного или нескольких одинаково расположенных кристаллов, легче деформируются в одном направлении, чем в другом. Это, например, относится к кускам льда (рис. 441). По своим механическим свойствам брусок из озерного или речного льда похож на стопу стеклянных пластин, соединенных не вполне затвердевшим клеем.
Рис. 441. а) Брусок , вырезанный определенным образом из большого кристалла льда, положенный на две опоры, при действии на его середину силы медленно прогибается, б) Такого же размера брусок , вырезанный в направлении, перпендикулярном к направлению , при действии той же силы сохраняет свою форму, а при увеличении силы разрушается
Теплопроводность некоторых кристаллов по различным направлениям также неодинакова. Покроем кристаллик гипса и стеклянную пластинку тонким слоем парафина и прикоснемся к ним накаленной иглой. Мы увидим, что вокруг иглы парафин расплавится, причем площадь, где парафин расплавился, на кристалле имеет вид эллипса (рис. 442), в то время как на стекле получается круг. Это и доказывает, что, в отличие от стекла, кристалл гипса проводит тепло в разных направлениях неодинаково.
Рис. 442. а) При прикосновении раскаленной иглы к точке тонкой пластинки на противоположной стороне плавится парафин, б) Пластинка - кристалл гипса; площадь, на которой расплавился парафин, имеет форму эллипса, в) Пластинка стеклянная; площадь имеет форму круга
Многие кристаллы при нагревании расширяются неодинаково в разных направлениях. Для характеристики таких кристаллов в отношении теплового расширения требуется знать не один, а три коэффициента линейного расширения (например, по трем взаимно перпендикулярным направлениям). Интересно отметить, что некоторые кристаллы при нагревании по одним направлениям расширяются, а по другим сжимаются (в этих направлениях коэффициенты линейного расширения являются отрицательными величинами; примерами таких кристаллов являются кристаллы графита или теллура). Оптические и электрические свойства кристаллов также зависят от направления.
Образование плоских граней у кристаллов - проявление сходного свойства кристаллов в отношении роста. Если бы кристалл рос по всем направлениям с одинаковой скоростью, то, очевидно, получилось бы тело в форме шара. Надо отметить, что зависимость свойств кристаллов от направления не всегда имеет место для всех свойств. Например, кристалл меди, имеющий форму куба, характеризуется по всем направлениям одной и той же электропроводностью и теплопроводностью, но упругость его зависит от направления.
В отношении различия свойств по разным направлениям кристалл напоминает собой кусок дерева. Дерево тоже легко раскалывается вдоль волокон, тогда как в направлении, перпендикулярном к волокнам, оно значительно более прочно. Дерево также имеет различную теплопроводность в разных направлениях (вдоль волокон и поперек их) и т. д. Однако между свойствами кристалла и дерева есть очень важное различие.
Строение дерева в середине ствола и в его наружных частях различно; ствол имеет сердцевину, вблизи нее годовые кольца малы, вдалеке - больше. Таким образом, дерево неоднородно. Кусок дерева от сердцевины имеет одни свойства, годен на одни поделки; кусок, близкий к коре, имеет более плоские слои и подходит для других изделий (рис. 443). Кристаллы же - совершенно однородные тела. У кристалла нет «середины», все части куска кристалла имеют одни и те же свойства.
Рис. 443. Строение дерева вблизи сердцевины и вблизи края различно
Все вышесказанное относится к монокристаллам. С поликристаллическими телами дело обстоит иначе. Так как они представляют собой беспорядочные скопления много численных мелких кристаллов, то однородность их значительно меньше, чем у монокристаллов. С другой стороны, в поликристаллах не наблюдается различия в свойствах по разным направлениям. Объясняется это тем, что по любому направлению, проведенному внутри тела, встречается множество кристалликов, повернутых самым различным образом. Поэтому электропроводность, теплопроводность и вообще любое свойство тела являются некоторой средней величиной, относящейся ко всем этим многочисленным кристалликам. Это среднее значение одинаково для всех направлений внутри тела.
