Депобразования и науки Югры
бюджетное учреждение профессионального образования
Ханты-Мансийского автономного округа – Югры
«Мегионский политехнический колледж»
(БУ «Мегионский политехнический колледж»)
УДИВИТЕЛЬНЫЙ МИР КРИСТАЛЛОВ
| Подготовил:
Обучающийся группы ТХС-28 Ободов Я.С. |
Руководитель:
Кульниязова Г.З., преподаватель |
Мегион
2025
ОГЛАВЛЕНИЕ
| ВВЕДЕНИЕ
1. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ 1.1. Теоретические основы кристаллографии 1.2. Методы выращивания кристаллов 1.3. Области применения кристаллов 2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 2.1 Выращивание кристаллов поваренной соли, медного купороса, красной и желтой кровяной соли, сахарозы, алюмокалиевых квасцов 2.2 Исследование роста кристаллов красной кровяной соли, медного купороса и алюмокалиевых квасцов ЗАКЛЮЧЕНИЕ СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ |
3 4 4 4 5 7 7 7 9 10 |
ВВЕДЕНИЕ
В конце 60-х годов прошлого века начался серьёзный научный прорыв в области жидких кристаллов, на замену стрелочным механизмам пришли средства визуального отображения информации. Позже в науку вошло понятие биологический кристалл, а сегодня кристаллы применяются в компьютерах и мобильных телефонах, аудио- и видеотехнике, лазерах. На основе кристаллов ниобата лития изготавливают голографические ячейки памяти, оптические преобразователи излучения и другие функциональные устройства.
Актуальность. Исследование кристаллов позволяет не только понять законы симметрии и роста твердых тел, но и разрабатывать новые материалы с заданными характеристиками.
Цель научно-исследовательского проекта: исследование процессов образования и роста кристаллов.
Задачи проекта:
— рассмотреть методы выращивания кристаллов;
— выбрать оптимальный способ выращивания кристаллов в лаборатории;
— выполнить экспериментальную работу по получению моно- и поликристаллов поваренной соли, медного купороса, красной и желтой кровяной соли, сахарозы, алюмокалиевых квасцов.
— исследовать рост и структуры выращенных кристаллов;
— подготовить выращенные кристаллы к презентации (композиции из кристаллов);
— оформить выставку кристаллов.
Объект исследования — процесс кристаллизации.
Предмет исследования — кристаллы медного купороса, красной кровяной соли и алюмокалиевых квасцов.
Методы исследования: наблюдение, эксперимент, анализ результатов эксперимента, моделирование.
Участники проекта: члены химико-технического клуба «Кристалл» — студенты БУ «Мегионский политехнический колледж»
Срок реализации проекта: с 1 октября 2024г. по 8 марта 2025г.
Практическая значимость проекта:
— выставки к праздничным мероприятиям;
— выставки к мероприятиям «День открытых дверей», «День СПО» и др.;
— выращенные кристаллы могут использоваться как наглядность (структуры кристаллических тел) в учебном процессе и во внеурочной деятельности.
ГИПОТЕЗЫ:
- Влияние примесей на кристаллизацию: «Примеси в растворе будут влиять на процесс кристаллизации, изменяя как форму, так и размер получаемых кристаллов.
- Влияние температуры на размер кристаллов: «Если температура раствора, в котором формируются кристаллы, будет повышена, то размер кристаллов увеличится из-за более высокой кинетической энергии частиц.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
1.1 Теоретические основы кристаллографии
Кристалл — физическое тело, частицы которого образуют кристаллическую решетку, имеющую определенную геометрическую форму. В идеальном кристалле вершина соответствует атому, ребро – ряду атомов, грань – плоской сетке. Закономерное расположение атомов в кристаллах определяет внутреннюю и внешнюю симметрию. В переводе с древнегреческого «симметрия» обозначает соразмерность, или в широком понимании – соответствие, неизменность (инвариантность). Наука, изучающая кристаллы, их структуру, возникновение и свойства называется кристаллографией. Ее название происходит от греческого слова «кристаллос» – лед. Она тесно связана с минералогией, физикой твёрдого тела и химией. Существует два вида кристаллических твердых веществ: монокристаллы и поликристаллы, отличающиеся тем, что первые – это одиночные кристаллы, а вторые – поликристаллы. Существуют также кристаллы, которые визуально напоминают веточки деревьев — дендриты. Большинство кристаллов можно рассмотреть только при помощи микроскопа, но существуют также кристаллы, которые по весу могут достигать несколько тонн.
Кристаллы можно классифицировать по:
Происхождению: природные (минералы, снежинки) и искусственные (выращенные в лаборатории).
Типу кристаллической решетки: кубические, гексагональные, тетрагональные и др.
Химическому составу: ионные (NaCl), металлические (железо), молекулярные (лед), ковалентные (алмаз).
