ПОЗНАВАТЕЛЬНОЕ

Оси и плоскости тела человека - Тело человека состоит из определенных топографических частей и участков, в которых расположены органы, мышцы, сосуды, нервы и т.д.

Отёска стен и прирубка косяков - Когда на доме не достаёт окон и дверей, красивое высокое крыльцо ещё только в воображении, приходится подниматься с улицы в дом по трапу.

Дифференциальные уравнения второго порядка (модель рынка с прогнозируемыми ценами) - В простых моделях рынка спрос и предложение обычно полагают зависящими только от текущей цены на товар.

Науково-дослідницької роботи

Міністерство освіти і науки України

Головне управління освіти і науки Полтавської облдержадміністрації

Полтавське територіальне відділення МАН України

Полтавське наукове товариство учнів «Мала академія наук»

Відділення: біології, екології, хімії, аграрних наук і наук про людину

Секція: хімія

Підсекція: експериментальна хімія

СВІТ КРИСТАЛІВ

Роботу виконав:

Мамішев Рауф Іса огли,

Учень 10 – В класу

Полтавської гімназії № 33

Науковий керівник:

Стародумова Юлія Сергіївна,

Учитель хімії

Полтавської гімназії № 33,

Спеціаліст першої

кваліфікаційної категорії

Полтава – 2012

ТЕЗИ

Науково-дослідницької роботи

«Світ кристалів»

Автор: Мамішев Рауф Іса огли, учень 10 класу Полтавської гімназії №33

Науковий керівник:Стародумова Юлія Сергіївна, учитель хімії Полтавської гімназії №33, спеціаліст першої кваліфікаційної категорії

Світ кристалів – чарівний світ багатогранників, який приваблює нас досконалістю і красою геометричних форм. Це – кристали звичайної кухонної солі і дорогоцінні камені, кварц, слюда, кристали багатьох гірських порід. Правильні й досконалі форми цих каменів вражають нас. Важко повірити, що такі ідеальні багатогранники утворилися самі, без втручання людини. Усе це, на нашу думку, мотивує актуальністьобраної нами теми.

Мета роботи:дослідити розвиток уявлень про кристали, розглянути способи вирощування кристалів в домашніх умовах та виготовити самостійно деякі з них для того, щоб перевірити ступінь складності процесу росту кристалів.

1. Розглянути історичні та теоретичні аспекти будови кристалів.

2. Показати способи вирощування кристалів різних речовин і представити колекцію вирощених кристалів.

3. Розробити лабораторну роботу по вирощуванню кристалів.

Наукова новизна та особистий внесок дослідника.В роботі подані не тільки теоретичні аспекти теорії кристалів, але проведений експеримент по вирощуванні кристалів, результати якого цілком залежить від багатьох факторів: хімічних властивостей речовин, методів вирощування кристалів, досліду експериментатора.

Практичне завдання.Розроблена лабораторна робота дає можливість учням легко виконати творче завдання по вирощуванню кристалів, перевірити свої знання на практиці, провести пошукову роботу з теорії кристалів.

ЗМІСТ

Вступ.........................................................................................................................4

Розділ 1 Світ кристалів...........................................................................................6

1.1 Історія розвитку знань про кристали...............................................................7

1.2 Типи кристалів.................................................................................................11

1.3 Епітаксія кристалів………………………………………………………………………………………13

1.3.1Види епітаксії…………………………………………………………………………………………….15

Розділ 2 Вирощування кристалів з розчинів.......................................................16

Розділ 3 Кристали з помилками..........................................................................19

Висновки................................................................................................................22

Список використаних джерел..............................................................................24

Додатки..................................................................................................................26

ВСТУП

Кристали що містяться в землі, нескінченно різноманітні. Розміри їх досягають інколи людського зросту і навіть більше. Трапляються кристали – пелюстки, які тонші від аркуша паперу, і кристали – пласти, товщина яких досягає кількох метрів. Бувають кристали маленькі, вузькі та гострі, як голки, і величезні, як колони. У деяких місцевостях Іспанії такі кристалічні колони ставлять як стовпи для воріт. Багато ідеально чисті й прозорі, як вода. Недаремно кажуть « прозорий, як кристал » . Наші предки вірили у різноманітні магічні сили кристалів, але у наш час люди навчилися самі вирощувати кристали.

Метою наукової роботи є дослідження розвитку уявлень про кристали з давніх часів, дізнатися більше про будову кристалів, використання їх у побутовому житті та навчитися власноруч вирощувати кристали.

Існують різноманітні способи вирощування кристалів. Іноді цей процес потребує високих температур і високого тиску, але деякі кристали можна вирощувати і в домашніх умовах. Спробувати себе в ролі експериментатора, створити в домашніх умовах власну лабораторію є метою моєї наукової роботи. Результати по вирощуванню кристалів залежить від багатьох факторів: хімічних властивостей речовин, методів вирощування кристалів, досвіду експериментатора. Зовнішня правильна геометрична форма багатьох твердих тіл була виявлена давно, і такі тіла було названо кристалами. Кристали обмежені плоскими, впорядковано розміщеними відносно одна одної гранями, які збігаються в ребрах і вершинах.

В залежності від природи частинок, що містяться у вузлах кристалічних граток, і від того, які сили взаємодії між ними переважають у певному кристалі, розрізняють йонні, атомні, молекулярні і металеві гратки.

