Всероссийская Интернет-олимпиада школьников, студентов, аспирантов и молодых ученых в области наносистем, наноматериалов и нанотехнологий "Нанотехнологии - прорыв в Будущее!"

ГБОУ лицей № 000, Москва

Творческая работа

О кристаллах

Работу выполнили учащиеся ГБОУ лицея 1575, Москва:

Руководитель работы:

Учитель физики, завкафедрой естественных наук лицея 1575,

Тьютор: Усович Ольга, МГУ

Аннотация

О кристаллах

Цель работы: изучить, что такое природный кристалл, его свойства, вырастить кристаллы из монофосфата аммония .

Актуальность: Кристаллы издавна привлекали внимание людей своей красотой, правильной формой, загадочностью. Эти тела окружают нас всю жизнь, ведь это и лёд, и снег, и снежинки и многие драгоценные и полудрагоценные камни, а так же твёрдые тела, в которых атомы расположены закономерно, образуя кристаллическую решётку. Интерес к кристаллам проявлял даже такой известный учёный как Ломоносов: «...Одно любопытство довольно побуждает, чтобы знать внутренность российской подземной натуры и оную, для общего приращения наук описав, показать учёному совету».

Задачи: 1.Найти информацию о том, что такое кристалл и минерал

3. Рассказать о том, что такое песок

4. Провести опыты по выращиванию кристалла

Результаты:

1. Мы узнали, что кристаллы помнят предысторию роста

2. Вырастили кристаллы из фосфата аммония, а так же кристаллы на картоне за счет капиллярного роста

3. Составили мини-коллекцию песка

1. Введение. 4

2. Кристаллы и минералы. 5

2.1 Виды кристаллов. 7

2.2 Идеальный кристалл. 7

2.3 Реальный кристалл. 7

3. Свойства кристаллов................................................................................. ……..8

3.1 Симметрия……………………………………………………………………...8

3.2 Анизотропия……………………………………………………………………8

4. Кристаллы песка …………...……………………………………………...…….9

5. Теоретическая часть: «выращивание кристаллов». 12

5.1 Зачем выращивают кристаллы.. 12

6. Самостоятельное выращивание кристаллов. 13

6.1 Кристаллы фосфата аммония. 13

Список литературы. 15

«Почти весь мир кристалличен.

В мире царит кристалл и его твердые,

прямолинейные законы»

Академик

1. Введение.

Еще с детства мы помним сказки, которые нам рассказывали бабушки, дедушки, родители. Эти сказки были из разных стран, на разную тему, с разными персонажами, но у всех них было одно общее, во всех было волшебство. Иногда оно передавалось через сверхъестественные способности персонажей, а иногда через магические предметы. Этими предметами нередко становились и кристаллы: кристалл мудрости, кристалл вечности.… Не одну сказку можно найти, в названии которой упоминается кристалл: «малахитовая шкатулка», «хозяйка медной горы», «воспоминания о камне». И хоть в реальной жизни у кристаллов нет магических свойств, интерес к ним остался с детства.

В нашем проекте мы рассказываем о кристаллах, их свойствах, затрагиваем тему о песке, ведь каждая песчинка это отдельный кристалл кварца. Так же в практической части работы мы вырастили кристаллы из монофосфата аммония.

1.
2.Кристаллы и минералы .

По физическим свойствам и молекулярной структуре твёрдые тела разделяют на три класса: кристаллические, аморфные и композиты.

Кристаллы - твёрдые тела, в которых атомы расположены периодично, образуя трёхмерно-периодическую пространственную укладку - кристаллическую решётку.

Кристаллическая структура, будучи индивидуальной для каждого вещества, относится к основным физико-химическим свойствам.

Кристаллизация - образование кристаллов из паров, растворов, расплавов, вещества в твёрдом состоянии (аморфном или другом кристаллическом), в процессе электролиза и при химических реакциях. Приводит к образованию минералов.

По размерам кристаллы бывают различными. Многие из них можно увидеть только в микроскоп. Но встречаются гигантские кристаллы массой в несколько тонн.

Вид кристаллической ячейки льда первым удалось определить Лайнусу Пойлингу в 1935 году.

В такой элементарной ячейке каждый атом кислорода соседствует с четырьмя атомами водорода , причём угол между связями 109,5°, а у воды угол - 105°. Такое различие в углах приводит к искажению формы молекулы, что приводит к тому, что атомы водорода не могут располагаться посредине между атомами кислорода. Элементарная ячейка льда имеет гексагональную структуру, соответствующую шестисторонней симметрии снежинок.

Гексагональная структура льда остается устойчивой при комнатной температуре до температуры плавления. При других температурах и давлениях могут образовываться различного строения снежинки и льдинки.

Разные кристаллы не обязательно формируются разными элементами. Пример, алмаз и графит. Различие в их свойствах связано исключительно с различием их кристаллической структуры.

