ПРОЕКТ
УДИВИТЕЛЬНЫЕ КРИСТАЛЛЫ
Содержание проекта.
1. Введение.
2. Природные кристаллы.
2.1. Происхождение кристаллов.
2.2. Как устроены кристаллы.
2.3. Процесс роста кристаллов.
2.4. Снежные кристаллы.
2.5. Выращивание кристаллов.
2.6. Применение кристаллов.
3. Практическая часть проекта.
Введение.
Кристаллические тела являются одной из разновидностей минералов.
Кристаллическими называют твердые тела, физические свойства которых не одинаковы в различных направлениях, но совпадают в параллельных направлениях.
Семейство кристаллических тел состоит из двух групп – монокристаллов и поликристаллов. Первые иногда обладают геометрически правильной внешней формой, а вторые, подобно аморфным телам, не имеют присущей данному веществу определенной формы. Но в отличие от аморфных тел структура поликристаллов неоднородна, зерниста.
В земле иногда находят камни такой формы, как будто их кто-то шлифовал или полировал. Это многогранники с плоскими гранями, с прямыми ребрами. Вот эти камни природной, то есть не сделанный искусственно, правильной, симметричной формы и называются кристаллами. Кристаллы, залегающие в земле, бесконечно разнообразны. Размеры природных многогранников достигают размеров человеческого роста и более. Встречаются кристаллы – лепестки, тоньше тетрадного листа бумаги и кристаллы – пласты в несколько метров толщиной. В музее Горного института в Санкт – Петербурге хранятся кристаллы горного хрусталя (кварца) высотой около метра и весом более тонны, который много лет служил тумбой ворот одного из домов Екатеринбурга. Многие говорят: прозрачный, как кристалл, кристально чистый.
Кристаллы бывают не только природными, но так же и искусственными, выращиваемыми и создаваемые человеком. При искусственном способе можно получить кристаллы крупнее и чище, которые в природе редки и ценятся дорого, а в технике очень нужны. Поэтому разработаны лабораторные и заводские методы выращивания кристаллов алмаза, кварца, сапфира и др.
2. Природа кристаллов.
2.1. Происхождение кристаллов.
Вопрос о происхождении большинства минералов в природе тесно связан со сложной проблемой происхождения и развития Земли. Согласно современным представлениям Земля образовалась путем объединения первоначально холодного вещества, имевшего в солнечной системе в виде твердых частиц пыли. За счет выделения энергии при столкновении частиц, а также за счет ряда других источников энергии Земля должна разогреться до 1000 – 2000 С. При такой высокой температуре слои, близкие к поверхности и не сжатые давлением вышележащих слоев, должны были расплавиться. В этом расплавленном слое произошло разделение пород: менее плотные породы, типы гранитов, всплыли на поверхность, под ними расположился слой более плотных базальтов и еще ниже – породы, слагающие мантию.
Газы, освободившиеся при расплавлении вещества верхнего слоя земного шара, образовали атмосферу Земли. При последующем остывании Земли расплавленные слои затвердели и образовали земную кору, пары воды после конденсации из атмосферы создали Мировой океан.
При затвердевании объем земной коры уменьшался и в ней появлялись трещины и пустоты. В таких пустотах рост кристаллов происходит беспрепятственно. 
Многие минералы возникли из пересыщенных водных растворов. Первым среди них следует назвать каменную соль NaCl являющуюся одним из наиболее знакомых человеку минералов. Толщина пластов каменной соли, образовавшихся при испарении воды соленых озер, достигает в некоторых месторождениях нескольких сотен метров.
Многие кристаллы являются продуктами жизнедеятельности организмов. Некоторые виды моллюсков обладают способностью наращивать на инородных телах, попавших в раковину, перламутр. За 5-10 лет образуется драгоценный камень жемчуг, имеющий поликристаллическое строение.
Но при всех химических процессах, протекающих в живой организме, этот организм остается самим собой в течении многих и сотен лет! Более того, потомки каждого живого организма являются удивительно очной его копией! Молекулы ДНК не только управляют процессами жизнедеятельности клетки, но и несут в себе полную информацию о строении и развитии всего живого организма из одной только клетки. Молекула ДНК является основой жизни.
