Кристаллы

 Министерство образования республики Саха ( Якутия)

 

Мирнинское  районное управление образования

МОУ     « лицей»

 

 

                       

 

 

 

 

 

Научно  – исследовательская работы

 

 

КРИСТАЛЛЫ

 

 

 

 

                                                                                                       

 

 

 Выполнила: Антоненко Надежда

 ученица 7 а класса школа- лицей

 научный руководитель:                     

  преподаватель химии

МОУ «Лицей», г. Мирный

 Дёмина Валентина Дмитриевна

 

 

 

 

 

 

 

 

                                               г.Мирный

2006 г.

 

Содержание

 

 

Введение                                                                                  стр. 3

                                                                                 

I .Теория          стр. 4 - 9

1.1. Определение кристаллов       стр. 4

1.2. Форма и  свойства кристаллов     стр. 4

1.3. Кристаллические  решетки      стр. 5 - 6

1.4. Применение          стр. 8 – 9

 

I I . Практика         стр. 10 - 14

2.1. Способы  выращивания кристаллов       

       а) опыт № 1;

       б) опыт № 2;

       в)  опыт № 3;

       г)  опыт  № 4;

       д)  опыт  № 5;

       е)  опыт № 6.

2.2.  Выводы.

 

I I I.  Приложение:                                                                     стр. 15-25

       а). решетки Браво;

        б). типы основных кристаллических  решеток;

         в). гексогональная;

         г). объемноцентрированная;

          д). фото № 1 кристаллы медного  купороса;

          е). фото № 2 кристаллы поваренной  соли;

           ж). фото № 3 кристаллы меди;

           з).  фото № 4 кристаллы свинца;

           к).  фото № 5 кристаллы кристаллы  олова;

           л). Фото № 6 кристаллы на стекле. 

I V.    Литература.                                                                         Стр. 26

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                              Введение.

 

 

Цель:  Ознакомиться с кристаллами и  способами 

             их выращивания.

 

Задачи: 1. рассмотреть  вопрос влияния формы кристалла      

                   от типа кристаллической решетки;

                2. рассмотреть способы выращивания  кристаллов 

                3.  вырастить кристаллы:

                     а. поваренной соли;

                     б.  медного купороса;

                     в.  меди;

                      г.  кристаллов различных солей;

                      д.  олова.

 

    Удивительные  многогранники издавна привлекали внимание людей. Средневековые алхимики в своих опытах заметили, что некоторые вещества можно выкристаллизовать из водных растворов.

   Алхимики думали, что природные кристаллы были сотворены богом раз и навсегда. Лишь в конце 17 века поняли, что минералы растут как соли из воды.

   Я хотела  узнать как вырастить  различные  кристаллы и почему они разные  по форме.

     

 

 

 

                                            

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                          I .Теория.

 

1.1. Определение  кристаллов.

Кристаллы  - это вещества, в которых составляющие их частицы     (т. е. атомы, ионы, молекулы, группы атомов) расположены правильными симметричными, периодически повторяющимися рядами, сетками, решетками. Кристаллы растут из паров, растворов, расплавов и вырастают они в виде удивительно правильных  симметричных многогранников.

В земле вырастают  кристаллы природных минералов. На заводах и в лабораториях выращивают синтетические кристаллы.

Кристаллы не сотворены  готовыми, а ВЫРАСТАЮТ в форме  многогранников. И характерна для  кристалла не сама многогранная форма, не результат роста, а способность кристалла расти в такой форме; эта способность не  исчезает, даже если кристаллу не удалось принять многогранную форму.

 

1.2. Форма  и свойства кристаллов.

Внешняя форма – это проявление физических свойств кристалла.

А свойства его зависят от закономерного внутреннего  строения.

Самой характерной  основной особенностью кристалла является его внутреннее строение, его закономерная структура. Почему кристаллы вырастают многогранными? Потому что скорости роста кристаллов в разных направлениях различны. Если бы они были одинаковыми, кристалл рос бы во все стороны одинаково и вырастал бы шаром. Не только скорость роста, но и почти все физические свойства кристаллов различны в разных направлениях  или как говорят, анизотропны. Анизотропия, т. е. различие свойств по разным направлениям, это основная, характерная особенность кристаллических веществ. Кристаллы однородны, анизотропны и симметричны. А причиной однородности, анизотропии и симметрии кристаллов является их атомная  структура. Одинаковые группы атомов повторяются в кристалле, образуя бесконечные ряды, сетки, решётки. Сами  эти группы и их взаимное расположение одинаковы в любом участке кристалла, в любой его точке.                                         

