Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Кристаллы

Министерство образования республики Саха ( Якутия)

Мирнинское районное управление образования

МОУ « лицей»

Научно – исследовательская работы

КРИСТАЛЛЫ

Выполнила: Антоненко Надежда

ученица 7 а класса школа- лицей

научный руководитель:

преподаватель химии

МОУ «Лицей», г. Мирный

Дёмина Валентина Дмитриевна

г.Мирный

2006 г.

Содержание

Введение стр. 3

I .Теория стр. 4 - 9

1.1. Определение кристаллов стр. 4

1.2. Форма и свойства кристаллов стр. 4

1.3. Кристаллические решетки стр. 5 - 6

1.4. Применение стр. 8 – 9

I I . Практика стр. 10 - 14

2.1. Способы выращивания кристаллов

а) опыт № 1;

б) опыт № 2;

в) опыт № 3;

г) опыт № 4;

д) опыт № 5;

е) опыт № 6.

2.2. Выводы.

I I I. Приложение: стр. 15-25

а). решетки Браво;

б). типы основных кристаллических решеток;

в). гексогональная;

г). объемноцентрированная;

д). фото № 1 кристаллы медного купороса;

е). фото № 2 кристаллы поваренной соли;

ж). фото № 3 кристаллы меди;

з). фото № 4 кристаллы свинца;

к). фото № 5 кристаллы кристаллы олова;

л). Фото № 6 кристаллы на стекле.

I V. Литература. Стр. 26

Введение.

Цель: Ознакомиться с кристаллами и способами

их выращивания.

Задачи: 1. рассмотреть вопрос влияния формы кристалла

от типа кристаллической решетки;

2. рассмотреть способы выращивания кристаллов

3. вырастить кристаллы:

а. поваренной соли;

б. медного купороса;

в. меди;

г. кристаллов различных солей;

д. олова.

Удивительные многогранники издавна привлекали внимание людей. Средневековые алхимики в своих опытах заметили, что некоторые вещества можно выкристаллизовать из водных растворов.

Алхимики думали, что природные кристаллы были сотворены богом раз и навсегда. Лишь в конце 17 века поняли, что минералы растут как соли из воды.

Я хотела узнать как вырастить различные кристаллы и почему они разные по форме.

I .Теория.

1.1. Определение кристаллов.

Кристаллы - это вещества, в которых составляющие их частицы (т. е. атомы, ионы, молекулы, группы атомов) расположены правильными симметричными, периодически повторяющимися рядами, сетками, решетками. Кристаллы растут из паров, растворов, расплавов и вырастают они в виде удивительно правильных симметричных многогранников.

В земле вырастают кристаллы природных минералов. На заводах и в лабораториях выращивают синтетические кристаллы.

Кристаллы не сотворены готовыми, а ВЫРАСТАЮТ в форме многогранников. И характерна для кристалла не сама многогранная форма, не результат роста, а способность кристалла расти в такой форме; эта способность не исчезает, даже если кристаллу не удалось принять многогранную форму.

1.2. Форма и свойства кристаллов.

Внешняя форма – это проявление физических свойств кристалла.

А свойства его зависят от закономерного внутреннего строения.

Самой характерной основной особенностью кристалла является его внутреннее строение, его закономерная структура. Почему кристаллы вырастают многогранными? Потому что скорости роста кристаллов в разных направлениях различны. Если бы они были одинаковыми, кристалл рос бы во все стороны одинаково и вырастал бы шаром. Не только скорость роста, но и почти все физические свойства кристаллов различны в разных направлениях или как говорят, анизотропны. Анизотропия, т. е. различие свойств по разным направлениям, это основная, характерная особенность кристаллических веществ. Кристаллы однородны, анизотропны и симметричны. А причиной однородности, анизотропии и симметрии кристаллов является их атомная структура. Одинаковые группы атомов повторяются в кристалле, образуя бесконечные ряды, сетки, решётки. Сами эти группы и их взаимное расположение одинаковы в любом участке кристалла, в любой его точке.