Для вирощування кристалів певної речовини треба приготувати насичений водний розчин цієї речовини. Для цього в хімічну склянку або колбу місткістю 0,5-0,8 л наливають не більше половини її об’єму дистильованої (або добре кип'яченої води ) і нагрівають її до 60-70°C . Потім у воду обережно насипають відповідну сіль і помішують розчин доти, доки речовина не перестає розчинятися. Одержують насичений розчин. Його слід зразу ж профільтрувати в іншу посудину, де вирощуватимуть кристали. У відфільтрований насичений розчин кидають маленький кристалик розчиненої речовини або підвішують його на нитці чи волосинці посередині розчину, який і служить зародком для майбутнього великого кристала. Посудину накривають картоном і ставлять в темне місце. Для отримання добре оформлених багатогранників, треба час від часу обережно перевертати кристал з однієї грані на другу, щоб всі його грані побували в однакових умовах росту.

В домашніх умовах можна виростити такі кристали: хлористого натрію, алюмокалієвого галуна, залізосиньородистого калія( червона кров’яна сіль), залізосиньородистого калія( жовта кров’яна сіль), мідного купоросу.

Ще донедавна рідкокристалічні дисплеї ноутбуків і персональних комп’ютерів, мобільних телефонів і плоских телевізорів, фото- і кінокамер викликали подив. Нині використання в техніці, медицині та побуті виробів на основі рідких кристалів стало нормою життя. Деякі типи рідких кристалів, що мають унікальні оптичні властивості, використовують для вимірювання температури, реєстрації інфрачервоних та надвисокочастотних випромінювань. Їх застосовують для дефектоскопії технічних виробів та в медичній діагностиці.

Отже, кристали мають велику роль у нашому житті.

Розділ 1. СВІТ КРИСТАЛІВ

1.1 Історія розвитку знань про кристали

Головне, що їх внутрішня будова підкоряється строго законам симетрії. Так, будь – який шматок металу складається з маленьких кристалів, і в кожному атомі розташовані строго періодично.

Вражаюче правильні обриси кристалів викликали в стародавні часи забобонні уявлення. Таке могли створити лише ангели або підземні духи, - твердили наші предки, не здогадуючись про те, що кристали в природі утворюються самі по собі з розчинів, розкладів, пари в твердих кам’яних породах.

Краса природних кристалів, гра світла на гранях і в середині кристалів наштовхувала навіть найбільш досвідчених мудреців стародавнього світу і вчених середньовіччя на найфантастичніші тлумачення; їм приписувалося багато надприродних, чудодійних якостей. У давнину вважали, що кристали мають здатність зцілення людей від багатьох хвороб, нейтралізації дій «поганого ока», а кристали аметисту роблять людину тверезою. Багато зусиль доклали алхіміки середньовіччя, щоб розшукати «філософський камінь», який би перетворював свинець на золото.

Таке ставлення людей до кристалів, як до носіїв надприродних якостей, через віки дійшло й до наших часів. «Магічні» кристали, що дають можливість бачити події, віддалені від людини в просторі й часі, і навіть зазирнути в майбутнє, а також талісмани, що охороняють людину від лиха на війні й у небезпечних ситуаціях, безпосередньо з праць алхіміків перекочували у вірші Пушкіна, у оповідання Уелса й Купріна, романи Колінза і, безперечно в незлічені твори фольклору.

Проте сучасна наука, що прийшла на зміну описовій науці стародавніх філософів і спекулятивній магії алхіміків середньовіччя, вірить тільки фактам. Ніяких надприродних чудодійних властивостей у кристалів, звичайно, немає, але природа властивості кристалів не менш дивні й загадкові, ніж уявні властивості кристалів охороняти людину в бою від куль або здатність аметисту робити людину тверезою.

Так що ж таке кристал? Слово «кристал» походить від грецького, що означає «прозорий лід».

Зовнішня правильна геометрична форма багатьох твердих тіл була виявлена давно, і такі тіла було названо кристалами. Кристали обмежені плоскими, впорядковано розміщеними відносно одна одної гранями, які збігаються в ребрах і вершинах.

Ідея про те, що правильна геометрична форма кристалів є результатом впорядкованого розміщення частинок, з яких складається кристал, була подана на прикінці XVIII ст. Про те, вивчення кристалічної будови речовини розпочалося після створення певної експериментальної бази, тільки після відкриття рентгенівських променів. У 1912 р. М.Лаує виявив розсіяння рентгенівських променів стало прекрасним методом зондування внутрішніх областей твердих тіл. За допомогою рентгенограм вдалося впевнитися в правильному (впорядкованому) розміщенні частинок, з яких складається кристали і навіть виміряти середні відстані між ними.

Розглядаючи історію розвитку вчення про кристали можна назвати приз віща багатьох вчених. І серед них Й.Кеплер, що спробував пояснити правильну будову кристалів, Р.Гук, Х.Гюйгенс, М.В.Ломоносов.

Наступний крок на шляху вивчення будови кристалів належить французькому моряку – метеорологу О.Браве. Він зацікавився формами сніжинок і став поглиблено займатись наукою про кристали. За його теорією кристал можна уявити складеним з уявних паралелепіпедів. Атоми, що утворюють кристал, при цьому розміщуються по вершинах паралелепіпедів,а іноді, крім того, і в середині або на їх гранях. Такий паралелепіпед називається коміркою кристалу (кристал кам’яної солі можна уявити собі складеним з кубиків).

