Производство  ->  Металлургия  | Автор: | Добавлено: 2015-03-23

Удивительный мир кристаллов

Кристаллы одни из красивейших «изделий природы». На них можно глядеть бесконечно. Но никто не знает истинного происхождения кристаллов и способы их выращивания.

Меня очень интересовали все эти вопросы, мне самой захотелось вырастить кристалл. Я изучила происхождение кристаллов и способы их изучения и нашла эту тему очень интересной.

Анализ литературы позволил сделать выводы о том, что в настоящее время не все лабораторные способы получения кристаллов описаны. Именно это послужило основанием для выбора темы нашего исследования «Влияние различных условий на скорость роста кристаллов».

История открытия кристаллов

Мы почти каждый день встречаемся с кристаллами: снег – это один из видов кристаллов, некоторые детали в часах, но не все знают историю происхождения кристаллов, а так же что означает это слово.

С. И Ожегов трактует это слово, как твёрдое тело, имеющее упорядоченное, симметрическое строение. Даль считает что кристалл – это ископаемое, образующее от природы правильное геометрическое тело. В словаре естественных наук кристалл описывается, как твердое тело, состоящее из упорядоченных, периодически повторяющихся в пространстве частиц. Но все эти взгляды в общем похожи и просмотрев несколько словарей я пришла к выводу, что кристаллы это твёрдые тела, имеющие упорядоченною кристаллическое строение.

Имеются разные точки зрения происхождения кристаллов.

Один исследователь считает, что с древних времен кристаллы, находимые в земле, вызывают восторг и удивление. А ведь они бывают громадными, в рост человека и больше. Много веков кристаллами называли только тела, имеющие естественную многогранную форму, и полагали, что они рождены какими-то таинственными силами, сотворены готовыми и не меняются далее. Ранние исследования структуры кристаллов были морфологическими, т. е. основывались на внешних признаках кристаллов. Однако скоро стало ясно, что правильность внешней структуры обусловлена закономерным внутренним строением. Еще Доменико Гуглилимини заметил, что направление раскалывания кристалла является постоянным, причем образующиеся при раскалывании плоские грани являются характерными для данного вещества. Это привело Гуглилимини к заключению, что кристалл построен из микроскопических кристаллических единиц и раскалывание кристалла происходит по плоскости касания этих единиц. Любая хорошо растворимая соль может кристаллизоваться. Форма и цвет кристаллов каждой соли индивидуальны и зависят от кристаллической решетки и входящих в соединение атомов

Интересно происхождения слова «кристалл» (оно звучит почти одинаково во всех европейских языках). Много веков назад среди вечных снегов в Альпах, на территории современной Швейцарии, нашли очень красивые, совершенно бесцветные кристаллы, очень напоминающие чистый лед. Древние натуралисты так их и назвали – «кристаллос», по-гречески – лед; это слово происходит от греческого «криос» – холод, мороз.

Полагали, что лед, находясь длительное время в горах, на сильном морозе, окаменевает и теряет способность таять. Один из самых авторитетных античных философов Аристотель писал, что «кристаллос рождается из воды, когда она полностью утрачивает теплоту».

Римский поэт Клавдиан в 390 то же самое описал стихами:

Ярой альпийской зимой лед превращается в камень.

Солнце не в силах затем камень такой растопить.

Аналогичный вывод сделали в древности в Китае и Японии – лед и горный хрусталь обозначали там одним и тем же словом. И даже в 19 в. поэты нередко соединяли воедино эти образы. Например А. С. Пушкин

Едва прозрачный лед, над озером тускнея,

Кристаллом покрывал недвижные струи.