Расстояние между атомами, силы связи между ними в разных направлениях различны,- поэтому и возникает анизотропия, т. е. различие свойств кристалла в разных направлениях. Атомы натрия и хлора расположены в структуре хлористого натрия, как правильная трёхмерная кубическая сетка, и кристаллы хлористого натрия ( каменной соли ) вырастают правильными кубиками. Атомы в структуре кварца расположены по вершинам шестиугольников – и кварц вырастает в форме шестигранных карандашиков или столбиков. Значит, симметричная, правильная многогранная форма кристалла - это наглядное следствие анизотропии его скоростей роста. Форма кристалла как бы записывает эту анизотропию, показывает, где скорость роста больше, где она меньше.

А всё- таки: почему же кристаллы вырастают в форме многогранников? Какова связь между внешней формой кристаллов их внутренним строением? Вопрос этот, естественно, возникает у каждого внимательного наблюдателя. И еще в очень давние времена, задолго до создания атомной теории вещества, появились первые смутные догадки о том, что кристаллы, по- видимому, сложены закономерно из мельчайших частиц. С середины XVII века появляется кристаллографический эксперимент. В 1669 году профессор математики и медицины в Копенгагенском университете Эразм Бартолин сделал два существенных открытия, которые легли в основу физической кристаллографии.

В руки Бартолина попали большие кристаллы совершенно прозрачного кальцита, так называемого исландского шпата, впервые привезённого тогда в Европу из Исландии. На этих кристаллах Бартолин обнаружил явление двойного лучепреломления света. Другое явление заметил Бартолин, когда один из кристаллов в его руках случайно разбился. Оказалось, что хотя формы кристаллов исландского шпата разнообразны, но при ударе кристалл раскалывается по ровным плоскостям на совершенно правильные ромбоэдры. В свою очередь каждый осколок можно расколоть ещё- и снова он раскалывается на ромбоэдры, и так снова и снова. У всех осколков исландского шпата всегда одна и та же форма, кристалл всегда разбивается по одинаковым плоскостям, так называемым плоскостям спайности. Теперь мы знаем, что спайность, т. е. способность кристалла раскалываться по определенным плоскостям, присуща не только исландскому шпату, но и многим другим кристаллам.

Осколки стекла не имеют правильной формы, стекло изотропно. Осколки исландского шпата огранены гладкими гранями, исландский шпат отличается совершенной спайностью, т. е. его прочность анизотропна. Кристаллы каменной соли, хлористого калия, фтористого лития при ударе всегда раскалываются по ровным граням куба, алмаз, флюорит разбиваются на мелкие октаэдры, слюда, графит, гипс расщепляются на тонкие пластинки, и т. д.

1.3. Кристаллические решетки.

Наиболее характерной особенностью кристаллического твердого вещества является правильное, повторяющееся расположение его частиц. Наличие этого повторяющегося расположения частиц позволяет описывать строение всего кристалла, выделяя в нем небольшую типичную часть. В разнообразнейших кристаллических веществах, существующих в природе и получаемых синтетическим путём, встречается множество типов решеток и элементарных ячеек.

Однако мы ограничимся общим рассмотрением семи больших систем- сингоний ( перечисленных в табл. 1 ), на которые подразделяются все кристаллические решетки, причем основное внимание сконцентрируем на кубической системе- наиболее простой и распространенной среди веществ, с которыми обычно приходится иметь дело.

Кристаллическая решетка кубической системы характеризуется одинаковым расстоянием между точками вдоль каждой из трех осей ( а = b =с ), а также углами в 90^о между каждой парой осей. Помимо кристаллов с простой кубической структурой, существуют ещё множество других типов кубических кристаллов. Два из них, с кубической объемно-центрированной структурой и кубической гранецентрированной структурой, показаны, где сферы изображают атомы. Многие металлы кристаллизируются в одной из этих двух кубических структур.

Осями элементарной ячейки или всего кристалла для каждой из семи систем, перечисленных в таб. 1, являются прямые линии, соединяющие центры противоположных граней. Оси решетки кубической системы и углы между ними показаны на рис.8. В правильных кристаллах эти линии пересекаются друг с другом и можно указать углы между осями. Например, если оси пересекаются под углом 90^о , но размеры элементарной ячейки неодинаковы (а ≠b ≠ с), решетка называется ромбической. Если углы между осями равны 90^о и два из трех параметров элементарной ячейки совпадают (а =b ≠ с ), решетка называется тетрагональной.

