Вести из кружка «любителей химии»

ВЕСТИ ИЗ КРУЖКА « ЛЮБИТЕЛЕЙ ХИМИИ»

В рамках школьного кружка химии мы попытались вырастить кристаллы поваренной соли и медного купороса. Эту работу выполнял учащийся 8 класса Соляков Дмитрий. Попытаемся познакомить вас с удивительным миром кристаллов.

Кристаллы встречаются человеку повсюду. Он ходит по кристаллам, строит из кристаллов, обрабатывает кристаллы на заводах, выращивает в лабораторных и заводских условиях, создает приборы и изделия из кристаллов, широко применяет в технике и науке, ест кристаллы, лечится ими, находит их в живых организмах, проникает в тайны строения кристаллов, выходит на просторы космических дорог с помощью приборов из кристаллов и выращивает кристаллы в космических лабораториях.

Итак, кристаллы повсюду. Они разнообразны, красивы, загадочны. Ну, кто, например, из нас не любовался снежинками? Бесконечно разнообразны формы снежинок, они не перестают нас радовать.

Особое место среди кристаллов занимают драгоценные камни, которые с древнейших времен привлекали внимание человека. Алмаз, рубин, сапфир, изумруд- самые дорогие и излюбленные камни. Драгоценные камни служили мерой богатства князей и императоров

Нам захотелось побольше узнать о кристаллах, как они образуются, какую форму, и какой цвет они имеют и попытались сами вырастить кристаллики. Поэтому целью нашей работы стало наблюдение за ростом кристаллов в лабораторных условиях.

Задачи нашей работы:

изучить литературу по данной теме и методику выращивания кристаллов;
выбор солей для выращивания кристаллов;
приготовление насыщенных растворов;
выполнение практической части.

Особенности кристаллов

В земле иногда находят камни такой формы, как будто их кто-то тщательно выпиливал, шлифовал, полировал. Это многогранники с плоскими и блестящими гранями. Трудно поверить, что такие идеальные многогранники образовались сами, без помощи человека. Такие камни с правильной, симметричной, многогранной формой и называют кристаллами. Кристаллы, залегающие в земле, бесконечно разнообразны. Размеры природных многогранников достигают подчас человеческого роста и более. Встречаются кристаллы- пласты в несколько метров толщиной. Бывают кристаллы маленькие, узкие и острые, как иголки, и бывают громадные, как колонны (Приложение4). В некоторых местностях Испании такие кристаллические колонны ставят как столбы для ворот. В музее Гонного института в Санкт-Петербурге хранится кристалл горного хрусталя высотой около метра и весом больше тонны, который много лет служил тумбой у ворот одного из домов Екатеринбурга.

Многие кристаллы идеально чисты и прозрачны, как вода. Недаром говорят “прозрачный как кристалл”, “кристально чистый”.

Рассмотрим внимательно кристаллы разных веществ. Как их отличить друг от друга? По цвету? По блеску? Нет, это признаки ненадежные. К примеру, кристаллы кварца могут быть бесцветными, золотистыми, коричневыми, черными, сиреневыми, лиловыми. Разные названия, но минерал один и тот же, кварц, один из распространенных минералов на Земле, один из самых применяющихся в промышленности.

Приглядевшись к кристаллам внимательнее, нетрудно увидеть их особенность гораздо более характерную: кристаллы разных веществ отличаются друг от друга своими формами. Кубики кристаллов каменной соли не спутаешь со столбиками берилла или с табличками медного купороса. Так что же, у каждого вещества есть своя характерная форма, по которой его можно узнавать? И да, и нет. Да, у каждого вещества формы кристаллов характерны. Однако формы кристаллов различных веществ могут быть очень похожими. Каков же самый характерный, самый основной признак кристалла? Ответ такой: самая характерная особенность кристалла - это его атомная структура, правильное симметричное, закономерное расположение атомов.

Как растут кристаллы в природе

Кристаллы растут. Они всегда растут правильными, симметричными многогранниками, если им ничто не мешает при росте. Как же растут кристаллы в природе?

Застывание магмы – это процесс роста кристаллов из расплавов. Магма представляет собой смесь многих веществ. У всех этих веществ разные температуры кристаллизации. Первыми в магме начинают расти кристаллы того вещества у которого температура кристаллизации самая высокая. Чем медленнее застывает магма, тем больше успевают вырасти кристаллические зерна составляющих ее минералов.

