Выращивание кристаллов в домашних условиях

Кто не любовался снежинками - кристаллами льда разнообразие которых поистине бесконечно! Ещё в 17 веке знаменитый астроном Иоганн Кеплер написал трактат <<о шестиугольных снежинках>>. Американский ученый натуралист Бентли 300 лет спустя занялся фотографированием снежинки под микроскопом и 50 лет их изучал, он издал альбом с тысячами фотографий.

Наука о кристаллах началась с горного хрусталя. Его блестящие бесцветные кристаллы нашли в древности в Альпах Швейцарии. Некоторые кристаллы настолько были большими, что их трудно было поднять. Горный хрусталь - это кристаллический кварц. Но не менее красивы окрашенные кристаллы кварца: фиолетовый аметист, желтый цитрон, переливающиеся всеми цветами радуги опал и яшма.

В оружейной палате есть одежда и короны русских царей, сплошь усыпанные кристаллами - самоцветами - аметистами. В церквах аметистами украшали иконы и алтари.

Самые знаменитые кристаллы - алмазы, которые после огранки превращаются в бриллианты. Разгадать тайну этих камней люди пытались многие века и когда установили, что алмаз - это разновидность углерода никто не поверил.

Решающий опыт провел в 1772 году французский химик Лавуазье. В природе алмазы образуются в недрах земли при очень высоких температурах и давлениях. Создать в лаборатории условия, при которых из графита можно получить алмаз, ученые смогли лишь спустя 200 лет. Сейчас производятся десятки тонн искусственных алмазов. Среди них есть алмазы и для ювелирных целей, однако основная их масса идет на изготовления разнообразных инструментов.

Современная промышленность не может обойтись без самых разнообразных кристаллов. Они используются в часах, транзисторных приемниках, вычислительных машинах, лазерах и многом другом. Великая лаборатория - природа - уже не может удовлетворить спрос развивающейся техники, и вот на специальных фабриках выращивают искусственные кристаллы: маленькие, почти незаметные, и большие - массой в - несколько килограммов.

Люди научились получать искусственно очень многие драгоценные камни. Например подшипники, для часов и других точных приборов уже давно делают из искусственных рубинов. Получают искусственно и прекрасные кристаллы, которые в природе вообще не существуют - фианит. Фианиты на глаз трудно отличить от алмаз - так красиво они играют на свету.

Актуальность темы: побывав на Бурейском водохранилище зимой, мы увидели, как уходящая вода оставляет за собой причудливой формы кристаллы льда. На уроках географии мы узнали, что в пещерах образуются известковые наросты сталактиты и сталагмиты. Мы заинтересовались как это происходит, можно ли вырастить такие причуды в домашних условиях.

Объект изучения: растворы и растворимые вещества, из которых можно получить кристаллы.

Предмет исследования: физико-химический процесс - растворение.

Задачи исследования: изучить методику и условия выращивания кристаллов в домашних условиях.

1. КАК РАСТЕТ КРИСТАЛЛ.

Ученых давно интересовало как образуются кристаллы, почему разные вещества дают кристаллы разной формы, а некоторые вовсе не образуют кристаллов; что надо сделать, чтобы кристаллы получились большими и красивыми. Исследования показали, что кристаллы - это вещества, в которых мельчайшие частички (атомы, ионы, молекулы) упакованы в определенном порядке. Именно этот порядок и определяет форму кристалла. А зависит он от геометрической формы частиц, из которых построен кристалл, так и от того, как они друг к другу притягиваются. Одни вещества кристаллизуются легко, другие с большим трудом или вовсе не образуют кристаллов. Почему так? Самое важное условие: для выращивания кристаллов используют только свежеприготовленные растворы. Кристаллизация обычно идет при охлаждении раствора. При каждой температуре в данном количестве растворителя может раствориться не больше определенного количества вещества. При охлаждении раствора частички вещества, которым уже не хватает воды, чтобы находится в растворенном состоянии, слипаются друг с другом, образуя крошечные кристаллы - зародыши. Если охлаждение медленное, зародышей образуется немного, и постепенно обрастая частичками вещества со всех сторон, они превращаются в кристаллики правильной формы

При быстром же охлаждении образуется много центров кристаллизации, а частички из раствора сыпятся на поверхность растущих кристаллов беспорядочно правильных кристаллов не образуется.