Таблица 1. Семь основных систем кристаллических решёток

Система (сингония)	Размеры элементарной ячейки и углы между ее осями	Примеры
Кубическая	a = b = c α = β = γ = 90^о	Поваренная соль, медь
Гексагональная	a₁ = a₂ = a₃ ≠ b α₁ = α₂ = α₃ = 60^о; β = 90^о	Графит, кварц
Тетрагональная	a = b; c α = β = γ = 90^о	Белое олово, SnO₂
Ромбическая (орторомбическая)	а; b; c α = β = γ = 90^о	Ромбическая сера, I₂
Моноклинная	а; b; c α = γ = 90^о; β ≠ 90	Моноклинная сера, KclO₃
Тригональная (ромбоэдрическая)	а = b = c α = β = γ ≠ 90^о	Кальцит, As, Bi
Триклинная	а; b; c α ≠ β ≠ γ ≠ 90^о	K₂Cr₂O_{7 ,} CuSO₄· 5H₂O

Одним из свойств кристаллической решётки является наличие или отсутствие соответствия между частями элементарной ячейки или самого кристалла по отношению к некоторой линии, проходящей через кристалл. Это свойство называется симметрией. Кристаллические решётки могут обладать осями симметрии, третьего или второго порядка и, наконец, лишь осью симметрии первого порядка.

В простой кубической структуре приблизительно половина объема элементарной ячейки остается свободной, хотя атомы соприкасаются друг с другом. Поскольку другие кубические структуры характеризуются более высокой степенью упаковки, не удивительно, что простая кубическая структура так редко встречается в природе.

Каким образом определяют положения атомов в реальных кристаллах? Атомы настолько малы, что их невозможно увидеть даже под микроскопом, а форма кристаллов не всегда указывает, каким образом расположены внутри них атомы или молекулы.

Рентгеноструктурный анализ позволяет получить однозначную информацию о расстояниях между атомами и о расположении атомов внутри кристаллических веществ

Рентгенограмма кристалла представляет собой узор из темных пятнышек (или линий), как бы отражений от атомных плоскостей. Рентгенограмма кристаллических веществ и их расшифровка на основе Федоровских законов построения пространственной решётки позволяют судить о симметрии кристаллических структур, кристаллографы устанавливают расстояние между плоскостями кристалла, степень их заполнения атомами, размеры элементарной ячейки и получают полное представление о структуре кристалла Существует множество кристаллических веществ различных типов, различия между которыми обусловлены несколькими факторами. До сих пор мы описывали кристалл как пространственную решетку, в узлах которой находятся атомы или частицы шаровой формы. На самом же деле узлы кристаллической решетки часто бывают заняты вовсе не шарообразными частицами. Мы уже упоминали о том, что в кристаллах металлических веществ число ближайших соседей может изменятся от 12 до 6, однако во многих кристаллических веществах это число равно всего лишь 4.

Другим фактором, определяющим различия в структуре кристаллов, является характер сил взаимодействия между частицами кристалла. В кристаллах металлов о таких силах говорят как о металлической связи; в кристаллах различных солей осуществляется ионная связь; другие кристаллические вещества существуют в результате ковалентной связи между образующими их частицами. В кристаллических веществах другого типа действуют большие силы кулоновского (электрического) взаимодействия между образующими их частицами. Твердые вещества этого типа называются ионными кристаллами. В качестве примера можно привести многие известные соли, скажем, NaCl или KCl. Поскольку электрическое поле, создаваемое каждым ионом, обладает ненаправленным характером, в ионных кристаллах положительные ионы со всех сторон окружены отрицательными ионами и, наоборот, отрицательные ионы окружены положительными ионами. В большинстве простых солей вокруг каждого иона располагается по шесть или восемь ионов с зарядом противоположного знака, причём это число зависит от относительных размеров катиона и аниона. Как правило, если отношение этих радиусов, r_катион./r_анион , находится в пределах от 0,73 до 0,41, ионный кристалл имеет такую же структуру, как NaCl, с числом ближайших соседей каждого иона, равным шести . При больших значениях отношения ионных радиусов у каждого иона оказывается восемь ближайших соседей с зарядами противоположного знака, как это показано для кристаллической структуры CsCl .

