Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение
средняя общеобразовательная школа №24
проект
по химии
Выращивание кристаллов
из раствора медного купороса
в домашних условиях
Выполнил
ученик 9 «А» класса
МБОУ СОШ №24
Былинов Иван
Руководители:
Бяхова Елена Самсоновна
2015-2016 уч. г.
Содержание
1. Введение.
2. Общие сведения о кристаллах.
3. Некоторые кристаллы, встречающиеся в природе.
4. Применение кристаллов в жизни.
5. Выращивание кристалла из раствора медного купороса в домашних
условиях.
6. Заключение.
Список литературы.
1. Введение
Кристалл. Что можно себе представить, услышав это слово? В народе говорят, что кристалл растёт. Правда ли это?
Мне стало интересно, чем кристалл служит человеку, как его добывают, можно ли выращивать кристалл и как это сделать в домашних условиях. Кристаллы люди используют в строительстве, при производстве ювелирных изделий, часов, электронных приборов, компьютерной техники.
Но, где взять столько кристаллов? Думаю, что в природе найти нужный кристалл сложно, поэтому его можно вырастить искусственно. Я решил попробовать вырастить кристалл из раствора медного купороса у себя дома.
Цели:
- узнать, что такое кристаллы, каково их применение в жизни;
- можно ли вырастить кристаллы дома.
Задачи:
- обработка информации о способах выращивания кристаллов;
- выращивание кристалла из медного купороса в домашних условиях и
наблюдение за процессом кристаллизации.
2. Общие сведения о кристаллах
Кристаллы многих минералов и драгоценных камней были известны и описаны ещё несколько тысячелетий назад. Сначала слово «кристаллос» у древних греков обозначало только «лёд». Потом так стали называть прозрачные кристаллы кварца, который ещё называется горный хрусталь. Люди думали, что горный хрусталь — это лёд, который не тает в тепле («окаменевший лед»). Удивительной особенностью горного хрусталя являются его гладкие плоские грани. Возникла догадка, что форма может быть связана с внутренним строением. А потом учёные доказали, что строение кристалла имеет повторяющийся рисунок. Впоследствии этот термин был распространён на все кристаллические тела.
Кристамллы (от греч. ксэуфбллпт, первоначально — лёд, в дальнейшем — горный хрусталь, кристалл) — твёрдые тела, в которых атомы расположены закономерно, образуя трёхмерно-периодическую пространственную укладку — кристаллическую решётку.
Кристалл — это твердое вещество, молекулы (или атомы, ионы) которого организованы в четкой повторяющейся схеме. В некоторых твердых веществах организация строительных блоков (т. е. атомов и молекул) может быть случайной или очень отличающейся по всему веществу. В кристаллах же, набор атомов, называемых «элементарная ячейка», повторяется точно в такой же последовательности целиком по всему материалу. Благодаря такой повторяющейся структуре кристаллы сами могут принимать странные и интересные формы.
Ещё кристаллы бывают жидкими. Жидкие кристаллы — это вещества, которые ведут себя одновременно как жидкости и как твёрдые тела. Молекулы в жидких кристаллах, с одной стороны, довольно подвижны, с другой расположены регулярно, образуя подобие кристаллической структуры (одномерной или двумерной). Часто уже при небольшом нагревании правильное расположение молекул нарушается, и жидкий кристалл становится обычной жидкостью. Напротив, при достаточно низких температурах они замерзают, превращаясь в твёрдые тела.
Кристаллы издревле привлекают внимание людей к себе, ведь они красивые, яркие и нередко с невообразимо красивыми переливами. Их можно разделить по внешним признакам на два основных вида:
1. Идеальные кристаллы – кристаллы, имеющие идеально ровные грани и полную симметрию. Для образования хорошо ограненных кристаллов необходимо, чтобы ничто не мешало им свободно и всесторонне развиваться, не теснило бы их и не препятствовало их росту.
2. Реальные кристаллы – кристаллы, которые по тем или иным причинам выросли не особо ровными, гладкими и составляющими идеальную фигуру (куб, прямоугольник, ромб, круг), а имеющие некие изъяны, которые даже придают им более красивый вид. Чаще всего они приобретают такую форму из-за определенных условий окружающей среды.