Рассказывают, что способность кристаллов сохранять правильную форму, была обнаружена случайно. Французский ученый, аббат Рене-Жюст Гаюи (1743-1826) однажды, будучи в гостях у своего знакомого, большого любителя камней и минералов, уронил на пол самый лучший кристалл из коллекции. Экспонат раскололся, но каждый из осколков повторял форму прежнего кристалла, только был поменьше. Наблюдательность аббата Гаюи помогла ему из обидного случая сделать замечательный вывод. Если разбивать кристалл на все меньшие и меньшие части, можно постепенно дойти и но "элементарной" ячейки, состоящей из отдельных атомов или ионов вещества, и эта ячейка будет состоять из отдельных атомов или молекул.

На самом деле разбить кристалл "на атомы", конечно, обычными способами невозможно (разве что растворить его). Тем не менее ученые установили, что кристаллическая решетка, как гигантский многоэтажный сборный дом, состоит из совершенно одинаковых "клеточек". А от того, каковы эти клеточки, в каком порядке и насколько прочно они скреплены друг с другом, зависит все многообразие кристаллических форм, существующих в природе.

Наука кристаллохимия

Кристаллы имеют свои свойства и особенности, которые изложены в науке кристаллохимии.

Кристаллохимия имеет важное практическое значение. С её помощью получены высокотемпературная сверхпроводящая керамика, твёрдые электролиты и многие другие материалы. Её теоретические выводы оказали влияние на развитие химии и физики твёрдого тела, геохимии, минералогии и материаловедения.

Многие физические и химические свойства кристаллов зависят от наличия в их структуре дефектов (примесей, дислокаций), вызванных условиями роста кристаллов ( среда, температура, давление) в природе , лаборатории, промышленных установках. Дефекты могут улучшать качество материала. Но иногда они просто необходимы. Так, вначале 1960-ых годов с целью получения одного кристалла, добавляли в другой примеси.

Кристаллическая решетка - пространственная структура, которую формируют частицы, образующие кристаллы. Основу кристаллической решетки составляет элементарная решетка определенной геометрической формы, в вершинах (узлах) которой расположены атомы, молекулы или ионы. Существуют макеты кристаллических решёток для наглядного обучения в школе.

В зависимости от строения, кристаллы делятся на ионные, ковалентные, молекулярные и металлические. Нам удаётся выращивать кристаллы благодаря кристаллизации - процессу образования кристаллов из паров, растворов, расплавов. Кристаллизация начинается при достижении некоторого предельного условия, например, переохлаждения жидкости или пересыщения пара, когда практически мгновенно возникает множество мелких кристалликов - центров кристаллизации.

Кристаллики растут, присоединяя атомы или молекулы из жидкости или пара. Рост граней кристалла происходит послойно, края незавершенных атомных слоев при росте движутся вдоль грани. Зависимость скорости роста от условий кристаллизации приводит к разнообразию форм и структуры кристаллов.

Чтобы вырастить красивые красные кристаллы меди нужно как то замедлить реакцию, чтобы атомы меди достраивали уже образовавшиеся кристаллы. Замедлить реакцию можно так : положить на дно сосуда немного медного купороса и засыпать его мелкой поваренной солью – она и будет затормаживать процесс. Затем прикрыть соль кружком, вырезанным из фильтрованной бумаги так, чтобы кружок касался стенок сосуда. А положить железный кружок немного поменьше (кружок заранее протереть наждачной бумагой и вымыть). Налить в сосуд насыщенный раствор поваренной соли, чтобы он закрыл железный кружок. Через несколько дней вы обнаружите красные кристаллы меди.

Выращивать кристаллы – не пустая забава. Кристаллизация- процесс образования кристаллов из раствора, сплава, а иногда и из газовой фазы. На нём основывается производство искусственных кристаллов технического и ювелирного назначения. В больших масштабах производиться искусственный кварц. Синтетический кварц получают из природного-низкосортного, мелкокристаллического, из речного песка. Сырьё помещают в автоклав, который затем заполняют концентрированным раствором соды аппарат закрывают крышкой, к которой подвешены затравочные тонкие пластины из природного или синтетического монокристалла кварца. При повышенных температурах и давлении в автоклаве образуется насыщенный и даже перенасыщенный раствор кремнезема, и из него на затравку постепенно нарастают всё новые и новые количества кристаллов.

