Выращивание кристаллов

В настоящее время  во всем мире искусственно синтезируется большое количество минералов. Основанием для этого послужило, прежде всего, то, что целый ряд  природных месторождений минералов уже отработан, т. е. из месторождений извлечены все ценные минералы. Другая причина заключается в том, что даже в случаях достаточного количества природных кристаллов их качество не всегда соответствует техническим требованиям. В некоторых случаях необходимы кристаллы минералов, вообще не существующих в природе, и не остается иного пути, кроме искусственного синтеза таких кристаллов.

 Круг искусственных  драгоценных камней, применяемых  в ювелирном деле, или в гемологии,  а также в технике все время  расширяется.

 1.8. Применение кристаллов.

Многие века и даже тысячелетия употреблялись замечательные минералы в качестве украшений, и люди даже не подозревали, какие огромные скрытые возможности таятся, к примеру, в бриллиантовом колье на шее у светской дамы или в рубиновом перстне на пальце вельможи. Но многие из тех свойств, которые определили драгоценность минералов, оказались совершенно необходимыми в технике. Выяснилось, например, что с помощью рубинового лазера можно с большой точностью измерить расстояние от Земли до Луны. Самый ценный камень – алмаз – в настоящее время является больше техническим камнем, чем ювелирным. Алмазы используют для шлифовки, резки, с помощью специальных приспособлений – буровых коронок, усаженных алмазами, сверлят Землю в поисках полезных ископаемых. Флюорит используется на металлургических заводах в качестве флюса, химики производят из него плавиковую кислоту и фтористые соли. Его добавляют в стекла и эмали, чтобы придать им опаловый и молочно-белый цвета. Из ярко и красиво окрашенных кусков изготовляют художественные изделия - вазы, письменные приборы, отделывают камины и др. Чтобы сделать этот хрупкий материал более прочным, его предварительно проваривают в прозрачных смолах, удаляющих газовые включения и заполняющих пустоты и трещинки.

Какие же свойства определили применение минералов в технике?

Твердость. Твердость минералов – это комплексное физическое свойство, зависящее от внутренней структуры, значений межатомных расстояний, валентности ионов и атомов, слагающих минерал и т. д. В практической минералогии для определения твердости пользуются произвольной нелинейной шкалой Мооса. Все минералы по этой шкале делятся на десять групп с твердостью от 1 до10. Более точные количественные значения твердости определяют с помощью специальных приборов – склерометров. Алмазную или стальную пирамидку вдавливают в пришлифованную поверхность минерала, а затем измеряют длину диагонали образовавшейся ямки. Затем эти значения рассчитываются в килограммах на 1 мм². Перечислим самые твердые минералы.

Первым в ряду стоит  алмаз, имеющий максимальную твердость, равную 10. Недаром его название произошло от греческого слова адамас, что означает «непобедимый», или от арабского алмас, т. е. « несокрушимый, непреодолимый». С алмазом по твердости соперничает рубин, имеющий твердость 9 по шкале Мооса, или 2000 кг/мм².Этот минерал является прекрасным абразивом. Твердость граната по шкале Мооса равна 7, а количественно составляет 1100 кг/мм². Из гранатов изготавливают шлифовальные порошки, точильные круги, шкурки, Иногда они заменяют в приборостроении рубин.

Оптические  свойства. Из различных оптических свойств минералов в технике ценят почти те же самые, которые определяют использование минералов в качестве украшений: прозрачность, двупреломление, поляризующие свойства и т. д.

Чистые бездефектные кристаллы горного хрусталя идут на изготовление призм, спектрографов, поляризующих пластинок. Кварцевая лампа широко используется в медицине, органической химии. Флюорит используется для изготовления линз телескопов и микроскопов, для изготовления линз спектрографов, и в других оптических приборах. Оптический флюорит обладает особыми свойствами, весьма ценимыми в специальной оптике. Известно, что даже лучшие оптические стекла хорошо пропускают световые лучи только видимой части спектра. Поэтому они не пригодны для приборов, работающих в ультрафиолетовой и инфракрасной зонах. Из всех материалов только флюорит (да еще фтористый литий) прозрачен  для широкого диапазона длин волн (от 0,125 мк до 9,5—10 мк). К нему добавляются водоустойчивость, отсутствие двупреломления 
лучей, низкий показатель преломления и малая дисперсия видимого света (то есть красные лучи преломляются во флюорите почти  под тем же углом, что и фиолетовые).

