Строение и свойства кристаллов

Кристаллы одни из самых красивых и загадочных творений природы. Трудно сейчас назвать тот далекий год на заре развития человечества, когда внимательный взгляд одного из наших предков выделил среди земных пород небольшие блестящие камни, похожие на сложные геометрические фигуры, которые вскоре стали служить драгоценными украшениями.

Пройдет несколько тысячелетий, и люди осознают, что вместе с красотой природных самоцветов в их жизнь вошли кристаллы

Кристаллы встречаются нам повсюду. Мы ходим по кристаллам, строим из кристаллов, обрабатываем кристаллы, выращиваем кристаллы в лаборатории, создаем приборы, широко применяем кристаллы в науке и технике, лечимся кристаллами, находим их в живых организмах, проникаем в тайны строения кристаллов.

Кристаллы, залегающие в земле бесконечно разнообразны. Размеры природных многогранников достигают подчас человеческого роста и более. Встречаются кристаллы-лепестки тоньше бумаги и кристаллы пласты в несколько метров толщиной. Бывают кристаллы маленькие, узкие, острые, как иголки, и бывают громадные, как колонны. В некоторых местностях Испании такие кристаллические колонны ставят для ворот. В музее Горного института С. Петербурга хранится кристалл горного хрусталя (кварца) высотой более метра и весом больше тонны. Многие кристаллы идеально чисты и прозрачны как вода

Кристаллы льда и снега

Кристаллы замерзающей воды, то есть лёд и снег, известны всем. Эти кристаллы почти полгода покрывают необозримые пространства Земли, лежат на вершинах гор и сползают с них ледниками, плавают айсбергами в океанах. Ледяной покров реки, массив ледника или айсберга – это, конечно, не один большой кристалл. Плотная масса льда обычно поликристаллическая, то есть состоит из множества отдельных кристаллов; их не всегда различишь, потому, что они мелкие и все срослись вместе. Иногда эти кристаллы можно различить в тающем льду. Каждый отдельный кристаллик льда, каждая снежинка, хрупка и мала. Часто говорят, что снег падает, как пух. Но даже это сравнение, можно сказать, слишком «тяжело»: снежинка легче, чем пушинка. Десяток тысяч снежинок составляют вес одной копейки. Но, соединяясь в огромных количествах вместе, снежные кристаллы могут остановить поезд, образовывая снежные завалы.

Кристаллики льда могут в несколько минут погубить самолет. Обледенение - страшный враг самолетов – тоже результат роста кристаллов.

Здесь мы имеем дело с ростом кристаллов из переохлажденных паров. В верхних слоях атмосферы, водяные пары или капли воды, могут долго храниться в переохлажденном состоянии. Переохлаждение в облаках доходит до -30. Но как только в эти переохлажденные облака врывается летящий самолет, тот час, же начинается бурная кристаллизация. Мгновенно самолет оказывается облепленным грудой, быстро растущих кристаллов.

Драгоценные камни

С самых ранних времен человеческой культуры люди ценили красоту драгоценных камней. Алмаз, рубин, сапфир и изумруд – самые дорогие и излюбленные камни. За ними следует александрит, топаз, горный хрусталь, аметист, гранит, аквамарин, хризолит. Высоко ценятся небесно – голубая бирюза, нежный жемчуг и переливчатый опал.

Драгоценным камням издавна приписывали целебные и разные сверхъестественные свойства, связывали с ними многочисленные легенды.

Драгоценные камни служили мерой богатств князей и императоров.

В музеях Московского Кремля можно любоваться богатой коллекцией драгоценных камней, некогда принадлежащих царской семье и небольшой кучке богачей. Известно, что шляпа князя Потемкина – Таврического так была усеяна бриллиантами и из-за этого так тяжела, что владелец не мог носить ее на голове, адъютант нес шляпу в руках за князем.

В числе сокровищ алмазного фонда России хранится один из величайших и красивейших в мире алмазов «Шах».

Алмаз был прислан персидским шахом русскому царю НиколаюI в качестве выкупа за убийство русского посла Александра Сергеевича Грибоедова, автора комедии «Горе от ума».

Наша родина богата самоцветами, чем – либо другая страна мира.

Кристаллы во Вселенной

Нет ни одного места на Земле, где не было бы кристаллов. На других планетах, на далеких звездах все время непрерывно возникают, растут и разрушаются кристаллы.

