Представления о кристаллах в древности

Живя на Земле, сложенной кристаллическими породами, мы не можем не думать о кристалличности веществ.

Возникла мощная отрасль промышленности, сосредоточенная на производстве различных кристаллов, используемых в электронике, радиотехнике, оптике, лазерной технике, технике измерений - практически везде. Приборы, в которых главной частью является тот или иной кристалл, проникли всюду - от космического корабля до домашней кухни (пьезоэлектрическая зажигалка для газовой плиты). Это победное шествие кристаллов-тружеников, природных и искусственных, продолжается, и замены им пока не видно.

Многие кристаллы, найденные давно или в наши дни, имеют свою историю, но те удивительные тайны, которые открываются исследователю при изучении свойств кристаллов, и те возможности, которые получает человек, умеющий использовать кристаллы для своих целей, намного интереснее. Именно об этом я и хочу рассказать.

Определить что такое кристалл и где его можно встретить

Задачи:

1. Изучить научное определение термина «кристалл»;

2. Узнать, где мы можем встретить кристаллы;

3. Узнать, как они растут;

4. Вырастить кристалл в домашних условиях.

Практическая значимость:

Результаты исследования могут быть использованы учителями для проведения уроков по теме «Кристаллы» и просто любопытными людьми для расширения кругозора.

Методы:

1. Химические опыты по выращиванию 4 видов кристаллов в домашних условиях.

2. Фотографирование.

3. Беседа с геологами АК «АЛРОСА».

4. Изучение литературы. (Мы с мамой много информации нашли в Интернете. Познавательной оказалась Детская энциклопедия).

Глава 1. Кристаллы.

1. Представления о кристаллах в древности.

Кристаллы, кристаллы, соцветья во мглу погруженной земли.

Когда расцвели вы, на свете другие цветы не цвели.

Нацежен был мало-помалу из мрака лучистый хрусталь, чтоб стало под силу кристаллу вместить невместимую даль.

Тускла на свету, но как факел кристалла живая свеча пылает во мраке. Во мраке - начало любого луча.

Мигель де Унамуно (29. 9. 1864– 31. 12. 1936), испанский писатель, философ, общественный деятель.

КРИСТАЛЛЫ — вещества, в которых мельчайшие частицы (атомы, ионы или молекулы) "упакованы" в определенном порядке.  В результате при росте кристаллов на их поверхности самопроизвольно возникают плоские грани, а сами кристаллы принимают разнообразную геометрическую форму. Каждый, кто видел кристаллы, не мог не восхититься изяществом и красотой форм, которые принимают "неживые" вещества.

А кто не любовался снежинками, разнообразие которых поистине бесконечно! Еще в 17 в.  знаменитый астроном Иоганн Кеплер написал трактат «О шестиугольных снежинках», а спустя три столетия были изданы альбомы, в которых представлены коллекции увеличенных фотографий тысяч снежинок, причем ни одна из них не повторяет другую.

Интересно происхождения слова "кристалл" (оно звучит почти одинаково во всех европейских языках). Много веков назад среди вечных снегов в Альпах, на территории современной Швейцарии, нашли очень красивые, совершенно бесцветные кристаллы, очень напоминающие чистый лед. Древние натуралисты так их и назвали — "кристаллос", по-гречески — лед; это слово происходит от греческого "криос" — холод, мороз. Полагали, что лед, находясь длительное время в горах, на сильном морозе, окаменевает и теряет способность таять. Один из самых авторитетных античных философов Аристотель писал, что "кристаллос рождается из воды, когда она полностью утрачивает теплоту".

