Цель: систематизация и обобщение знаний, развитие самостоятельности, умения проводить эксперимент, работать с первоисточниками.
Задачи
Образовательные:
- расширение кругозора учащихся;
- развитие познавательных способностей
Развивающие:
- развитие интереса физики, технике ;
- развитие навыков самостоятельной работы с дополнительной литературой и интернетом;
- находить и отбирать требуемую информацию, анализировать полученные результаты, приводить их в систему.
Воспитательные: воспитание нравственных качеств.
Основное содержание
В реализация пректно-исседовательской деятельности можно выделить несколько этапов.
Пример темы исследовательского проекта: «Выращивание кристаллов»
1 ЭТАП (1 уровень): Введение.
2 ЭТАП (2 уровень): Внутренний мир кристаллов.
2.1 Геометрия кристаллов.
2.2 Строение кристаллов.
3 ЭТАП (3 уровень): Выращивание кристаллов.
3.1 Кристаллизация из расплава.
3.2 Кристаллизация из раствора.
3.3 Экспериментальная проверка некоторых способов выращивания кристаллов.
4 ЭТАП(4уровень) Применение.
5 ЭТАП (5уровень) Заключение.
1. Введение.
Кристаллы – это красивые, редко встречающиеся камни. Они бывают разных цветов, обычно прозрачные и, что самое замечательное, обладают красивой правильной формой. Чаще всего кристаллы представляют собой многогранники, стороны (грани) их идеально плоские, рёбра строго прямые. Они радуют глаз чудесной игрой света в гранях, удивительной правильностью строения. Есть среди них скромные кристаллы каменной соли – природного хлористого натрия, то есть обычной поваренной соли. Они встречаются в природе в виде прямоугольных параллелепипедов или кубиков. Простая форма и у кристаллов кальцита – прозрачных косоугольных параллелепипедов. Куда сложнее кристаллы кварца. У каждого кристаллика множество граней разной формы, пересекающихся по рёбрам разной длины.
Кристаллы бесконечно разнообразны. Размеры природных многогранников достигают подчас человеческого роста и более. Встречаются кристаллы – лепестки, тоньше тетрадного листа бумаги и кристаллы – пласты в несколько метров толщиной. Бывают кристаллы маленькие, узкие и острые, как иголка, и бывают громадные, как колонны. Многие кристаллы идеально чисты и прозрачны как вода. Недаром говорят: «прозрачный, как кристалл», «кристально чистый».
Кристаллы бывают не только природными, но также и искусственные выращиваемые человеком. Зачем же создают ещё и искусственные кристаллы, если и так почти все твёрдые тела вокруг нас имеют кристаллическое строение? При искусственном выращивании можно получить кристалл крупнее и чище, чем в природе. Есть и такие кристаллы, которые в природе редки и ценятся дорого, а в технике очень нужны. Поэтому разработаны лабораторные и заводские методы выращивания кристаллов алмаза, кварца, сапфира и др. В лабораториях выращивают большие кристаллы, необходимые для техники и науки, драгоценные камни, кристаллические материалы для точных приборов. Там создают и те кристаллы, которые изучают кристаллографы, физики, химики, металловеды, минерологи, открывая в них новые замечательные явления и свойства.
Целью моей работы является изучение строения кристаллов, способов получения искусственных кристаллов, применение кристаллов на практике.
2. Внутренний мир кристаллов.
2.1 Геометрия кристаллов.
Кристаллы встречаются двух видов: одиночные и поликристаллические. В природе редко попадаются тела в виде отдельных одиночных кристаллов (или, как говорят, монокристаллов). Чаще всего вещество встречается в виде прочно сцепившихся кристаллических зёрнышек уже совсем малого размера – меньше тысячной доли миллиметра. Такую структуру можно увидеть лишь в микроскоп.
Тела, состоящие из кристаллических зёрнышек, называются мелкокристаллическими, или поликристаллическими («поли» - по-гречески «много»).