Есть и другой метод получения правильных кристаллов: постепенное удаление воды. Чем медленнее будет удаляться вода, тем лучше получатся кристаллы. Кристаллы искусственных драгоценных камней растут очень медленно. Если поспешить большого красивого кристалла не получишь, а получится множество мелких.

2. ВЫРАЩИВАНИЕ КРИСТАЛЛОВ В ДОМАШНИХ УСЛОВИЯХ

Выращивание кристаллов - это искусство. Возможно, у вас не все сразу получится. Не огорчайтесь. Немного настойчивости, упорства, аккуратности, и вы станете обладателями красивых кристаллов и игрушек из кристаллов.

Существуют различные способы выращивания кристаллов. Часто этот процесс требует высоких температур и огромных давлений (например, для получения искусственных алмазов), но некоторые кристаллы можно вы - ращивать даже в домашних условиях. Мы расскажем вам о том, как это можно делать.

Проще всего дома выращивать кристаллы хлорида натрия. Вещество это можно купить в любом магазине, и оно абсолютно безвредно. Но прежде, чем приступить к работе, давайте посмотрим, что представляет собой процесс выращивания кристаллов.

Если в воде при постоянной температуре растворять какое-нибудь вещество, то через некоторое время растворение прекращается. Такой раствор называется насыщенным, а максимальное количество вещества, кото - рое можно растворить при данной температуре в 100 г воды, называется его растворимостью. Обычно с повышением температуры растворимость увеличивается. Поэтому раствор, насыщенный при одной температуре, становится недосыщенным при более высокой температуре.

Если же насыщенный раствор охладить, избыток вещества выпадает в осадок.

Следовательно, один способ выращивания кристаллов заключается в том, что надо дать насыщенному раствору охладиться.

Можно выращивать кристаллы и выпариванием. Ведь если насыщенный раствор испаряется, объем его уменьшается, а количество растворенного вещества остается прежним. Иначе говоря, опять создается избыток вещества, который выпадает в осадок.

Рассмотрим теперь, как происходит выделение избытка вещества. Возьмем насыщенный раствор и нагреем его. Сосуд с полученным недонасыщенным раствором накроем стеклом и дадим раствору спокойно охладиться до температуры более низкой, чем температура насыщения. При этом осадок может и не выпасть, и мы получим пересыщенный раствор. Дело в том, что для образования кристалла необходима <<затравка>>. Ею может служить маленький кристаллик того же вещества или просто пылинка. Иногда достаточно качнуть сосуд с пересыщенным раствором или снять прикрывающее его стекло, как начинается мгновенная кристаллизация>> При этом обычно образуется множество мелких кристалликов. Для того, чтобы вырастить крупный кристалл, необходимо ограничить число <<затравок>>. Лучше всего внести искусственную <<затравку>>, роль которой может исполнять один из кристалликов, полученных ранее.

<<Затравка>> готовится следующим образом. Возьмите две стеклянные банки и тщательно их вымойте. В одну из них налейте теплую воду и насыпьте квасцы. Помешивая раствор, следите за растворением. Когда вещество перестанет растворяться, аккуратно слейте раствор во вторую банку так, чтобы туда не попало нерастворимое вещество. Затем накройте банку стеклом. Когда раствор охладится, снимите стекло. Через некоторое время вы увидите, как в банке образуется множество кристалликов. Дайте им подрасти и отберите самые крупные для <<затравок>>.

Теперь можно приступать к выращиванию кристалла. Прежде всего нужно приготовить посуду. Чтобы уничтожить нежелательные зародыши на стенках, пропарьте банки изнутри над носиком кипящего чайника. Затем сделайте снова теплый насыщенный раствор и слейте его в другую чистую банку.

Итак, у вас есть теплый насыщенный раствор соли. Нагрейте его еще немного, накройте банку стеклом и поставьте охладиться. Когда температура раствора приблизится к температуре насыщения, опустите в банку приготовленную ранее <<затравку>>. Поскольку раствор еще недонасыщен, <<затравочный>> кристаллик начнет растворяться. Но как только раствор охладится до температуры насыщения, растворение кристаллика прекратится, а вскоре начнется его рост. (Если кристаллик растворится целиком, можно ввести в раствор новую <<затравку>>. )

Когда раствор перестанет охлаждаться, выращивание кристалла можно продолжить. Для этого приподнимите стекло так, чтобы вода испарялась, но пылинки в раствор не попадали. Рост кристалла продолжается два - три дня. Выращивая кристалл, старайтесь банку, не трогать и. не передвигать. Когда кристалл будет готов, достаньте его из раствора и тщательно промокните бумажной салфеткой, иначе он быстро потускнеет.