Особое место среди кристаллов занимают драгоценные камни, которые с древнейших времен привлекают внимание человека. Бывают кристаллы-герои и кристаллы-труженики. Первые из них имеют свою историю, часто трагическую и кровавую; вторые вписаны в историю техники, но те и другие являются неотъемлемой частью истории человечества. В Алмазном фонде России хранится алмаз, имеющий собственное имя "Шах". Он был найден в Индии около 600 лет тому назад. Много раз он переходил от одного властелина к другому, пока наконец в 1739 году не покинул Индию и не стал собственностью персидского шаха. В память об этих переходах на поверхности "Шаха" выгравированы три надписи. Но самая трагическая часть его биографии связана с Россией. В 1829 году в Персии был убит русский посол, известный писатель, автор комедии "Горе от ума" А. С. Грибоедов. Персидский шах, признав вину, подарил России этот бриллиант, который стал одним из семи исторических драгоценных камней, хранящихся сейчас в Алмазном фонде. Многие другие кристаллы, найденные давно или в наши дни, имеют свою историю.

2. Строение кристаллов

Кристаллы — это твёрдые вещества, имеющие естественную внешнюю форму правильных симметричных многогранников, основанную на их внутренней структуре.

Составляющие твёрдое вещество частицы образуют кристаллическую решётку.

Кристалли́ческая решётка — вспомогательный геометрический образ, вводимый для анализа строения кристалла. .

Главное свойство кристаллического состояния вещества — закономерное положение атомов в кристаллической решётке. Именно эта правильность и является наиболее замечательным свойством кристаллов, привлекающим к ним внимание и завораживающим всякого, кто впервые сталкивается с таким интересным объектом. Одно и то же вещество может кристаллизоваться в разных кристаллических решётках и обладать весьма различными свойствами (классический пример графит — алмаз)..

Между алмазом и графитом много общего, хотя на первый взгляд это общее трудно увидеть. Алмаз необычно тверд, прозрачен, не проводит электрический ток (диэлектрик), обработанные алмазы — драгоценность.

Графит мягок, легко расслаивается, непрозрачен, электропроводен и не похож на драгоценный камень. А между тем и алмаз, и графит — это чистый углерод. Различие свойств алмаза и графита связано только с различием кристаллических решеток.

При определенных условиях возможен переход вещества из одной кристаллической модификации в другую. Если нагреть графит под давлением, то произойдет перестройка кристаллической решетки, в результате чего графит превратится в алмаз. Так получают искусственные алмазы.

Виды кристаллов

Все кристаллические соединения можно разделить на моно- и поликристаллические. Монокристалл представляет собой монолит с единой ненарушенной кристаллической решеткой. Природные монокристаллы больших размеров встречаются очень редко. Большинство кристаллических тел являются поликристаллическими, то есть состоят из множества мелких кристалликов, иногда видных только при сильном увеличении.

3. Рост кристаллов.

Многие видные ученые, внесшие большой вклад в развитие химии, минералогии, других наук, начинали свои первые опыты именно с выращивания кристаллов. Помимо чисто внешних эффектов, эти опыты заставляют задумываться на тем, как устроены кристаллы и как они образуются, почему разные вещества дают кристаллы разной формы, а некоторые вовсе не образуют кристаллов, что надо сделать, чтобы кристаллы получились большими и красивыми.

Вот простая модель, поясняющая суть кристаллизации. Представим, что в большом зале укладывают паркет. Легче всего работать с плитками квадратной формы — как ни поверни такую плитку, она все равно подойдет к своему месту, и работа пойдет быстро. Именно поэтому легко кристаллизуются соединения, состоящие из атомов (металлы, благородные газы) или небольших симметричных молекул. Такие соединения, как правило, не образуют некристаллических (аморфных) веществ.

Труднее выложить паркет из прямоугольных дощечек, особенно если у них с боков имеются пазы и выступы — тогда каждую дощечку можно уложить на свое место одним единственным способом. Особенно трудно выложить паркетный узор из дощечек сложной формы.