1.4.Применение.

«Живых призываю. Мёртвых оплакиваю. Молнии ломаю»,-такие надписи на латинском языке чеканились иногда в средние века на больших церковных колоколах в Западной Европе. Почему-«молнии ломаю»? Потому, что при наступлении грозовых облаков, а особенно с приближением града начинается тревожный колокольный звон. Верили, что гул звенящих колоколов может отогнать гром и молнию и предотвратить или ослабить град. Увы!- не защищал колокольный звон от града, и потому придумали ещё одно средство: грозовые облака стали стрелять из пушек. Были даже, в Европе и в Китае, такие специальные пушки, противоградовые мортиры. С градом научились бороться, забрасывая в тучу кристаллики. Грозовые облака, тучи - это скопления переохлажденных водяных паров или капелек. Вещество может долго сохранятся переохлаждённым и кристаллизация не начнётся, пока не вызовет ее какая-нибудь внешняя причина. При грозе этой причиной служит молния: электрический разряд, с громом проскакивающий сквозь переохлажденную среду, возбуждает кристаллизацию в ней. Можно забросить в облако кристаллики твердой углекислоты, того самого сухого льда, который все видели у продавцов мороженного. Температура сухого льда -78 С, и он «замораживает» воду, охлаждая её, так что вокруг каждой пылинки сухого льда начинают расти кристаллики льда, за ними соседние, мгновенно возникает очень много кристалликов, и сразу на многие километры кругом тучи вместо грозного града рассыпаются мелким снегом или проливаются дождем, потому что снежинки тают, - нагреваясь вблизи земли. Еще лучше кристаллизует тучу залп не из сухого льда, а из кристаллов йодистого серебра или более дешёвого йодистого свинца. На крохотных кристалликах этих соединений с готовностью нарастают льда. Здесь имеет место явление ЭПИТАКСИИ - ориентированного нарастания кристаллов одного вещества на кристаллах другого вещества со сходной структурой.

В технике используют такое свойство выращивания крупных кристаллов. Кристаллы дигидрофосфата калия растут на пластинках из родственного кристалла дигидрофосфата аммония, а кристаллы хлористого калия – на каменной соли или на бромистом натрии. Родственные кристаллы не только смешиваться друг с другом, но и просто нарастать на друг друге. На растают кристаллы сходной структуры, но и такие, структура которых различна, но вдоль некоторых граней и рёбер она сходна. Такое ориентированное нарастание одного кристалла на другом, эпитаксия, очень широко используется в технике. Надо, например, вырастить плоскую плёнку золота или серебра для исследования в электронном микроскопе. Выращивают тонкий металлический слой на кристалле поваренной соли. Металлическая плёнка легко растёт т. к. их структуры сходны. Потом соль растворяют в воде. Золото в воде не растворимо, и остаётся его плёнка. Возможность эпитаксильного нарастания зависит не только от геометрического соответствия срастающихся плоских сеток, но также от степени совершенства срастающихся кристаллов, от поверхностной структуры грани, от температуры, давления и ряда других факторов. Особенно широко используется эпитаксия в полупроводниковой технике, в микроэлектронике, где рабочими элементами схем должны служить монокристальные бездефектные плёнки с заданной кристаллографической ориентацией, совершенной поверхностью и с толщиной в немногие десятки ангстрем.

Свойства кристаллов нашли широкое применение в различных областях технике: в оптике, акустике, радиоэлектронике, квантовой электронике, металловедении, металлургии, химии, медицине. Пожалуй нет такой области техники, где не применялись бы кристаллы.Более того: многие области возникли и развиваются только благодаря использованию удивительных свойств кристаллов.

I I .Практика.

2.1.Способы выращивания.

Опыт № 1 (Выращивание сульфата меди).