Конечно, к кристаллам надо отнести и мелкокристаллические тела. Тогда окажется, что почти все окружающие нас твёрдые тела – кристаллы. Песок и гранит, железо и медь, салол, продающийся в аптеке, и краски – всё это кристаллы.
Есть и исключения; стекло, и пластмассы не состоят из кристалликов. Также твёрдые тела называются аморфными.
Итак, изучать кристаллы – это значит изучать почти все окружающие нас тела. Понятно, как это важно.
Одиночные кристаллы сразу же узнают по правильности форм. Плоские грани и прямые рёбра являются характерным свойством кристалла; правильность формы, несомненно, связана с правильностью внутреннего строения кристалла. Если кристалл, в каком-то направлении особо вытянулся, значит, и строение кристалла в этом направлении какое-то особенное.
Но представьте себе, что из крупного кристалла на станке изготовлен шар. Удастся ли сообразить, что в руках у нас кристалл, и отличить этот шар от стеклянного? Поскольку разные грани кристалла развиты в различной степени, то это наводит на мысль о том, что и физические свойства кристалла неодинаковы в разных направлениях. Сказанное относится к прочности, электропроводности, да и вообще ко многим свойствам. Эта особенность кристалла называется анизотропией его свойств. Анизотропный – это значит разный в разных направлениях.
Кристаллы анизотропные. Напротив, аморфные тела, жидкости и газы изотропны («изо» - по-гречески «одинаково», «тропос» - направление), то есть обладают одинаковыми свойствами в разных направлениях. Анизотропия свойств и позволяет узнать. Является ли прозрачный бесформенный кусочек вещества кристаллом или нет. А кристаллами называют твёрдые тела, которых атомы или молекулы расположены в пространстве упорядоченно.
Монокристаллические образцы кристаллов одного и того же вещества могут быть правильной и неправильной формы. Некоторые кристаллы выглядят как обломки, другие имеют 1-2 грани, ненормального развития. Так, например, у кварца, может развиться разное число граней одного «сорта», а также разное число самих «сортов» граней. Пусть сходство не бросается в глаза, всё же такие кристаллики похожи друг на друга, как близкие родственники. Потому что углы между сходственными гранями всех кристаллов, изучаемого вещества, будут всегда одинаковы. Форма кристаллов случайна, а углы между гранями отвечают его внутренней природе. Но плоскогранность не является единственным свойством кристаллов, которые отличает их от бесформенных тел. Кристаллы обладают симметрией. Но и здесь она неидеальная: невидимые глазом трещинки, царапины всегда делают равные грани слегка отличными друг от друга.
2.2 Строение кристаллов.
Почему так красива, правильна форма кристалла? Грани его, блестящие и ровные, выглядят так, как будто над кристаллом поработал искусственный шлифовальщик. Отдельные части кристалла повторяют друг друга, обращая красивую симметричную фигуру. Эта исключительная правильность кристаллов была знакома уже людям древности. В 17 – 18 века появились первые научные взгляды на природу кристаллов.
Кристалл построен из мельчайших кирпичиков плотно приложенных друг к другу. Разобьём сильным ударом кристалл каменной соли. Он разлетится на кусочки разной величины. Рассматривая их, мы обнаружим, что эти кусочки имеют правильную форму, вполне подобную форме большого кристалла – их родителя.
«Кирпичная» теория строения кристалла принесла науке большую пользу. Она объяснила происхождение прямых рёбер и граней кристалла* при росте кристалла одни кирпичики подстраиваются к другим, и грань растёт подобно стене дома, выкладываемой руками каменщика.
Кристалл состоит из групп атомов, повторяющихся в пространстве. Возможность исследовать внутреннее строение кристаллов появилась после создания английскими физиками Брэггами (отец и сын) в 1912 – 1913 гг. метода рентгеноструктурного анализа. Однако ещё несколько столетий назад учёные пытались решить эту задачу. Изучением кристаллов занимались Д. Кардано, И. Кеплер, Х. Гюйгенс, М. Ломоносов.