Минерал - природное тело с определённым химическим составом и кристаллической структурой, образующееся в результате природных физико-химических процессов и обладающее определёнными физическими, механическими и химическими свойствами.

Понятие «минерал» подразумевает твёрдое природное неорганическое кристаллическое вещество.

По высказыванию известного минералога, профессора Санкт-Петербургского горного института, "минерал - это кристалл". Ясно, что свойства минералов и горных пород теснейшим образом связаны с общими свойствами кристаллического состояния.

Русский учёный Фёдоров Е. С. установил, что в природе может существовать только 230 различных пространственных групп, охватывающих всевозможные кристаллические структуры.

К простым кристаллическим решёткам можно отнести

Простую кубическую (частицы располагаются в вершинах куба);

Гранецентрированную кубическую (частицы располагаются и в вершинах куба и в центре каждой грани);

Объёмноцентрированную кубическую (частицы располагаются и в вершинах куба и в центре каждой кубической ячейки);

Гексагональную.

Важнейшими характеристиками минералов являются кристаллохимическая структура и состав. Все остальные свойства минералов вытекают из них или с ними взаимосвязаны.

2.1 Виды кристаллов.

В зависимости от строения, кристаллы делятся на ионные, ковалентные, молекулярные и металлические.

Ионные кристаллы построены из чередующихся катионов (положительно заряженный ион) и анионов (отрицательно заряженный ион), которые удерживаются в определенном порядке силами электростатического притяжения и отталкивания. Ионные кристаллы образуют большинство солей неорганических и органических кислот, оксиды, гидроксиды, соли. В ковалентных кристаллах (их еще называют атомными) в узлах кристаллической решетки находятся атомы, одинаковые или разные, которые связаны ковалентными (образованные перекрытием пары валентных электронных облаков) связями. Эти связи прочные и направлены под определенными углами. Типичным примером является алмаз; в его кристалле каждый атом углерода связан с четырьмя другими атомами, находящимися в вершинах тетраэдра.

Молекулярные кристаллы построены из изолированных молекул, между которыми действуют сравнительно слабые силы притяжения. В результате такие кристаллы имеют намного меньшие температуры плавления и кипения, твердость их низка. Из неорганических соединений молекулярные кристаллы образуют многие неметаллы (благородные газы, водород, азот , белый фосфор, кислород, сера, галогены), соединения, молекулы которых образованы только ковалентными связями. Этот тип кристаллов характерен также почти для всех органических соединений.

Металлические кристаллы образуют чистые металлы и их сплавы. Такие кристаллы можно увидеть на изломе металлов, а также на поверхности оцинкованной жести. Кристаллическая решетка металлов образована катионами, которые связаны подвижными электронами («электронным газом»). Такое строение обусловливает электропроводность , ковкость, высокую отражательную способность (блеск) кристаллов.

Следует разделить идеальный и реальный кристалл.

2.2 Идеальный кристалл.

Является, по сути, математическим объектом, имеющим полную, свойственную ему симметрию, идеализированно ровные гладкие грани.

2.3 Реальный кристалл.

Всегда содержит различные дефекты внутренней структуры решетки, искажения и неровности на гранях и имеет пониженную симметрию многогранника вследствие специфики условий роста, неоднородности питающей среды, повреждений и деформаций. Реальный кристалл не обязательно обладает кристаллографическими гранями и правильной формой, но у него сохраняется главное свойство - закономерное положение атомов в кристаллической решётке.

Для наглядного представления таких структур используются кристаллические решётки, в узлах которых располагаются центры атомов или молекул (или ионов) вещества. Структурный элемент решётки минимального размера называется элементарной ячейкой. Вся кристаллическая решётка может быть построена путём параллельного переноса элементарной ячейки по некоторым направлениям.

Кристаллы, что немало важно, помнят свою предысторию, «место рождения».

Кристаллы образуются:

В момент образования вещества в результате химической реакции

При присоединении к молекуле солей молекулы воды

При осаждении растворённого вещества из раствора

При переходе газообразного или жидкого вещества в твёрдое

При росте кристаллов атомы располагаются в определенном порядке. В это время происходит внешнее воздействие (меняется температура, давление). из-за этого возникают дислокации, из-за них атомы располагаются в ином порядке. Получается, что по дислокации можно понять откуда этот кристалл, как он образовался, что происходит рядом. например снежинки не могут быть одинаковыми, потому что не может быть абсолютно идентичных условий образования, примесей, но все они имеют шестиугольную форму, поскольку имеют схожий основной состав и условия тоже ограничены (температура ниже 0 и т. д.).

Алмаз, графит и наноалмаз являются примером того, что не обязательно кристаллы разные по свойствам состоят из разных веществ. Эти вещества одинаковы по составу и различаются они только строением кристаллической решетки. Наноалмазы были обнаружены в природе в кратерах, образовавшихся от падения метеоритов. Наноалмазы находят применение при создании элементов наноэлектроники.

