Кристаллы

 

1.4.Применение.

 «Живых призываю. Мёртвых оплакиваю. Молнии ломаю»,-такие надписи на латинском языке чеканились иногда в средние века на больших церковных колоколах в Западной Европе. Почему-«молнии ломаю»? Потому, что  при наступлении грозовых облаков, а особенно с приближением града начинается тревожный колокольный звон. Верили, что гул звенящих колоколов может отогнать гром и молнию и предотвратить или ослабить град. Увы!- не защищал колокольный звон от града, и потому придумали ещё одно средство: грозовые облака стали стрелять из пушек. Были даже, в Европе и в Китае, такие специальные пушки, противоградовые мортиры. С градом научились бороться, забрасывая в тучу кристаллики. Грозовые облака, тучи - это скопления переохлажденных водяных паров или капелек. Вещество может долго сохранятся переохлаждённым и кристаллизация не начнётся, пока не вызовет ее какая-нибудь внешняя причина. При грозе этой причиной служит молния: электрический разряд, с громом проскакивающий сквозь переохлажденную среду, возбуждает кристаллизацию в ней. Можно забросить в облако кристаллики твердой углекислоты, того самого сухого льда, который все видели у продавцов мороженного. Температура сухого льда -78 С, и он «замораживает» воду, охлаждая  её, так что вокруг каждой пылинки сухого льда начинают расти кристаллики льда, за ними соседние, мгновенно возникает очень много кристалликов, и сразу на многие километры кругом тучи вместо грозного града рассыпаются мелким снегом или проливаются дождем, потому что снежинки тают, - нагреваясь вблизи земли. Еще лучше кристаллизует тучу залп не из сухого льда, а из кристаллов йодистого серебра или более дешёвого йодистого свинца. На крохотных кристалликах этих соединений с готовностью нарастают льда. Здесь имеет место явление ЭПИТАКСИИ - ориентированного нарастания кристаллов одного вещества на кристаллах другого вещества со сходной структурой.

В технике используют такое свойство выращивания крупных кристаллов. Кристаллы дигидрофосфата калия растут на пластинках из родственного кристалла дигидрофосфата аммония, а кристаллы хлористого калия – на каменной соли или на бромистом натрии. Родственные кристаллы не только смешиваться друг с другом, но и просто нарастать на друг друге. На растают кристаллы сходной структуры, но и такие, структура которых различна, но вдоль некоторых граней и рёбер она сходна. Такое ориентированное нарастание одного кристалла на другом, эпитаксия, очень широко используется в технике. Надо, например, вырастить плоскую плёнку золота или серебра для исследования в электронном микроскопе. Выращивают тонкий металлический слой на кристалле поваренной соли. Металлическая плёнка легко растёт т. к. их структуры сходны. Потом соль растворяют в воде. Золото в воде не растворимо, и остаётся его плёнка. Возможность эпитаксильного нарастания зависит не только от геометрического соответствия срастающихся плоских сеток, но также от степени совершенства срастающихся кристаллов, от поверхностной структуры грани, от температуры, давления и ряда других факторов. Особенно широко используется эпитаксия в полупроводниковой технике, в микроэлектронике, где рабочими элементами схем должны служить монокристальные бездефектные плёнки с заданной кристаллографической ориентацией, совершенной поверхностью и с толщиной в немногие десятки ангстрем.

Свойства кристаллов нашли широкое применение в различных  областях технике: в оптике,  акустике,  радиоэлектронике, квантовой электронике, металловедении, металлургии, химии, медицине. Пожалуй нет такой области техники, где не применялись бы кристаллы.Более того: многие области возникли и развиваются только благодаря использованию удивительных свойств кристаллов.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                     I I .Практика.

 

2.1.Способы выращивания.

 

Опыт  № 1 (Выращивание сульфата меди).

 

Постановка  эксперимента:

 

 Надо приготовить горячий  насыщенный раствор какой-либо соли (хлорида натрия, сульфата меди или железа, квасцов, бихромата калия и т.д.), охладить его,  чтобы излишек растворенного вещества не выпал в осадок (такой раствор называется пересыщенным), наконец, ввести затравку, кристаллик той же соли, подвешенный на нитке.   После этого остаётся только прикрыть сосуд листом бумаги, поставить сосуд в укромное место и ждать, пока не вырастет крупный кристалл, на что могут уйти даже месяцы; что придется делать, подливать понемногу насыщенный раствор по мере испарения.

