Тезисы к работе «Кристаллы: на грани живого и неживого».
учащихся 9 «б» класса МБОУ-СОШ №1 р. п. Степное Советского района Саратовской области Стариковой Анастасии, Бахитовой Надии.
Руководители:
, учитель физики высшей квалификационной категории
, учитель биологии и химии высшей квалификационной категории
Для получения отчетливого представления о кристаллах мы обратились к результатам исследований, представленных физикой, кристаллографией, химией. В своей работе мы особое внимание уделили изучению свойств моно - и поликристаллов, выполнению практических работ по выращиванию кристаллов.
С древнейших времен кристаллы поражали человеческое воображение своим исключительным геометрическим совершенством. Наши предки видели в них творение ангелов или подземных духов. Первой попыткой научного объяснения формы кристаллов считается произведение Иоганна Кеплера «О шестиугольных снежинках» (1611г.). Кеплер высказал предположение, что форма снежинок (кристалликов льда) есть следствие особого расположения составляющих их частиц. Спустя три века было окончательно установлено, что специфические особенности кристаллов связаны с особым расположением атомов в пространстве.
Семейство кристаллических тел состоит из двух групп – монокристаллов и поликристаллов. Первые обладают геометрически правильной внешней формой, а вторые, подобны аморфным телам. Но в отличие от аморфных тел структура поликристаллов неоднородна, зерниста. Они представляют собой совокупность сросшихся друг с другом хаотически ориентированных маленьких кристаллов – кристаллитов. Форму, которую принимает монокристалл, когда при его росте устранены все случайные факторы, называют идеальной.
В форме правильных многогранников кристаллизуется сравнительно небольшое число кристаллов. В форме куба кристаллизуется поваренная соль, сернистый цинк, в форме октаэдров – алмаз, в форме ромбического додекаэдра – гранат.
В кристаллах можно найти различные элементы симметрии: плоскость симметрии, ось симметрии, центр симметрии.
Закон постоянства углов – основной закон кристаллографии: «В кристаллах одного вещества углы между соответственными гранями всегда одинаковы». В каждом кристалле атомы расположены в пространстве строго периодически. Центры тяжести атомов образуют пространственную (кристаллическую) решетку, которая состоит из повторяющихся частей. Ее можно разбить на совершенно одинаковые параллелепипеды, сдвинутые параллельно по отношению друг к другу. Это важнейшее свойство кристаллов называется трансляционной симметрий.
Наименьший параллелепипед, из которого можно составить всю кристаллическую решетку, называется элементарной ячейкой. Кристаллы обладают рядом свойств. К механическим свойствам кристаллов относятся такие свойства твердых тел, как упругость, прочность, поверхностное натяжение, что определяется силами взаимодействия между атомами в кристалле. Изучая силы межатомного взаимодействия, можно, например, определить величину модуля упругости, предела прочности материала, энергию связи и коэффициента поверхностного натяжения.
Наиболее распространёнными веществами для выращивания кристаллов в условиях школьного кабинета являются: хлорид натрия NaCl, медный купорос CuSO4·5H2O, квасцы (алюмокалиевые KAl(SO4)2·12H2O, хромокалиевые KCr (SO4)2·12H2O).
Нами проводились работы по выращиванию кристаллов поваренной соли и медного купороса. Для того чтобы вырастить монокристаллы (с длиной ребра более 1 см) нужно приготовить насыщенный раствор медного купороса. Насыщенным называется раствор, который находится в равновесии с частицами растворяемого вещества. Следовательно, насыщенный раствор содержит максимальное количество вещества, которое может раствориться в данном объеме и при данной температуре. Растворимость веществ в любых растворителях можно отнести к физическим явлениям со следующей позиции: происходит разрушение кристаллической решётки, теплота при этом поглощается из окружающей среды. Это растворение называется эндотермическим. Другой физический процесс – диффузия. Однако мы наблюдаем и химические процессы: гидролиз и сольватацию. С ростом температуры растворимость сульфата меди сначала увеличивается, потом почти перестает зависеть от температуры. Поэтому, чтобы исключить влияние колебаний температуры, погрешности взвешивания и других факторов, мы взяли медного купороса по массе в полтора раза большее расчетного. Когда растворение медного купороса прекратилось, и профильтровать раствор, выбрали крупный, хорошо сформированный кристаллик и привязали его к нитке. Опустили «затравку" в раствор. Накрыли стакан фильтром - для защиты от пыли. Через несколько дней рост кристалла уже был виден визуально, за неделю он вырос длиной в 1 см, за три - 5 см. На воздухе кристаллы медного купороса теряют часть своей воды, при этом происходит их выветривание (разрушение). В природе медный купорос встречается в виде минерала хальканита, который часто образует сталактиты. Одиночные кристаллы в природе встречаются крайне редко, а в условиях лаборатории такой кристалл вырастить можно. В ходе выполненных работ были получены: ярко-синие прозрачные кристаллы медного купороса, представляющие собой пластинчатые многогранники и кристаллы поваренной соли. В результате мы убедились, в том, что кристаллы каждого из веществ имеют свою скорость кристаллизации (самая высокая скорость роста кристаллов у медного купороса), свою форму и свой цвет. При выполнении работы №3 мы изготовили самодельный гониометр и измерили углы между гранями кристаллов кварца. Сравнив результаты всех измерений, мы пришли к выводу, что кристаллы имеют примерно одинаковую форму граней. Все грани имеют одинаковые размеры углов (88-90), т. е. грани имеют прямые углы, что объясняет их правильную геометрическую форму.
Успехи современного материаловедения предопределяют развитие целого ряда областей знаний, где находят применение кристаллы, таких как нанотехнологии, микроэлектроника, кристаллофизика – являющихся в настоящее время приоритетными направлениями развития российской промышленности и науки. Пьезо - и сегнетоэлектрические кристаллы применяются в электронике. Их можно использовать для создания запоминающих устройств с очень высокой плотностью информации, сверх проводящих материалов, новых гальванических элементов, различных красителей. Исключительное значение имеют кристаллы для квантовой электроники. Высокие механические свойства сверхтвердых кристаллов (алмаз) используются в обработке материалов и бурении. Создание современных оптических квантовых генераторов лазеров – основано на использовании свойств некоторых монокристаллов. Благодаря особым электрооптическим свойствам жидкие кристаллы находят широкое применение в технике. Они используются в жидко – кристаллических индикаторах часов, калькуляторов, компьютеров, телевизоров. Благодаря фотонным кристаллам открылась совершенно необычная возможность для хранения и обработки информации. Фотонно-кристаллические световоды (ФК-световоды) – перспективный элемент различных сенсоров.
Кристалл обычно служит символом неживой природы. Однако грань между живым и неживым установить очень трудно и понятия «кристалл» и «жизнь» не являются взаимоисключающими. Простейшие живые организмы – вирусы – могут соединяться в кристаллы. И, наконец, самое удивительное, молекулы ДНК представляют собой одномерные апериодические кристаллы. Следовательно, кристаллы – это не только символ неживой природы, но и основа жизни на Земле.