Размеры кристалликов, из которых состоит поликристаллическое тело, существенно влияют на прочность этого тела. Один и тот же материал (например, сталь определенного состава), состоящий из мелких кристалликов, обычно прочнее, чем тот же материал, состоящий из более крупных кристалликов. Если, например, в вольфрамовой нити, из которой изготовляют волосок лампы накаливания, образуется кристаллик настолько большой, что он займет все сечение нити, то волосок сломается непременно в этом месте. Иногда кристаллики, срастаясь между собой, образуют волокна. Это способствует увеличению прочности. Мы видим теперь, что строение поликристаллического тела имеет огромное значение для техники.
Итак, поликристаллическое тело с беспорядочно расположенными кристалликами по своим свойствам похоже на некристаллическое тело. Это было одной из причин, почему раньше считали, что кристаллическое состояние не очень распространено в природе. В 1912 г. был открыт новый способ исследования строения тел - при помощи рентгеновских лучей. Этим методом было установлено, что подавляющее количество окружающих нас тел - все металлы, все минералы, растительные волокна, белковые вещества, сажа и т. д. - состоит из кристаллов, иногда настолько, мелких, что их нельзя рассмотреть даже в микроскоп, дающий большое увеличение.
264.1. Рассмотрите в сильную лупу изломы разных металлов: чугуна, меди и т. п. Найдите в них грани мелких кристаллов, составляющих данный кусок металла.
МОУ «Шахунская гимназия имени А.С. Пушкина»
Исследовательская работа по физике
по теме « Удивительные кристаллы»
Выполнила ученица 8а класса
Астафьева Ангелина
Руководитель: учитель физики
Платова Татьяна Александровна
г. Шахунья
2011 год
Введение……………………………………………………………………………..3
Удивительные кристаллы…………………………………………………….5
Кристаллическая решетка…………………………………………………….8
Применение кристаллов……………………………………………………...12
Глава 2. Эксперимент
Как растут кристаллы и способы их выращивания……………………………….14
Заключение…………………………………………………………………………..16
Литература…………………………………………………………………………...17
Введение
В земле иногда находят камни такой формы, как будто их кто-то тщательно выпиливал, шлифовал, полировал. Это - многогранники с плоскими гранями, с прямыми ребрами. Вот эти-то камни с природной, то есть не сделанной руками человека, правильной, симметричной формы и называются кристаллами. Кристаллы, залегающие в земле, бесконечно разнообразны. Размеры природных многогранников достигают подчас человеческого роста и более. Встречаются кристаллы - лепестки, тоньше тетрадного листа бумаги и кристаллы - пласты в несколько метров толщиной. Бывают кристаллы маленькие, узкие и острые, как иголка, и бывают громадные, как колонны. В некоторых местностях Испании такие кристаллические колонны ставят как столбы для ворот. В музее Горного института в Санкт-Петербурге хранятся кристаллы горного хрусталя (кварца) высотой около метра и весом более тонны, который много лет служил тумбой ворот одного из домов Екатеринбурга. Многие кристаллы идеально чисты и прозрачны как вода. Недаром говорят: (прозрачный, как кристалл), (кристально чистый).
Все кристаллы, окружающие нас, не образовались когда-то раз и навсегда готовыми, а выросли постепенно. Кристаллы бывают не только природными, но так же и искусственные выращиваемые человеком. Зачем же создают еще и искусственные кристаллы, если и так почти все твёрдые тела вокруг нас имеют кристаллическое строение? При искусственном выращивании можно получить кристаллы крупнее и чище, чем в природе. Есть и такие кристаллы, которые в природе редки и ценятся дорого, а в технике очень нужны. Поэтому разработаны лабораторные и заводские методы выращивания кристаллов алмаза, кварца, сапфира и др. В лабораториях выращивают большие кристаллы, необходимые для техники и науки, драгоценные камни, кристаллические материалы для точных приборов, там создают и те кристаллы, которые изучают кристаллографы, физики, химики, металловеды, минералоги, открывая в них новые замечательные явления и свойства. 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. Это и определило тему исследовательской работы.