Свыше пятисот лет назад древнерусские солевары научились извлекать соль из соляных источников. Вода в соленых источниках горько-соленая, в ней растворено много различных солей. Летом, когда под лучами палящего солнца вода озер быстро испаряется, из нее начинают выпадать кристаллы солей. Эти кристаллы плавают на поверхности озера и оседают на дне, на прибрежных камнях, на досках, на любом твердом предмете, попавшем в озеро. Даже рука, опущенная на несколько минут в озеро, покрывается тонким слоем соли. Сила кристаллизации соляных пластов столь велика, что, расширяясь, они выдавливаются из земли, становясь на ребро.

Обыкновенная столовая соль, хлористый натрий, без которого человек не может обойтись, представляет собой очень мелкие кристаллики, в земле же соль встречается иногда в виде очень больших кристаллов- так называемой каменной соли. Ломоносов в книге “О слоях земных” определяет: “Каменная соль есть чистая горная соль, хрусталю подобная.

Замечали ли вы , что на стенках чайников и кастрюль, в которых кипятят воду, осаждается так называемая накипь? Если соскоблить накипь и рассмотреть ее под микроскопом,то можно увидеть, что она представляет собой скопление очень мелких кристалликов. Как же образуются кристаллы накипи? В природной воде почти всегда растворены какие- нибудь минеральные вещества; когда вода кипит и испаряется, они выделяются в виде кристаллов и оседают на стенках сосуда, образуя слой накипи. Чем больше посторонних веществ растворено в воде, тем толще слой накипи и тем быстрее он отлагается. Накипь- явление вредное, а иногда и опасное. Всем известно, что чайник с толстым слоем накипи греется медленнее, чем новый чайник. Слой кристаллов на стенках парового котла мешает его работе. Накипь утолщает стенки, уменьшает полезный объем котла, повышает расход топлива. Теперь разработаны методы борьбы с накипью с помощью так называемых антинакипинов, которые обволакивают тончайшей пленкой мелкие кристаллические пылинки , не дающие им расти дальше. Вместо плотного слоя, покрывающего всю внутреннюю поверхность котла, на его дно оседает рыхлый осадок, удалить который не представляет труда.

Особенно интересна кристаллизация подземных вод в пещерах. Капля за каплей просачиваются воды и падают со сводов пещеры вниз. Каждая капля при этом частично испаряется и оставляет на потолке пещеры вещество, которое было в ней растворено. Так постепенно образуется на потолке пещеры маленький бугорок, вырастающий затем в сосульку. Эти сосульки сложены из кристалликов. Одна за другой капли мерно падают день за днем, год за годом, века за веками. Иногда сосульки, растущие сверху (сталактиты) и снизу (сталагмиты), встречаются, срастаются вместе и образуют колонны. Так возникают в подземных пещерах узорчатые, витые гирлянды, причудливые колоннады. Сказочно, необыкновенно красивы подземные чертоги, украшенные фантастическими нагромождениями сталактитов и сталагмитов, разделенные на арки решетками из сталактитов.

На сильном морозе “пар идет изо рта человека”. Это кристаллизуются белым инеем пары, выдыхаемые человеком. Ресницы, усы, бороды людей на морозе покрываются инеем: это- тоже налет снежных кристаллов. Если же температура ниже нуля, то водяной пар, охлаждаясь, переходит не в жидкое, а сразу в твердое состояние, т.е. в кристаллики лед. Облака на небе- это не что иное, как скопления таких ледяных кристалликов или же капель воды, образовавшихся из паров воды, поднимающихся с земли. Когда кристаллики замерзшей воды в облаках вырастают, они становятся тяжелее и в конце концов падают на землю: идет снег. Кристаллики льда, причудливыми узорами которых мы любуемся в снежинках, могут в несколько минут погубить самолет. Обледенение – страшный враг самолетов- тоже результат роста кристаллов.

Желчные камни в печени, камни в почках и мочевом пузыре, мельчайшие отложения в сосудистой оболочке глаза, вызывающие серьезные заболевания человека, представляют собой кристаллы.

В клетках картофеля можно найти кристаллы белковых веществ, в некоторых водорослях- кристаллы гипса. И даже в простейшем животном организме – в амебе - имеются кристаллики щавелевокислого кальция.

Некоторые живые организмы представляют собой настоящие “фабрики” кристаллов. Кораллы, например, образуют целые острова, сложенные из микроскопических мелких кристалликов углекислой извести.

Драгоценный камень жемчуг тоже построен из мелких кристаллов, которые вырабатывает моллюск жемчужница. Если в раковину жемчужницы попадает песчинка или камешек, то моллюск начинает откладывать перламутр вокруг пришельца. Слой за слоем нарастает на песчинке перламутр, образующий шарики жемчуга.

