Выращивание кристаллов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

Кристаллы издавна служили образцом, эталоном совершенства формы; вещество здесь достигает максимальной упорядоченности, правильности в расположении как мельчайших частиц – атомов или ионов, так и видимых, геометрически правильных многогранников.

«Есть кристаллы огромные, как колоннада храма, нежные, как плесень, острые, как шипы; чистые, лазурные, зелёные; как ничто другое в мире, огненные, черные; математически точные, совершенные, похожие на конструкции сумасбродных, капризных ученых, или напоминающие печень, сердце. Есть кристаллические пещеры, чудовищные пузыри минеральной массы, есть брожение, плавка, рост минералов, архитектура и инженерное искусство… И в человеке таится сила кристаллизации. Как таинственные математические молнии, пронзают материю бесчисленные законы построения. Чтобы быть равным природе, надо быть точным математически и геометрически. Число и фантазия, закон и изобилие – вот живые творческие силы природы; не сидеть под земным деревом, а создавать кристаллы и идеи, вот что значит быть воедино с природой!» Прочитав эти строки, написанные чешским писателем Карлом Чапеком, я всерьез заинтересовалась кристаллами. Мне захотелось узнать, как растут кристаллы, какими они бывают.

По моему мнению, кристаллы  – прекрасный объект исследования. Во-первых, изучение строения, формы кристаллов и их выращивание – интересное и увлекательное занятие, в ходе которого я узнаю много нового, пополню свои знания в области химии. Во-вторых, актуальность этого исследования безусловна, ведь кристаллы в наше время  используются не только как украшения и объект коллекционирования, они широко применяются в современной технике.

Данная работа  позволяет  мне расширить знания о строении вещества, зависимости свойств веществ от их внутреннего строения

Поэтому меня и заинтересовала данная тема.

Цель моей работы: формирование научной картины мира на основе изучения строения, свойств и применения кристаллов.

Я поставила перед  собой следующие задачи:

1. Расширить знания  о взаимосвязи строения и свойств  веществ на примере кристаллов.

2. Получить представление о получении и применении кристаллов, значении кристаллов в природе и жизни человека.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 1

Теоретическая база исследования.

1.1. Кристаллы.

Кристаллизация –  процесс образования кристалла  из раствора, расплава, а иногда и из газовой фазы.

Кристаллы – это совокупность  упорядоченно расположенных частиц. Порядок расположения частиц определяет форму кристалла.

Гидраты – непрочные соединения веществ с водой, существующие в  растворе.

Кристаллы раскалываются вдоль  плоскостей, параллельных естественным граням. Образующиеся при этом мелкие кристаллы подобны по форме крупным кристаллам.

Природа частиц, образующих кристалл, и их взаимное расположение определяют состав и свойства кристаллического вещества.

В зависимости от типа химической связи между частицами различают ионные, атомно-ковалентные, атомно-металлические, молекулярные кристаллы.

Ионные кристаллы образованы противоположно заряженными ионами. Вещества с ионным типом кристаллической решетки – это соли, щелочи.

В атомных кристаллах атомы связаны ковалентной или металлической связью. Примерами веществ с атомно-ковалентным типом кристаллической решетки можно считать аллотропные модификации углерода, оксид кремния. Для металлов и их сплавов характерна атомно-металлическая кристаллическая решетка.

Неорганические вещества с молекулярным типом кристаллической решетки весьма редки.

Поскольку межмолекулярные  связи слабы, то вещества с молекулярной кристаллической решеткой (с одно-, двух-, трех-, четырехатомными молекулами Ar, H₂, CO₂, PO₄ и др.) легкоплавки, летучи, твердость их невелика. У веществ с ионной кристаллической решеткой проявляется сильное электростатическое взаимодействие ионов. Поэтому NaCl, Na₃PO₄ и другие соли, а также щелочи обладают высокой температурой плавления, они нелетучие.

Вещества с атомно-ковалентной  кристаллической решеткой (C, SiO₂)  имеют высокую температуру плавления и повышенную твердость. Вещества с атомно-металлической решеткой, например, металлы, обладают высокой пластичностью. Их температура плавления различна.

Такое различие в свойствах веществ с разным типом кристаллических решеток объясняется характером распределения электронов в кристалле.

1.2. Закон постоянства  углов.

