Изучение свойств кристаллов медного купороса

Кристаллы (от греч. krystallos, первонач. — лед), твердые тела, атомы или молекулы которых образуют упорядоченную периодическую структуру (кристаллическую решетку). Кристаллы обладают симметрией атомной структуры, соответствующей ей симметрией внешней формы, а также анизотропией физических свойств. Кристаллы — равновесное состояние твердых тел: каждому веществу, находящемуся при данных температуре и давлении, в кристаллическом состоянии соответствует определенная атомная структура. При изменении внешних условий структура кристаллов может измениться. Большинство природных и технических твердых материалов являются поликристаллами, одиночные кристаллы называются монокристаллами.

Монокристалл отдельный достаточно крупный кристалл с непрерывной кристаллической решеткой.

Поликристаллы агрегаты из большого числа маленьких кристаллов, ориентированных друг относительно друга хаотически. Большинство твердых технических материалов являются поликристаллическими.

Симметрия кристаллов закономерность атомного строения, внешней формы и физических свойств кристаллов, заключающаяся в том, что кристалл может быть совмещен с самим собой путем поворотов, отражений, параллельных переносов (трансляций) и др. преобразований симметрии, а также комбинаций этих преобразований. Симметрия свойств кристалла обусловлена симметрией его строения.

Полиморфизм (от поли. и греч. morphe — форма), свойство некоторых веществ существовать в нескольких кристаллических состояниях (модификациях) с разной структурой. Пример полиморфизма — алмаз и графит.

В данном случае мы имеем ионные кристаллы, и поэтому на их рост сильно влияет электростатическое поле.

Твердые тела. Монокристаллы и поликристаллы.

Кристаллы характеризуются значительными силами межмолекулярного взаимодействия.

Они имеют правильную геометрическую форму, которая является результатом упорядоченного расположения частиц, составляющих кристалл. Регулярное расположение частиц с периодической повторяемостью в трех измерениях, называется пространственной (кристаллической) решеткой. 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.

Особенностью монокристаллов является зависимость физических свойств (упругих, механических, тепловых, электромагнитных, оптических и т. д. ) от направления наблюдения, т. е. анизотропность. Поликристалл состоит из множества беспорядочно ориентированных мелких монокристаллов и поэтому анизотропностью не обладает.

Анизотропность сохраняется на уровне мелких монокристаллов.

Типы кристаллических твёрдых тел.

Существуют два признака для классификации кристаллов: кристаллографический физический. Физический признак кристаллов. В зависимости от вида частиц, расположенных в узлах кристаллической решетки и характера сил взаимодействия между ними кристаллы разделяются на четыре типа: ионные, атомные, металлические и молекулярные.

Ионные кристаллы. В узлах кристаллической решетки располагаются поочередно ионы противоположного знака. Силы взаимодействия электростатические.

Атомные кристаллы. В узлах решетки располагаются нейтральные атомы, удерживающиеся ковалентными связями квантово-механического происхождения.

Металлические кристаллы. В узлах решетки располагаются положительно заряженные ионы металла. При образовании решетки валентные электроны, слабо связанные с атомами, отделяются от атомов и коллективизируются, т. е. принадлежат всему кристаллу в целом.

Молекулярные кристаллы. В узлах решетки располагаются нейтральные молекулы, силы взаимодействия между которыми обусловлены взаимным смещением электронов.

Если твердое тело нагревать, то его внутренняя энергия возрастает. При повышении температуры амплитуда колебаний частиц увеличивается до тех пор, пока кристаллическая решетка не разрушится и твердое тело не расплавится. При сообщении твердому телу теплоты его температура повышается, а при температуре плавления Тпл. начинается переход тела из твердого состояния в жидкое. Температура Тпл. остается постоянной до тех пор, пока весь кристалл не расплавится, и только тогда температура жидкости вновь начнет повышаться. Нагревание твердого тела до Тпл. не переводит его в жидкое состояние, поскольку энергия частиц вещества должна быть достаточной для разрушения кристаллической решетки. В процессе плавления теплота, сообщаемая телу, идет на работу по разрушению кристаллической решетки, а поэтому Тпл. = const является постоянной до расплавления всего кристалла. Если жидкость охлаждать, то процесс протекает в обратном направлении: сначала температура жидкости понижается, затем при постоянной температуре, равной Тпл. , начинается кристаллизация, после ее завершения температура начинает понижаться. Для кристаллизации вещества необходимы центры кристаллизации- зародыши, которыми могут быть мельчайшие кристаллики образующегося вещества или примеси. Отсутствие центров кристаллизации в чистой жидкости затрудняет образование микроскопических кристалликов, и вещество охлаждается до температуры меньшей температуры кристаллизации, при этом образуется переохлажденная жидкость.

Образование кристаллов: 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. Кристаллы образуются из растворов и расплавов.