алмаз и графит наноалмаз

наноалмаз

кристаллическая решётка алмаза и графита

3. Свойства кристаллов.

Хоть реальные кристаллы, встречающиеся в нашей жизни, не обладают магическими свойствами, они обладают не менее интересными свойствами, такие как:

3.1 Симметрия.

Закономерность атомного строения (кристалл может быть совмещён сам с собой путём преобразований симметрии). В природе существует только 230 различных пространственных групп, охватывающих все возможные кристаллические структуры (это установил русский учёный Фёдоров Е. С.)

3.2Анизотропия.

Анизотропия - неодинаковость свойств кристаллов по различным направлениям. Анизотропия является характерным свойством кристаллических тел. При этом свойство анизотропии в простейшем виде проявляется только у монокристаллов. У поликристаллов анизотропия тела в целом может не проявляться вследствие беспорядочной ориентировки микрокристаллов, или даже не проявляется, за исключением случаев специальных условий кристаллизации, специальной обработки и т. п.

Причиной анизотропности кристаллов является то, что при упорядоченном расположении атомов, молекул или ионов силы взаимодействия между ними и межатомные расстояния оказываются неодинаковыми по различным направлениям. Причиной анизотропии молекулярного кристалла может быть также асимметрия его молекул. Макроскопически эта неодинаковость проявляется как правило лишь если кристаллическая структура не слишком симметрична.

4. Кристаллы песка.

Природная коллекция

Из песка получаются красивые природные коллекции.

Когда в пустыне выпадают осадки, вода быстро впитывается в песок. Если в песке много гипса, частицы его вымываются и уходят с водой вглубь. От сильной жары вода поднимается снова к поверхности. Когда происходит полное испарение воды, образуются новые гипсовые кристаллы. Так как формирование минерала происходит в слое песка, песок становится частью кристалла. И туристы, побывавшие в Сахаре с удовольствием берут эти камни - розы пустыни - в свои коллекции. Диаметр лепестков «розы пустыни» бывает от 2-3 миллиметров до нескольких дециметров. Окраска кристаллов целиком зависит от цвета песка, в котором они формировались. Белые «розы пустыни» находят в тунисской Сахаре, черные – в пустынях Аргентины.

Фото Чопорова А. Пустыня Сахара. Природная коллекция. “Роза пустыни”- песчаник

В наше время коллекционирование песка с разных пляжей и вулканов не редкость. Но мало кто знает, что коллекция песка это еще и коллекция кристаллов. Каждая песчинка это маленький кристалл кварца!

Песок из карьера в основном состоит из желтых кристалликов кварца, примеси содержит в минимальном количестве. В Песке из вулкана Гозо может попадаться обсидиан или вулканическое стекло. В песке из Греции многие песчинки не кристаллы кварца, а маленькие минералы других веществ. Белый песок с пляжей Туниса практически не содержит посторонних веществ. Он весь из белых кристаллов кварца. Песчаник является цельным камнем, состоящим из «слепленных» между собой песчинок. Горный хрусталь имеет много общего с песком. Это тоже кристаллики кварца, но только горный хрусталь крупнее по размерам.

Фото 1.Обычный песок из карьера. Фото 2. Песок с белых пляжей Туниса

Фото 3. Вулканический песок

из Греции. Фото 4. Рождение обсидиана

Фото 5. Песок с острова Гозо.

Фото сделаны в микроскоп с увеличением 10.

5. Теоретическая часть: «выращивание кристаллов».

5.1 Зачем выращивают кристаллы

Зачем создают искусственные кристаллы, если и так почти все твердые тела" вокруг нас имеют кристаллическое строение?

Прежде всего природные кристаллы не всегда достаточно крупны, часто они неоднородны, в них имеются нежелательные примеси. При искусствен­ном выращивании можно получить кристаллы крупнее и чище, чем в природе.

Есть и такие кристаллы, которые в природе редки и ценятся дорого, а в технике очень нужны. Поэтому разработаны лабораторные и заводские методы выращивания кристаллов алмаза, кварца, корунда. 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. А самое главное - искусственно вы­ращивая кристаллы, создают вещества, каких вообще нет в природе, множество новых веществ. По словам академика Николая Васильевича Белова, крупный кристалл - это объект проявления, изучения и ис­пользования поразительных свойств кристалла, непре­рывно революционизирующих науку и технику.

В лабораториях и на заводах все более совершен­ствуют методы создания искусственных кристаллов с нужными для техники свойствами, так сказать, кри­сталлов «по мерке», или «на заказ».

Так же, когда мы выращиваем кристаллы, мы будто бы создаем кусочек сказки. Будто по волшебству из порошка и воды вырастают кристаллы. Интерес также состоит в том, что узнавая научное объяснение «сказки», нам кажется, что все, что окружает нас – сказка. Только не волшебники, а химики, не магический порошок, а монофосфат аммония, не волшебный кристалл со своими магическими свойствами и красотой, а обычный, но обязательно красивый.