Если паркетчик очень торопится, то плитки будут поступать к месту укладки слишком быстро. Понятно, что правильного узора теперь не получится: если хотя бы в одном месте плитку перекосит, то дальше все пойдет криво, появятся пустоты. Ничего хорошего не получится и в том случае, если в большом зале начнут укладывать паркет сразу десяток мастеров — каждый со своего места. Даже если они будут работать не спеша, крайне сомнительно, чтобы соседние участки оказались хорошо состыкованными, и в целом, вид у помещения получится весьма неприглядным: в разных местах плитки расположены в разном направлении, а между отдельными участками ровного паркета зияют дыры.

Примерно те же процессы происходят и при росте кристаллов, только сложность здесь еще и в том, что частички должны укладываться не в плоскости, а в объеме. Но ведь никакого "паркетчика" здесь нет — кто же укладывает частички вещества на свое место? Оказывается, они укладываются сами, потому что непрерывно совершают тепловые движения и "ищут" самое подходящее для себя место, где им будет наиболее "удобно".  В данном случае "удобство" подразумевает также и наиболее энергетически выгодное расположение. Попав на такое место на поверхности растущего кристалла, частица вещества может там остаться и через некоторое время оказаться уже внутри кристалла, под новыми наросшими слоями вещества. Но возможно и другое — частица вновь уйдет с поверхности в раствор и снова начнет "искать", где ей удобнее устроиться.

Каждое кристаллическое вещество имеет определенную свойственную ему внешнюю форму кристалла. Если кристалл с правильной формой специально испортить, например, отбить у него вершины, повредить ребра и грани, то при дальнейшем росте такой кристалл начнет самостоятельно "залечивать" свои повреждения. Чтобы убедиться в этом, был проведен такой опыт: из кристалла поваренной соли выточили шар, а потом поместили его в насыщенный раствор NaCl; через некоторое время шар сам постепенно превратился в куб!

4. Из истории выращивания кристаллов. Их применение.

Всю историю своего существования люди пытались обрести чудо, например, получить из свинца золото или превратить горный хрусталь в бриллианты. Этим занимались алхимики. Самым легендарным алхимиком считается француз Николя Фламель, которому приписывают получение философского камня, способного превратить свинец в золото. Впрочем, ученые не верят в то, что кому-либо в Средние века удалось получить настоящее золото или бриллианты, и считают, что это все сказки.

Как известно, настоящие природные драгоценные камни (кристаллы) - это твердые соли различных металлов, молекулы которых организованы в упорядоченную структуру, так называемую кристаллическую решетку. В природе кристаллы образовывались в течение миллионов лет, в глубине земной коры, при высоких температурах (до 2000 °С) и под колоссальным давлением сотни тысяч атмосфер. Мест, где складывались такие условия, крайне мало, чем и объясняется редкость драгоценных камней. Поэтому, ученые решили создать аналог природных минералов. Им в лабораторных условиях необходимо было воспроизвести природные явления, причем в ускоренном варианте. Однако получить столь высокие температуры и давление стало возможным лишь в начале прошлого века.

В 1902 году французскому инженеру Вернейлю после многочисленных неудачных попыток удалось синтезировать небольшой кристалл рубина весом 6 г. Фактически он стал самым первым искусственным драгоценным камнем, идентичным природному. Именно благодаря синтетическим рубинам стал возможен ряд открытий. Например, на основе рубина был изобретен лазер, позволивший точно измерить расстояние от Земли до Луны. Позже оказалось, что с помощью технологии синтеза рубинов возможно получать и другие ценные кристаллы - сапфиры и гранаты.

До сих пор в мире рубины, сапфиры и гранаты пользуются большим спросом. Сапфировые стекла, например, необходимы для производства иллюминаторов космических кораблей, головок самонаводящихся ракет, мобильных телефонов и часов. Большой популярностью пользуются и искусственно выращенные алмазы. Повышенная твердость алмазов определяет их использование в промышленности. Алмазы применяют на операциях резки, полирования, шлифования и сверления.

Так же в промышленности используют искусственные кристаллы кварца и кремния.