3. Некоторые кристаллы,
встречающиеся в природе
Кристаллы очень распространены в природе. Мы ходим по кристаллам, строим из кристаллов, обрабатываем кристаллы на заводах, выращиваем кристаллы в лабораториях, едим кристаллы, лечимся кристаллами.
- Алмаз - минерал, самородный элемент, встречается в виде восьми - и двенадцатигранных кристаллов (нередко с закругленными гранями) и их частей. Алмаз – самый твердый среди минералов, но в то же время и самый хрупкий, обладающий высокой теплопроводностью. Это редкий, но широко распространенный кристалл.
- Сапфир – минерал, исходным материалом для которого является корунд – бесцветный оксид алюминия (Al2O3). Имеет красивую расцветку от темно-синего до светло-голубого. Цвет зависит от примеси железа или титана в период формирования кристаллов сапфира.
- Рубин – прозрачный минерал ярко-красного, темно-красного или фиолетово-красного цвета. Цвет зависит от примеси хрома.
- Аметист – фиолетовая разновидность прозрачного или полупрозрачного кварца, различной густоты и оттенков цвета от почти бесцветного бледно-фиолетового, голубовато-фиолетового до пурпурного, темно-фиолетового, почти черного. Исходным материалом является кремнезем. Окраска вызвана примесью железа.
- Уваровит – минерал, кальциево-хромовый силикат, разновидность граната изумрудно-зелёного цвета. Назван в честь одного из президентов Российской академии наук графа . Формула вещества: Ca3Cr2(SiO4)3.
4. Применение кристаллов в жизни
В жизни кристаллы применяют очень широко. Я приведу несколько примеров применения кристаллов в науке и технике.
- Самый твердый и самый редкий из природных минералов – алмаз. Сегодня алмаз в первую очередь камень-работник, а не камень-украшение. Благодаря своей исключительной твердости алмаз играет громадную роль в технике. Алмазными пилами распиливают камни.
Алмазная пила – это большой (до 2-х метров в диаметре) вращающийся стальной диск, на краях которого сделаны надрезы или зарубки. Мелкий порошок алмаза, смешанный с каким-нибудь клейким веществом, втирают в эти надрезы. Такой диск, вращаясь с большой скоростью, быстро распиливает любой камень.
Колоссальное значение имеет алмаз при бурении горных пород, в горных работах. В граверных инструментах, делительных машинах, аппаратах для испытания твердости, сверлах для камня и металла вставлены алмазные острия. Алмазным порошком шлифуют и полируют твердые камни, закаленную сталь, твердые и сверхтвердые сплавы. Сам алмаз можно резать, шлифовать и гравировать тоже только алмазом. Наиболее ответственные детали двигателей в автомобильном и авиационном производстве обрабатывают алмазными резцами и сверлами.
- Рубин и сапфир относятся к самым красивым и самым дорогим из драгоценных камней. У всех этих камней есть и другие качества, более скромные, но полезные. Кроваво-красный рубин и лазорево-синий сапфир – это «родные братья», это вообще один и тот же минерал – корунд (окись алюминия А12О3 ). Разница в цвете возникла из-за очень малых примесей в окиси алюминия: ничтожная добавка хрома превращает бесцветный корунд в кроваво-красный рубин, окись титана – в сапфир. Сапфир прозрачен, поэтому из него делают пластины для оптических приборов. Основная масса кристаллов сапфира применяется в полупроводниковой промышленности.
Есть корунды и других цветов. Есть у них ещё совсем скромный, невзрачный брат: бурый, непрозрачный, мелкий корунд – наждак, которым чистят металл, из которого делают наждачную шкурку. Корунд со всеми его разновидностями – это один из самых твердых камней на Земле, самый твердый после алмаза. Корундом можно сверлить, шлифовать, полировать, точить камень и металл. Из корунда и наждака делают точильные круги и бруски, шлифовальные порошки.
Вся часовая промышленность работает на искусственных рубинах. На полупроводниковых заводах тончайшие схемы рисуют рубиновыми иглами.
В текстильной и химической промышленности рубиновые нитеводители вытягивают нити из искусственных волокон, из капрона, из нейлона.