6.Самостоятельное выращивание кристаллов

Кристаллы образуются:

1. В момент образования вещества в результате химической реакции

2. При присоединении к молекуле солей молекулы воды

3. При осаждении растворённого вещества из раствора

4. При переходе газообразного или жидкого вещества в твёрдое

6.1 Кристаллы фосфата аммония.

1. Подготовка материалов. Нам понадобится: фосфат аммония, мерный стакан, горячая вода, палочка для перемешивания, ёмкость для кристаллов (для выращивания второго типа ещё и камни).

2. Добавляем 70 мл горячей воды на 25 г фосфата аммония и тщательно размешиваем, пока фосфат аммония не растворится.

3. А) полученный раствор выливаем в ёмкость и ждём около суток.

Б) 1. В ёмкость для кристаллов насыпаем камни.

2. в ёмкость наливаем раствор и ждём около недели.

3.А другим раствором пропитываем кусок зелёной бумаги.

Можно вырастить кристаллы и на картоне (картон – пористая структура). Нужно натереть наждачкой края картонки и поставить ее в раствор. На схеме можно увидеть как происходит этот процесс. По капиллярам раствор попадает к краям картонки, происходит испарение и процесс кристаллизации, из раствора вырастают кристаллики.

Схема процесса роста кристалла:капилляры - испарение-кристаллизация

Результаты: (кристаллы фосфата аммония) : (Фото автора)

В этой системе кристаллов есть кристаллы дигидрофосфата аммония, это перспективный материал с нелинейными электрическими свойствами.

Выводы:

1.Мы узнали, что кристаллы помнят предысторию роста

2.Вырастили кристаллы из фосфата аммония, а так же кристаллы на картоне за счет капиллярного роста

3.Составили мини-коллекцию песка

Список литературы.

1. «Удивительные наноструктуры», Кеннет Деффейс и Стефен ДеффейсПод редакцией проф. , Бином 2011

2. «Горные породы и минералы» Научно - поп. издание. Москва, Мир, 1986

3. «Драгоценные камни», Смит Г, Мир, 1980

4. «Практическое руководство по минералогии», Смольянинов Н. А, геологическая литература, 1948

5. «Геологический словарь», М,1980

Содержание статьи

КРИСТАЛЛЫ – вещества, в которых мельчайшие частицы (атомы, ионы или молекулы) «упакованы» в определенном порядке. В результате при росте кристаллов на их поверхности самопроизвольно возникают плоские грани, а сами кристаллы принимают разнообразную геометрическую форму. Каждый, кто побывал в музее минералогии или на выставке минералов, не мог не восхититься изяществом и красотой форм, которые принимают «неживые» вещества.

А кто не любовался снежинками, разнообразие которых поистине бесконечно! Еще в 17 в. знаменитый астроном Иоганн Кеплер написал трактат О шестиугольных снежинках, а спустя три столетия были изданы альбомы, в которых представлены коллекции увеличенных фотографий тысяч снежинок, причем ни одна из них не повторяет другую.

Интересно происхождения слова «кристалл» (оно звучит почти одинаково во всех европейских языках). Много веков назад среди вечных снегов в Альпах, на территории современной Швейцарии, нашли очень красивые, совершенно бесцветные кристаллы, очень напоминающие чистый лед. Древние натуралисты так их и назвали – «кристаллос», по-гречески – лед; это слово происходит от греческого «криос» – холод, мороз. Полагали, что лед, находясь длительное время в горах, на сильном морозе, окаменевает и теряет способность таять. Один из самых авторитетных античных философов Аристотель писал, что «кристаллос рождается из воды, когда она полностью утрачивает теплоту». Римский поэт Клавдиан в 390 то же самое описал стихами:

Ярой альпийской зимой лед превращается в камень.

Солнце не в силах затем камень такой растопить .

Аналогичный вывод сделали в древности в Китае и Японии – лед и горный хрусталь обозначали там одним и тем же словом. И даже в 19 в. поэты нередко соединяли воедино эти образы:

Едва прозрачный лед, над озером тускнея,

Кристаллом покрывал недвижные струи.

А.С.Пушкин. К Овидию

Особое место среди кристаллов занимают драгоценные камни, которые с древнейших времен привлекают внимание человека. Люди научились получать искусственно очень многие драгоценные камни. Например, подшипники для часов и других точных приборов уже давно делают из искусственных рубинов. Получают искусственно и прекрасные кристаллы, которые в природе вообще не существуют. Например, фианиты – их название происходит от сокращения ФИАН – Физический институт Академии наук, где они впервые были получены. Фианиты – кристаллы кубического оксида циркония ZrO 2 , которые внешне очень похожи на бриллианты.

Строение кристаллов.