В Китае, где особенно развит жемчужный промысел, в раковины жемчужных моллюсков вкладывают жестяные изображения Будды, мелкие изделия из кости, металла; через несколько лет эти изделия покрываются слоем перламутра.

3. Методика выращивания кристаллов в лабораторных условия

В лабораториях выращивают большие кристаллы, необходимые для техники и науки, искусственные драгоценные камни, кристаллические материалы для точных приборов; там создают и те кристаллы, которые изучают кристаллографы, физики, химики, металловеды, минералоги, открывая в них новые замечательные явления и свойства.

В лабораториях кристаллы выращивают из расплавов и растворов, из паров и из твердых веществ. Для этого есть много остроумных способов, сложных приборов и установок. Рост больших однородных и чистых кристаллов длится иногда долгие месяцы.

Выращивают кристаллы разными способами. Например, охлаждая насыщенный раствор. С понижением температуры растворимость большинства веществ уменьшается, и они выпадают в осадок. Когда охлаждение медленное, то появляются красивые кристаллы правильной формы. При быстром охлаждении центров кристаллизации образуется много, сам процесс идет активнее, правильных кристаллов не получится: ведь множество быстро растущих кристаллов мешают друг другу.

Другой метод выращивания кристаллов- постепенное удаление воды из насыщенного раствора. И в этом случае, чем медленнее удаляется вода, тем лучше получаются кристаллы. Можно оставить открытый сосуд с раствором при комнатной температуре на длительный срок- вода при этом будет испаряться медленно. Особенно если сверху положить лист бумаги, который еще и защитит раствор от пыли. По мере испарения воды из открытого сосуда насыщенный раствор становится пересыщенным. И в нем начинают расти кристаллы. Растущий кристалл можно повесить на нити в насыщенный раствор или положить на дно сосуда.

Скорость выращивания кристаллов еще зависит и от количества соли в растворе. Раствор, в котором выращивают кристаллы, должен быть насыщенным.

Для выращивания кристаллов воспользуемся таблицей растворимости веществ в 100 граммах воды.

Число граммов растворимости вещества в 100г воды. Таблица 1.

Вещество	Температура, ⁰С
Вещество	18 ⁰С	100 ⁰С

Хлористый натрий	36	39,6

Медный купорос	23	57

Для многих веществ растворимость увеличивается с повышением температуры. При выполнении работы использовалась вода при 100 ⁰С, термометр, химические стаканы, электрическая плитка, воронка, стеклянная палочка, вата, карандаши, прочные нити. Нагрев воду, растворили в ней определенное количество каждого вещества по отдельности и получили насыщенные растворы, то есть растворы, в которых данное вещество больше не растворяется. Отфильтровали воду и слили в чистые сосуды, опустили в них закрепленные к карандашам прочные нити с грузиками. В качестве грузиков использовали скрепки. В начальный момент времени растворы охладились и стали пересыщенными. В дальнейшем происходило медленное испарение растворов при комнатной температуре. В течение нескольких недель мы наблюдали за тем, как растут кристаллы.

Хочется отметить, что самая высокая скорость роста кристаллов у медного купороса .Небольшие кристаллики медного купороса мы обнаружили уже на вторые сутки.

В конце опыта, образовавшиеся кристаллы достали из растворов, осушили бумажными салфетками и уложили в специальные коробочки.

Итак, в ходе проводимого эксперимента получили:

ярко-синий прозрачный кристалл медного купороса, представляющий собой пластинчатые многогранники
белый прозрачный кристалл хлористого натрия;

В нашей работе мы рассмотрели вопросы об особенностях кристаллов, о том, как растут кристаллы в природе и как их можно вырастить в лабораторных условиях, научились делать насыщенные растворы некоторых веществ и наблюдать за кристаллизацией этих веществ.

В результате мы убедились, в том, что кристаллы каждого вещества имеют свою скорость кристаллизации, свою форму и свой цвет.

Эта тема нам была очень интересна. Мир кристаллов оказался удивителен и разнообразен. В результате у нас возникли и другие вопросы, которые требуют дальнейшего более глубокого изучения. Поэтому мы планируем и дальше заниматься изучением данной темы.

Список литературы:

Детская энциклопедия. Том 2.- М.: 1990.
Энциклопедический словарь юного физика . – М.: Педагогика, 1995.
Факультативный курс физики. Пособие для учащихся. – М.: “Просвещение”, 1974.- 224с.
Шаскольская, М. П. Кристаллы. Издательство “Наука”. – М.: 1978. – 208с.

При написании статьи использованы материлы сайта https://festival.1september.ru/articles/550928/