У 1848 р. О.Браве довів, що в залежності від співвідношення величин і взаємної орієнтації ребер елементарної комірки кристала можуть існувати 14 типів кристалічних решіток, які дістали назву решіток Браве.

Гіпотеза О.Браве була використана Є.С.Федеровим і незалежно від нього А.Шенфлісом, для розробки теорії кристалічних форм. Вони довели, що може існувати тільки 230 різних форм кристалів. Знання кристалічних форм було покладено Є.С.Федеровим в основу способу визначення речовин за формами їх кристалів.

Найпростішою решіткою є кубічне. Крім простої кубічної існують ще дві кубічні решітки: об’ємноцентрована і гранецентрована. Об’ємноцентрована кубічна решітка відрізняється від простої кубічної тим, що крім атомів, розміщених по вершинах куба, в середині кожної елементарної комірки є ще по одному атому. Цю решітку мають такі метали, як звичайне залізо, калій, натрій, молібден, вольфрам, ванадій, цирконій, тантал.

В кубічній решітці з центровими гранями атоми займають не лише вершини куба, але й центрі кожної з граней. Її мають такі метали, як мідь, золото, срібло, свинець, алюміній, платина.

Такі метали, як магній, цинк, кадмій, талій, ртуть, берилій утворюють гексагональну решітку. Ця решітка складена з шестигранних призм. Існують і складніші решітки, особливо, коли речовина складається з атомів різних елементів.

Кристалічні тверді тіла мають певні фізичні властивості. Для кристалів характерно анізотропність, тобто неоднаковість фізичних властивостей (пружних, електричних, теплових, оптичних) у різних напрямках. А також поліморфізм. Прекрасно ілюстрацію цього явища дає Карбон. У природі Карбон трапляється в аморфному стані (сажа), а також у вигляді кристалів алмазу та графіту. Алмаз – найтвердіший кристал: ним ріжуть скло, обробляють інші тверді кристали. Графіт же, навпаки, дуже м’який. Коли його взяти в руки, то він здається жирним від дрібненьких частинок, які легко відокремлюються від нього і пристають до пальців. Його в суміші з глиною використовують для виготовлення олівців. Крім цього, графітом змащують тертьові деталі машин, коли вони працюють при високій температурі, при якій мастило застосовувати не можна.

У чому ж полягає відмінність? В основі решітки алмазу лежать «карбонові кільця» - шестигранники, у вершинах яких розміщені міцно зв’язані один з одним атоми вуглецю, що забезпечує велику міцність алмазу в усіх напрямках. Структура графіту шарувата, хоч і в нього шари складаються з шестикутників, характерних для алмазу. Ці шари лежать один від одного на більшій відстані, ніж відстань між атомами що утворюють кожний шар, і між атомами в алмазі. Тому сили зчеплення між окремими шарами послаблені, і від куска граніту легко відокремлюються мікроскопічні частини, що й зумовлює його властивості.

Деякі речовини в залежності від зовнішніх умов кристалізуються в різних кристалічних структурах. Так при нормальній кімнатній температурі залізо має решітку об’ємно центрованого куба, а кобальт – гексагональну. При високих температурах в обох металах атоми розміщуються так само, як в алюмінію – у вузлах гранецентрованої кубічної решітки.

Одним із самих цікавих фактів теорії кристалів є симетрія. Симетрія є характерною ознакою кристалічної структури, і всі властивості металів – електропровідність, теплопровідність, показник заломлення світла тощо – підкоряються законам симетрії.

Симетричність зовнішньої форми кристала повністю відповідає симетрії, що панує в середині нього в розташуванні атомів, іонів та молекул. Навіщо треба знати симетрію внутрішньої будови кристала, тип його кристалічної решітки? Виявляється, це цілком необхідно для практичного використання кристалів. Вивчення законів симетрії кристалу дає відповідь на багато питань: в яких напрямках кристал найміцніший; як він найкраще проводить електричний струм; як розширюється по різним напрямкам. Навіть якщо кристал складається із багатьох кристаликів (полікристал), будова кристалічної решітки впливає на його властивості .

Кристали визивають ідеально, якщо його можна здобути простим паралельним повторенням у просторі елементарного об’єму з кількох атомів так, як великий цегляний будинок будується в правним «повторенням» його елементарної комірки – цеглини. Але кристалічна гратка ніколи не буває ідеальною реальні кристали завжди мають дефекти: домішкові атоми на місцях «основних» атомів, порожні вузли, різні порушення впорядкованості типу вклинювання серед площин атомів нової площини тощо. Дефекти значно знижують міцність твердого тіла, але бувають і корисними, адже саме керування концентрацією домішок дало змогу створити таке чудо, як напівпровідникова електроніка. Серед дефектів кристалічної гратки особливе значення мають лінійні дефекти – дислокації. Саме вони визначають умови росту кристалів, їх деформації і ламання під впливом зовнішніх деформуючих зусиль.

Отже, історія розвитку теорії кристалів пройшла важкий шлях від чарівних властивостей кристалів до чіткої теорії їх виникнення і знайшла широке поширення в різних галузях. На основі теорії про кристали були створені речовини із заданими властивостями.

