Цели урока:
- Образовательные – углубить знания по физике твердого тела, сформировать понятие «кристаллическое тело», рассмотреть свойства кристаллов, закономерности образования и строения кристаллических твердых тел, применение кристаллов в науке и технике, вызвать интерес к урокам физики, познакомив ребят с удивительным миром кристаллов;
- Развивающие – расширить политехнический кругозор учащихся, удовлетворить интерес к устройству окружающих их предметов, развивать логическое мышление, познавательные способности учеников, умение самостоятельно получать знания и пользоваться ими;
- Воспитательные – воспитывать стремление к знаниям, интерес к предмету, любовь к природе.
Оборудование:
- компьютер;
- мультимедийный проектор для показа презентации;
- экран;
- коллекция минералов и горных пород, металлов и сплавов;
- пробирка с песком.
План урока:
- основная часть - изучение нового материала, сопровождающееся показом презентации, выступления учащихся;
- кратковременная лабораторная работа;
- закрепление материала;
- подведение итогов урока.
Ход урока
1. Изучение нового материала.
Вступительное слово учителя (сопровождается показом презентации, см. Приложение 1)
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)
Сегодня мы с вами познакомимся с удивительным миром кристаллов, рассмотрим закономерности образования и строения кристаллических твердых тел и их основные физические свойства, способы выращивания кристаллов, применение кристаллов в науке и технике.
Ребята, а какие ассоциации возникают у вас при слове «кристалл»? (Слайд 3)
Окружающее нас на Земле вещество находится в одном из самых удивительных состояний – в высокоупорядоченной кристаллической фазе. Почти все вокруг, по крайней мере в неживой природе, и почти все, что мы умеем производить и изготовлять сами, имеет кристаллическую форму. При этом замечательное многообразие типов кристаллов и их свойств не только вызывает изумление, но и позволяет говорить о прямом влиянии кристаллов на всю историю человечества и ее культуру.
Подавляющее большинство используемых в современной технике материалов имеет кристаллическое строение. Исключение составляет, пожалуй, только широко известное и используемое стекло – аморфный материал. Поэтому, говоря о кристаллах и имея в виду только крупные, красивые, большей частью прозрачные образования, найденные в природе или изготовленные искусственным образом, мы делаем ошибку. 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.
Слово «кристалл» звучит почти одинаково во всех европейских языках. Интересно происхождения слова «кристалл». (Слайды 4, 5, 6)
Сообщение 1-го ученика.
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. Первоначально главную особенность кристалла видели в его прозрачности, и это слово употребляли в применении ко всем прозрачным природным твердым телам. Позднее стали изготавливать стекло, не уступавшее в блеске и прозрачности природным веществам. Предметы из такого стекла тоже называли «кристальными». Еще и сегодня стекло особой прозрачности называется хрустальным, «магический» шар гадалок – хрустальным шаром.
Один из самых авторитетных античных философов Аристотель писал, что «кристаллос рождается из воды, когда она полностью утрачивает теплоту». Римский поэт Клавдиан в 390 то же самое описал стихами:
Ярой альпийской зимой лед превращается в камень.
Солнце не в силах затем камень такой растопить.
Аналогичный вывод сделали в древности в Китае и Японии – лед и горный хрусталь обозначали там одним и тем же словом. И даже в 19 в. поэты нередко соединяли воедино эти образы:
Едва прозрачный лед, над озером тускнея,
Кристаллом покрывал недвижные струи. (А.С. Пушкин. К Овидию)
Учитель: 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. Если рассмотреть с помощью лупы или микроскопа крупинки соли, то можно заметить, что они ограничены плоскими гранями. Наличие таких граней – признак нахождения в кристаллическом состоянии. (Слайд 7, 8)
Каждый, кто побывал в музее минералогии или на выставке минералов, 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.
Существует даже специальная наука – кристаллография. Она началась с осознания того факта, что независимо от своего происхождения кристаллы одного сорта имеют одинаковые внешние формы и внутреннее строение. В 1669 году Н. Стенон открыл закон постоянства углов между гранями кристалла. Именно отсюда ведет свое начало научная кристаллография. Основы физической кристаллографии были заложены нашим соотечественником М. В. Ломоносовым, догадки которого тем более удивительны, что в годы его жизни не существовало сколько-нибудь правильных представлений о природе атомов и молекул. Настоящий расцвет кристаллографии начался в первые годы XX века. Это связано с использованием рентгеновских лучей, открытых незадолго до этого в 1895 году. После этого экспериментальные исследования кристаллов двинулись вперед очень быстро, и этот марш продолжается до сих пор.