В зависимости от строения, кристаллы делятся на ионные, ковалентные, молекулярные и металлические. Ионные кристаллы построены из чередующихся катионов и анионов, которые удерживаются в определенном порядке силами электростатического притяжения и отталкивания. Электростатические силы ненаправленные: каждый ион может удержать вокруг себя столько ионов противоположного знака, сколько помещается. Но при этом силы притяжения и отталкивания должны быть уравновешены и должна сохраняться общая электронейтральность кристалла. Все это с учетом размеров ионов приводит к различным кристаллическим структурам. Так, при взаимодействии ионов Na + (их радиус 0,1 нм) и Cl – (радиус 0,18 нм) возникает октаэдрическая координация: каждый ион удерживает около себя шесть ионов противоположного знака, расположенных по вершинам октаэдра. При этом все катионы и анионы образуют простейшую кубическую кристаллическую решетку, в которой вершины куба попеременно заняты ионами Na + и Cl – . Аналогично устроены кристаллы KCl, BaO, CaO, ряда других веществ.

Ионы Cs + (радиус 0,165 нм) по размерам близки ионам Cl – , и возникает кубическая координация: каждый ион окружен восемью ионами противоположного знака, расположенными в вершинах куба. При этом образуется объемноцентрированная кристаллическая решетка: в центре каждого куба, образованного восемью катионами, расположен один анион, и наоборот. (Интересно, что при 445° С CsCl переходит в простую кубическую решетку типа NaCl.) Более сложно устроены кристаллические решетки CaF 2 (флюорита), многих других ионных соединений. В некоторых ионных кристаллах сложные многоатомные анионы могут соединяться в цепи, слои или образовывать трехмерный каркас, в полостях которого располагаются катионы. Так, например, устроены силикаты. Ионные кристаллы образуют большинство солей неорганических и органических кислот, оксиды, гидроксиды, соли. В ионных кристаллах связи между ионами прочные, поэтому такие кристаллы имеют высокие температуры плавления (801° С для NaCl, 2627° С для СаО).

В ковалентных кристаллах (их еще называют атомными) в узлах кристаллической решетки находятся атомы, одинаковые или разные, которые связаны ковалентными связями. Эти связи прочные и направлены под определенными углами. Типичным примером является алмаз; в его кристалле каждый атом углерода связан с четырьмя другими атомами, находящимися в вершинах тетраэдра. Ковалентные кристаллы образуют бор, кремний, германий, мышьяк, ZnS, SiO 2 , ReO 3 , TiO 2 , CuNCS. Поскольку между полярной ковалентной и ионной связью нет резкой границы, то же справедливо и для ионных и ковалентных кристаллов. Так, заряд на атоме алюминия в Al 2 O 3 равен не +3, а лишь +0,4, что свидетельствует о большом вкладе ковалентной структуры. В то же время в алюминате кобальта CoAl 2 O 4 заряд на атомах алюминия увеличивается до +2,8, что означает преобладание ионных сил. Ковалентные кристаллы, как правило, твердые и тугоплавкие.

Молекулярные кристаллы построены из изолированных молекул, между которыми действуют сравнительно слабые силы притяжения. В результате такие кристаллы имеют намного меньшие температуры плавления и кипения, твердость их низка. Так, кристаллы благородных газов (они построены из изолированных атомов) плавятся уже при очень низких температурах. Из неорганических соединений молекулярные кристаллы образуют многие неметаллы (благородные газы, водород, азот, белый фосфор, кислород, сера, галогены), соединения, молекулы которых образованы только ковалентными связями (H 2 O, HCl, NH 3 , CO 2 и др.). Этот тип кристаллов характерен также почти для всех органических соединений. Прочность молекулярных кристаллов зависит от размеров и сложности молекул. Так, кристаллы гелия (радиус атома 0,12 нм) плавятся при –271,4°С (под давлением 30 атм), а ксенона (радиус 0,22 нм) – при –111,8° С; кристаллы фтора плавятся при –219,6° С, а иода – при +113,6° С; метана СН 4 – при –182,5° С, а триаконтана С 30 Н 62 – при +65,8° С.

Металлические кристаллы образуют чистые металлы и их сплавы. Такие кристаллы можно увидеть на изломе металлов, а также на поверхности оцинкованной жести. Кристаллическая решетка металлов образована катионами, которые связаны подвижными электронами («электронным газом»). Такое строение обусловливает электропроводность, ковкость, высокую отражательную способность (блеск) кристаллов. Структура металлических кристаллов образуется в результате разной упаковки атомов-шаров. Щелочные металлы, хром, молибден, вольфрам и др. образуют объемноцентрированную кубическую решетку; медь, серебро, золото, алюминий, никель и др. – гранецентрированную кубическую решетку (в ней помимо 8 атомов в вершинах куба имеются еще 6, расположенные в центре граней); бериллий, магний, кальций, цинк и др. – так называемую гексагональную плотную решетку (в ней 12 атомов расположены в вершинах прямоугольной шестигранной призмы, 2 атома – в центре двух оснований призмы и еще 3 атома – в вершинах треугольника в центре призмы).