1.2 Типи кристалів

За типом кристалічної гратки, кристали поділяються на монокристали та полікристали. Монокристали це – тверді тіла, які мають єдину кристалічну решітку по всьому об’єму. Це – великі одиночні кристали , розміри яких в окремих випадках можуть бути досить значними. Так, металознавець Д.К.Чернов, розрізаючи плитки заліза, виявив усередині одного з них монокристал довжиною близько 40 см, а кристали гірського кришталю інколи досягають розмірів зросту людини.

Усі мінерали і гірські породи Землі народилися з магми. Хімічні елементи перебувають у магмі в стані сполук, ніби розчинених одна в одній. Температура і тиск у середині магми, а отже, і вміст у ній газів і парів та її хімічний склад з часом змінюються. Якщо магма піднімається з глибин до поверхні Землі, то умови змінюються (температура і тиск знижуються) і магма починає застигати, утворюючи тверді мінерали і гірські породи, майже завжди кристалічні. Застигання магма – це процес росту кристалів з розплавів. Відбувається це таким чином: у масі розплаву, що застигає, утворюється зразу багато кристалічних зародків, які одночасно виростають у маленькі кристалики. Поки ці кристалики ще малі, вони ростуть вільно, утворюючи правильні багатогранники. Але збільшуючись кристали стикаються і починають заважати один одному. Як тільки два кристали, що ростуть, дотикаються, ріст обох кристалів у цьому місці припиняється, бо кожен із них не може відокремитися. З інших боків (там, де ще не зіткнулися із сусідами) вони продовжують рости. Так і виходить, що кристал виростає в один бік більше, ніж в інші. В результаті утворюються неправильні багатогранники, а кристалічні зерна, з яких складаються гірські породи. Або ж після впертої боротьби виживають окремі кристали .

Назва найпоширенішої, усім відомої гірської породи граніту походить від латинського слова «гранум» - «зерно». У граніті легко розрізнити зерна димчастого чи прозорого кварцу, рожевого, сірого, бузкового польового шпату, блискучу луску слюди тощо.

Так само застигає розплавлений метал. Він також є полікристалом, тобто складається з багатьох монокристалічних зерен. Серед цих зерен не має правильних, симетричних багатогранників: форми всіх кристалічних зерен металу не правильні.

Але ми говоримо, що характерною властивістю кристалів є їх багатогранна форма, бо якби це кристалічне зерно росло так, щоб йому ніщо не заважало, то воно неодмінно набуло б форми правильного багатогранника. А головне у тому, що внутрішня будова, правильність, періодичність, симетрія розміщення атомів у середині кристалічних зерен не змінилася від того, що порушилася форма.

Існування кристалічних тіл пояснюється так: частинки з якого складається тверде тіло, розташовані впорядковано і такий порядок повторюється на значних відстанях, на багато більших, ніж відстані до сусідніх атомів. В залежності від природи частинок, що міститься у вузлах кристалічних граток, і від того які сили взаємодії між ними переважають у певному кристалі, розрізняють йонні, атомні, молекулярні і металеві гратки. Йонні кристалічні гратки утворені йонами певної речовини, які розташовані у так званих вузлах граток. Типовим представником сполук із йонним типом кристалічних граток є хлорид натрію NaCl.

У вузлах атомних кристалічних граток міститься окремі атоми, сполучені між собою ковалентними зв’язками. Такі кристалічні гратки має алмаз. Його кристал є ніби велетенською молекулою, де кожен атом Карбону сполучений ковалентними зв’язками з чотирма сусідами атомами Карбону.

У вузлах молекулярних кристалічних граток містяться молекули як неполярні, так і полярні. Наприклад, у вузлах кристалічних гарток йоду містяться молекули І. Сили міжмолекулярної взаємодії значно слабкіші за сили ковалентного зв’язку.

Кристалічна гартка металів утворюється додатними йонами металу, які містяться в її вузлах. Оскільки між додатними йонами діють сили відштовхування, то, здавалося б, така решітка має розсипатися. Стійкість металічної гратки пояснюється там, що атоми металів легко втрачають зовнішні електрони, які рухаються по всьому металу, утворюючи своєрідний «електронний газ». Таким чином, електрони і додатні йони металу взаємно зв’язують одні одних; електрони не можуть покинути метал завдяки притяганню до додатньо заряджених атомів металу, а кристалічна решітка, утворена з цих атомів, не «розсипається» завдяки «цементуючий дії електронного газу».

1.3Епітаксія кристалів

Епітаксія – це закономірно орієнтоване наростання кристалів одного мінералу на поверхню іншого. При цьому якщо на грань кристала наростає кілька індивідів, то їх кристалографічне орієнтування виявляється однаковою. Основною умовою існування епітаксійних пар служить схожість кристалічних структур, виражене у пропорційності окремих атомів сіток (шарів), за якими відбувається зрощення. Наприклад, наростання кристалів селітри NaNO₃ на межі ромбоедрів кристалів кальциту СаСО₃. Ці сполуки ізоструктурного, тобто мають однакову структуру, і їх кристали стикаються гранями ромбоедрів так, що основні кристалографічні напрямки на гранях обох структур збігаються. Епітаксія найчастіше має місце при порівняно невеликих (10-12%) відмінностях параметрів грат. Однак орієнтоване наростання відбувається і при різниці параметрів, що становить десятки відсотків. Така ситуація складається, наприклад, при епітаксії гранецентрированний кубічних кристалів металів на гранях лужно-галоїдних кристалів. У природі зустріли велику кількість епітаксічних зрощень мінералів. Найбільш відомі наростання кристалів халькопірита CuFeS₂ на тетраедра Cu₁₂Sb₄S₃, рутилу TiO₂ на гематит Fe₂O₃ (сагенітові трикутники), галеніту PbS на сфалерит ZnS, діаспора Al(OH)₃ на корунд Al₂O₃, кіаніту Al₂[SiO₄]O на ставроліт.