2. 2 Практическая часть

Можно получить искусственный кристалл похожий на драгоценный, но стоимость его на несколько порядков ниже.

Поэтому после изучения теоретического материала перед нами встал вопрос: «Можем ли мы получить кристалл, и какими свойствами он будет обладать?»

Для того чтобы ответить на этот вопрос мы взяли раствор медного купороса и провели следующие исследования:

Наблюдение за ростом кристаллов.

Рост кристалла:

- Зависимость от температуры.

- Зависимость от плотности, концентрации.

- Зависимость от силы тока и напряжения (рост кристаллов в электрическом токе).

Свойства:

- Химические.

- Физические.

Чтобы вырастить кристалл медного купороса, необходимо взять перенасыщенный раствор медного купороса и опустить в него центр кристаллизации (не большой кристалл, привязанный на нить), причем он не должен касаться дна.

Опыт№1: мы взяли перенасыщенный раствор медного купороса с температурой t=800C и опустили в него центр кристаллизации и через 11ч 25 мин. Достали шероховатый кристалл медного купороса. Затем провели аналогичный опыт но при t=300С и через 11ч 37мин. Достали гладкий, прозрачный кристалл, но он был гораздо меньше кристалла выращенного при температуре t=800С.

Вывод: чем больше температура, тем быстрее протекает процесс кристаллизации, с понижением температуры процесс кристаллизации протекает медленнее и размеры кристалла меньше.

Опыт№2: мы опустили в раствор медного купороса с плотностью 1115 кг/м3 центр кристаллизации и через 12ч. у нас вырос кристалл определённых размеров. Затем провели аналогичный опыт, но при плотности раствора 1190 кг/м3 у нас также вырос кристалл, но несколько больших размеров. Плотность раствора медного купороса мы измерили с помощью ареометра.

Вывод: чем больше плотность раствора, тем больших размеров вырастает кристалл.

Опыт№3: мы опустили в раствор медного купороса с концентрацией n=44625(1023 1/м3 центр кристаллизации и через 11ч у нас вырос кристалл. Затем провели аналогичный опыт, но при концентрации n=42136(1023 1/м3 у нас также вырос кристалл медного купороса но меньших размеров. n=44625(1023 1/м3 –концентрация перенасыщенного раствора медного купороса. Мы нашли её по формуле n= ; N= Nа ; m=V( ;

=1190кг/м3; V=1м3; m=1м3(1190кг/м3; Nа=6(1023моль-1; М(CuSO4)=0,16кг/моль;

N=1190кг:0,16кг/моль(6(1023моль-1=44625(1023; n=42136(1023:1м3=44625(10231/м3.

Вывод: чем больше концентрация раствора медного купороса, тем быстрее протекает процесс кристаллизации, чем меньше концентрация, тем медленнее протекает процесс кристаллизации.

Опыт № 4: мы выращивали кристалл медного купороса в электрическом поле между двумя электродами (алюминиевыми пластинами) при напряжении U=15B при постоянном токе, в качестве источника питания был выпрямитель.

Результат: рост кристалла медного купороса происходит по направлению течения тока от положительного электрода к отрицательному.

Опыт №5: в растворе медного купороса находится два плоских алюминиевых электрода, которые подключены к выпрямителю и пропускаем электрический ток с напряжением U=15B.

Результат: при этом в результате электролиза на отрицательном электроде выделяются чистые кристаллы меди, а положительный электрод частично растворяется. Причём чем больше напряжение электрического тока, тем быстрей протекает этот процесс. При напряжении более 30В рост кристалла прекращается и он растворяется.

Опыт №6: при напряжении 30B сила тока в растворе медного купороса изменяется с течением времени. Т0 = 55 0С – начальная температура раствора, Т1 = 75 0С – конечная температура.

Результат: раствор закипает и происходит обильное выделение газа.

Опыт №7: если выращивать кристалл медного купороса в электрическом токе и поле длительное время, то на электродах и на кристалле появляются побочные кристаллы.

Результат: побочные кристаллы на электродах мешают течению тока между электродами, ток становится меньше и перестаёт влиять на направление роста кристалла, в результате чего на кристаллах медного купороса появляются побочные кристаллы.

Опыт № 8: при росте кристалла медного купороса в электрическом поле и токе между двумя алюминиевыми электродами положительным и отрицательным, в кристалле медного купороса образуется мутный осадок белого цвета со стороны положительного электрода, что говорит о наличии примесей.

Результат: мутный осадок белого цвета в кристалле медного купороса является растворённым алюминием с положительного электрода (положительный алюминиевый электрод растворяется в результате электролиза, а растворённый алюминий переносится в кристалл медного купороса электрическим током).

Опыт № 9: если при выращивании кристалла медного купороса в электрическом поле и токе через определённый промежуток времени изменять напряжение электрического тока, то кристалл будет нарастать слоями.