Сообщение 2-го ученика.
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.
Конечно, приключения каждого из кристаллов-героев заслуживает специального рассказа, как это сделал, например, английский писатель У. Коллинз, изложив в романе «Лунный камень» весьма увлекательную, но абсолютно вымышленную историю крупного алмаза.
Крупные алмазные камни встречаются в природе крайне редко. Их находка становится событием, им присваиваются даже собственные имена, в мире они все наперечет.
А вот другой пример, на этот раз совершенно правдивый. В Алмазном фонде России хранится алмаз, имеющий собственное имя «Шах». Бриллиант под названием «Шах» весом 88,7 каратов не огранен, а просто отполирован, абсолютно прозрачный и имеет небольшой желтоватый оттенок. 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. Алмазный фонд России пополнился недавно роскошным экспонатом. Из Восточной Сибири в Москву доставили алмаз весом почти в 300 карат - третий по величине из всех российских. Алмаз, добытый на якутских россыпных месторождениях, получил имя «Творец». (Слайд 9, 10, 11)
Многие другие кристаллы, найденные давно или в наши дни, имеют свою историю, но те тайны, которые открываются исследователю при изучении свойств кристаллов, и те возможности, которые получает инженер, умеющий использовать кристаллы в своих целях, намного интереснее и богаче детективной истории любого самого знаменитого драгоценного камня.
Учитель: Особое место среди кристаллов занимают драгоценные камни, которые с древнейших времен привлекают внимание человека. Алмаз! С этим слово ассоциируется представление о несравненном блеске и непревзойденной твердости. Со вторым свойством связано название минерала, которое происходит или от арабского слова ал-мас – твердейший, или от греческого адамантос – несокрушимый. Алмазы издавна использовались в качестве самых изысканных украшений, служили валютой. К сожалению, в природе кристаллы большинства веществ без трещин, загрязнений и других дефектов встречаются редко. Это привело к тому, что люди многие кристаллы на протяжении тысячелетий называют драгоценными камнями. Алмаз, рубин, сапфир, аметист и другие драгоценные камни долгое время ценились людьми очень высоко в основном не за особые механические или другие физические свойства, а лишь из-за своей редкости.
Люди научились получать искусственно очень многие драгоценные камни. Например, подшипники для часов и других точных приборов уже давно делают из искусственных рубинов. Получают искусственно и прекрасные кристаллы, которые в природе вообще не существуют. Например, фианиты – их название происходит от сокращения ФИАН – Физический институт Академии наук, где они впервые были получены. Фианиты – кристаллы кубического оксида циркония ZrO2, которые внешне очень похожи на бриллианты.
Учитель: Давайте рассмотрим более подробно строение кристаллов.
В зависимости от строения, кристаллы делятся на ионные, ковалентные, молекулярные и металлические. (Слайд 12,13, 14)
Ионные кристаллы построены из чередующихся катионов и анионов, которые удерживаются в определенном порядке силами электростатического притяжения и отталкивания. Электростатические силы ненаправленные: каждый ион может удержать вокруг себя столько ионов противоположного знака, сколько помещается. Но при этом силы притяжения и отталкивания должны быть уравновешены и должна сохраняться общая электронейтральность кристалла. Все это с учетом размеров ионов приводит к различным кристаллическим структурам. Так, при взаимодействии ионов Na+ (их радиус 0,1 нм) и Cl– (радиус 0,18 нм) возникает октаэдрическая координация: каждый ион удерживает около себя шесть ионов противоположного знака, расположенных по вершинам октаэдра. При этом все катионы и анионы образуют простейшую кубическую кристаллическую решетку, в которой вершины куба попеременно заняты ионами Na+ и Cl–. Аналогично устроены кристаллы KCl, BaO, CaO, AgBr и ряда других веществ.
В ковалентных кристаллах (их еще называют атомными) в узлах кристаллической решетки находятся атомы, одинаковые или разные, которые связаны ковалентными связями. Эти связи прочные и направлены под определенными углами. Типичным примером является алмаз; в его кристалле каждый атом углерода связан с четырьмя другими атомами, находящимися в вершинах тетраэдра. Ковалентные кристаллы образуют бор, кремний, германий, мышьяк, ZnS, SiO2, ReO3, TiO2. Ковалентные кристаллы, как правило, твердые и тугоплавкие.