- Методы выращивания кристаллов
Выращивание кристаллов является длительным процессом. Есть три основных способа синтеза кристаллов:
— кристаллизация из расплава (в природе это магматические породы, образующиеся в результате остывания и твердения природных расплавов, а также более наглядный пример — образование льда из воды;
— кристаллизация из раствора (например, выпадение кристаллической соли из морской воды);
— кристаллизация из газа или пара (образование снежинок, которое происходит за счет перехода водяного пара в твёрдую фразу при очень сильных морозах).
Наиболее распространённым является способ выращивания кристаллов из насыщенных растворов, какой мы и использовали. При таком способе не требуются сверхвысокие температуры.
Рассмотрим основные методы выращивания кристаллов.
Метод медленного испарения
Принцип: Насыщенный раствор оставляют в открытой ёмкости, вода испаряется, и вещество кристаллизуется.
Этапы:
Растворить вещество в горячей воде до насыщения.
Профильтровать раствор для удаления примесей.
Поместить в чистую ёмкость и оставить для медленного испарения.
Можно добавить «затравку» (маленький кристалл) для ускорения роста.
Примеры: NaCl (поваренная соль), CuSO₄·5H₂O (медный купорос).
Метод температурного перепада
Принцип: Насыщенный горячий раствор охлаждают, и вещество выпадает в осадок.
Этапы:
Приготовить насыщенный раствор при высокой температуре.
Остудить его медленно.
Кристаллы образуются при понижении температуры.
Пример: KAl(SO₄)₂·12H₂O (алюмокалиевые квасцы).
Метод выращивания из расплавов солей
Принцип: Расплавленное вещество постепенно охлаждают, чтобы образовались крупные кристаллы.
Этапы:
Нагреть вещество до полного расплавления.
Медленно снижать температуру (1–2 °C в час).
Кристаллы растут на дне или стенках сосуда.
Примеры: сера, висмут, олово.
Выращивание методом возгонки (сублимации)
Применение: Для веществ, способных переходить из твёрдого состояния в газообразное, минуя жидкую фазу.
Метод медленного охлаждения
Этапы:
Вещество нагревают в закрытом сосуде.
Пары осаждаются на холодных стенках в виде кристаллов.
Примеры: йод (I₂), нафталин, сухой лёд (CO₂).
- Области применения кристаллов
Кристаллы находят применение практически во всех сферах современной жизни — от высоких технологий до медицины и быта. Рассмотрим основные области их использования.
Электроника и IT
Кремний (монокристаллы) – основа микрочипов и солнечных батарей.
Сапфировые подложки – для экранов и сенсоров.
Пьезоэлектрические кристаллы (кварц, танталат лития) – в часах, фильтрах частот, датчиках.
Оптика и лазеры
Рубин (Al₂O₃) – в первых лазерах.
Иттрий-алюминиевый гранат (YAG) – в современных лазерных системах.
Флюорит (CaF₂) – для линз в ультрафиолетовых микроскопах.
Медицина
Кристаллы NaCl – в физрастворах.
Гидроксиапатит – основа костных имплантов.
Литий-ниобатные кристаллы – в ультразвуковых сканерах.
Ювелирное дело
Алмазы – после огранки становятся бриллиантами.
Изумруды, рубины, сапфиры – драгоценные камни.
Фианиты – синтетические кристаллы для бижутерии.
Промышленность
Корунд (Al₂O₃) – абразивный материал.
Карбид кремния – для режущих инструментов.
Кристаллы слюды – в изоляционных материалах.
В быту
Кристаллы жидкие – в LCD (жидкокристаллический дисплей) дисплеях.
Сахар – пищевая промышленность.
Лед – кристаллическая форма воды.
Космические технологии
Сапфировые окна – для космических аппаратов.
Кристаллические термоэлектрики – в системах энергоснабжения.
Современные технологии позволяют создавать кристаллы с заданными свойствами, что расширяет сферы их применения. Например, фотонные кристаллы могут революционизировать оптоволоконную связь, а топологические изоляторы открывают новые перспективы в квантовых вычислениях.
- ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
- Выращивание кристаллов поваренной соли, медного купороса, красной и желтой кровяной соли, сахарозы, алюмокалиевых квасцов.
Для выращивания кристаллов были выбраны два метода:
метод медленного испарения и метод температурного перепада.
Метод медленного испарения
Принцип: Насыщенный раствор оставляют в открытой ёмкости, вода испаряется, и вещество кристаллизуется.
Этапы:
Растворить вещество в горячей воде до насыщения.
Профильтровать раствор для удаления примесей.
Поместить в чистую ёмкость и оставить для медленного испарения.
Можно добавить «затравку» (маленький кристалл) для ускорения роста.
Примеры: NaCl (поваренная соль), CuSO₄·5H₂O (медный купорос).
Метод температурного перепада
Принцип: Насыщенный горячий раствор охлаждают, и вещество выпадает в осадок.