2.2. Как устроены кристаллы.
С древнейших времен кристаллы поражали человеческое воображение своими исключительным геометрическим совершенством. Наши предки видели в них творение ангелов или подземных духов. Спустя три века было окончательно установлено, что специфические особенности кристаллов связаны с особым расположением атомов в пространстве, которые аналогичны узорам в калейдоскопе. Все различные законы таких расположение были выведены в 1891 году нашим соотечественником, родоначальником современной кристаллографии
(1853-1919).
С геометрической точки зрения расположение атомов в пространстве представляется системой точек, соответствующих их центрам. Разнообразие кристаллов по форме очень велико. Кристаллы могут иметь от четырех до нескольких сотен граней. Но при этом они обладают замечательным свойством – какими бы ни были размеры, форма и число граней одного и того же кристалла, все плоские грани пересекаются друг с другом под определенными углами. Кристаллы каменной соли, например, могут иметь форму куба, параллелепипеда, призмы или тела более сложной формы, но всегда их грани пересекаются под прямыми углами. Грани кварца имеют форму неправильных шестиугольников, но углы между гранями всегда одни и е же - 120є.
Такими исследованиями занимался кристаллограф С. Федоров.
Закон постоянства углов, открытый в 1669 году датчанином Николасом Стено, является важнейшим законом науки о кристаллах – кристаллографии.
Измерение углов между гранями кристаллов имеет очень большое практическое значение, так как по результатам этих измерений во многих случаях может быть достоверно определена природа минерала. Простейшим прибором для измерения углов кристаллов является прикладной гониометр. Различить, например, кристаллы кальцита и селитры, сходные по форме и имеющие углы между соответствующими гранями, равные 101є55′ первого и 102є41,5′ у второго, с помощью прикладного гониометра очень трудно. Поэтом в лабораторных условиях измерение углов между гранями кристаллов обычно выполняют с помощью более сложных и точных приборов. 
Классификация кристаллов и объяснение их физических свойств оказываются возможными только на основе изучения их симметрии. Для количественной оценки степени симметрии служат элементы симметрии – оси, плоскости и центр симметрии. Русский кристаллограф Евграф Степанович Федоров установил, что в природе может существовать только 230 различных кристаллических решеток, обладающих осями симметрии второго, третьего, четвертого и шестого порядков. Иначе говоря, кристаллы могут иметь форму различных призм и пирамид, в основании которых могут лежать только правильный треугольник, квадрат, параллелограмм и шестиугольник.
2.3. Процесс роста кристаллов.
Никто не видел, как образуется зародыш кристалла в растворе или расплаве. Можно высказать предположение, что беспорядочно движущиеся атомы или молекулы случайно могут расположиться в таком порядке, какой соответствует кристаллической решетке. Если раствор не насыщен или температура расплава выше температуры кристаллизации, то зародыш образуется и тут же раствориться или разрушится тепловым движением. В перенасыщенном растворе или расплаве, охлажденном до температуры ниже температуры кристаллизации, скорость роста зародыша превышает скорость разрушения.
Раньше считали, что рост кристаллов происходит слой за слоем. Сначала завершается построение одного слоя, потом начинается укладка следующего и т. д.
В результате грани, наращиваясь слой за слоем, перемещаются параллельно самим себе в направлении, перпендикулярном плоскости грани, как при кладке кирпичной стены. О справедливости такого предположения, казалось бы, говорят факты существования плоских граней у кристаллов. В области роста кристаллов большие расхождения теории с практикой. Объяснение этому расхождению было найдено сравнительно недавно, которое заключалось в том, что реальные кристаллы имеют множество дефектов структуры. Реальные кристаллы не обладают правильной кристаллической решеткой, а имеют целый ряд нарушений в расположении атомов, называемых дефектами. Знание условий образования дефектов и способов их устранения играет большую роль при использовании кристаллов не практике.