В космических пришельцах – метеоритах встречаются кристаллы, известные на Земле, и на Земле не встречающиеся. В громадном метеорите, упавшем в феврале 1947 года на Дальнем Востоке, найдены кристаллы никелистого железа длиной в несколько сантиметров, между тем как в земных условиях природные кристаллы этого минерала столь малы, что разглядеть их можно только в микроскоп.

2. Строение и свойства кристаллов

2. 1 Что такое кристаллы, формы кристаллов

Кристаллы образуются при довольно низкой температуре, когда тепловое движение настолько замедленно, что не разрушает определенной структуры. Характерной особенностью твердого состояния вещества является постоянство его формы. Это значит что, составляющие его частицы (атомы, ионы, молекулы) жестко связаны между собой и их тепловое движение происходит как колебание около неподвижных точек, определяющих равновесное расстояние между частицами. Относительное положение точек равновесия во всем веществе должно обеспечивать минимум энергии всей системы, что реализуется при их определенном упорядоченном расположении в пространстве, то есть в кристалле.

Кристаллом, по определению Г. В Вульфа, называется тело, ограниченное в силу своих внутренних свойств плоскими поверхностями – гранями.

В зависимости от относительных размеров частиц, образующих кристалл, и типа химической связи между ними кристаллы имеют различную форму, определенную способом соединения частиц.

В соответствии с геометрической формой кристаллов существуют следующие кристаллические системы:

1. кубическая (многие металлы, алмаз, NaCl, KCl).

2. Гексагональная (H2O, SiO2, NaNO3),

3. Тетрагональное (S).

4. Ромбическая (S, KNO3, K2SO4).

5. Моноклинная (S, KClO3, Na2SO4*10H2O).

6. Триклинная (K2C2O7, CuSO4*5 H2O).

2. 2 Физические свойства кристаллов

Для кристалла данного класса можно указать симметрию его свойств. Так кубические кристаллы изотропны в отношении прохождения света, электро и теплопроводности, теплого расширения, но они анизотропные в отношении упругих, электрических свойств. Наиболее анизотропные кристаллы низких сингоний.

Все свойства кристаллов связаны между собой и обусловлены атомно – кристаллической структурой, силами связи между атомами и энергетическим спектров электронов. Некоторые свойства, например: электрические, магнитные и оптические существенно зависят от распределения электронов по уровням энергии. Многие свойства кристаллов решающим образом зависят не только от симметрии , но и от количества дефектов (прочность, пластичность, окраска и другие свойства).

Изотропия (от греческого isos-равный, одинаковый и tropos-поворот, направление) независимость свойств среды от направления.

Анизотропия (от греческого anisos-неравный и tropos-направление) зависимость свойств вещества от направления.

Кристаллы заселены множеством различных дефектов. Дефекты как бы оживляют кристалл. Благодаря наличию дефектов, кристалл обнаруживает «память» о событиях, участником которых он стал ил когда был, дефекты помогают кристаллу «приспосабливаться» к окружающей среде. Дефекты качественно меняют свойства кристаллов. Даже очень малых количествах, дефекты сильно влияют на те физические свойства, которые совсем или почти отсутствуют в идеальном кристалле, являясь, как правило, «энергетически выгодными», дефекты создают вокруг себя области повышенной физико-химической активности.

3. Выращивание кристаллов

Выращивание кристаллов увлекательное занятие и, пожалуй, самое простое, доступное и недорогое для начинающих химиков, максимально безопасно с точки зрения ТБ. Тщательная подготовка к выполнению оттачивает навыки в умении аккуратно обращаться с веществами и правильно организовывать план своей работы.

Рост кристаллов можно разделить на две группы.

3. 1 Естественное образование кристаллов в природе

Образование кристаллов в природе (естественный рост кристаллов).

Более 95% всех горных пород, из которых сложена земная кора, образовались при кристаллизации магмы. Магма представляет собой смесь многих веществ. У всех этих веществ разные температуры кристаллизации. Поэтому при отстывании магма разделяется на части: первым в магме возникают и начинают расти кристаллы того вещества, у которого температура кристаллизации самая высокая.

Кристаллы образуются и в соляных озерах. Летом вода озер быстро испаряется и из нее начинают выпадать кристаллы солей. Одно лишь озеро Баскунчак в Астраханской степи могло бы обеспечит солью многие государства на 400 лет.

Некоторые животные организмы представляют собой «фабрики» кристаллов. Кораллы образуют целые острова, сложенные из микроскопических кристаллов углекислой извести.

Драгоценный камень жемчуг тоже построен из кристаллов, которые вырабатывает моллюск жемчужница.

Желчные камни в печени, камни в почках и мочевом пузыре, вызывающие серьезные болезни человека, представляют собой кристаллы.