В природных условиях кристаллы не всегда развиваются  в благоприятных условиях и имеют идеальные формы. Очень часто кристаллы имеют неполностью развившиеся формы, с недоразвитыми элементами ограничения (гранями, ребрами, углами). Нередко в кристаллах одного и того же минерала величина и форма граней могут значительно меняться. Часто в почвах и горных породах встречаются не целые кристаллы, а лишь их обломки. Однако, как показали измерения, углы между соответствующими гранями (и ребрами) кристаллов различных форм одного итого же минерала всегда остаются постоянными. В этом заключается один из основных законов кристаллографии – закон постоянства углов.

Это явление связано  с тем, что все кристаллы одного и того же вещества имеют одинаковую структуру, т. е. тождественны по своему внутреннему строению. Закон справедлив для одинаковых физико-химических условий, в которых находятся измеряемые кристаллы, т. е. при одинаковых температурах, давлении и др.

1.3. Симметрия в кристаллах.

В результате изучения кристаллических  форм минералов выяснено, что в  мире кристаллов существует симметрия. Кристаллической симметрией называется правильная повторяемость элементов ограничения (ребер, граней, углов) и других свойств кристалла по определенным направлениям. Наиболее отчетливо симметрия кристаллов обнаруживается в их геометрической форме. Закономерное повторение геометрических форм можно заметить, если: 1) рассечь кристалл плоскостью; 2) вращать его вокруг определенной оси; 3) сопоставить расположение элементов ограничения кристалла относительно точки, лежащей внутри его.

Плоскостью симметрии  кристаллического многогранника называется плоскость, по обе стороны которой располагаются одинаковые элементы ограничения и повторяются одинаковые свойства кристалла.

Ось симметрии кристаллического многогранника – это линия, при  вращении вокруг которой правильно повторяются одинаковые элементы ограничения и другие свойства кристалла. Порядком оси симметрии называется количество совмещений кристалла с первоначальным положением при повороте на 360º. Инверсионной осью кристалла называется линия, при вращении вокруг которой на некоторый определенный угол и последующим отражением в центральной точке многогранника (как в центре симметрии) совмещаются одинаковые элементы ограничения.

Центром симметрии (инверсии) кристаллического многогранника называется точка, лежащая внутри кристалла, в диаметрально противоположных направлениях от которой располагаются одинаковые элементы ограничения и другие свойства многогранника.

Разнообразные элементы, встречаемые в кристаллических  многогранниках, - плоскости, оси, центр симметрии - называются элементами симметрии.

1.4. Сростки.

Одиночные кристаллы  в природе наблюдаются редко. Обычно они встречаются в виде сростков, которые могут состоять из двух, трех и большего числа кристаллов. Наиболее часто встречается срастание кристаллов в виде друз и щеток. В таких группах кристаллы располагаются на общем основании и срастаются в случайных положениях в зависимости от условий образования.

Помимо случайных срастаний  наблюдаются и закономерные сростки. Закономерные сростки двух или нескольких кристаллов называют параллельными сростками (кварц, берилл), если соответствующие грани у всех сросшихся кристаллов параллельны друг другу.

В том случае, когда  один из сросшихся кристаллов является зеркальным отображением другого или может быть получен из другого кристалла путем поворота на 180º вокруг некоторой оси, именуемой двойниковой осью, такой сросток называется двойником. Двойники бывают двух видов: двойники срастания (гипс) и двойники прорастания (пирит, торианит, флюорит, ставролит).

Среди сростков кристаллов нередко наблюдаются также тройники, четверники и т. д., называемые так по числу сросшихся кристаллов. Наличие сростков характерно для ряда минералов, поэтому сростки нередко являются хорошим диагностическим признаком минералов.

1.5.Образование кристаллов в природе.

Для того чтобы минерал  образовал хороший кристалл, ему  необходимы условия для роста, т. е. свободное пространство. Обычно горные породы являются очень плотными, и минералы, которые в них образуются, имеют неправильные формы. Прозрачные и почти идеальные по форме кристаллы образуются в полостях трещин и других пустотах. При экзогенных процессах, когда происходит разрушение и выветривание пород, драгоценные камни, как более устойчивые, сохраняются и накапливаются в коре выветривания и в россыпях.

В земной коре находят сплошные кристаллические массы флюорита и — намного реже - отдельные, хорошо выраженные кубы, октаэдры и их сростки - друзы. Наиболее значительные месторождения образовались из гидротермальных, не очень горячих растворов. В жильных телах, в гнездах и погребах по соседству с кварцем часто находят превосходные кристаллы флюорита. Местами известняковые массивы под действием фторидсодержащих вод постепенно преобразовались во флюоритовые. Схема реакции:

СаСОз + 2KF = CaF₂ + К₂СО₃,  2NaF + CaCO₃ = CaF₂ + Na₂CO₃.