Постановка эксперимента:

Надо приготовить горячий насыщенный раствор какой-либо соли (хлорида натрия, сульфата меди или железа, квасцов, бихромата калия и т.д.), охладить его, чтобы излишек растворенного вещества не выпал в осадок (такой раствор называется пересыщенным), наконец, ввести затравку, кристаллик той же соли, подвешенный на нитке. После этого остаётся только прикрыть сосуд листом бумаги, поставить сосуд в укромное место и ждать, пока не вырастет крупный кристалл, на что могут уйти даже месяцы; что придется делать, подливать понемногу насыщенный раствор по мере испарения.

Наблюдение:

На нитке происходит наращивание кристалликов соли. Кристалл темно - синего цвета. Для выращивания одного крупного кристалла удаляем кристаллики с нитки, оставляя один.

Опыт № 2

Следующие два опыта настолько впечатляющи, что их смело можно поставить, конечно, тщательно всё подготовив. Первый из них – опыт Пелиго. Цилиндр высотой 25- 30 см вымойте изнутри горячей водой и через воронку по стенке налейте в него горячий очень концентрированный раствор гипосульфита, чтобы он заполнил на 1\3 цилиндр. Этот раствор готовят так:450 г гипосульфита растворяют при нагревании в 45 мл воды.

Второй раствор - ацетата натрия (300 г на 45 мл воды) также горячим ₃аккуратно, этот раствор не должен смешиваться с ранее налитым раствором. Наконец, верхнюю треть цилиндра столь же осторожно заполните горячей водой, которая предохранит насыщенный раствор от преждевременной кристаллизации.

В сосуде три слоя: вода, пересыщенный раствор ацетата натрия, пересыщенный раствор гипосульфита. Накройте цилиндр стеклом, дайте остыть до комнатной температуры, а после этого можно приступить к опыту. К концу стеклянной палочки прикрепите кусочком воска маленький, незаметный кристаллик гипосульфита (воск слегка расплавьте, нагрев его над пламенем). На глазах у зрителей быстро опустите палочку в нижний слой. Концентрация соли столь высока, что тотчас вокруг кристаллика нагромоздится множество новых кристаллов, образуя подобие цветка. А в среднем слое « чужое « вещество вокруг кристалла гипосульфита кристаллизоваться не будет.

Другую, точно такую же палочку с воском, но уже с маленьким кристаллом ацетата натрия (зрители не должны заменить разницы) опустите в средний слой- здесь тоже вырастет цветок, но совсем другой. Цилиндр, если обращаться с ним осторожно, удается использовать несколько раз.

Другой опыт, напоминающий фокус,- с одним только ацетатом натрия. Растворите 100 -150 г. соли в горячей воде (лучше в эмалированной посуде) и медленно выпаривайте, стараясь точно уловить момент, когда надо прекратить выпаривание: дуйте время от времени на поверхность горячего раствора, и как только станет появляться плёнка, напоминающая жировую, это значит, что концентрация соли та, что требуется для образования кристаллогидрата состава CH₃COONa 3H₂O. Перелейте жидкость в чистый тонкий стакан, закройте его и поставьте остывать. В остывшую жидкость достаточно внести ничтожное количество затравки- ацетата натрия, чтобы она мгновенно закристаллизовалась и превратилась в твердую массу, напоминающую лёд. Если вы немного не додержали жидкость на огне и воды в ней многовато, то над застывшей массой будет немного воды, которую надо слить .Если же воды не хватает, то на поверхности окажется налет соли. Снимать его нет смысла, проще добавить немного воды.

Расплавляя кристаллогидрат на водяной бане и охлаждая его, опыт можно проделывать множество раз в том числе на глазах изумленной публики, - а кто не изумится, увидев, как вода на глазах застывает без охлаждения? Напротив, стакан даже разогревается - это выделяется теплота кристаллизации. Стакан можно перевернуть, и из него не выльется ни единой капли.

Опыт № 3

Выращивание кристаллов меди.