Новая жизнь рубина – это лазер или, как его называют в науке, оптический квантовый генератор (ОКГ), чудесный прибор наших дней. В 1960г. был создан первый лазер на рубине. Оказалось, что кристалл рубина усиливает свет. Лазер светит ярче тысячи солнц. Мощный луч лазера легко прожигает листовой металл, сваривает металлические провода, прожигает металлические трубы, сверлит тончайшие отверстия в твердых сплавах, алмазе. Эти функции выполняет твердый лазер, где используется рубин, гранат с неодитом. В глазной хирургии применяется чаще всего неодиновые лазеры и лазеры на рубине. В наземных системах ближнего радиуса действия часто используются инжекционные лазеры на арсениде галлия.
Появились и новые лазерные кристаллы: флюорит, гранаты, арсенид галлия и др.
- Кремень, аметист, яшма, опал, халцедон — все это разновидности кварца. Мелкие зернышки кварца образуют песок. А самая красивая, самая чудесная разновидность кварца – это и есть горный хрусталь, т. е. прозрачные кристаллы кварца. Поэтому из прозрачного кварца делают линзы, призмы и другие детали оптических приборов. Особенно удивительны электрические свойства кварца. Если сжимать или растягивать кристалл кварца, то на его гранях возникают электрические заряды. Это – пьезоэлектрический эффект в кристаллах. В наши дни в качестве пьезоэлектриков используют не только кварц, но и многие другие, в основном искусственно синтезированные вещества: синетову соль, титанат бария, дигидрофосфаты калия и аммония и многие другие.
Пьезоэлектрические кристаллы широко применяются для воспроизведения, записи и передачи звука.
Существуют и пьезоэлектрические методы измерения давления крови в кровеносных сосудах человека и давления соков в стеблях и стволах растений. Пьезоэлектропластинками измеряют, например, давление в стволе артиллерийского орудия при выстреле, давление в момент взрыва бомбы, мгновенные давления в цилиндрах двигателей при взрыве в них горячих газов.
Электрооптическая промышленность – это промышленность кристаллов, не имеющих центра симметрии. На заводах электрооптической промышленности выращивают и обрабатывают сотни наименований кристаллов для применения в оптике, акустике, радиоэлектронике, в лазерной технике.
- В технике также нашел своё применение поликристаллический материал поляроид.
Поляроид – это тонкая прозрачная пленка, сплошь заполненная крохотными прозрачными игольчатыми кристалликами вещества, двупреломляющего и поляризующего свет. Все кристаллики расположены параллельно друг другу, поэтому все они одинаково поляризуют свет, проходящий через пленку.
Поляроидные пленки применяются в поляроидных очках. Поляроиды гасят блики отраженного света, пропуская весь остальной свет. Они незаменимы для полярников, которым постоянно приходится смотреть на ослепительное отражение солнечных лучей от заледеневшего снежного поля.
Поляроидные стекла помогут предотвратить столкновения встречных автомобилей, которые очень часто случаются из-за того, что огни встречной машины ослепляют шофера, и он не видит этой машины. Если же ветровые стекла автомобилей и стекла автомобильных фонарей сделать из поляроида, причем повернуть оба поляроида так, чтобы их оптические оси были смещены, то ветровое стекло не пропустит света фонарей встречного автомобиля, "погасит его".
Кристаллы сыграли важную роль во многих технических новинках XX в. Некоторые кристаллы генерируют электрический заряд при деформации. Первым их значительным применением было изготовление генераторов радиочастоты со стабилизацией кварцевыми кристаллами. Заставив кварцевую пластинку вибрировать в электрическом поле радиочастотного колебательного контура, можно тем самым стабилизировать частоту приема.
Полупроводниковые приборы, революционизировавшие электронику, изготавливаются из кристаллических веществ, главным образом кремния и германия. При этом важную роль играют легирующие примеси, которые вводятся в кристаллическую решетку. Полупроводниковые диоды используются в компьютерах и системах связи, транзисторы заменили электронные лампы в радиотехнике, а солнечные батареи, помещаемые на наружной поверхности космических летательных аппаратов, преобразуют солнечную энергию в электрическую. Кристаллы используются также в некоторых мазерах для усиления волн СВЧ - диапазона и в лазерах для усиления световых волн. Кристаллы, обладающие пьезоэлектрическими свойствами, применяются в радиоприемниках и радиопередатчиках, в головках звукоснимателей и в гидролокаторах. Некоторые кристаллы модулируют световые пучки, а другие генерируют свет под действием приложенного напряжения. Перечень видов применения кристаллов уже достаточно длинен и непрерывно растёт.