Все кристаллические соединения можно разделить на моно- и поликристаллические. Монокристалл представляет собой монолит с единой ненарушенной кристаллической решеткой. Природные монокристаллы больших размеров встречаются очень редко. Большинство кристаллических тел являются поликристаллическими, то есть состоят из множества мелких кристалликов, иногда видных только при сильном увеличении.

Рост кристаллов.

Многие видные ученые, внесшие большой вклад в развитие химии, минералогии, других наук, начинали свои первые опыты именно с выращивания кристаллов. Помимо чисто внешних эффектов, эти опыты заставляют задумываться на тем, как устроены кристаллы и как они образуются, почему разные вещества дают кристаллы разной формы, а некоторые вовсе не образуют кристаллов, что надо сделать, чтобы кристаллы получились большими и красивыми.

Вот простая модель, поясняющая суть кристаллизации. Представим, что в большом зале укладывают паркет. Легче всего работать с плитками квадратной формы – как ни поверни такую плитку, она все равно подойдет к своему месту, и работа пойдет быстро. Именно поэтому легко кристаллизуются соединения, состоящие из атомов (металлы, благородные газы) или небольших симметричных молекул. Такие соединения, как правило, не образуют некристаллических (аморфных) веществ.

Труднее выложить паркет из прямоугольных дощечек, особенно если у них с боков имеются пазы и выступы – тогда каждую дощечку можно уложить на свое место одним единственным способом. Особенно трудно выложить паркетный узор из дощечек сложной формы.

Если паркетчик очень торопится, то плитки будут поступать к месту укладки слишком быстро. Понятно, что правильного узора теперь не получится: если хотя бы в одном месте плитку перекосит, то дальше все пойдет криво, появятся пустоты (как в старой компьютерной игре «Тетрис», в которой «стакан» заполняется деталями слишком быстро). Ничего хорошего не получится и в том случае, если в большом зале начнут укладывать паркет сразу десяток мастеров – каждый со своего места. Даже если они будут работать не спеша, крайне сомнительно, чтобы соседние участки оказались хорошо состыкованными, и в целом, вид у помещения получится весьма неприглядным: в разных местах плитки расположены в разном направлении, а между отдельными участками ровного паркета зияют дыры.

Примерно те же процессы происходят и при росте кристаллов, только сложность здесь еще и в том, что частички должны укладываться не в плоскости, а в объеме. Но ведь никакого «паркетчика» здесь нет – кто же укладывает частички вещества на свое место? Оказывается, они укладываются сами, потому что непрерывно совершают тепловые движения и «ищут» самое подходящее для себя место, где им будет наиболее «удобно». В данном случае «удобство» подразумевает также и наиболее энергетически выгодное расположение. Попав на такое место на поверхности растущего кристалла, частица вещества может там остаться и через некоторое время оказаться уже внутри кристалла, под новыми наросшими слоями вещества. Но возможно и другое – частица вновь уйдет с поверхности в раствор и снова начнет «искать», где ей удобнее устроиться.

Каждое кристаллическое вещество имеет определенную свойственную ему внешнюю форму кристалла. Например, для хлорида натрия эта форма – куб, для алюмокалиевых квасцов – октаэдр. И даже если сначала такой кристалл имел неправильную форму, он все равно рано или поздно превратится в куб или октаэдр. Более того, если кристалл с правильной формой специально испортить, например, отбить у него вершины, повредить ребра и грани, то при дальнейшем росте такой кристалл начнет самостоятельно «залечивать» свои повреждения. Происходит это потому, что «правильные» грани кристалла растут быстрее, «неправильные» – медленнее. Чтобы убедиться в этом, был проведен такой опыт: из кристалла поваренной соли выточили шар, а потом поместили его в насыщенный раствор NaCl; через некоторое время шар сам постепенно превратился в куб! Рис. 6 Формы кристаллов некоторых минералов

Если процесс кристаллизации идет не слишком быстро, а частицы обладают удобной для укладки формой и высокой подвижностью, они легко находят свое место. Если же резко снизить подвижность частиц с низкой симметрией, то они «застывают» как попало, образуя прозрачную массу, похожую на стекло. Такое состояние вещества так и называют – стеклообразным. Примером может служить обычное оконное стекло. Если стекло долго держать сильно нагретым, когда частицы в нем достаточно подвижны, в нем начнут расти кристаллы силикатов. Такое стекло теряет прозрачность. Стеклообразными могут быть не только силикаты. Так, при медленном охлаждении этилового спирта он кристаллизуется при температуре –113,3° С, образуя белую снегообразную массу. Но если охлаждение вести очень быстро (опустить тонкую ампулу со спиртом в жидкий азот с температурой –196° С), спирт застынет так быстро, что его молекулы не успеют построить правильный кристалл. В результате получится прозрачное стекло. То же происходит и с силикатным стеклом (например, оконным). При очень быстром охлаждении (миллионы градусов в секунду) даже металлы можно получить в некристаллическом стеклообразном состоянии.