А в ювелирном деле первым научились использовать искусственный изумруд. Он ценится исключительно из-за своей редкости, а также небольших объемов производства. Не менее ценным для ювелиров стал гранат зеленого и розового цветов.

В 1968 году российские физики получили прозрачный кристалл, не имеющий природного близнеца, и назвали его фианитом в честь своего Физического института Академии наук (ФИАН), хотя первые опыты по синтезу подобных кристаллов осуществлялись еще в 20-х годах французскими химиками. Целью синтеза фианита было получение кристалла для применения в лазерах. Правда, превзойти гранат по своим "лазерным" свойствам фианит не смог, но его необычную красоту, многоцветность и дешевизну по достоинству оценили ювелиры. До 98% фианитов производится для их нужд. А для хирургии выпускается скальпель с фианитом. Установлено, что некоторые люди страдают аллергией на металл, а лезвие из фианита позволяет избежать аллергической реакции. Выращивать фианиты легко и приятно, а добавление тех или иных примесей позволяет создавать уникальные кристаллы не встречающихся в природе цветов, например лаванды, или добиваться необычных оптических эффектов, таких как смена цвета при изменении освещения – так называемый александритовый эффект.

Практически все виды кристаллов синтезируют и в России. В подмосковном Троицке выращивают алмазы, в Зеленограде - сапфиры, гранаты, рубины, под Нижним Новгородом - рубины, в Новосибирске – изумруды.

Кристаллы – это не только драгоценные камни: простая медная проволочка или алюминиевая вилка состоят из материала, имеющего кристаллическое строение. Сталь для машин, алюминиевые сплавы для ракет и самолетов, полупроводниковые приборы и многое другое содержат в основе кристаллы разного типа, с разными свойствами, но объединенные одним общим главным качеством: правильным расположением атомов и молекул в пространстве. Именно эта правильность и является наиболее замечательным свойством кристаллов, привлекающим к ним внимание и завораживающим всякого, кто впервые сталкивается с таким интересным объектом.

Из выше перечисленного видно, что выращивание искусственных кристаллов очень увлекательный и важный для современной жизни процесс. Многие ученые мира ищут все новые способы синтеза искусственных кристаллов.

5. Удивительно, но факт..

Пещера Naica из Чихуахуа, Мексика, это рабочая шахта, которая известна своими кристаллами. В пещере были найдены большие пустоты, содержащие кристаллы селенита (гипс). В этой пещере находятся наибольшие естественные кристаллы, когда-либо находимых: прозрачные гипсовые лучи длиной 11 метров и весящие до 55 тонн. Пещера с этими кристаллами известна как Пещера Кристаллов-Гигантов. Кристаллы образовались так, потому что они были погружены в богатую минералом воду с очень узким, устойчивым температурным диапазоном - приблизительно 58 градусов Цельсия.

В Харькове вырастили самый большой кристалл в мире. Работа над кристаллом, который весит 504,5 кг, длилась три года.

Подобные искусственные кристаллы используют в рентгеновской аппаратуре, на таможенных детекторах.

Пищевая соль – это кристаллы минерала галита. Галит осаждается на берегах теплых водоемов по мере испарения воды. Подземные месторождения каменной соли – это отложения древних водоемов.

Благодаря кристаллам алмаза появился наш город Мирный!

Глава 2. Результаты исследования.

2. 1. Способы выращивания кристаллов.

Кристаллизацию можно вести разными способами.

Один из них — охлаждение насыщенного горячего раствора. Делаем насыщенный раствор. Теперь будем охлаждать раствор.

При охлаждении раствора частички вещества (молекулы, ионы), которые уже не могут находиться в растворенном состоянии, слипаются друг с другом, образуя крошечные кристаллы-зародыши. Образованию зародышей способствуют примеси в растворе, например пыль, мельчайшие неровности на стенках сосуда (химики иногда специально трут стеклянной палочкой по внутренним стенкам стакана, чтобы помочь кристаллизации вещества). Если раствор охлаждать медленно, зародышей образуется немного, и, обрастая постепенно со всех сторон, они превращаются в красивые кристаллики правильной формы. При быстром же охлаждении образуется много зародышей.