Епітаксія спостерігається при кристалізації з будь-яких середовищ (пара, розчину, розплаву), також при корозії та ін. Епітаксія залежить і утворюється в умовах сполучення кристалічних граток наростаючого кристала і підкладки.

Епітаксія відбувається таким чином, щоб сумарна енергія кордону, що складається з ділянок підкладка-кристал, кристал-середовище та підкладка-середовище, була мінімальною.

В даний час явище епітаксії широко використовується в сучасній мікроелектроніці при вирощуванні тонких монокристалічних напівпровідникових плівок. Шляхом послідовного нарощування епітаксійних плівок утворюються так звані сандвіч-структури, на основі яких створюються інтегральні схеми, стійка магнітна пам’ять і т.п.

1.3.1 Види епітаксії

1. Гомо епітаксія – різновид епітаксії, в якій бере участь лише один матеріал. В цьому процесі кристалічна плівка вирощується на підкладці чи плівці з того ж самого матеріалу. Така технологія використовується для вирощування для вирощування плівок, що є чистішими за підкладку та виготовлення шарів з іншими рівнями легування. Легування – процес додавання кольорових домішок до напівпровідника.

2. Гетеро епітаксія - різновид епітаксії, в якій беруть участь відмінні одне від одного матеріали. В процесі гетеро епітаксії кристалічна плівка вирощується на кристалічній підкладці чи плівці з іншого матеріалу. Ця технологія часто використовується для вирощування кристалічних плівок х матеріалів, для яких іншим шляхом неможливо отримати монокристали, та для виготовлення інтегрованих кристалічних шарів різних матеріалів.

3. Гетеротопоксія – процес подібних до гетеро епітаксії, окрім того факту що ріст тонкої плівки не обмежується двовимірним ростом. Тут підкладка схожа до тонкого плівкового матеріалу лише за структурою.

Розділ 2. МАТЕРІАЛИ ТА МЕТОДИ

2.1 Вирощування кристалів з розчинів

Кристали широко використовуються в різних галузях промисловості. Вчені розробили багато способів одержання або, як кажуть, вирощування кристалів. Найбільш поширеними є три способи вирощування кристалів:з розчину, з розплаву і з пари.

Якщо спробувати розчинити у воді кухонну сіль, то у 200 мл води розчиниться 70 г (приблизно сім чайних ложок) солі, а якщо додавати сіль і далі, то вона не буде розчинятися, а осідатиме на дно. Те саме побачимо, повторивши дослід з цукром: у склянці холодної води розчиниться приблизно 20 чайних ложок цукру – піску, а потім він також осідатиме на дно, не розчиняючись.

Кількість речовини, яка може розчинитися в 100 г води називають розчинністю даної речовини у воді. Розчинність залежить від температури, причому в різних речовин по-різному.

З графіків видно, що за даної температури у воді може розчинитися лише певна кількість речовини, яка визначається її розчинністю.

Проведемо такий експеримент. Беремо склянку гарячої води і всипаємо, помішуючи, в неї порошок мідного купоросу доти, доки він буде розчинюватися. Зливаємо розчин в іншу склянку крізь фільтрувальний папір. У цьому розчину кількість речовини відповідає її розчинності. Такий розчин називається насиченим. Остигаючи розчин стане перенасиченим, оскільки розчинність майже всіх речовин зі зниженням температури зменшується. Перенасичений розчин не може існувати довго, тому зайва речовина виділяється з розчину й осідає на дно склянки. Цей осад буде складатися з кристалів. Перенасичений розчин може отримати, випарувавши частину води. Під час випарювання з розчину випадуть дуже маленькі кристалики.

Для вирощування кристалів певної речовини треба приготувати насичений водний розчин цієї речовини. Для цього в хімічну склянку або колбу місткістю 0, 5-0,8 л наливають не більше половини її об’єму дистильованої (або добре кип'яченої води ) і нагрівають її до 60-70°C . Потім у воду обережно насипають відповідну сіль і помішують розчин доти, доки речовина не перестає розчинятися. Одержують насичений розчин. Його слід зразу ж профільтрувати в іншу посудину, де вирощуватимуть кристали. У відфільтрований насичений розчин кидають маленький кристалик розчиненої речовини або підвішують його на нитці чи волосинці посередині розчину, який і служить зародком для майбутнього великого кристала. Посудину накривають картоном і ставлять в темне місце. Для отримання добре оформлених багатогранників, треба час від часу обережно перевертати кристал з однієї грані на другу, щоб всі його грані побували в однакових умовах росту.

Для вирощування кристалів використовується дані таблиці (Таблиця розчинності речовин на 500 мл води).

Вирощування кристалів потребує певної підготовки. Для проведення експерименту, як дослідна речовина, використовувалася звичайна кухонна сіль. Кристали з розчину можна використати двома способами: повільним випаровуванням розчину та використовуючи затравки.