 

Наблюдение:

      На нитке происходит наращивание  кристалликов соли. Кристалл темно  - синего цвета. Для выращивания  одного крупного кристалла удаляем кристаллики с нитки, оставляя один.

Опыт № 2

 Следующие два опыта настолько впечатляющи, что их смело можно поставить, конечно, тщательно всё подготовив. Первый из них – опыт Пелиго. Цилиндр высотой 25- 30 см вымойте изнутри горячей водой и через воронку по стенке налейте в него горячий очень концентрированный раствор гипосульфита, чтобы он заполнил на 1\3 цилиндр. Этот раствор готовят так:450 г гипосульфита растворяют при нагревании в 45 мл воды.

Второй раствор - ацетата натрия (300 г на 45 мл воды) также горячим ₃аккуратно, этот раствор не должен смешиваться с ранее налитым раствором. Наконец, верхнюю треть цилиндра столь же осторожно заполните горячей водой, которая предохранит насыщенный раствор от преждевременной кристаллизации.

В сосуде три  слоя: вода, пересыщенный раствор ацетата натрия, пересыщенный раствор гипосульфита. Накройте цилиндр стеклом, дайте остыть до комнатной температуры, а после этого можно приступить к опыту. К концу стеклянной палочки прикрепите кусочком воска маленький, незаметный кристаллик гипосульфита (воск слегка расплавьте, нагрев его над пламенем). На глазах у зрителей быстро опустите палочку в нижний слой. Концентрация соли столь высока, что тотчас вокруг кристаллика нагромоздится множество новых кристаллов, образуя подобие цветка. А в среднем слое « чужое « вещество вокруг кристалла гипосульфита кристаллизоваться не будет.

      Другую, точно такую же палочку  с воском, но уже с маленьким  кристаллом ацетата натрия  (зрители  не должны заменить разницы) опустите в средний слой- здесь тоже вырастет цветок, но совсем другой. Цилиндр, если обращаться с ним осторожно, удается использовать несколько раз.

        Другой опыт, напоминающий фокус,- с одним только ацетатом натрия. Растворите 100 -150 г. соли в горячей воде (лучше в эмалированной посуде) и медленно выпаривайте, стараясь точно уловить момент, когда надо прекратить выпаривание: дуйте время от времени на поверхность горячего раствора, и как только станет появляться плёнка, напоминающая жировую, это значит, что концентрация соли та, что требуется для образования кристаллогидрата состава CH₃COONa 3H₂O. Перелейте жидкость в чистый тонкий стакан, закройте его и поставьте остывать. В остывшую жидкость достаточно внести ничтожное количество затравки- ацетата натрия, чтобы она мгновенно закристаллизовалась и превратилась в твердую массу, напоминающую лёд. Если вы немного не додержали жидкость на огне и воды в ней многовато, то над застывшей массой будет немного воды, которую надо слить .Если же воды не хватает, то на поверхности окажется налет соли. Снимать его нет смысла, проще добавить немного воды.    

Расплавляя  кристаллогидрат на водяной бане и охлаждая его, опыт можно проделывать  множество раз в том числе на глазах изумленной публики, - а кто не изумится, увидев, как вода на глазах застывает без охлаждения? Напротив, стакан даже разогревается - это выделяется теплота кристаллизации. Стакан можно перевернуть, и из него не выльется ни единой капли.

 

Опыт  № 3

 

Выращивание кристаллов меди.