Цель исследования – изучение влияния различных факторов и условий на процесс роста кристаллов из растворов и расплавов солей.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи :
1) изучить специальную литературу и ресурсы Internet, посвященные данной теме;
2) отобрать вещества, из которых возможно вырастить кристаллы;
3) проследить за ростом кристаллов с помощью микроскопа;
4) вырастить большие кристаллы медного купороса и поваренной соли способом испарения растворителя, способом постепенного снижения температуры растворов;
5) исследовать зависимость формы кристалла от условий кристаллизации.
Гипотеза:
Кристаллизация в природе – длительный процесс, чистые кристаллы, без включений – редкость; в лабораторных условиях можно вырастить кристаллы многих веществ за сравнительно короткое время.
Практическая значимость:
Результаты исследования могут быть использованы учителями для проведения уроков по теме «Кристаллы» и просто любознательными людьми для расширения кругозора.
Методы:
Химические опыты по выращиванию кристаллов в домашних условиях.
Фотографирование.
Изучение литературы.
ГЛАВА 1
Удивительные кристаллы
Большинство веществ в умеренном климате Земли находится в твердом состоянии. В отличие от жидкостей твердые тела сохраняют не только свой объем, но и форму, так как положение в пространстве частиц, составляющих тело, стабильно. Из-за значительных сил межмолекулярного взаимодействия частицы не могут удалиться друг от друга на значительное расстояние.
По характеру относительного расположения частиц твердые тела делят на три вида: кристаллические, аморфные и композиты. Принадлежность твердых тел к одному из трех видов определяется их химическим составом. Разная пространственная конфигурация отдельных молекул предопределяет различие пространственной структуры, возникающей при их объединении в твердое тело.
При наличии периодичности в расположении атомов (дальнего порядка) твердое тело является кристаллическим.
Слово «кристалл» происходит от греческого «крюсталлос», что означает лёд. В древности было подмечено сходство кристаллов льда и горного хрусталя: бесцветные прозрачные шестигранные «карандашики» с острыми пирамидками на концах. Полагали, что лёд, находясь длительное время в горах, на сильном морозе, окаменевает и теряет способность таять. Много ценных наблюдений над кристаллами было сделано древними фармацевтами в процессе приготовления лекарств. И это понятно, поскольку в таких случаях обычно прибегали к процедурам, которые мы теперь называем кристаллизацией. Кристаллы наделялись множеством таинственных свойств: исцелять от болезней, предохранять от яда, влиять на судьбу человека…
Кристаллы имеют правильную геометрическую форму, которая является результатом упорядоченного расположения частиц, составляющих кристалл.
Кристаллические тела можно разделить на две группы: монокристаллы и поликристаллы.
Монокристаллы - это твердые тела, частицы которых образуют единую кристаллическую решетку. Кристаллическая структура монокристалла обнаруживается по их внешней форме.
Поликристаллы агрегаты из большого числа маленьких кристаллов, ориентированных друг относительно друга хаотически. Большинство твердых технических материалов являются поликристаллическими.
Монокристалл Поликристалл
Блестящие и ровные грани кристаллов выглядят так, как будто над ними поработал искусный шлифовальщик (рис.1). Отдельные части кристалла повторяют друг друга, образуя красивую правильную форму (рис. 2).
Рис. 1 Рис. 2
Разнообразие кристаллов по форме очень велико. Кристаллы могут иметь от четырёх до нескольких сотен граней. Но при этом они обладают замечательным свойством, – какими бы небыли размеры, форма и число граней одного и того же кристалла, все плоские грани пересекаются друг с другом под определенными углами. Углы между соответственными гранями всегда одинаковы.
Посмотрим в лупу на сахарный песок: мы увидим, что это мелкие, но очень правильные кристаллы, блестящие, прозрачные, с плоскими сторонами – гранями (рис.3).