2.4. Снежные кристаллы.
Серьезное изучение зарождения, роста и структуры снежных кристаллов началось не так давно. Интерес к снежным кристаллам был связан в основном с изучением образования дождя и явлений, происходящих в облаках. Оказалось, что большая часть дождевых капель начинает свою жизнь как снежные кристаллы, тающие прежде чем он упадут на землю. Однако, только холодные, находящиеся на большой высоте перистые облака состоят из кристалликов льда.
Снежные кристаллы многообразны, их можно классифицировать по трем основным формам; шестиугольные призматические столбики, тонкие шестиугольные пластины и разветвленные звезды. Нетрудно объяснить шестиугольную форму кристалликов и снежинок. Молекулы льда расположены так, что каждая из молекул окружена шестью соседями. Центры этих молекул образуют правильный шестиугольник.
Форма кристаллов определяется в основном температурой, при которой они вырастают.
Часто зимой при резком потеплении ветки деревьев и стены домов покрываются инеем. Иней легко доступен и за ним можно наблюдать во время его образования. Если паров в воздухе мало, то получаются красивые пушистые хлопья.
При большой влажности воздуха холодные предметы покрываются коркой льда. Особенно интересны узоры, которыми покрываются зимой окна квартир, автобусов и др. При резком похолодании температура окон становится ниже температуры воздуха в помещении. На них оседают молекулы пара, находящиеся во влажном воздухе в комнате, образуя красивые узоры.
2.5. Выращивание кристаллов.
Самый простой, но очень важный метод – выращивание кристаллов из растворов. К нему относится, в первую очередь, выращивание кристаллов путем постепенного снижения температуры. Этот метод не требует сложной аппаратуры и позволяет выращивать кристаллы очень многих веществ.
Мы выбрали другой способ – испарение растворителя. При этом создается небольшое пересыщение раствора, за счет которого и идет кристаллизация.
Установка представляла собой сосуд из органического стекла емкостью около 500 мл. В него налито примерно 400 мл насыщенного раствора медного купороса. По мере испарения в сосуд подливались новые порции раствора. Поэтому стенки не смачивались раствором. Во время роста удалялись неудачные кристаллы, обросшие паразитами и потерявшие типичную для монокристаллов медного купороса форму. Через две недели осталось только три, а через месяц – всего один. Он был уже довольно велик, поэтому линейный рост его замедлился из-за большой поверхности кристаллизации. Вместо обычных в таких случаях перемешивания раствора мы решили вращать сам кристалл. Для этого подвесили его на лесе, на которой образовывались кристаллы-паразиты. Возможно это происходило из-за пересыщения раствора. Освободили затравку от дефектов и продолжали выращивать. 
Полученный кристалл стал иметь более правильную форму.
Процесс выращивания кристаллов так нас заинтересовал, что мы вырастили и другие.
2.6. Применение кристаллов.
Кристаллы встречаются нам по всюду: мы ходим по кристаллам, строим из них, выращиваем а лабораториях и в заводских установках, создаем приборы и изделия из кристаллов, широко применяем их в технике и науке, едим кристаллы (поваренная соль), лечимся ими, находим кристаллы в живых организмах, выходим на просторы космических дорог, используя приборы из кристаллов.
В космических лабораториях на советской станции «Салют-4», на американской «Скайлеб» во время совместного полета «Союз-Аполон» ставились опыты по выращиванию кристаллов в невесомости, недостижимой на Земле чистоты и глубокого вакуума. В космосе были выращены полупроводниковые монокристаллы селенида германия и теллурида германия, в 10 раз большие, чем удалось вырастить в земных условиях, и значительнее более однородные. А невесомости получены монокристаллы в форме сплошных и полых сфер, пригодные например шарикоподшипников, нитевидные кристаллы сапфира, отличающиеся большой прочностью, выдерживающие давления, а десятки раз превышающие земные.
Цифровые носители с подсветкой
Производство вакцины
Лазерные сканеры штрих-кода Лазерные принтеры
Кристаллическая косметика
Литотерапия