Монокристалл кварца растёт со скоростью порядка 1 мм в сутки и достигает нескольких килограммов. Подобным образом выращивают и другие искусственные кристаллы: корунд, карборунд, криолит, фианиты, слюды и так далее.

Кристаллизация очень распространенный в химии процесс, редко какое производство без него обходится. Но конечно на заводе кристаллы выращивают не ради красоты. Там задача совсем иная. Но если за одно получается красиво – разве это плохо.  

Наиболее удобно использовать для выращивания кристаллов  кристаллогидраты различных солей металлов средней активности. Еще одно  преимущество  их использования в том, что данные соли имеют  цветную окраску. Кристаллы, выросшие в  естественных условия, имеют форму правильных многогранников той или иной  симметрии. Грани любого кристалла  всегда плоские, ребра  между гранями прямолинейные. Существует 32 класса симметрии  кристаллических веществ.  Составляющие кристалл частицы расположены в нем упорядоченно и периодически.   Работа с кристаллами нетороплива, ростом и  формами кристаллов можно управлять: ненужные наросты в кристалле можно удалить, слегка потерев влажной тряпочкой, можно смазать грань вазелином; смазав провазелиненную поверхность кристалла ацетоном, можно наоборот стимулировать её рост.                                                                                       

Кристаллы используются людьми, как украшения, но выращивают их не только для украшений и красоты. Например, искусственные ярко-красные рубины играют роль опоры для вращающихся деталей в часах.

Как и всякая наука, кристаллохимия, имеет свои методы, язык, законы. Есть в кристаллохимии 2 основных закона сформулированные В. М. Гольдшмидтом (Норвегия) и А. Ф. Капустинским (СССР). Эти законы говорят о факторах, определяющих структуру и энергию кристалла.

Имеется и ряд кристаллохимических законов, например «пять правил Полинга», названных по имени американского учёного Л. К. Полинга и отражающих принципы построения сложных ионных кристаллов.

Языком кристаллохимии служат термины кристаллографической симметрии, ведь эта наука возникла на стыке других наук - химии и кристаллографии. Скорости роста кристаллов в разных направлениях различны. Если бы они были одинаковыми, кристалл рос бы во все стороны одинаково и вырастал бы шаром. Это - явление спайности, т. е. способности раскалываться по ровным, гладким плоскостям, так называемым плоскостям спайности. «Спайность» проявляется не у всех кристаллов. По степени совершенства ее классифицируют как весьма совершенную, совершенную, несовершенную. Если у кристалла есть совершенная спайность, то из него легко получить плоские пластинки: не надо пилить, шлифовать, полировать кристалл, достаточно расколоть его по плоскостям спайности. Твердость кристаллов зависит от направления. Одной из основных характеристик кристалла является его проводимость, т. е. способность пропускать сквозь себя электрический ток. Рост кристаллов и их вид напрямую зависят от состава образующих веществ (в данном случае солей). В результате экспериментов выяснилось, что из хлорида натрия кристаллы растут намного быстрее, чем из сульфата меди, но вырастают меньше по размеру. Из сульфата меди они растут долго, но по сравнению с поваренной солью получаются значительно больше по размерам. К тому же из поваренной соли мы получаем прозрачные кристаллы, а из медного купороса они имеют ярко-синюю окраску (по форме они тоже разные). Свойства кристаллов нашли широкое применение в самых различных областях техники: в оптике, акустике, радиоэлектронике и квантовой электронике, в металловедении и металлургии, в химии, в медицине. Пожалуй, нет такой области техники, где не применялись бы кристаллы. Более того, многие области техники возникли и развиваются только благодаря использованию удивительных свойств кристаллов.

Глава 2

1)Выращивание кристаллов

Кристаллы как особые структуры требуют некоторых правил в процессе их выращивания.