 

Постановка эксперимента:

 

1. В стеклянный цилиндр наливаю отфильтрованный водный раствор,    содержащий сульфат меди  CuSO₄  и хлорид натрия  NaCI  ( 100 мл воды, 15 г медного купороса и 15 г поваренной соли).
2. Готовлю графитовый стержень длиной 6 – 8 см от толстого карандаша, надеваю на него поролоновый кружок толщиной 5 мм, почти равный внутреннему диаметру цилиндра.
3. Выше кружка на графитовый стержень наматываю 5 - 6 витков алюминиевой проволоки, которую прижимаю к стержню в верхней части узкой полоской липкой ленты.
4. Стержень с кружком и проволокой вставляю в цилиндр так, чтобы поролон касался налитого раствора без воздушной прослойки. Поверх кружка наливаю концентрированный раствор хлорида натрия. Поролоновый кружок не дает смешиваться двум растворам.

 

Наблюдения.

        Вскоре на алюминиевой проволоке появляются пузырьки газа – водорода, вокруг графитового стержня под кружком образуется коричневое облачко, и раствор приобретает коричневую, почти черную окраску.

       Через несколько часов верхний  слой раствора под кружком начинает светлеть, а на стержне появляются кристаллики меди красновато – кирпичного цвета.

       На следующий день  весь графитовый  стержень  ниже кружка покрывается  кристалликами меди, причем самый  крупный из них  располагаться  внизу.

  (  смотри  Приложение, фото № 3 ).

 

Опыт  № 4

 

Дерево  Сатурна.  ( Выращивание кристаллов свинца)

 

Постановка  эксперимента:

 

1. В высокий стакан  наливаю водный раствор 25 -30 г ацетата свинца  Pb(CH СOO)₂ в 100 мл воды и подвешиваю на нитке несколько кусочков цинка, очищенного наждачной бумагой.

 

Наблюдение:

 

  На поверхности  цинка начинают  расти ветвистые  и блестящие, сросшиеся между  собой кристаллы свинца. Это похоже  на волшебное кристаллическое  растение.

     9это  дерево из свинца получило  название «сатурново дерево», т. к. алхимики связывали со свинцом планету Сатурн.

(  смотри  Приложение, фото № 4 ).

 

Опыт  № 5

 

Дерево  Юпитера. ( Выращивание кристаллов олова).

 

Постановка эксперимента:

 

1. В высокий стакан  наливаю водный раствор 30 -40  г хлорида олова

( I I) в 100 мл воды и подвешиваю на нитке несколько кусочков цинка, очищенного наждачной бумагой.

 

 Наблюдение:  

 

  Очень быстро  на гранулах цинка вырастает  дерево из кристалликов олова  – черного цвета.

(  смотри  Приложение, фото № 5 ).

 

Опыт  № 6

 

 Фантастические  пейзажи на стекле.

 

Постановка эксперимента:

 

1. Готовлю теплый раствор 2 -3 г желатина в 100 мл воды и 10 – 15 % -е водные растворы окрашенных солей :

- сульфата меди

- дихромата  калия

- хлорида никеля

- хлорида кобальта

  Эти растворы  будут содержать 10 – 15 г каждой  соли в 100 г воды.

2. Раствор желатина смешиваю с десятикратным объемом раствора соли и выливаю смесь на обезжиренную стеклянную  пластинку, чтобы получился слой толщиной 2 – 3 мм.
3. Пластинки оставляю в горизонтальном положении для испарения воды.

 

Наблюдение:

 

Через 2-а дня  вода с пластинок испарилась и на стекле появились причудливые узоры из цветных кристаллов:

- синие

- оранжевые

-зеленые

- розовые кристаллы.

 

(  смотри  Приложение, фото № 6 ).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                            2. 2  Вывод:

 

1. Я познакомилась со способами выращивания кристаллов. Но самое главное практически вырастила кристаллы:

- поваренной  соли;

- медного купороса;

- меди;

- свинца.

2.   Убедилась  на практике в том, что форма  кристаллов бывает довольно разнообразной  и это зависит от кристаллической  решетки вещества.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                           Библиография

 

1. У. Слейбо, Т. Персонс,    Общая химия,  Москва, 20001 г.

 

2. Энциклопедия  школьника, Неорганическая химия,  издательство «Советская энциклопедия»,  Москва, 1991 г

 

3.  М. П. Шаскольская,  Очерки о свойствах кристаллов, Москва «Наука», главная редакция физико – математической литературы, 1998 г

 

4. О Ольгин,  Опыты без взрывов,  Москва, ХИМИЯ, 2002 г