Даже в очень чистом растворе вряд ли начнет расти один-единственный кристалл: масса кристалликов может образоваться на поверхности остывающего раствора, где температура немного ниже, чем в объеме, а также на стенках и дне сосуда.

Другой метод получения кристаллов — постепенное удаление воды из насыщенного раствора. "Лишнее" вещество при этом кристаллизуется. Чем медленнее испаряется вода, тем лучше получаются кристаллы.

Третий способ — выращивание кристаллов из расплавленных веществ при медленном охлаждении жидкости. При использовании всех способов наилучшие результаты получаются, если используется затравка — небольшой кристалл правильной формы, который помещают в раствор или расплав. Таким способом получают, например, кристаллы рубина. Выращивание кристаллов драгоценных камней проводят очень медленно, иногда годами. Если же ускорить кристаллизацию, то вместо одного кристалла получится масса мелких.

Кристаллы могут также расти при конденсации паров — так получаются снежинки и узоры на холодном стекле. .

2. 2. Методы исследования.

Для того чтобы провести свои опыты, мы с мамой отправились в магазин и купили два набора для выращивания кристаллов.

Из набора «День знаний» кристалл должен был получиться зеленого цвета, а из набора «Профессор Эйн» - прозрачный «бриллиант».

Еще мы купили порошок медного купороса, а соль у нас была дома.

Для того, чтобы наши опыты прошли успешно, мы искали информацию по проведению таких опытов в интернете и изучали статьи в книгах и энциклопедиях.

Также мы подготовили фотоаппарат для фиксации каждого шага.

2. 3 Результаты.

Итак, у нас всё готово, можно приступать!

Я выращивал кристаллы двумя способами:

1. Охлаждение насыщенного горячего раствора:

2. Постепенное испарение воды из насыщенного раствора:

Сначала я приготовил насыщенные растворы медного купороса, соли и двух химических растворов из наборов.

Чтобы приготовить насыщенный раствор соли и купороса я разводил кристаллы соли и порошка купороса в горячей воде – это был опыт по выращиванию кристаллов методом охлаждения насыщенного раствора. Насыщенный раствор соли был на вкус горьким!

Так как медный купорос является ядохимикатом, я предпринял меры безопасности при работе с ним: надел резиновые перчатки для защиты рук и маску для того, чтобы не вдыхать пары.

Для приготовления насыщенных химических растворов я следовал инструкциям, вложенным в наборы. Я отмерил мерным стаканчиком 40 мл воды, всыпал в сосуд порошок и вылил приготовленную воду для растворения, все тщательно перемешал до полного растворения химического состава. В наборе с зеленым кристаллом у меня все-таки остался осадок – вещество до конца не растворилось. Это опыты по выращиванию кристаллов при постепенном испарении воды из насыщенного раствора.

В насыщенные растворы соли и медного купороса я поместил затравку. Это кристалл вещества на ниточке для того, чтобы вещество начало кристаллизовываться. В растворе медного купороса я оставил ложку, которой размешивал, а к вечеру на ней появились кристаллики!

В химические растворы согласно инструкции нужно было положить камешки. Они входили в состав наборов.

Еще, помимо камешков, в каждый химический раствор я повесил затравку – ниточку.

Свои растворы я поставил на окошко, чтобы их никто не трогал, и стал ждать. А еще я накрыл химические растворы крышками – чтобы вода медленнее испарялась. Я прочитал, что чем медленнее испаряется вода, тем большим по размеру вырастает кристалл.

Через 3 дня у меня выросли вот такие кристаллы:

В растворе медного купороса вырос самый большой кристалл. А вот в солевом растворе только немного вещества кристаллизовалось на нитке. Зато края сосудов обросли кристаллами.