Вот и получается, что мы ходим по кристаллам, строим из кристаллов, обрабатываем кристаллы на заводах, выращиваем кристаллы в лабораториях, едим кристаллы, лечимся кристаллами.
Электрические и оптические свойства кристаллов
Кристаллы сыграли важную роль во многих технических новинках двадцатого века. Некоторые кристаллы генерируют электрический заряд при деформации. Первым их значительным применением было изготовление генераторов радиочастоты со стабилизацией кварцевыми кристаллами. Заставив кварцевую пластинку вибрировать в электрическом поле радиочастотного колебательного контура, можно тем самым стабилизировать частоту приема или передачи.
Полупроводниковые приборы, революционизировавшие электронику, изготавливаются из кристаллических веществ, главным образом кремния и германия. При этом важную роль играют легирующие примеси, которые вводятся в кристаллическую решетку. Полупроводниковые диоды используются в компьютерах и системах связи, транзисторы заменили электронные лампы в радиотехнике, а солнечные батареи, помещаемые на наружной поверхности космических летательных аппаратов, преобразуют солнечную энергию в электрическую. Полупроводники широко применяются также в преобразователях переменного тока в постоянный.
Кристаллы используются также в некоторых лазерах для усиления волн СВЧ-диапазона и в лазерах для усиления световых волн. Кристаллы, обладающие пьезоэлектрическими свойствами, применяются в радиоприемниках и радиопередатчиках, в головках звукоснимателей и в гидролокаторах. Некоторые кристаллы модулируют световые пучки, а другие генерируют свет под действием приложенного напряжения.
Регулярное расположение молекул в жидких кристаллах обусловливает их особые оптические свойства. Их свойствами можно управлять, подвергая действию магнитного или электрического поля. Это используется в жидкокристаллических индикаторах часов, калькуляторов, компьютеров и последних моделей телевизоров.
5. Химический опыт: «Выращивание кристалла из раствора медного купороса в домашних условиях».
Природа сама позаботилась о том, чтобы минералы росли в определенной среде, приобретали определенную форму, поэтому в домашних условиях можно вырастить кристаллы самых разнообразных форм, размеров и даже цветов. Если в качестве материала для кристаллизации вы используете соль или сахар, то для получения цветного кристалла вам придется использовать красители. А вот выращивание кристалла из раствора медного купороса в домашних условиях позволяет получить сразу кристалл красивого синего цвета, хотя этот процесс довольно длительный. Суть кристаллизации медного купороса не отличается от кристаллизации сахара или соли. Медный купорос имеет широкое применение в сельском хозяйстве, используется в качестве удобрения и продается в магазинах товаров для дачи.
Чтобы вырастить кристалл из медного купороса в домашних условиях мне потребовались следующие материалы:
Инструменты и приспособления | Сырьё |
- резиновые перчатки, очки - клеенка для стола - стеклянная банка (3), тарелка - тряпочка, марля или бумажный фильтр - нитка - белая бумага, ножницы - палочка или обычный карандаш - бесцветный лак для ногтей | - медный купорос (сульфат меди порошок, CuSO4), 3 упаковки - вода обычная кипяченая (лучше использовать дистиллированную воду, которую можно купить в магазине автотоваров) |
Медный купорос имеет широкое применение в сельском хозяйстве, используется в качестве удобрения и продается в магазинах товаров для дачи
Правила безопасности во время опыта
1. Внимание! При работе с медным купоросом лучше надеть защитную одежду, резиновые перчатки, очки, в/м повязку! Не есть, не пить! 2. Всю работу делать аккуратно. 3. Хранить кристалл необходимо вдали от маленьких детей, т. к. кристаллы из медного купороса настолько красивы, что детям обязательно захочется проверить его на вкус.