Этапы:
Приготовить насыщенный раствор при высокой температуре.
Остудить его медленно.
Кристаллы образуются при понижении температуры.
Пример: KAl(SO₄)₂·12H₂O (алюмокалиевые квасцы).
- Исследование роста кристаллов красной кровяной соли, медного купороса и алюмокалиевых квасцов.
Эксперимент №1
Что изменится в зависимости от перепада температур. Приготовили два раствора медного купороса. Опустили в них затравки. Один после нагревания оставили в кабинете при комнатной температуре, а другой поставили на подоконник (резко охладили). Оставили расти на 2 месяца.
Наблюдения через 2 месяца:
В первом растворе образовался очень красивый монокристалл с ровными гранями размером 4 см.
Во втором растворе образовался поликристалл размером 6,5 см.
Гипотеза подтвердилась, действительно температура очень сильно влияет на рост кристаллов, а также его прочность.
Эксперимент №2
Что изменится в зависимости от чистоты раствора. Мы также приготовили 2 одинаковых раствора красной кровяной соли и опустили затравки. Первый раствор мы фильтровали через беззольные фильтры, а второй так и оставили нефильтрованным.
Наблюдения спустя 3 месяцы:
В первом растворе образовался монокристалл размером 4,5 см, его структура напоминает многогранник.
Во втором растворе образовалась друза из множества мелких монокристаллов диаметром 8 см. На поверхности выделяются большие монокристаллы и они сросшиеся, можно сделать вывод, что это – поликристалл.
Гипотеза подтвердилась, примеси в растворе существенно влияют на процесс кристаллизации, затрагивая как рост так и форму кристаллов.
Эксперимент №3
Вырастить кристаллы и композиции из кристаллов алюмокалиевых квасцов желтой и красной кровяной соли, медного купороса, поваренной соли и сахарозы для выставки кристаллов «Кристаллы тайны и чудеса».
Кристаллы росли с октября 2024г. по март 2025г. Периодически мы насыщали растворы, чтобы увеличить размеры и не останавливать рост кристаллов. В результате удалось вырастить все кристаллы и организовать выставку кристаллов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Наш проект позволил погрузиться в удивительный мир кристаллов -уникальных природных и синтетических структур, поражающих своей совершенной формой и необычными свойствами. В ходе исследования мы не только изучили теоретические основы кристаллографии, но и смогли на практике наблюдать процесс зарождения и роста кристаллов.
Проведённые эксперименты по выращиванию кристаллов из растворов поваренной соли, алюмокалиевых квасцов, красной и желтой кровяной соли, медного купороса и сахарозы наглядно продемонстрировали, как из простых веществ можно создать красивые упорядоченные структуры.
Мы убедились, что размер и качество кристаллов напрямую зависят от условий выращивания: чистоты раствора, температуры окружающей среды и времени кристаллизации.
Таким образом, выдвинутые гипотезы подтвердились.
Работа над проектом позволила нам:
— систематизировать знания о видах и свойствах кристаллов;
— освоить основные методы выращивания кристаллов;
— развить навыки проведения экспериментов и наблюдений;
— увидеть связь фундаментальной науки с практическими применениями.
Перспективы дальнейшего исследования могут включать изучение более сложных методов кристаллизации, исследование оптических свойств различных кристаллов и создание собственной коллекции минералов.
Кристаллы продолжают оставаться одной из самых захватывающих тем в науке, сочетая в себе природную красоту и огромный практический потенциал. Наш проект показал, что даже с помощью простых экспериментов можно прикоснуться к этому удивительному миру упорядоченных структур и понять основные законы их образования.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
- Афонькин С.Ю. Минералы и драгоценные камни. Школьный путеводитель. — СПб.: «БКК», 2019 г. — 96 с.
- Ермолов В. А. Геология. Ч. V. Кристаллография, минералогия и геология камнесамоцветного сырья. — 3-е изд. — Москва: Горная книга, 2009 — 408 с.
- Кристаллография: зарождение, рост и морфология кристаллов: учебное пособие для вузов/Н. И. Леонюк, Е. В. Копорулина, Е. А. Волкова, В. В. Мальцев. — Москва: Издательство Юрайт, 2022 — 152 с.
- Новосёлов К. Л. Основы геометрической кристаллографии: учебное пособие/К. Л. Новосёлов; Национальный исследовательский Томский политехнический университет. — Томск: Изд-во ТПУ, 2019.
- Булах А. Г. Минералогия. — Москва: Академия, 2020.
- Белов Н. В. Энциклопедия драгоценных камней и кристаллов. — Минск: «Харвест», 2018 г. — 159 с.
Интернет источники:
- https://ecosystema.ru/08nature/min/1_4_1.htm
- https://spravochnick.ru/himiya/kristally/
- https://bigenc.ru/c/kristally-7029a6