Приглядевшись, например, к выращенным кристаллам соли внимательно, мы видим, что они построены из «кирпичиков», плотно приложенных друг к другу. Разбив кристалл, мы можем наблюдать, что он разлетится на кусочки разной величины. Рассмотрев их внимательно, обнаружим, что эти кусочки имеют правильную форму, вполне подобную форме большого кристалла – их родителя. Для кристаллов поваренной соли типична форма кубиков (рис.4), для медного купороса – ромбов (рис.5), для йодида свинца – ровных шестиугольников (рис.6).
Рис.4 Рис.5 Рис.6
Существуют особые формы кристаллов: иглы, перья, ветки, цветы, деревца и т.п. Примерами таких причудливых кристаллов служат всем известные ледяные узоры на окнах и узоры из раствора хлорида аммония (рис.7). У каждого вещества есть своя характерная форма кристаллов, по которой его можно узнавать.
Рис.7
Кристаллическая решетка
Регулярное расположение частиц с периодической повторяемостью в трех измерениях, называется пространственной (кристаллической) решеткой.
В кристаллическом твердом теле в отличие от жидкости и газа частицы располагаются упорядоченно, колеблясь вблизи узлов кристаллической решетки. Принцип построения кристаллической решетки можно представить следующим образом. Отдельные атомы группируются в идентичные элементарные блоки по принципу плотной упаковки. Получившиеся блоки объединяются, образуя общую геометрическую конструкцию – кристаллическую решетку.
Существует всего семь основных блоков, которыми можно заполнить трехмерное пространство (без пропусков) и из которых могут быть сконструированы все кристаллы (табл. 1).
Основные элементы (ячейки) кристаллических решеток решёток Брама
Кубическая
Тетрагональная
Гексагональная
Ромбоэдрическая
Ромбическая
Моноклинная
Триклинная
Таблица 1
Простейший строительный блок (куб) допускает три способа размещения атомов: по углам (простая кубическая решетка), в центре куба {кубически центрированная решетка) и в центре граней {гранецентрированная решетка). Простая кубическая решетка характерна для соли NaCl (рис. 8, а). Электронные оболочки атомов, образующих такую решетку, касаются друг друга, заполняя лишь 52% пространства. Кубическая центрированная решетка, характерная для Fe и Na; заполняет 68% пространства (рис. 8, б).
Наиболее плотная упаковка (74% пространства) достигается при гранецентрированной решетке, которая характерна для Ag, Au, Ni, Си, Al, Sn (рис. 8, в). Такое же наиболее плотное заполнение пространства возможно при гексагональной решетке, характерной для Zn и инертных газов (рис. 8, г). В этой решетке нет ничего экзотического: именно так укладывают сливы, апельсины и пушечные ядра.
Типы кристаллических решеток :
а) кубическая;
б) кубическая центрированная;
в) гранецентрированная;
г) гексагональная.
Некоторые вещества, имеющие одинаковый химический состав, отличаются по физическим свойствам из-за различия структуры их кристаллических решеток.
Полиморфизм - существование различных кристаллических структур у одного и того же вещества.
Алмаз, графит и фулерен - три разновидности углерода, имеющие разную кристаллическую структуру (рис. 9).
Рис.9
В результате нагревания в вакууме при температуре около 150 °С алмаз превращается в графит.
Плотность расположения частиц в кристаллической решетке не одинакова по различным направлениям. Это приводит к зависимости свойств монокристаллов от направления - анизотропии.
Анизотропия - зависимость физических свойств вещества от направления.
Физические свойства поликристаллов не зависят от направления; они изотропны.
Изотропия – независимость физических свойств вещества от направления .
Кристаллы могут иметь и разные размеры. Некоторые минералы образуют кристаллы, которые разглядеть можно только с помощью микроскопа. Другие же образуют кристаллы, вес которых составляет несколько сотен фунтов.
Изучение внешней формы кристаллов началось прежде изучения симметрии, однако только после вывода 32 видов симметрии появилась надежная основа для создания геометрического учения о внешней форме кристаллов. Основным его понятием является понятие простой формы (рис.10).