Банки, в которых  растут кристаллы, необходимо держать в укромном месте, подальше от сквозняков. Не  любят растущие кристаллы и жары, лучше растут в прохладном, темном месте.   Выращенные  кристаллы  необходимо было всегда промывать водой, просушивать кусочком  чистой мягкой ткани.

Существуют разные способы выращивания. Можно вырастить кристалл из сахара. Из медного купороса возможны разнообразные способы выращивания. Вот один из способов выращивания кристалла на бисеринке. Возможно вырастить кристалл, поместив болт в раствор медного купороса. Можно поместить нитку с бисеринкой и вырастить кристалл причудливой формы. Кристаллы можно выращивать из соли.

Медный купорос пятиводный сульфат меди в древности его называли витриолом (от латинского слова vitrium-стекло), так как крупные кристаллы напоминают цветное синее стекло. Медный купорос применяют в сельском хозяйстве для борьбы с вредителями и болезнями растений, в качестве органических красителей, минеральных красок.

Все кристаллические соединения можно разделить на моно- и поликристаллические. Монокристалл представляет собой монолит с единой ненарушенной кристаллической решеткой. Природные монокристаллы больших размеров встречаются очень редко. Большинство кристаллических тел являются поликристаллическими, то есть состоят из множества мелких кристалликов, иногда видных только при сильном увеличении.

Кристаллизацию можно вести разными способами. Один из них – охлаждение насыщенного горячего раствора. При каждой температуре в данном количестве растворителя (например, в воде) может раствориться не более определенного количества вещества. Например, в 100 г воды при 90° С может раствориться 200 г алюмокалиевых квасцов. Такой раствор называется насыщенным. Будем теперь охлаждать раствор. С понижением температуры растворимость большинства веществ уменьшается. Так, при 80° С в 100 г воды можно растворить уже не более 130 г квасцов. Если охлаждение вести быстро, избыток вещество просто выпадет в осадок. Если этот осадок высушить и рассмотреть в сильную лупу, то можно увидеть множество мелких кристалликов.

При охлаждении раствора частички вещества (молекулы, ионы), которые уже не могут находиться в растворенном состоянии, слипаются друг с другом, образуя крошечные кристаллы-зародыши. Образованию зародышей способствуют примеси в растворе, например пыль, мельчайшие неровности на стенках сосуда (химики иногда специально трут стеклянной палочкой по внутренним стенкам стакана, чтобы помочь кристаллизации вещества). Если раствор охлаждать медленно, зародышей образуется немного, и, обрастая постепенно со всех сторон, они превращаются в красивые кристаллики правильной формы. При быстром же охлаждении образуется много зародышей, причем частички из раствора будут «сыпаться» на поверхность растущих кристалликов, как горох из порванного мешка; конечно, правильных кристаллов при этом не получится, потому что находящиеся в растворе частицы могут просто не успеть «устроиться» на поверхности кристалла на положенное им место. Кроме того, множество быстро растущих кристалликов так же мешают друг другу. Посторонние твердые примеси в растворе также могут играть роль центров кристаллизации, поэтому чем чище раствор, тем больше шансов, что центров кристаллизации будет немного.

Охладив насыщенный при 90° С раствор квасцов до комнатной температуры, мы получим в осадке уже 190 г, потому что при 20° С в 100 г воды растворяется только 10 г квасцов. Получится ли при этом один большой кристалл правильной формы массой 190 г? К сожалению, нет: даже в очень чистом растворе вряд ли начнет расти один-единственный кристалл: масса кристалликов может образоваться на поверхности остывающего раствора, где температура немного ниже, чем в объеме, а также на стенках и дне сосуда

Метод выращивания кристаллов путем постепенного охлаждения насыщенного раствора неприменим к веществам, растворимость которых мало зависит от температуры. К таким веществам относятся, например, хлориды натрия и алюминия, ацетат кальция.

Другой метод получения кристаллов – постепенное удаление воды из насыщенного раствора. «Лишнее» вещество при этом кристаллизуется. И в этом случае чем медленнее испаряется вода, тем лучше получаются кристаллы.