В залежності від того, який спосіб використовувати можна отримати кристали, що мають різну форму. Розчин солі, випаровуючись, осідає на стінках посудини утворюючи нарости неправильної форми. Якщо розглянути з близька ці нарости ми побачимо маленькі кристалики, що об’єдналися між собою хаотично. Такий спосіб використовують для отримання звичайної кухонної солі в промисловості. В великих резервуарах знаходиться морська вода, яка випаровуючись і дає нам кристали солі.

Якщо для росту кристалу з розчину використовувати затравки, то кристал буде мати правильну форму, але лише в тому випадку, якщо керувати процесом росту кристалу. Треба видаляти ті кристали, що ростуть неправильно, або заважають росту іншого кристалу. Тому весь час треба слідкувати за ростом кристалів.

Отримані кристали можна використовувати потім на уроках природничих дисциплін як наочний посібник для вивчення будови кристалів, можна створити власну колекцію різних кристалів.

Використовуючи затравки можна отримати також різні іграшки для учнів молодших класів, що цікавляться фізикою. Наприклад, нитку «бус», або зробити новорічні прикраси. Для цього замість одного кристалика на нитці, використовуємо нитку, на якій є кристалічні порошки, або каркас, на якому є малесенькі кристалики, які надалі будуть затравками.

Розділ 3. КРИСТАЛИ З ПОМИЛКАМИ

Реальні кристали не мають ідеально правильних кристалічних решіток. Правильне періодичне розташування атомів, іонів або молекул у просторі завжди якоюсь мірою порушується, з одного боку, їх тепловим рухом і, з другою,- наявністю різних дефектів кристалічних решіток, які є навіть у найкращих монокристалічних зразках.

Найбільш цікавими дефектами кристалічної решітки є дефекти атомного типу, наприклад, вакансії, між вузлові атоми і дислокації. Вакансія і прониклий атом викликають навколо себе порушення кристалічних решіток. Порушення правильної будови кристала виникає і в тому випадку, коли вузол решітки заповнений чужорідним атомом. Завжди в будь-якому є чужі атоми, які проникли у кристал внаслідок дифузії ззовні – з повітря, води, твердих тіл, які торкалися даного кристала, а тим більше - з пари.

Серед дефектів кристалічної решітки особливе значення мають лінійні дефекти – дислокації. Саме вони визначають умови росту кристалів, їх деформації і ламання під впливом зовнішніх деформуючих зусиль. Є кілька видів дислокації, але найпоширенішим з них є так звані крайові, або лінійні і гвинтові дислокації. Крайова дислокація являє собою обрив однієї з атомних площин усередині кристала. Її можна уявити собі так: нехай кожний аркуш великого зошиту являє собою окремну атомну площину. Відомо, що кристали з правильною кристалічною решіткою можна уявити собі у вигляді складених одна на одну цілком ідентичних атомних площин. Відірвіть частину одного з аркушів – площин і закрийте зошит. Тепер одна з площин закінчується в середині кристала. Край цієї обірваної площини і називається крайовою, або лінійною дислокацією.

У випадку гвинтової дислокації окремі атомні площини виявляються зсунутими на деякій відстані відносно інших на якусь величину. Утворена цими площинами гвинтова поверхня нагадує собою гвинтові сходи. За кожним обертом площин – сходів ми будемо підніматися на один поверх – на один параметр кристалічної решітки. Центральна частина будови, яка у випадку гвинтових сходів вбиває порожньою, і є гвинтовою дислокацією.

Кожний реальний кристал, навіть такий, що не зазнав деформації, має велику кількість різних дислокацій. Ці дислокації необов’язково прямолінійні: вони можуть являти собою різні криві і, зокрема, замкнуті лінії (петлі).

Зміни в кристалічній будові твердих тіл що виникають внаслідок появи дефектів решітки, обумовлюють зміну різноманітних фізичних властивостей кристалів: механічних, електричних, магнітних і оптичних. Ми дуже коротко розглядаємо лише, як впливають дефекти кристала на його міцність. Взагалі кажучи, уявити вплив різноманітних дефектів на міцність кристалів надзвичайно легко. Справді, розміщення всередині зразка певного типу дефектів кристалічної структури, очевидно, зменшує реальну площину, його поперечного перерізу. В такому разі міцність матеріалу з дефектами повинна бути меншою, ніж міцність такого ж матеріалу без дефектів. Такий спрощений підхід звичайно, але оскільки реальна картина впливу дефектів на міцність матеріалу значно складніша, він, виявляється, не відповідає дійсності.

Міцність ідеального кристала можна розрахувати як силу, необхідну для того, щоб відірвати атоми (іони або молекули) один від одного або зсунути їх, подолавши сили міжатомного зчеплення, тобто ідеальна міцність кристала повинна визначитися добутком величини сил міжатомного зв’язку на кількість атомів, що припадають на одиницю площі відповідного перерізу кристала. Міцність же реальних кристалів на зсув звичайно на тисячу або навіть десятки тисяч разів менша розрахункової ідеальності міцності. Таке велике зниження міцності кристала не можна пояснити зменшення робочої площі поперечного перерізу зразка за рахунок порожнин, мікротріщин, оскільки при зменшенні міцності в 1000 раз порожнини повинні зайняти 99,9% площі поперечного перерізу кристала.

В той же час відомо, що в ряді випадків кристали з великим числом дефектів мають більш високу міцність, ніж кристали з меншою кількістю дефектів. Сталь, наприклад, яка являє собою залізо «спотворене» домішками вуглецю і іншими речовинами, має більш високі механічні властивості ніж чисте залізо.