В химических растворах на камнях начали образовываться мелкие кристаллики:

А на ниточках – затравках кристаллы выросли красивые и правильные:

Мне не понравилось, что в солевом растворе кристаллы росли медленно. Я решил поставить раствор в холодильник. Ведь мой опыт называется выращивание кристаллов методом охлаждения насыщенного раствора.

Следующий раз я проверял как выросли мои кристаллы через 7 дней.

Сразу скажу, что меня порадовала соль, которая росла в холодильнике. Кристалл на затравке увеличился, а ниточка покрылась мелкими прозрачными кристалликами! Кристалл купороса увеличился в размерах.

Раствор купороса я тоже решил поставить в холодильник. Потому что мне очень понравилось, как стали расти кристаллики соли.

В химических растворах мелкие кристаллики стали видны отчетливее. Особенно в прозрачном растворе.

Кристаллы на затравках тоже увеличились. А прозрачный приобрел причудливую форму!

Кристаллы купороса в холодильнике сначала стали увеличиваться в размерах, а потом рост остановился. Я решил вытащить на день сосуд из холодильника, чтобы раствор согрелся, а потом опять поставить в холодильник. Но когда раствор согрелся, кристалл стал распадаться. Несколько кусочков даже отпало. Я расстроился, поспешил поставить раствор обратно в холодильник. Распад кристаллов прекратился, но новый рост не начался.

Рост соли в холодильнике на 15 день эксперимента меня порадовал: прозрачные кристаллики усыпали всю ниточку. А те, что были, увеличились.

В прозрачном химическом растворе на затравке выросло целое «дерево»! На стенке сосуда появился красивый узор, а на дне кристаллики увеличились.

В зеленом растворе на затравке выросли поликристаллы. В сосуде с камешками раствор испарился. На этом эксперимент по выращиванию зеленых кристаллов у меня завершён. Также в растворе у меня вырос один монокристалл.

На 19 день эксперимента по выращиванию кристаллов в прозрачном растворе вся жидкость в нём испарилась. Считаю эксперимент законченным. Вот такой у меня получился результат: кристаллы получились очень красивыми, как маленькие деревья, покрытые инеем!

Через 21 день я решил завершить эксперименты по выращиванию кристаллов соли и купороса. Прогресс в росте кристаллов стал незаметен. А для того, чтобы кристаллы не разрушались, я высушил их и покрыл бесцветным лаком.

На поверхности солевого раствора образовался плавающий кристалл. Но он распался, когда я взял его в руки.

Очень красивыми стали сосуды, в которых я выращивал кристаллы соли и медного купороса.

Любой желающий может вырастить кристаллы дома, как это сделал я.

Я сделал промежуточный вывод: выращивание кристаллов очень увлекательный и интересный процесс. В этом процессе я познакомился со строением кристаллов и их удивительными разнообразными свойствами.

Выводы:

1. Я узнал, что такое кристаллы — это твёрдые вещества, имеющие естественную внешнюю форму правильных симметричных многогранников. Их главное свойство – закономерное положение атомов в кристаллической решётке.

2. Я узнал, что кристаллы окружают нас повсюду.

3. В природе кристаллы растут тысячи лет, а ученые изобрели быстрые способы выращивания искусственных кристаллов.

4. Я вырастил 4 кристалла в домашних условиях двумя разными способами и узнал, что выращивание искусственных кристаллов – очень увлекательный и важный для современной жизни процесс.

Таким образом, я опроверг выдвинутую гипотезу: кристаллы – не только драгоценные камни, но и удивительные вещества, которые окружают нас повсюду. Благодаря их разнообразным свойствам мы встречаем кристаллы и в простой вилке, и в кольце на руке мамы, и в папиных часах, и в экранах телевизоров и мониторов, и даже в космической ракете!