Расстояние  между атомами, силы связи между ними в разных направлениях различны,- поэтому и возникает анизотропия, т. е. различие свойств кристалла в разных направлениях.                                                                                                                              Атомы натрия и хлора расположены в структуре хлористого натрия, как правильная трёхмерная кубическая сетка, и кристаллы хлористого натрия ( каменной соли ) вырастают правильными кубиками. Атомы в структуре кварца расположены по вершинам шестиугольников – и кварц вырастает в форме шестигранных карандашиков или столбиков. Значит, симметричная, правильная многогранная форма кристалла - это наглядное следствие анизотропии его скоростей роста. Форма кристалла как бы записывает эту анизотропию, показывает, где скорость роста больше, где она меньше.

А  всё- таки: почему же кристаллы вырастают в форме многогранников? Какова связь между внешней формой кристаллов их внутренним  строением? Вопрос этот, естественно, возникает у каждого внимательного наблюдателя.  И еще в очень давние времена, задолго до создания атомной теории вещества, появились первые смутные догадки о том, что кристаллы, по- видимому, сложены закономерно из мельчайших частиц. С середины XVII века появляется кристаллографический эксперимент. В 1669 году профессор математики и медицины в Копенгагенском университете Эразм Бартолин сделал два существенных открытия, которые легли в основу физической кристаллографии.

В руки Бартолина  попали большие кристаллы совершенно прозрачного кальцита, так называемого  исландского шпата, впервые привезённого тогда в Европу из Исландии. На этих кристаллах Бартолин обнаружил  явление двойного лучепреломления света. Другое явление заметил Бартолин, когда один из кристаллов в его руках случайно разбился. Оказалось, что хотя формы кристаллов исландского шпата разнообразны, но при ударе кристалл раскалывается по ровным плоскостям на совершенно правильные ромбоэдры. В свою очередь каждый осколок можно расколоть ещё- и снова он раскалывается на ромбоэдры, и так снова и снова. У всех осколков исландского шпата всегда одна и та же форма, кристалл всегда разбивается по одинаковым плоскостям, так называемым плоскостям спайности. Теперь мы знаем, что спайность, т. е. способность кристалла раскалываться по определенным плоскостям, присуща не только исландскому шпату,  но и многим другим кристаллам.

Осколки стекла не имеют правильной формы, стекло изотропно. Осколки исландского шпата огранены гладкими гранями, исландский шпат отличается совершенной спайностью, т. е. его прочность анизотропна. Кристаллы каменной соли, хлористого калия, фтористого лития при ударе всегда раскалываются по ровным граням куба, алмаз, флюорит разбиваются на мелкие октаэдры, слюда, графит, гипс расщепляются на тонкие пластинки, и т. д.

 

1.3. Кристаллические решетки.

Наиболее характерной  особенностью кристаллического твердого вещества является правильное, повторяющееся расположение его частиц. Наличие этого повторяющегося расположения частиц позволяет описывать строение всего кристалла, выделяя в нем небольшую типичную часть. В разнообразнейших кристаллических веществах, существующих в природе и получаемых синтетическим путём, встречается множество типов решеток и элементарных ячеек.

Однако мы ограничимся  общим рассмотрением семи больших  систем- сингоний ( перечисленных в  табл. 1 ), на которые подразделяются все кристаллические решетки, причем основное внимание сконцентрируем на кубической системе- наиболее простой и распространенной среди веществ, с которыми обычно приходится иметь дело.

Кристаллическая решетка кубической системы характеризуется  одинаковым расстоянием между точками вдоль каждой из трех осей ( а = b =с ), а также углами в 90^о между каждой парой осей. Помимо кристаллов с простой кубической структурой, существуют ещё множество других типов кубических кристаллов. Два из них, с кубической объемно-центрированной структурой и кубической гранецентрированной структурой, показаны, где сферы изображают атомы. Многие металлы кристаллизируются в одной из этих двух кубических структур.

Осями элементарной ячейки или всего кристалла для  каждой из семи систем, перечисленных  в таб. 1, являются прямые линии, соединяющие центры противоположных граней. Оси решетки кубической системы и углы между ними показаны на рис.8. В правильных кристаллах эти линии пересекаются друг с другом и можно указать углы между осями. Например, если оси пересекаются под углом 90^о , но размеры элементарной ячейки неодинаковы (а ≠b ≠ с), решетка называется ромбической. Если углы между осями равны 90^о  и два из трех параметров элементарной ячейки совпадают (а =b ≠ с ), решетка называется тетрагональной.