Трудно кристаллизуются вещества с «неудобной» формой молекул. К таким веществам относятся, например, белки и другие биополимеры. Но и обычный глицерин, который имеет температуру плавления +18° С, при охлаждении легко переохлаждается, постепенно застывая в стеклообразную массу. Дело в том, что уже при комнатной температуре глицерин очень вязкий, а при охлаждении становится совсем густым. При этом несимметричным молекулам глицерина очень трудно выстроиться в строгом порядке и образовать кристаллическую решетку.

Способы выращивания кристаллов.

Кристаллизацию можно вести разными способами. Один из них – охлаждение насыщенного горячего раствора. При каждой температуре в данном количестве растворителя (например, в воде) может раствориться не более определенного количества вещества. Например, в 100 г воды при 90° С может раствориться 200 г алюмокалиевых квасцов. Такой раствор называется насыщенным. Будем теперь охлаждать раствор. С понижением температуры растворимость большинства веществ уменьшается. Так, при 80° С в 100 г воды можно растворить уже не более 130 г квасцов. Куда же денутся остальные 70 г? Если охлаждение вести быстро, избыток вещество просто выпадет в осадок. Если этот осадок высушить и рассмотреть в сильную лупу, то можно увидеть множество мелких кристалликов.

При охлаждении раствора частички вещества (молекулы, ионы), которые уже не могут находиться в растворенном состоянии, слипаются друг с другом, образуя крошечные кристаллы-зародыши. Образованию зародышей способствуют примеси в растворе, например пыль, мельчайшие неровности на стенках сосуда (химики иногда специально трут стеклянной палочкой по внутренним стенкам стакана, чтобы помочь кристаллизации вещества). Если раствор охлаждать медленно, зародышей образуется немного, и, обрастая постепенно со всех сторон, они превращаются в красивые кристаллики правильной формы. При быстром же охлаждении образуется много зародышей, причем частички из раствора будут «сыпаться» на поверхность растущих кристалликов, как горох из порванного мешка; конечно, правильных кристаллов при этом не получится, потому что находящиеся в растворе частицы могут просто не успеть «устроиться» на поверхности кристалла на положенное им место. Кроме того, множество быстро растущих кристалликов так же мешают друг другу, как несколько паркетчиков, работающих в одной комнате. Посторонние твердые примеси в растворе также могут играть роль центров кристаллизации, поэтому чем чище раствор, тем больше шансов, что центров кристаллизации будет немного.

Охладив насыщенный при 90° С раствор квасцов до комнатной температуры, мы получим в осадке уже 190 г, потому что при 20° С в 100 г воды растворяется только 10 г квасцов. Получится ли при этом один большой кристалл правильной формы массой 190 г? К сожалению, нет: даже в очень чистом растворе вряд ли начнет расти один-единственный кристалл: масса кристалликов может образоваться на поверхности остывающего раствора, где температура немного ниже, чем в объеме, а также на стенках и дне сосуда.

Метод выращивания кристаллов путем постепенного охлаждения насыщенного раствора неприменим к веществам, растворимость которых мало зависит от температуры. К таким веществам относятся, например, хлориды натрия и алюминия, ацетат кальция.

Другой метод получения кристаллов – постепенное удаление воды из насыщенного раствора. «Лишнее» вещество при этом кристаллизуется. И в этом случае чем медленнее испаряется вода, тем лучше получаются кристаллы.

Третий способ – выращивание кристаллов из расплавленных веществ при медленном охлаждении жидкости. При использовании всех способов наилучшие результаты получаются, если используется затравка – небольшой кристалл правильной формы, который помещают в раствор или расплав. Таким способом получают, например, кристаллы рубина. Выращивание кристаллов драгоценных камней проводят очень медленно, иногда годами. Если же ускорить кристаллизацию, то вместо одного кристалла получится масса мелких.

Кристаллы могут также расти при конденсации паров – так получаются снежинки и узоры на холодном стекле. При вытеснении металлов из растворов их солей с помощью более активных металлов также образуются кристаллы. Например, если в раствор медного купороса опустить железный гвоздь, он покроется красным слоем меди. Но образовавшиеся кристаллы меди настолько мелкие, что их можно разглядеть только под микроскопом. На поверхности гвоздя медь выделяется очень быстро, поэтому и кристаллы ее слишком мелкие. Но если процесс замедлить, кристаллы получатся большими. Для этого медный купорос надо засыпать толстым слоем поваренной соли, положить на него кружок фильтровальной бумаги, а сверху – железную пластинку диаметром чуть поменьше. Осталось налить в сосуд насыщенный раствор поваренной соли. Медный купорос начнет медленно растворяться в рассоле (растворимость в нем меньше, чем в чистой воде). Ионы меди (в виде комплексных анионов CuCl 4 2– зеленого цвета) будут очень медленно, в течение многих дней, диффундировать вверх; за процессом можно наблюдать по движению окрашенной границы.