Теми же способами мы выращивали кристаллы, растворяя в воде порошок медного купороса и роданида калия. В результате выросли очень красивые синие и желтые кристаллы.

Есть еще один способ получения необычных кристаллов - металлической меди.

Положим на дно стакана немного медного купороса и засыплем его мелкой поваренной солью. Прикроем соль кругом, вырезанным из фильтровальной бумаги так, чтобы круг касался стенок сосуда. А сверху положим железный кружок размером немного поменьше (кружок заранее протрем наждачной бумагой и вымоем). Нальем в стакан насыщенный раствор поваренной соли, чтобы он закрыл железный кружок.

Кристаллы некоторых веществ, вынутые из раствора в течение нескольких минут или часов способны <<выветриваться>> - необратимо разрушаться в результате потери влаги и превращаться в невзрачный порошок. Выращенный кристалл сульфата никеля подвергся выветриванию через 40 минут после удаления из раствора. Это следует помнить при работе с веществами:

- хромокалиевые и железоаммонийные квасцы,

- тиосульфат натрия,

- сульфат натрия,

- соли марганца,

- некоторые соли цинка,

- некоторые соли никеля,

- жёлтая кровяная соль,

Так как в процессе стояния в растворах у многих веществ накапливающиеся определённого состава комплексы (например, аквакомплексы) меняют структуру кристалла (такие кристаллы могут начинать быстрее выветриваться). Какие-то растворы сильно гидролизуются (их ещё можно очистить фильтрованием).

Кристаллы получаются разными по форме в зависимости от того, бро - сите ли вы <<затравку>> на дно сосуда или подвесите ее на нитке. Таким способом можно, например, вырастить <<бусы>>. Для этого надо <<затравить>> нитку, т. е. провести ею несколько раз по кристаллу, а затем опустить нитку в раствор.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА

Как уже было сказано, мы выращивали кристаллы в разных условиях: Коротко осветим методику опыта:

1. Вначале был приготовлен пересыщенный раствор хлорида натрия путём растворения соли в воде при нагревании (до 60°

2. Из перенасыщенного раствора путём, в одном случае быстрого охлаждения - за окном, в другом случае медленного охлаждения - комнатная температура, была получена затравка - это небольшие кристаллы, выпавшие на дно банок.

3. Мы заметили, что при медленном охлаждении кристаллы выпали более крупные и правильной формы, чем при быстром охлаждении.

Выбрав наиболее крупные и правильные кристаллы, мы привязали их на нитку и опустили в новый горячий перенасыщенный раствор и оставляли на сутки.

Медленное охлаждение осуществлялось так: банку с раствором закутывали в полотенце и мешок (полиэтиленовый).

Быстрое охлаждение осуществлялось так: банку с раствором сразу выставили на улицу.

Кристалл, выращенный при медленном охлаждении, имеет более крупные грани.

Следовательно, при медленном охлаждении можно вырастить кристаллы более правильной формы и с крупными гранями.

4. Процесс кристаллизации быстрее начинается при быстром охлаждении.

Выводы:

1. На рост и форму кристаллов оказывают влияние условия выращивания.

2. Кристаллы, выращенные при медленном охлаждении, имеют более крупные грани.

3. У кристаллов, выращенных при медленном охлаждении чётко видна многослойность.

В дальнейшем мы планируем:

1)исследовать влияние механических воздействий (вращение раствора в сосуде, скорость вращения) на рост и формирование кристаллов;

2)вырастить изделия из кристаллов.

Чешский писатель К. Чапек, восхищаясь природными формами кристаллов в коллекциях Британского музея, в своих <<Записках из Англии>> писал: <<. Число и фантазия, закон и изобилие - вот живые творческие силы природы; не сидеть под земным деревом, а создавать кристаллы и идеи, вот, что значит быть воедино с природой!>>