Мысль о взаимосвязи геометрической формы кристалла с его внутренним строением была высказана И. Ньютоном. Убедиться в её справедливость учёные смогли только в 20 веке после исследования кристаллов с помощью рентгеновского метода. Оно показало, что атомы в кристаллах расположены не хаотически, а строго упорядоченным образом и образуют пространственную (или кристаллическую) решётку.
В основе кристаллической решётки лежит элементарная ячейка – фигура наименьшего размера, последовательным переносом который можно построить весь кристалл.
Строение элементарных ячеек кристаллических решёток различного типа может проводиться по разным параметрам, среди которых часто употребляют атомный радиус, плотность упаковки и количество атомов в элементарной ячейке. Атомный радиус определяют как половину расстояния между центрами ближайших соседних атомов в кристалле. Долю объёма, занятую атомами в элементарной ячейке, называют плотностью упаковки.
Наиболее распространены три типа решёток. Это кубическая центрированная, гексагональная и гранецентрированная.
Молекулярные кристаллы представляют собой упаковки молекул. Все органические вещества дают молекулярные кристаллы. Органические молекулы зачастую содержат многие десятки тысяч атомов.
Существуют простые кристаллы, построенные из атомов одного сорта. Например, алмаз – это чистый углерод. Кристаллы поваренной соли состоят из ионов двух сортов: натрия и хлора. Более сложные кристаллы могут быть построены из молекул, которые в свою очередь состоят из атомов многих сортов.
3. Выращивание кристаллов.
3.1 Кристаллизация из расплава.
Для того чтобы вырастить один монокристалл, применяют, например, следующий способ.
Тигель с расплавом медленно опускают сквозь отверстие в вертикальной трубчатой печи. Кристалл зарождается на дне тигля, раньше попадающем в область более низких температур. Затем кристалл постепенно разрастается по всему объёму расплава. Дно тигля специально делают узким, заострённым на конус, чтобы в нём мог расположиться только один кристаллический зародыш. Этот способ часто применяют для выращивания кристаллов цинка, серебра, меди и других металлов, а также хлорида натрия, бромида калия и других солей. За сутки можно вырастить кристалл каменной соли массой порядка килограмма.
Недостаток описанного метода – загрязнение кристаллов материалом тигля. Избежать этого недостатка можно при бестигельном способе выращивания кристаллов из расплава, которым выращивают, например, корунд, рубины, сапфиры. Тончайший порошок оксида алюминия из зёрен размером 2-100 мкм. Высыпается тонкой струёй из бункера. Проходит через кислородно–водородное пламя, плавится и в виде капель попадает на стержень из тугоплавкого материала. Температура стержня должна быть несколько ниже температуры плавления оксида алюминия. Капли оксида алюминия охлаждаются на нём и образуют корку спекшейся массы корунда.
3.2 Кристаллизация из раствора.
Получение кристаллов из раствора сводится к двум способам. Первый из них состоит в медленном испарении растворителя из насыщенного раствора, а второй – в медленном понижении температуры раствора. В качестве растворителей используют воду, спирты, кислоты. Недостатком методов выращивания кристаллов из раствора является возможность загрязнения кристаллов частицами растворителя. Кристалл растёт из тех участков перенасыщенного раствора, которые его непосредственно окружают.
3.3 Экспериментальная проверка некоторых способов выращивания кристаллов.
Экспериментальная часть работы была посвящена выращиванию кристаллов сахара, поваренной соли и медного купороса разными способами.
Способ №1: Налить в лабораторный стакан небольшое количество насыщенного раствора сахара. Раствор закрыть дно стакана. Через двое суток жидкость полностью испарилась, а на дне образовались кристаллы сахара. Кристаллы сахара имели вид пластинок ромбообразной формы и кубиками.