Молекулярные кристаллы построены из изолированных молекул, между которыми действуют сравнительно слабые силы притяжения. В результате такие кристаллы имеют намного меньшие температуры плавления и кипения, твердость их низка. Так, кристаллы благородных газов (они построены из изолированных атомов) плавятся уже при очень низких температурах. Из неорганических соединений молекулярные кристаллы образуют многие неметаллы (благородные газы, водород, азот, белый фосфор, кислород, сера, галогены), соединения, молекулы которых образованы только ковалентными связями (H2О, HCl, NH3, CO2 и др.). Этот тип кристаллов характерен также почти для всех органических соединений. Прочность этих кристаллов не велика. Прочность молекулярных кристаллов зависит от размеров и сложности молекул.
Металлические кристаллы образуют чистые металлы и их сплавы. Такие кристаллы можно увидеть на изломе металлов, а также на поверхности оцинкованной жести. Кристаллическая решетка металлов образована катионами, которые связаны подвижными электронами. Такое строение обусловливает электропроводность, ковкость, высокую отражательную способность (блеск) кристаллов. Структура металлических кристаллов образуется в результате разной упаковки атомов-шаров. Щелочные металлы, хром, молибден, вольфрам и др. образуют объемноцентрированную кубическую решетку; медь, серебро, золото, алюминий, никель и др. – гранецентрированную кубическую решетку (в ней помимо 8 атомов в вершинах куба имеются еще 6, расположенные в центре граней); бериллий, магний, кальций, цинк и др. – так называемую гексагональную плотную решетку (в ней 12 атомов расположены в вершинах прямоугольной шестигранной призмы, 2 атома – в центре двух оснований призмы и еще 3 атома – в вершинах треугольника в центре призмы).
Очень многие тела одинакового химического состава в кристаллическом состоянии в зависимости от условий могут существовать в двух или более разновидностях. Это свойство называется полиморфизмом. У льда известно десять модификаций. Полиморфизм углерода – графит и алмаз.
Химическая формула алмаза – С. Алмаз, графит и фуллерен – это две аллотропные модификации углерода. Особая твердость алмаза обусловлена тем, что в его кристаллической решетке каждый атом углерода связан ковалентными связями с четырьмя другими атомами, размещенными вокруг него на одинаковых расстояниях. Эти связи по всем направлениям одинаково прочные. В графите же атомы располагаются слоями, и расстояние между атомами, расположенными в разных слоях, гораздо больше, чем между атомами в одном слое. Строению фуллерена соответствует чередование пяти- и шестилучевых центров, из-за этого он похож на футбольный мяч.
(Слайд 15)
Все кристаллические соединения можно разделить на моно- и поликристаллические. Монокристалл представляет собой монолит с единой ненарушенной кристаллической решеткой. Таковы кристаллы минералов, например громадные (до сотен кг) кристаллы кварца (горного хрусталя), флюорита, кальцита, полевого шпата или относительно мелкие кристаллы берилла, алмаза и др. Природные монокристаллы больших размеров встречаются очень редко. Большинство кристаллических тел являются поликристаллическими, то есть состоят из множества мелких кристалликов (кристаллитов), иногда видных только при сильном увеличении, например многие горные породы, технические металлы и сплавы. Существенным свойством монокристалла является анизотропия – неодинаковость физических свойств вещества (электрические, механические и т. д.) по различным направлениям. Поликристаллические вещества изотропны, то есть обнаруживают одинаковые свойства по всем направлениям. Объясняется это тем, что кристаллы, из которых состоит поликристаллическое тело, ориентированны друг по отношению к другу хаотически. В результате ни одно из направлений не отличается от других.
(Слайд 16,17)
2. Кратковременная лабораторная работа «Изучение образцов твердых тел».
(Слайд 18)
Приборы и материалы:
- лупа;
- коллекция минералов и горных пород, металлов и сплавов;
- пробирка с песком.
Ход работы:
- Осмотрите внешний вид минералов, горных пород, металлов и сплавов. Обратите внимание на их форму, цвет и блеск.
- С помощью лупы рассмотрите структуру образцов горных пород (гранита, песчаника, известняка, мрамора и др.), металлов, песчинок.
- Результаты наблюдений запишите в тетрадь.
- Далее можно рассмотреть различные кристаллы на слайдах
презентации. (Слайд 19-29)
Сообщение 3-го ученика.
Выращивание 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.
Каждое кристаллическое вещество имеет определенную свойственную ему внешнюю форму кристалла. (Слайд 30)
Например, для хлорида натрия эта форма – куб, для алюмокалиевых квасцов – октаэдр. И даже если сначала такой кристалл имел неправильную форму, он все равно рано или поздно превратится в куб или октаэдр. Более того, 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. Происходит это потому, что «правильные» грани кристалла растут быстрее, «неправильные» – медленнее. 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!