1.6. Кристаллы в пещерах.

Природная вода океанов, морей, озер, рек, ручьев и подземных  источников представляет собой естественный раствор. В ней растворяются различные  вещества, которые затем при определенных условиях вновь подвергаются кристаллизации. Особенно интересна кристаллизация подземных вод в пещерах. Капля за каплей вода просачивается и падает со сводов пещеры вниз. Каждая капелька при этом частично испаряется и оставляет на потолке пещеры вещество, которое было в ней растворено. Так постепенно на потолке пещеры образуется маленький бугорок, вырастающий затем в сосульку. Одна за другой капли мерно падают день за днем, год за годом, век за веком. Звук их падения глухо раздается под сводами пещеры. Сосульки все вытягиваются и вытягиваются, а навстречу им начинают расти вверх такие же длинные столбы сосулек со дна пещеры. 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 красивы подземные чертоги, украшенные фантастическими нагромождениями сталактитов и сталагмитов.

Одна из интереснейших  и величайших пещер мира находится  близ г. Кунгур Пермской области. Ее гроты, коридоры и туннели протянулись  под землей на много километров, образуя местами три и даже четыре яруса. В старинной уральской песне поется о том, как в «каменных хоромах» Кунгурской пещеры зимовал атаман Ермак Тимофеевич, а с ним и «дружина его, ни много, ни мало двести человек». Стены и своды Кунгурской пещеры покрыты тонкими, прозрачными пластинками крупных кристаллов льда. Ледяные цветы, иголки, пластинки, гирлянды блестят и переливаются при свете факелов, как драгоценные камни. Со сводов свисают ледяные сталактиты, навстречу им поднимаются ледяные сталагмиты.

Огромный Бриллиантовый грот представляет собой незабываемое зрелище: своды и стены его украшены белыми пушистыми хлопьями, состоящими из множества спаянных между собой крупных кристаллов льда, а ледяные сталактиты и сталагмиты стоят величественной колоннадой. В Полярном гроте оригинальные ледяные натеки похожи на скованный льдом водопад. Веера ледяных кристаллов напоминают своим расположением северное сияние. Грот Дружбы народов — это грандиозный и величественный зал с ледяными арками, столбами и ледяными гирляндами на глыбах белого камня.

1.7.Искусственное получение кристаллов.

При искусственном выращивании  кристаллов в аппаратах создаются  те же физико-химические условия, которые  характерны для природных процессов.

В 1955 году была разработана  специальная аппаратура, создающая давление в десятки и сотни тысяч атмосфер при температурах 1200-1500°C. Алмазы получают из порошка графита, смешанного с никелем. Смесь прессуется в виде небольших дисков размером до 2-3 см, которые затем нагреваются до температуры 2000-3000°C при давлении до   10 · 10⁹ Па. Разумеется, прежде чем строить такие сложные установки, процесс перехода графита в алмаз был изучен теоретически.

Способ получения искусственного рубина известен под названием «метод профессора Вернейля». Порошок оксида алюминия непрерывно поступает в  зону печи, где происходит горение водорода в кислороде. При создавшейся высокой температуре порошок плавится. Капли расплавленной массы падают вниз и попадают на маленький кристаллик рубина, который помещается здесь в качестве затравки. Кристаллизуется прозрачный монокристалл рубина, который постепенно растет вверх. Самым новым методом получения искусственных рубина и сапфира является метод диффузионной плавки, постепенно вытесняющий метод Вернейля.

Искусственные кристаллы  горного хрусталя получают в гидротермальных  условиях. Кристаллы выращивают в  специальных трубах – автоклавах высотой несколько метров. Автоклавы изготавливают из нержавеющей высоколегированной стали и покрывают изнутри серебром. В нижней части трубы размещается кварцевый песок, через который просачивается вода с добавками щелочей. Процесс происходит при температуре несколько сот градусов и высоком давлении. В этих условиях кремнезем растворяется в воде. Насыщенный раствор кремнезема в воде омывает маленький затравочный кристалл кварца, помещенный в верхней части автоклава. Кристалл растет в автоклаве несколько месяцев, а особо чистые кристаллы в течение нескольких лет. Требования технологии в этом процессе очень высоки: температурный режим, например, не может изменяться даже на доли градуса в течение всего роста кристалла.