3. 2 Искусственное выращивание кристаллов

Искусственный рост кристаллов (выращивание кристаллов в лабораториях, заводах).

Выращивание кристаллов – это физико-химический процесс.

Растворимость веществ в разных растворителях можно отнести к физическим явлениям, так как происходит разрушение кристаллической решетки, теплота при этом поглощается (экзотермический процесс).

Происходит и химический процесс – гидролиз (реакция солей с водой).

При выборе вещества важно учитывать следующие факты:

1. Вещество не должно быть токсичным

2. Вещество должно быть стабильным и достаточно химически чистым

3. Способность вещества растворяться в доступном растворителе

4. Образующиеся кристаллы должны быть стабильны

Существует несколько методик выращивания кристаллов.

1. Приготовление пересыщенных растворов с дальнейшей кристаллизацией в открытом сосуде ( самая распространенная методика) или закрытом. Закрытый – промышленный метод, для его осуществления используется огромный стеклянный сосуд с термостатом, имитирующим водяную баню. В сосуде находится раствор с готовой затравкой, и каждые 2 дня температура понижается на 0,1С, этот способ позволяет получать технологически правильные и чистые монокрсталлы. Но это требует высоких затрат электроэнергии и дорогое оборудование.

2. Испарение насыщенного раствора открытым способом, когда постепенное испарение растворитель, например, из неплотно закрытого сосуда с раствором соли, может само собой породит кристаллы. Закрытый способ подразумевает выдерживание насыщенного раствора в эксикаторе над сильным осушителем ( оксид фосфора (V) или концентрированная серная кислота).

II. Практическая часть.

1. Выращивание кристаллов из насыщенных растворов

Основой выращивания кристаллов является насыщенный раствор.

Приборы и материалы: стакан на 500мл, фильтровальная бумага, кипяченая вода, ложка, воронка, соли CuSO4 * 5H2O, K2CrO4 (хромат калия), K2Cr2O4 (дихромат калия), алюминокалиевые квасцы, NiSO4( сульфат никеля), NaCl( хлорид натрия), C12H22O11( сахар).

Для приготовления раствора соли берем чистый, хорошо вымытый стакан на 500мл. наливаем в него горячую (t=50-60C) кипяченую воду 300мл. в стакан засыпаем вещество небольшими порциями, перемешиваем, добиваясь полного растворения. Когда раствор «насытится», то есть вещество будет оставаться на дне, добавить еще вещества и оставить раствор при комнатной температуре на сутки. Чтобы в раствор не попала пыль накрываем стакан фильтровальной бумагой. Раствор должен получиться прозрачным, на дне стакана выпасть избыток вещества в виде кристаллов.

Готовый раствор слить с осадка кристаллов и поместить в термостойкую колбу. Туда же поместить немного химически чистого вещества ( выпавшие кристаллы). Нагреваем колбу на водяной бане до полного растворения. Полученный раствор еще греем 5 минут при t=60-70С, переливаем в чистый стакан, обворачиваем полотенцем, оставляем остывать. Через сутки на дне стакана образуются небольшие кристаллы.

2. Создание презентации «Кристаллы»

Полученные кристаллы фотографируем, используя возможности интернета готовим презентацию и коллекцию «Кристаллы».

Изготовление картины с использованием кристаллов

Кристаллы всегда славились своей красотой, потому их используют в качестве украшений. Ими украшают одежду, посуду, оружие. Кристаллы можно использовать для создания картин. Мною нарисован пейзаж «Закат». В качестве материала для изготовления пейзажа использованы выращенные кристаллы.

Заключение

В данной работе была рассказана лишь малая часть того, что известно о кристаллах в настоящее время, однако и эта информация показала, насколько неординарны и загадочны кристаллы по своей сущности.

В облаках, на вершинах гор, в песчаных пустынях, морях и океанах, в научных лабораториях, к клетках растений, в живых и мертвых организмах – везде встретим мы кристаллы.

Но может кристаллизация вещества совершается только на нашей планете? Нет, мы знаем теперь, что на других планетах и далеких звездах все время непрерывно возникают, растут разрушаются кристаллы. Метеориты, космические посланцы, тоже состоят из кристаллов, причем иногда в их состав входят кристаллические вещества, на Земле не встречающиеся.

Кристаллы везде. Люди привыкли использовать кристаллы, делать из них украшения, любоваться ими. Теперь, когда изучены методы искусственного выращивания кристаллов, область их применения расширилась, и, возможно, будущее новейших технологий принадлежит кристаллам и кристаллическим агрегатам.