Постановка эксперимента:

В стеклянный цилиндр наливаю отфильтрованный водный раствор, содержащий сульфат меди CuSO₄ и хлорид натрия NaCI ( 100 мл воды, 15 г медного купороса и 15 г поваренной соли).
Готовлю графитовый стержень длиной 6 – 8 см от толстого карандаша, надеваю на него поролоновый кружок толщиной 5 мм, почти равный внутреннему диаметру цилиндра.
Выше кружка на графитовый стержень наматываю 5 - 6 витков алюминиевой проволоки, которую прижимаю к стержню в верхней части узкой полоской липкой ленты.
Стержень с кружком и проволокой вставляю в цилиндр так, чтобы поролон касался налитого раствора без воздушной прослойки. Поверх кружка наливаю концентрированный раствор хлорида натрия. Поролоновый кружок не дает смешиваться двум растворам.

Наблюдения.

Вскоре на алюминиевой проволоке появляются пузырьки газа – водорода, вокруг графитового стержня под кружком образуется коричневое облачко, и раствор приобретает коричневую, почти черную окраску.

Через несколько часов верхний слой раствора под кружком начинает светлеть, а на стержне появляются кристаллики меди красновато – кирпичного цвета.

На следующий день весь графитовый стержень ниже кружка покрывается кристалликами меди, причем самый крупный из них располагаться внизу.

( смотри Приложение, фото № 3 ).

Опыт № 4

Дерево Сатурна. ( Выращивание кристаллов свинца)

Постановка эксперимента:

В высокий стакан наливаю водный раствор 25 -30 г ацетата свинца Pb(CH СOO)₂ в 100 мл воды и подвешиваю на нитке несколько кусочков цинка, очищенного наждачной бумагой.

Наблюдение:

На поверхности цинка начинают расти ветвистые и блестящие, сросшиеся между собой кристаллы свинца. Это похоже на волшебное кристаллическое растение.

9это дерево из свинца получило название «сатурново дерево», т. к. алхимики связывали со свинцом планету Сатурн.

( смотри Приложение, фото № 4 ).

Опыт № 5

Дерево Юпитера. ( Выращивание кристаллов олова).

Постановка эксперимента:

В высокий стакан наливаю водный раствор 30 -40 г хлорида олова

( I I) в 100 мл воды и подвешиваю на нитке несколько кусочков цинка, очищенного наждачной бумагой.

Наблюдение:

Очень быстро на гранулах цинка вырастает дерево из кристалликов олова – черного цвета.

( смотри Приложение, фото № 5 ).

Опыт № 6

Фантастические пейзажи на стекле.

Постановка эксперимента:

Готовлю теплый раствор 2 -3 г желатина в 100 мл воды и 10 – 15 % -е водные растворы окрашенных солей :

- сульфата меди

- дихромата калия

- хлорида никеля

- хлорида кобальта

Эти растворы будут содержать 10 – 15 г каждой соли в 100 г воды.

Раствор желатина смешиваю с десятикратным объемом раствора соли и выливаю смесь на обезжиренную стеклянную пластинку, чтобы получился слой толщиной 2 – 3 мм.
Пластинки оставляю в горизонтальном положении для испарения воды.

Наблюдение:

Через 2-а дня вода с пластинок испарилась и на стекле появились причудливые узоры из цветных кристаллов:

- синие

- оранжевые

-зеленые

- розовые кристаллы.

( смотри Приложение, фото № 6 ).

2. 2 Вывод:

Я познакомилась со способами выращивания кристаллов. Но самое главное практически вырастила кристаллы:

- поваренной соли;

- медного купороса;

- меди;

- свинца.

2. Убедилась на практике в том, что форма кристаллов бывает довольно разнообразной и это зависит от кристаллической решетки вещества.

Библиография

1. У. Слейбо, Т. Персонс, Общая химия, Москва, 20001 г.

2. Энциклопедия школьника, Неорганическая химия, издательство «Советская энциклопедия», Москва, 1991 г

3. М. П. Шаскольская, Очерки о свойствах кристаллов, Москва «Наука», главная редакция физико – математической литературы, 1998 г

4. О Ольгин, Опыты без взрывов, Москва, ХИМИЯ, 2002 г