Третий способ – выращивание кристаллов из расплавленных веществ при медленном охлаждении жидкости. При использовании всех способов наилучшие результаты получаются, если используется затравка – небольшой кристалл правильной формы, который помещают в раствор или расплав. Таким способом получают, например, кристаллы рубина. Выращивание кристаллов драгоценных камней проводят очень медленно, иногда годами. Если же ускорить кристаллизацию, то вместо одного кристалла получится масса мелких.

Кристаллы могут также расти при конденсации паров – так получаются снежинки и узоры на холодном стекле. При вытеснении металлов из растворов их солей с помощью более активных металлов также образуются кристаллы. Например, если в раствор медного купороса опустить железный гвоздь, он покроется красным слоем меди. Но образовавшиеся кристаллы меди настолько мелкие, что их можно разглядеть только под микроскопом. На поверхности гвоздя медь выделяется очень быстро, поэтому и кристаллы ее слишком мелкие. Но если процесс замедлить, кристаллы получатся большими. Для этого медный купорос надо засыпать толстым слоем поваренной соли, положить на него кружок фильтровальной бумаги, а сверху – железную пластинку диаметром чуть поменьше. Осталось налить в сосуд насыщенный раствор поваренной соли. Медный купорос начнет медленно растворяться в рассоле (растворимость в нем меньше, чем в чистой воде). Ионы меди (в виде комплексных анионов CuCl42– зеленого цвета) будут очень медленно, в течение многих дней, диффундировать вверх; за процессом можно наблюдать по движению окрашенной границы.

Достигнув железной пластинки, ионы меди восстанавливаются до нейтральных атомов. Но так как процесс этот происходит очень медленно, атомы меди выстраиваются в красивые блестящие кристаллы металлической меди. Иногда эти кристаллы образуют разветвления – дендриты. Меняя условия опыта (температура, размер кристаллов купороса, толщина слоя соли и т. п. ), можно менять условия кристаллизации меди.

2) Анализ практических результатов

Я сама захотела провести опыт и вырастить кристалл. Я взяла горячую воду и добавляла соль. Когда соль перестала растворяться я дала постоять раствору 2-3 минуты, чтобы соль осела. Затем я процедила раствор через воронку с ватой. Затем я поместила банку с раствором в старый термос и дала постоять 2-3 часа, чтобы раствор медленно остывал. Когда жидкость остыла я достала из термоса и поместила затравку – нитку с кусочком соли, приклеенным на клей ПВА. Через несколько дней у меня на нитке выросли маленькие кристаллики. А на дне банки лежало много блестящих кристаллов, они называются кристаллы-паразиты.

Потом я достала кристалл из раствора и поместила в пустую банку. Из раствора я вынула кристаллы, которые лежали на дне банки и вскипятила раствор. Затем я перелила раствор в старую банку и поместила кристалл. За ночь кристалл увеличился в два раза. Через несколько дней я повторила процедуру, и кристалл cтал довольно большим. Затем я каждый день удаляла кристаллы, образовывающиеся на дне и на стенках банки.

При изготовление кристаллов я поняла несколько правил:

1. Кристаллы можно выращивать только из насыщенных растворов  различных солей.

2. Кристаллы разной формы можно получить, меняя температуру, величину  кристаллов – зародышей, размеры  сосуда, создавая  тем самым оптимальные для роста условия

3. Работа должна вестись с радостью, без принуждения, ведь кристаллы способны накапливать  энергию, излучать ее.

Заключение

Исследовав свойства кристаллов, я пришла к выводу: интересное свойство кристалла - расти в правильной многогранной форме. В кристалле атомы колеблются около своих положений равновесия все в лад и в такт, все одинаково. Эта стройность, согласованность обусловлены закономерным внутренним строением кристалла, тем, что между атомами действуют силы связи, тем, что положение и колебания каждого атома согласованы со всеми атомами.

Комментарии


Войти или Зарегистрироваться (чтобы оставлять отзывы)