Способ №2: Налить в лабораторные стаканы по 100 мл насыщенных растворов медного купороса и поваренной соли. Опустили в растворы волос. Через четыре дня появились маленькие кристаллики. Ежедневно я наблюдала за увеличением кристаллов, убирая с волоса мелкие наросты и оставляя крупные кристаллы. Данный способ позволил мне получить кристаллы более крупные, чем выше описанным способом.
При проведении опытов с кристаллами я заметили, что на стенках сосудов образуются дендриты, которые иногда даже «вылезали» наружу и росли по внешней стенке. Между дендритами и раствором находится полоса свободного пространства, покрытая тонкой плёнкой раствора.
В свой эксперимент включить получение металлических кристаллов. Используя описанный в литературе способ получения кристаллов меди, я наблюдала за их образованием. На дне сосуда появились через двое суток кристаллы красноватого цвета с характерным металлическим блеском.
4. Применение.
Монокристаллы ряды элементов и многих химических веществ обладают замечательными механическими, электрическими, магнитными свойствами.
К сожалению, в природе монокристаллы большинства веществ без трещин, загрязнений и других дефектов встречаются редко. Это привело к тому, что люди многие кристаллы называют драгоценными камнями.
Развитие науки и техники привело к тому, что многие кристаллы стали очень нужными для изготовления деталей приборов и машин, для выполнения научных исследований.
Применения кристаллов в науке и технике так многочисленны, что их трудно перечислить. Поэтому ограничимся несколькими примерами.
Самый твёрдый и редкий из природных минералов – алмаз. Сегодня алмаз в первую очередь камень – работник, а не камень украшение. Роль алмазов в современной технике так велика, что, по подсчётам американских экономистов, прекращение применения алмазов привело бы к уменьшению мощности промышленности США вдвое.
Примерно 80% применяемых в технике алмазов идёт на заточку инструментов резцов из сверхтвёрдых сплавов. Алмазы служат подшипниками в хронометрах высшего класса для морских судов и других особо точных навигационных приборах. На алмазных подшипниках не обнаруживается никаких следов износа даже после 25000000 оборотов.
Несколько уступая алмазу по твёрдости, соревнуется с ним по разнообразию технических применений рубин. Незаменимым оказались рубиновые стержни на фабриках по изготовлению химического волокна. Новая область для широкого применения рубинов в научных исследованиях и в технике открылось с изобретением рубинового лазера – прибора, в котором рубиновый стержень служит мощным источником света, испускаемого в виде тонкого светового луча.
Исключительная роль выпала на долю кристаллов в современной электронике. Большинство полупроводниковых электронных приборов изготовлено из кристаллов кремния или германия.
5. Заключение.
Познакомившись с миром кристаллов, понимаешь, что эта область науки интересна и занимательна. Кристаллы бывают не только природными, но также и искусственные выращиваемые человеком. Так же, как сама природа человек может задать форму, цвет и многие другие свойства кристаллам. При проведении опытов по выращиванию кристаллов, я рассмотрела многообразие форм кристаллов разных солей и сахара. При изучении и анализе литературы и научных статей, я сделала вывод, что самый доступный способ получения искусственных кристаллов – из насыщенных растворов сахара.
При искусственном выращивании можно получить кристаллы крупнее и чище, чем в природе. Есть и такие кристаллы, которые в природе редки и ценятся дорого, а в технике, очень нужны. А самое главное – искусственно выращивая кристаллы, создают вещества, каких вообще нет в природе.
Список литературы:
- Кабардин О.Ф.,Кабардина С.И., Шеффер Н.И. Факультативный курс физики; «Просвещение», 1986г.
- Ландау Л.Д., Китайгородский А.И. Физика для всех. Молекулы; «Наука» 1984г.
- Хачатуров Т.С., Зубков Б.В. Детская энциклопедия. Техника и производство; «Просвещение», 1988г.
- Чуянов В.А. Энциклопедический словарь юного физика; М. Педагогика, 1995г.
- Воротников А.А. Физика и химия: Универсальная энциклопедия школьника; ТОО «Харвест», 1996г.
- Смолеговский А.М. Кристаллы; М. Просвещение, 1999г.