Результат: при изменении напряжения электрического поля и тока кристалл медного купороса нарастает слоями.

Исследование свойств полученных кристаллов.

Химические свойства:

Опыт № 1: полученные кристаллы внесли в пламя спиртовки. Кристалл сгорает, и пламя окрашивается зелёным цветом.

Вывод: что указывает на наличие, ионов меди, т. е. CuSO4.

Опыт № 2: для определения растворимости полученных кристаллов, опускаем их один в сосуд с водой, а другой в сосуд со спиртом и увидели, что кристаллы растворяются в воде, но не растворяются в спирте.

Вывод: кристаллы медного купороса хорошо растворяются в воде и плохо в спирте.

Физические свойства:

Опыт №1: определение плотности полученного кристалла. Мы нашли плотность кристалла медного купороса, основываясь на том, что он не растворяется в спирте. Налили в мензурку спирт объёмом V1=8,5см3 и опустили туда кристалл медного купороса массой m=3,5г (массу мы нашли с помощью весов и разновесов) после этого объём спирта стал равен V2=10см3, затем мы нашли объём тела (кристалла) Vт= V2-V1; Vт=10см3-

8,5см3=1,5см3 ; = ; =3,5г: 1,5см3=2,333г/см3=2333кг/м3.

Вывод: плотность полученного кристалла 2333кг/м3.

Опыт №2: изучение оптических свойств полученного кристалла. Мы пропустили пучок световых лучей через кристалл медного купороса, выращенный при температуре t=800С, и заметили, что световые лучи плохо проходят через этот кристалл, приобретая окраску мутно голубого цвета, т. к. его поверхность шероховата. Аналогичный опыт провели с кристаллом, выращенным при температуре t=300С, заметив, что пучки световых лучей хорошо проходят через гладкую поверхность этого кристалла, окрашиваясь в синий цвет. Световые пучки, проходя через каждый из этих кристаллов, рассеиваются. Мы заметили, что некоторые кристаллы уменьшают буквы.

Вывод: полученные кристаллы пропускают световые лучи и могут играть роль линзы. При этом световые лучи, проходя через кристалл, окрашиваются в различные оттенки синего цвета.

Опыт №3: если кристалл медного купороса растёт быстро в электрическом поле и токе, то он имеет плохую прозрачность.

Результат: чем медленнее происходит рост кристалла медного купороса в электрическом поле и токе, тем он имеет меньше внутренних дефектов и получается чище (т. е. имеет большую прозрачность).

Опыт № 4: определить твёрдость кристаллов медного купороса можно по шкале Мооса, кристалл медного купороса можно поцарапать медной монетой.

Результат: если кристалл медного купороса можно поцарапать медной монетой, то это значит, что по шкале Мооса твёрдость кристалла медного купороса составляет 3-4.

Опыт № 5: изучение электрических свойств, кристалла. В раствор медного купороса опустили два электрода и подключили к цепи электрического тока состоящей из источника тока, лампочки и ключа. При замыкании ключа лампочка загорается. Вместо раствора ставим кристалл, лампочка не загорается.

Вывод: кристаллы медного купороса обладают плохой электропроводимостью, а раствор медного купороса хорошо поводит электрический ток.

Если кристалл медного купороса долго растёт в электрическом поле, то он плохо пропускает электрический ток, т. е. обладает большим сопротивлением, а если растет быстро, то он лучше пропускает электрический ток, т. е. обладает меньшим сопротивлением.

Опыт № 6: определение плотности полученного кристалла с использованием фармацевтических весов. Налили в мензурку спирт объёмом V1 = 8,5см3 и опустили кристалл медного купороса массой m = 3,34615г (кристалл выращенный в электрическом поле и токе) после этого объём спирта стал равен V2= 10,5см3 , затем мы нашли объём кристалла Vт = V2 - V1 ; Vт = 10,5см3 - 8,5см3 = 2 см3 ; = = ; = 34615г : 2 см3 = 1,673075 г/см3 = 1673,075 кг/см3. Налили в мензурку спирт объёмом V1 = 8,5см3 и опустили кристалл медного купороса массой m = 3,23780 г (кристалл выращенный в обычных условиях) после этого объём спирта стал равен V2= 10см3, затем мы нашли объём кристалла Vт = V2 - V1 ; Vт = 10см3 - 8,5см3 = 1,5см3, плотность кристалла равна 2158,533 кг/см3.

Вывод: плотность кристалла полученного в обычных условиях больше плотности кристалла выращенного в электрическом токе и поле. Что указывает на большее число дефектов в кристалле, выращенном в электрическом токе и поле.

3. Заключение

Эта работа показывает, что можно изменять свойства кристаллов с помощью электрического поля и тока. Проведённые исследования и их результаты убедили меня, что научные данные о микроструктуре твёрдых веществ и о физических и химических свойствах составляющих их атомов необходимы для разработки новых материалов и технических устройств.