Кристаллизацию можно вести разными способами. (Слайд 31)
Один из них – охлаждение насыщенного горячего раствора. При каждой температуре в данном количестве растворителя (например, в воде) может раствориться не более определенного количества вещества. Например, в 100 г воды при 90° С может раствориться 200 г алюмокалиевых квасцов. Такой раствор называется насыщенным. Будем теперь охлаждать раствор. С понижением температуры растворимость большинства веществ уменьшается. Так, при 80° С в 100 г воды можно растворить уже не более 130 г квасцов. Куда же денутся остальные 70 г? Если охлаждение вести быстро, избыток вещество просто выпадет в осадок. Если этот осадок высушить и рассмотреть в сильную лупу, то можно увидеть множество мелких кристалликов, причем частички из раствора будут «сыпаться» на поверхность растущих кристалликов, как горох из порванного мешка; конечно, правильных кристаллов при этом не получится, потому что находящиеся в растворе частицы могут просто не успеть «устроиться» на поверхности кристалла на положенное им место. Посторонние твердые примеси в растворе также могут играть роль центров кристаллизации, поэтому, чем чище раствор, тем больше шансов, что центров кристаллизации будет немного.
Если раствор охлаждать медленно, зародышей образуется немного, и, обрастая постепенно со всех сторон, они превращаются в красивые кристаллики правильной формы.
Охладив насыщенный при 90° С раствор квасцов до комнатной температуры, мы получим в осадке уже 190 г, потому что при 20° С в 100 г воды растворяется только 10 г квасцов. Получится ли при этом один большой кристалл правильной формы массой 190 г? К сожалению, нет: 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.
Метод выращивания кристаллов путем постепенного охлаждения насыщенного раствора неприменим к веществам, растворимость которых мало зависит от температуры. К таким веществам относятся, например, хлориды натрия и алюминия, ацетат кальция.
Другой метод получения кристаллов – постепенное удаление воды из насыщенного раствора. «Лишнее» вещество при этом кристаллизуется. И в этом случае, 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.
Учитель: Применение кристаллов (Слайд 32, 33) основано на свойствах или сочетании свойств многих из них, например высокой твердости и прозрачности (алмаз), а также на способности откликаться на внешние воздействия, в частности преобразовывать одно физическое поле в другое. Кристаллы широко применяются в науке и технике. Пьезо- (кварц и др.) и сегнетоэлектрические кристаллы (напр., BiTiO3) применяют в радиотехнике. Кристаллы с полупроводниковыми свойствами (Si, Ge и др.) - в электронике. Исключительное значение имеют ионные кристаллы для лазерной техники - рубин, иттрий-алюминиевый гранат и другие, полупроводниковые лазерные кристаллы. Кристаллы галогенидов щелочных металлов, сапфира используют как оптические материалы. В технике управления световыми пучками используют кристаллы, обладающие электрооптическими свойствами. Для удвоения частоты лазерного излучения применяют оптический кристалл (КН2PO4 и др.), для измерения слабых изменений температуры - пироэлектрические кристаллы, для осуществления и измерения малых механических и акустических воздействий - кристаллы пьезоэлектриков, пьезомагнетиков, пьезорезисторов. Высокие механические свойства сверхтвердых кристаллов (алмаз) используют при обработке материалов и в бурении. Кристаллы корунда Аl2О3 применяют в оптических лазерах, в ювелирном деле.
Рентгеноструктурные исследования кристаллов позволили установить строение многих молекул, в том числе и биологически активных – белков, нуклеиновых кислот.
3. Закрепление изученного.
Учитель. (Слайд 34)
- Как называется наука, которая изучает свойства кристаллов?
- Что такое кристалл?
- В чем отличие моно- и поликристаллов?
- Сформулируйте определения анизотропии и изотропии.
- Какие кристаллы анизотропны, а какие – изотропны?
- Назовите виды кристаллических решеток углерода.
- Какие вам запомнились способы выращивания кристаллов?
- Где и как применяются кристаллы.
4. Подведение итогов урока.
(Слайд 35, см. Приложение 1)
Сегодня на уроке мы с вами многое узнали о строении и роли кристаллов в современной нам цивилизации, об их применении в науке и технике. Мы узнали, что приборы, в которых главной частью является тот или иной кристалл, проникли повсюду – 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.