Этапы моего опыта
1. Приготовление перенасыщенного раствора ( 4 ноября 2015 г. ) Я налил в банку кипяченой теплой воды и стал постепенно добавлять порошок сульфата меди, тщательно перемешивая раствор ложкой, чтобы кристаллов на дне не было. Медный купорос очень быстро растворился в воде. Добавил еще ложку, снова размешал. Делал так до тех пор, пока очередная порция медного купороса не перестала растворяться при перемешивании. Раствор темно-синего цвета получился перенасыщенным (насыщенный раствор — это такой раствор, в котором растворяемого химического вещества находится так много, что оно больше не растворяется). Если посмотреть на свет, то он почти не будет проходить сквозь банку.
2. Фильтрация раствора. Полученный концентрированный раствор я профильтровал и слил раствор в другую банку.
3. Приготовление «затравки». Затравкой может быть крупный кристалл медного купороса, бусина или пуговица. Я решил вырастить «затравку» из медного купороса. Для этого
на дно банки с профильтрованным раствором добавил небольшое количество медного купороса и оставил его до следующего дня, чтобы на дне банки образовались кристаллы для «затравки».
Что необходимо помнить!
Чем насыщеннее раствор, тем быстрее пойдет кристаллизация.
На следующий день появились первые кристаллы медного купороса. Я перелил раствор в другую банку, расковырял кристаллы, образованные на дне стакана (сросшаяся масса), высыпал их на тарелку. Среди образовавшихся кристалликов я выбрал самый большой и красивый. Он будет использоваться как «затравка» для выращивания моего будущего кристалла.
4. Выращивание кристалла.
- «Затравку» обмотал ниткой, закрепил.
- Подвесил затравку на нитке, а свободный конец нитки продел через середину сложенного листа А-4 (он служил крышкой для банки), привязал его к бумажной палочке (можно использовать карандаш).
- Затравку кристалла поместил внутрь банки с раствором (предварительно профильтровав снова, чтобы не произошла преждевременная кристаллизация) таким образом, чтобы она не касалась стенок сосуда и его дна, т. к. кристалл начнет расти и увеличиваться в размерах.
- Оставил конструкцию в покое в укромном месте с постоянной комнатной температурой, стал ждать и следить за ростом кристалла
- Через 1,5 недели после начала опыта размер кристалла увеличился примерно в 2,5 раза ( см. фото)
15.11.2015 г.
- Через 3 недели кристалл увеличился в размерах почти в 4 раза
26.11.2015 г.
- Через 2,5 месяца кристалл достиг желаемого размера. После зимних каникул я извлек получившийся поликристалл медного купороса из раствора, обрезал нитку, высушил салфеткой и покрыл бесцветным лаком для ногтей (чтобы кристалл не разрушился, и не произошло выветривание), убрал в коробку и отнёс своему учителю по химии Елене Самсоновне.
6. Заключение
Кристаллы имеют чёткую, повторяющуюся структуру, бывают твердыми и жидкими. Они встречаются в природе и могут быть выращены человеком. Красивые кристаллы образуются тогда, когда кристаллизация атомов и молекул вещества в узоры правильной формы происходит очень медленно.
Кристаллы очень полезны для человека. В некоторых случаях без них не обойтись. Найти нужный кристалл в природе очень сложно. Гораздо проще и дешевле его вырастить искусственно. Это делается в промышленном производстве. Но можно вырастить кристалл и в домашних условиях.
У меня получилось вырастить кристалл из раствора медного купороса. Мой опыт показал, что кристалл можно выращивать в домашних условиях. Мне понравилось выращивать кристалл — это очень увлекательное занятие. В будущем я бы хотел вырастить красивые кристаллы из соли и сахара.
Список литературы
1. Занимательные опыты по химии: книга для учителя / . – М.: Просвещение, 1995.
2. Энциклопедия драгоценных камней и кристаллов / . – Минск: Харвест, 2009.
3. Занимательная химия для детей и взрослых / . – М: Аванта+, 2010.
4. Твой первый атлас-определитель. Минералы / , . – М.: Дрофа, 2008.
5. Большая детская энциклопедия: Химия / сост. К. Люцис. – М.: Русское энциклопедическое товарищество, 2000.
6 . Интернет ресурсы:
http://ru. wikipedia. org
http://www. /page6.html.
http://. ru/crystal/p2aa1.html