«Простой формой называется многогранник, который может быть получен из одной грани с помощью элементов симметрии (оси, плоскости и центра симметрии)».
Рис. 10. Простые
формы (а) кристаллов и некоторые их
комбинации
Простые формы могут быть общими и частными в зависимости от того, как расположена исходная грань по отношению к элементам симметрии. Если она расположена косо, то простая форма, полученная из нее, будет общей. Если же исходная форма расположена параллельно или перпендикулярно к элементам симметрии, то получается частная простая форма.
Простые формы так же могут быть закрытыми и открытыми.
Закрытая форма может одна образовать кристаллический многогранник, в то время как одна открытая простая форма замкнутого многогранника образовать не может.
Каждая грань кристалла представляет собой плоскость, на которой располагаются атомы. Когда кристалл растет, все грани передвигаются параллельно сами себе, так как на них откладываются все новые и новые слои атомов. По этой причине, параллельно каждой грани в структуре кристалла располагается огромное количество атомных плоскостей, которые когда-то в начальных стадиях роста тоже располагались на гранях кристалла, но в процессе роста оказались внутри него.
Ребра кристалла представляют собой прямые, на которых атомы располагаются в ряд. Таких рядов в кристалле тоже огромное количество и они располагаются параллельно действительным ребрам кристалла.
Кристаллы правильной геометрической формы встречаются в природе редко. Совместное действие таких неблагоприятных факторов, как колебания температуры, тесное окружение соседними твердыми телами, не позволяют растущему кристаллу приобрести характерную для него форму. Кроме того, значительная часть кристаллов, имевших в далеком прошлом совершенную огранку, успела утратить ее под действием воды, ветра, трения о другие твердые тела. Так, многие округлые прозрачные зерна, которые можно найти в прибрежном песке, являются кристаллами кварца, лишившимися граней в результате длительного трения друг о друга.
Применение кристаллов
Природные
кристаллы всегда возбуждали любопытство
у людей. Их цвет, блеск и форма затрагивали
человеческое чувство прекрасного, и
люди украшали ими себя и жилище. С давних
пор с кристаллами были связаны суеверия;
как амулеты, они должны были не только
ограждать своих владельцев от злых
духов, но и наделять их сверхъестественными
способностями. Позднее, когда те же
самые минералы стали разрезать и
полировать, как драгоценные камни,
многие суеверия сохранились в талисманах
"на счастье" и "своих камнях",
соответствующих месяцу рождения. Все
природные драгоценные камни, кроме
опала, являются кристаллическими, и
многие из них, такие, как алмаз, рубин,
сапфир и изумруд, попадаются в виде
прекрасно ограненных кристаллов.
Украшения из кристаллов сейчас столь
же популярны, как и во время неолита.
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.
Применения
кристаллов в науке и технике так
многочисленны и разнообразны, что их
трудно перечислить. Поэтому ограничимся
несколькими примерами.
Самый твердый
и самый редкий из природных минералов
- алмаз. За всю историю человечества
его добыто всего около 150 т, хотя в
мировой алмазодобывающей промышленности
сейчас работает почти миллион человек.
Сегодня алмаз в первую очередь
камень-работник, а не камень-украшение.
Около 80% всех добываемых природных
алмазов и все искусственные алмазы
используются в промышленности. 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 25 000 000 оборотов.
Несколько уступая алмазу по твердости, соревнуется с ним но разнообразию технических применении рубин - благородный корунд, окись алюминия Al 2 O 3 с красящей примесью окиси хрома. Мировое производство искусственных рубинов превышает 100 г. в год. Из 1 кг синтетического рубина удается изготовить около 40 000 опорных камней для часов. Незаменимыми оказались рубиновые стержни на фабриках по изготовлению тканей из химического волокна. На изготовление 1 м ткани из искусственного волокна требуется израсходовать сотни тысяч метров волокна. Нитеводители из самого твердого стекла изнашиваются за несколько дней при протяжке через них искусственного волокна, агатовые способны работать до двух месяцев, рубиновые нитеводители оказываются практически вечными.