Розібратися в подвійному впливі дефектів кристалічної решітки на міцність кристала допомогла дислокаційна теорія пластичної деформації. Згідно з цією теорією процес ковзання атомних шарів кристала при пластичній деформації відбуваються не по всій площині перерізу кристала, а починається на порушеннях кристалічної решітки – дислокаціях. Вже при невеликих напруженнях дислокації починають переміщатися (ковзати) і виходять на поверхню, якщо на своєму шляху не натрапляють на перешкоди у вигляді будь-яких перекручень правильної кристалічної структури. Такими перекрученнями можуть бути і групи домішкових атомів, і межі блоків або зерен, і навіть інші дислокації. Вихід крайової дислокації на поверхню кристала еквівалентний зсуву частин кристала на величину, яка дорівнює періодові решітки. Коли б у кристалі було незначне число дислокації, то і в цьому випадку його початкова міцність була б у багато разів нижча від його ідеальної міцності. Зате після виходу дислокацій і став ідеально міцним.

Дефекти кристалічної решітки утруднюють рух дислокацій, збільшуючи необхідне для цього зусилля. В деяких випадках вони можуть створити нездоланні для дислокації бар’єра. Однак завжди виникнення перешкод на шляху руху дислокацій збільшує необхідне для проведення деформації зусилля, отже, зміцнює матеріал.

Таким чином, для створення матеріалів з підвищеною міцністю можна йти двома протилежними шляхами. Перший з них полягає в тому, щоб виготовити зразки найбільш правильних кристалів, які взагалі або майже не мають дислокації. Це вдається зробити, вирощуючи тонкі волосоподібні кристали, що іноді називаються «вусами». Досвід показує, такі волоси мають дуже велику міцність, яка в ряді випадків наближається до теоретичної міцності ідеальних кристалів. Проте цей спосіб підвищення міцності ідеальних кристалів. Проте цей спосіб підвищення міцності матеріалів поки що не вийшов за межі лабораторій.

Досі створення найміцніших матеріалів було пов’язане з одержанням однорідних матеріалів з оптимальною густиною дислокацій і інших дефектів кристалічної решітки. Це досягається комбінацією таких технологічних операцій, як легування (введення невеликої кількості домішок, які сильно взаємодіють з дислокацією і утруднюють їх рух), загартування (створюються дрібнозерниста структура, межі зерен дуже утруднюють рух дислокацій), наклеп (прокатування, волочіння, розтяг, які викликають збільшення кількості дислокацій при деформації, їх утруднюються, міцність металу зростає).

ВИСНОВКИ

Науково - дослідницька робота присвячена будові кристалів. В роботі розглянута історія розвитку вчення про кристали, типи кристалів, їх властивості, будова, використовуючи спеціальну літературу, вирощені кристали в домашніх умовах, розроблена методику виконання лабораторної роботи.

Отже:

1) Кристали діляться на полікристали та монокристали;

2) За типом кристалічної решітки кристали діляться на атомні, молекулярні, іонні та металеві;

3) Існує 230 форм кристалів за теорією Є.С.Федорова;

4) Для кристалів характерна анізотропність, поліморфізм;

5) Кристали мають симетрію як зовнішню так і внутрішню;

6) В реальних кристалах існують дефекти, які впливають на їх ріст та властивості;

7) Кристали можна вирощувати: з розчинів (найпоширеніший спосіб), з розплавів і з пари;

8) Вирощені кристали можна використовувати як наочний посібник під час вивчення мінералів, будова кристалів на уроках фізики та хімії;

9) Кристали, вирощені на заводах широко використовують у різних приладах;

10) Щоб виростити кристал самостійно, треба мати певні здібності.

На жаль, в шкільному курсі природознавчих наук не вивчається теорія кристалів широко, не виконуються практичні роботи по вирощенню кристалів, хоча це – цікаво і вимагає певних зусиль. Проводячи експерименти по вирощенню кристалів можна оцінити степінь складності процесу росту кристалів.

Люди навчилися вирощувати як природні, так і штучні кристали. Нині важко навіть перелічити ті сотні найменувань синтетичних кристалів, які вирощують на заводах у різних країнах світу. П’єзоелектрики, сегнетики, оптичні й електрооптичні кристали, феромагнетики і ферити, монокристали металів, напівпровідники і надпровідники – всього не перелічити.

Особливо цікавим вирощування кристалів, як звичайних, що зустрічаються в природі, так і штучних, отриманих людиною для певних потреб, що виникають у суспільстві. Знаючи теорію кристалів можна створити кристали з певними властивостями. Сучасна промисловість не може обійтися без різноманітних кристалів. Вони використовуються у годинниках, транзисторних приймачах, обчислювальних машинах, лазерах і у багатьох інших приладах. Велика лабораторія – природа – вже не може задовольнити потреби техніки, і ось, на спеціальних фабриках вирощують штучні кристали: маленькі, майже непомітні, і великі – вагою у декілька кілограм. Все це стало можливим завдяки працям багатьох вчених, що розвинули теорію кристалів і дали можливість людству створювати кристали із заданими властивостями.