 

Таблица 1. Семь основных систем кристаллических решёток

 

Система (сингония)	Размеры элементарной ячейки и  углы между ее осями	Примеры
Кубическая	a = b = c α = β = γ = 90о	Поваренная  соль, медь
Гексагональная	a1 = a2 = a3 ≠ b α1 = α2 = α3 = 60о ; β = 90о	Графит, кварц
Тетрагональная	a = b; c α = β = γ = 90о	Белое олово, SnO2
Ромбическая (орторомбическая)	а; b; c α = β = γ = 90о	Ромбическая сера, I2
Моноклинная	а; b; c α = γ = 90о; β ≠ 90	Моноклинная сера, KclO3
Тригональная (ромбоэдрическая)	а = b = c α = β = γ ≠ 90о	Кальцит,   As,     Bi
Триклинная	а; b; c α ≠ β ≠  γ ≠ 90о	K2Cr2O7 ,       CuSO4  · 5H2O

 

Одним из свойств кристаллической  решётки является наличие или  отсутствие соответствия между частями  элементарной ячейки или самого кристалла  по отношению к некоторой линии, проходящей через кристалл. Это свойство называется симметрией. Кристаллические решётки могут обладать осями симметрии, третьего или второго порядка и, наконец, лишь осью симметрии первого порядка.

В простой кубической структуре приблизительно половина объема элементарной ячейки остается свободной, хотя атомы соприкасаются друг с другом. Поскольку другие кубические структуры характеризуются более высокой степенью упаковки, не удивительно, что простая кубическая структура так редко встречается в природе.

Каким образом  определяют положения атомов в реальных кристаллах? Атомы настолько малы, что их невозможно увидеть даже под  микроскопом, а форма кристаллов  не всегда указывает, каким образом  расположены внутри них атомы  или молекулы.

Рентгеноструктурный анализ позволяет получить однозначную информацию о расстояниях между атомами и о расположении атомов внутри кристаллических веществ

Рентгенограмма кристалла  представляет собой узор из темных пятнышек (или линий), как бы отражений  от атомных плоскостей. Рентгенограмма кристаллических веществ и их расшифровка на основе Федоровских законов построения пространственной решётки позволяют судить о симметрии кристаллических структур, кристаллографы устанавливают расстояние между плоскостями кристалла, степень их заполнения атомами, размеры элементарной ячейки и получают полное представление о структуре кристалла Существует множество кристаллических веществ различных типов, различия между которыми обусловлены несколькими факторами. До сих пор мы описывали кристалл как пространственную решетку, в узлах которой находятся атомы или частицы шаровой формы. На самом же деле узлы кристаллической решетки часто бывают заняты вовсе не шарообразными частицами. Мы уже упоминали о том, что в кристаллах металлических веществ число ближайших соседей может изменятся от 12 до 6, однако во многих кристаллических веществах это число равно всего лишь 4.

Другим фактором, определяющим различия в структуре  кристаллов, является характер сил  взаимодействия между частицами  кристалла. В кристаллах металлов о таких силах говорят как о металлической связи; в кристаллах различных солей осуществляется ионная связь; другие кристаллические вещества существуют в результате ковалентной связи между образующими их частицами. В кристаллических веществах другого типа действуют большие силы кулоновского (электрического) взаимодействия между образующими их частицами. Твердые вещества этого типа называются ионными кристаллами. В качестве примера можно привести многие известные соли, скажем, NaCl  или KCl. Поскольку электрическое поле, создаваемое каждым ионом, обладает ненаправленным характером, в ионных кристаллах положительные ионы со всех сторон окружены отрицательными ионами и, наоборот, отрицательные ионы окружены положительными ионами. В большинстве простых солей  вокруг каждого иона располагается по шесть или восемь ионов с зарядом противоположного знака, причём это число зависит от относительных размеров катиона и аниона. Как правило, если отношение этих радиусов, r_катион./r_анион , находится в пределах от 0,73 до 0,41, ионный кристалл имеет такую же структуру, как NaCl, с числом ближайших соседей каждого иона, равным шести . При больших значениях отношения ионных радиусов у каждого иона оказывается восемь ближайших соседей с зарядами противоположного знака, как это показано для кристаллической структуры CsCl .