Самое большое значение имеет использование оптических свойств минералов, связанное с изобретением лазера - оптического квантового генератора.

 

 

 

Глава 2.

Практическая  часть.

2.1. Затравка для выращиваемого  кристалла.

Выращивание кристаллов я начала с приготовления раствора для получения затравки. Для этого в чистом химическом стакане я нагрела дистиллированную воду до 50°С, растворила выбранную соль (я вырастила кристаллы двух солей: поваренной соли (NaCl) и сульфата меди (CuSO₄) до насыщения раствора, затем профильтровала его в тщательно вымытый химический стакан и опустила в него нить; накрыла стакан картоном и оставила его на сутки.

2.1. Выращивание кристаллов сульфата меди (II)  (CuSO₄)  методом медленного охлаждения и медленного испарения насыщенного раствора.

Через сутки на нити образовалось множество мелких кристаллов медного купороса ярко-голубого цвета, из них я выбрала затравку. Затравка — это центр кристаллизации, поэтому от ее качества зависит, каким станет будущий кристалл. Она должна быть прозрачной, правильной формы, с гладкой поверхностью ребер, без трещин, блочности, включений. Выбранный кристаллик я оставила на нити, а все остальные аккуратно удалила. Нить промыла дистиллированной водой. Затравку я опустила в насыщенный при 30 — 40°С раствор.

Раствор, в  котором растет кристалл, следует  регулярно (через 2 дня) насыщать. Для  этого я вынимала нить, раствор  нагревала на 10 — 20 °С выше комнатной температуры и добавляла соль до насыщения. Ежедневно нить обрастала кристалликами, их я счищала и оставляла одну затравку. Если на самом кристалле случайно образовывались включения, я их также удаляла. По необходимости также удаляла образующиеся на дне мелкие кристаллы. Если я этого не делала, то образовывались сростки. В таких группах кристаллы располагались на общем основании и срастались в случайных положениях.

Для получения  крупного кристалла требуется несколько  недель. Чем равномернее температура в помещении и чем медленнее идет испарение, тем более правильным получается кристалл. Весьма существенное условие успеха опыта — чистота раствора, в который не должна попадать пыль.

В течение  месяца кристалл медного купороса увеличился с 1,5 см до 2,5 см.

Мелкие кристаллы, которые приходилось периодически удалять с нити, оставаясь на воздухе, становились рыхлыми и  белели. Медный купорос (CuSO₄ · 5H₂O) – твердый кристаллогидрат, т.е. соль, в состав которой входит вода. Безводный сульфат меди (II) (CuSO₄) – кристалл белого цвета. Изменение цвета сульфата меди (II) на голубой при растворении его в воде и существование голубых кристаллов медного купороса объясняется взаимодействием его с водой в растворе и с кислородом на воздухе, когда угол преломления лучей меняется, и отражательная способность кристаллов утрачивается.

2.2. Прокаливание кристаллов медного купороса (CuSO₄ · 5H₂O).

Ненужные  сростки кристаллов я прокалила, предварительно взвесив. До прокаливания масса кристаллогидрата (CuSO₄ · 5H₂O)  составляла 100 г. При прокаливании с кристаллами происходило то же самое, что и с кристаллами, оставленными на воздухе: вода из кристалла испарялась, он становился белым, рыхлым – только при прокаливании этот процесс проходил намного быстрее. Масса прокаленных кристаллов (CuSO₄) составила 55 г.

2.3. Выращивание кристаллов поваренной соли (NaCl) методом медленного охлаждения и медленного испарения насыщенного раствора.

Тем же методом, что и  кристаллы медного купороса, я  вырастила кристаллы поваренной соли. Эта соль росла довольно долго и за месяц увеличилась лишь на 5 мм при исходном размере 2-3 мм. При помещении на воздух кристаллы становились более рыхлыми, утрачивали отражательную способность.

 

2.4. Выращивание сталактитов  и сталагмитов.