Виникає ще одна досить серйозна проблема: екологічна. На Землі є природні кристали, мінерали, але їх запас обмежений. І тому слід приділити увагу виробництву штучних кристалів в такий спосіб, щоб не забруднювати оточуюче середовище і враховувати економічну вигоду для країни. Слід приділити увагу вивченню кристалів і на уроках географії, з метою підвищення інтересу до дослідження видобування кристалів в нашій країні.

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

1. Балашов М.М. О природе: Кн. для учащихся 7 кл.- М.: Просвещение, 1991.-64 с.:ил.

2. Газета «Фізика» № 19-21 (211-213), липень 2004 Микола Шут, Володимир Сергієнко: Науково-дослідна робота з фізики у середніх та вищих навчальних закладах.

3. Гончаренко С.У. Фізика: Пробн. навчальний посібник для ліцеїв та класів природничо-наукового профілю. 10 клас.-К.: Освіта, 1995.-430

4. Журнал «фізика та астрономія в школі» Л. Новохатько Конференція «У світі кристалів»

5. Ильченко В.Р. Перекрестки физики, химии, биологии: Кн. для учащихся.- М.: Просвещение, 1986.-174 с.:ил.

6. Ильченко В.Р. Формирование естественнонаучного миропонимания школьников: Кн. для учителя.-М.: просвещение, 1993.-192 с.

7. Кац Ц.Б. Биофизика на уроках физики: КН. для учителя: Из опыта работы.- 2-е изд., перераб.- М: Просвещение, 1988.-159с.: ил.

8. Корсак К.В. Фізика: 25 повторювальних лекцій: Навч. посібник.-К.: Вища шк., 1994.-431с.

9. Коршак Є.В. та ін. Фізика, 7 кл.: Підручник для серед. загальноосвіт. шк./Є.В. Коршак, О.І Ляшенко, В.Ф.Савченко.-Київ; Ірпіль:ВТФ «Перун», 1999.-168 с.: іл..

10. Коршак Є.В. та ін. Фізика, 8 кл.: Підручник для серед. загальноосв.шк./ Є.В.Коршак, О.І Ляшенко, В.Ф. Савченко.-*

11. Курс физики, т.1. Яворский Б.М., Детлаф А.А., Милковская Л.Б., Сергеев Г.П. «Вища школа», 1970, 356 с.

12. Соловьев Ю.И., Курашов В.И. Химия на перекрестке наук: Исторический процесс развития взаемодействия естественнонаучных знаний/Отв. ред . М.А.Ельяшевич,-М.: Наука, 1989.-192с

13. Шарко В.Д. Екологічне виховання учнів під час

14. Вивчення фізики: Посібник для вчителя.-К.:Рад. шк., 1990.-207 с.

15. Шахмаев Н.М., Шилов В.Ф. Физический эксперимент в средней школе: Механика.

16. Молекулярна физика. Электродинамика.-М.: Просвещение, 1989.

17. Энциклопедический словарь юного физика / Сост.В.А. Чуянов.- 2-е изд., испр. и доп. – М.:Педагогика, 1991.- 336с.:ил.

18. Эткинс П. Порядок и беспорядок в природе: Пер. с англ. / Предисл. Ю.Г.Рудого.-М.: Мир, 1987.- 224 с.: ил.

ДОДАТКИ

Лабораторна робота.

Спостереження процесу росту кристалів з розчину.

Мета: виростити в домашніх умовах кристали кухонної солі і розглянути їх будову.

Обладнання: кухонна сіль (або мідний купорос), склянка з водою, паличка для розмішування, фільтрувальний папір, паличка з намотаною на неї волосинкою.

Виконання роботи.

1. Нагрійте воду до температури 80-90 °C . Вилийте її в склянку.

2. Поступово додаючи сіль до склянки з водою, отримайте насичений розчин у воді (сіль треба додавати до тих пір, поки вона не перестане розчинятися у воді).

3. Перелийте намотайте розчин у іншу склянку через фільтрувальний папір.

4. На паличку намотайте волосинку і опустіть її вільний кінець у розчин. Накрийте склянку з розчином для його повільного охолодження.

5. Наступного дня приготуйте новий розчин солі і перенесіть туди паличку з волосинкою на якій вже повинні утворитися малесенькі кристалики.

6. Кожного дня перевіряйте як ростуть кристали і, якщо це необхідно, видаляйте ті з них, що мають дефекти. Записуйте в звіт свої спостереження за ростом кристалів.

7. Через тиждень вийміть кристал з розчину. Розгляньте його будову, замалюйте в зошит і зробіть висновки.

Таблиця розчинності речовин на 500 мл води.

Речовина	Вигляд і колір кристалів	Кількість речовини в грамах на 500 мл води
Хлористий натрій NaCl	Дрібні білі снігоподібні або кубічні кристалики
Алюмокалієвий галун KAl(SO₄)₂ ∙ 5H₂O	Октаедричні кристали білого і ніжно-сріблястого кольору	150-200
Залізосиньородистий калі (червона кров’яна сіль) K₃[Fe(CN)₆]	Рубінові кристали
Залізосиньородистий калі (жовта кров’яна сіль) K₄[Fe(CN)₆]	Світло-жовті прозорі кристали
Мідний купорос CuSO₄ ∙ 5H₂O	Триклинні яскраво-сині кристали	150-200

Кристал хлористого натрію

Кристал жовтої кров’яної солі

Кристал кухонної солі

Алмаз

Кристал мідного купоросу

Кристал червоної кров’яної солі

Кристал алюмокалієвого галуна