Новая
область для широкого применения рубинов
в научных исследованиях и в технике
открылась с изобретением рубинового
лазера - прибора, в котором рубиновый
стержень служит мощным источником
света, испускаемою в виде тонкого
светового луча.
Исключительная роль
выпала на долю кристаллов в современной
электронике. Большинство полупроводниковых
электронных приборов изготовлено из
кристаллов германия или кремния.
ГЛАВА 2 Эксперимент.
Как растут кристаллы и способы их выращивания.
Почти любое вещество может при известных условиях дать кристаллы. Кристаллы образуются чаще всего из жидкой фазы - раствора или расплава; возможно получение кристаллов из газовой фазы или при фазовом превращении в твердой фазе. Кристаллы выращивают (синтезируют) в лабораториях и на заводах. Можно получать и кристаллы таких сложных природных веществ, как белки и даже вирусы.
Многим известно, что растворимость веществ зависит от температуры. Обычно с повышением температуры растворимость увеличивается, а с понижением – уменьшается. Мы знаем, что одни вещества растворяются хорошо, другие - плохо. При растворении веществ образуются насыщенные и ненасыщенные растворы. Насыщенный раствор – это раствор, который содержит максимальное количество растворяемого вещества при данной температуре. Ненасыщенный раствор – это раствор, который содержит меньше растворяемого вещества, чем насыщенный при данной температуре.
Я использовала самый простой способ выращивания кристаллов медного купороса и каменной соли из раствора. Сначала необходимо приготовить насыщенный раствор. Для этого в стакан наливают воду (горячую, но не кипящую) и в неё насыпают порциями вещество (порошок медного купороса или каменной соли) и размешивают стеклянной или деревянной палочкой до полного растворения. Как только вещество перестанет растворяться, это значит, что при данной температуре раствор насыщен. Потом он будет охлаждаться, когда вода станет постепенно испаряться из него, «лишнее» вещество выпадает в виде кристалликов. Сверху на стакан необходимо положить карандаш (палочку), вокруг которого обмотана нитка. К свободному концу нитки привешивается какой-нибудь груз, чтобы нитка распрямилась и висела в растворе вертикально, не доставая немного дна. Оставить стакан в покое на 2-3 дня. Спустя время можно обнаружить, что нитка обросла кристалликами. Результаты формирования кристаллов методом охлаждения представлены на фотографии.
Заключение
Изучив литературу, посвященную кристаллам, и проведя эксперимент по выращиванию кристаллов, мы пришли к следующим выводам:
кристаллы окружают нас повсюду, «почти весь мир кристалличен»;
кристаллы различных веществ отличаются друг от друга по всей форме;
кристаллы окружающие нас, не образовались когда-то раз и навсегда готовыми, а выросли постепенно: в природе, в лаборатории, на заводе. И мы убедились в этом, вырастив кристаллы, применяя раствор медного купороса, нитрата калия, хлорида кобальта, хлорида аммония и др.
процесс кристаллизации в растворах и расплавах веществ протекает сходным образом;
формы кристаллов зависят от условий кристаллизации – скорости охлаждения, чистоты препарата, формы и материала затравки;
вырастили кристаллы медного купороса и нитрата калия методом охлаждения, используя различные виды затравки.
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.
ЛИТЕРАТУРА:
«Кристаллы. Их роль в природе и науке» Банн Ч. - М.: «Мир», 1977.
«Кристаллография» М.Л. Шаскольская М., «Высшая школа», 1976.
«Кристаллы» М.Л. Шаскольская М., «Наука», 1987.
«Большая энциклопедия Кирилла и Мефодия 2003» (электронная версия).
Журнал «Наука и жизнь», выпуск 2, 1987.
Кристаллы. Рост, структура, свойства. - М.: «Наука», 1993.
Современная кристаллография, т. 1-4, М., 1979-81