Вначале я сделала  миниатюрную искусственную «пещеру». Затем приступила к выращиванию в «пещере» сталактитов и сталагмитов. В подходящем сосуде, в который войдет «пещера», я приготовила смесь силикатного клея и воды в соотношении 1: 1, поместила «пещеру» в сосуд так, чтобы уровень жидкости не доходил до ее верхнего свода. К своду «пещеры» должен быть свободный доступ. С помощью шпателя я внесла в «пещеру» сульфат магния (MgSO₄) хлорид кальция (СaCl₂), сульфат меди CuSO₄, хлорид кобальта (CoCl₂), высыпала кристаллы этих солей в раствор. Через несколько минут наблюдался рост «сталагмитов», причем кристаллы малиновой соли хлорида кобальта (CoCl₂)были синими. Я объяснила это изменение взаимодействием соли с силикатным раствором, т. е. мною наблюдалось явление, схожее с изменением цвета сульфата меди (II) (CuSO₄) при растворении его в воде. На следующий день я осторожно вынула «пещеру» с выросшими сталактитами, перевернула ее на 180° и снова опустила в раствор, опять внесла в пещеру те же соли. В «пещере» снова наблюдалось появление причудливых наростов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

В ходе исследования кристаллов я впервые наблюдала рост неживой  материи. Я вырастила кристаллы поваренной соли (NaCl), медного купороса (CuSO₄). Изучение строения, форм кристаллов и областей их применения – увлекательнейшее занятие, в ходе которого я узнала не только много нового о самих кристаллах, но и пополнила свои знания в области химии: познакомилась с новыми процессами, химическими реакциями, физическими явлениями в химии.

В результате изучения я  получила представление о строении и свойствах кристаллов, природных минералах и формировании их в ходе эволюционного развития Земли, применении монокристаллов, поликристаллов и микрокристаллов в современной науке, технике и технологии.

В процессе исследования я совершенствовала и приобрела следующие конкретные умения: наблюдать и изучать явления и свойства веществ и тел; проводить эксперименты; проектировать ход эксперимента; сравнивать, анализировать, делать выводы, устанавливать причинно-следственные связи; работать с дополнительной литературой, справочниками, таблицами, схемами, реальными объектами. 

Поставленные мною в  начале исследования цели и задачи были достигнуты.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Используемая  литература.

1. Т. Д. Харлампович: «Многоликая химия». - «Просвещение»: Москва, 1992.
2. Г. А. Крестов, В. А. Кобенин: «От кристалла к раствору». - «Химия»: Ленинград, 1977.
3. «Энциклопедический словарь юного химика». - «Педагогика»: Москва,1990.
4. А. А. Мжельская, А. В. Матвеева, Е. П. Могутто: «Предпрофильная подготовка. Образовательная область. Естествознание». - «КРИПКиПРО»: Кемерово, 2004.
5. В. И. Соболевский: «Замечательные минералы».- «Просвещение»: Москва, 1983.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приложение

1.   2.   3.

4.      5.

 

6.      7.

8.                 9.

11

1 -  раствор сульфата меди (II) (CuSO₄) с двумя кристаллами затравки в нем. 2 - кристалл медного купороса (CuSO₄ · 5 H₂O). 3, 5 – сростки кристаллов медного купороса (CuSO₄·5 H₂O). 4 – кристаллы поваренной соли (HCl) на шерстяной нити. 6 – кристаллы сульфата меди (II) (CuSO₄) до приготовления раствора. 8 – выращенные кристаллы медного купороса (CuSO₄·5 H₂O). 7, 9 – прокаленные кристаллы медного купороса  (CuSO₄·5 H₂O) – сульфат меди (II) (CuSO4). 10 – искусственная «пещера» со сталактитами и сталагмитами сульфата магния (MgSO₄), хлорида кальция (СaCl₂), сульфата меди (CuSO4), хлорида кобальта (CoCl₂).

1.    2.

3.     4.

5.    6.

7.    8.

1 – кристаллическая  решетка. 2 – кристаллическая решетка  поваренной соли (NaCl): красные шары – ионы натрия, голубые – ионы хлора. 3 – кристаллическая структура хлорида цезия (CsCl): светлый шар – ион цезия, голубые – ионы хлора. 4 – двойники прорастания ставролита. 5 - кристаллы полевого шпата: крайний справа – двойник. 6 – параллельные сростки кристаллов кварца. 7 – буровая коронка, армавированая алмазами. 8 - ограненные прозрачные алмазы – бриллианты.