Достигнув железной пластинки, ионы меди восстанавливаются до нейтральных атомов. Но так как процесс этот происходит очень медленно, атомы меди выстраиваются в красивые блестящие кристаллы металлической меди. Иногда эти кристаллы образуют разветвления – дендриты. Меняя условия опыта (температура, размер кристаллов купороса, толщина слоя соли и т.п.), можно менять условия кристаллизации меди.

Переохлажденные растворы.

Иногда насыщенный раствор при охлаждении не кристаллизуется. Такой раствор, который содержит в определенном количестве растворителя больше растворенного вещества, чем это «положено» при данной температуре, называется пересыщенным раствором. Пересыщенный раствор невозможно получить даже очень длительным перемешиванием кристаллов с растворителем, он может образоваться только путем охлаждения горячего насыщенного раствора. Поэтому такие растворы называют также переохлажденными. В них что-то мешает началу кристаллизации, например, раствор слишком вязкий или для роста кристаллов требуются большие зародыши, которых в растворе нет.

Легко переохлаждаются растворы тиосульфата натрия Na 2 S 2 O 3 . 5H 2 O. Если осторожно нагреть кристаллы этого вещества примерно до 56° С, они «расплавятся». В действительности это не плавление, а растворение тиосульфата натрия в «собственной» кристаллизационной воде. С повышением температуры растворимость тиосульфата натрия, как и большинства других веществ, увеличивается, и при 56° С его кристаллизационной воды оказывается достаточно, чтобы растворить всю имеющуюся соль. Если теперь осторожно, избегая резких толчков, охладить сосуд, кристаллы не образуются и вещество останется жидким. Но если в переохлажденный раствор внести готовый зародыш – маленький кристаллик этого же вещества, то начнется быстрая кристаллизация. Интересно, что ее вызывает кристалл только этого вещества, а к постороннему раствор может быть совершенно безразличен. Поэтому если прикоснуться небольшим кристалликом тиосульфата к поверхности раствора, произойдет настоящее чудо: от кристаллика побежит фронт кристаллизации, который быстро дойдет до дна сосуда. Так что уже через несколько секунд жидкость полностью «затвердеет». Сосуд можно даже перевернуть – из него не выльется ни одной капли! Твердый тиосульфат можно снова расплавить в горячей воде и повторить все сначала.

Если пробирку с переохлажденным раствором тиосульфата поставить в ледяную воду, кристаллы будут расти медленнее, а сами будут крупнее. Кристаллизация пересыщенного раствора сопровождается его нагреванием – это выделяется тепловая энергия, полученная кристаллогидратом при его плавлении.

Тиосульфат натрия – не единственное вещество, образующее переохлажденный раствор, в котором можно вызвать быструю кристаллизацию. Подобным свойством обладает, например, и ацетат натрия CH 3 COONa (его легко получить действием уксусной кислоты на соду). С ацетатом натрия опытные лекторы демонстрируют такое «чудо»: на небольшую горку ацетата в блюдце они медленно льют пересыщенный раствор этой соли, который, соприкасаясь с кристаллами, немедленно кристаллизуется, образуя столбик твердой соли!

Кристаллы широко применяются в науке и технике: полупроводники, призмы и линзы для оптических приборов, твердотельные лазеры, пьезоэлектрики, сегнетоэлектрики, оптические и электрооптические кристаллы, ферромагнетики и ферриты, монокристаллы металлов высокой чистоты...

Рентгеноструктурные исследования кристаллов позволили установить строение многих молекул, в том числе и биологически активных – белков, нуклеиновых кислот.

Ограненные кристаллы драгоценных камней, в том числе выращенных искусственно, используются как украшения.

Илья Леенсон

Как правило, природные необработанные драгоценные камни поражают прежде всего теми гладкими плоскостями, которые их ограничивают, придавая им их характерные формы. Эти тела, обладающие определенной симметрией (с начала XVIII в. их называют кристаллами), представляют собой формы проявления элементов и соединений, внутреннее строение которых выше было определено как кристаллическое. Название «кристаллус» у древних греков и римлян относилось только к горному хрусталю. В переводе оно означает «замерзший», поскольку горный хрусталь принимали за сильно уплотненный лед. Впрочем, так считалось вплоть до конца XVII в. Лишь в 1672 г. знаменитый английский ученый Роберт Бойль в своем трактате о драгоценных камнях выступил против такого толкования. Он указал на то, что горный хрусталь в 2,66 раза тяжелее воды и потому никак не может быть льдом, который плавает в воде.

В 1723 г. врач из Люцерна Мориц Антон Капеллер, пожалуй, впервые придал термину «кристалл» более широкое значение. А еще раньше, в 1669 г., датчанин Нильс Стенсен в своем труде «Dissertationis Prodromus» показал, что у кварца всегда появляются одни и те же определенные воды граней, характерные именно для него, причем углы между ними всеща одинаковы (закон постоянства углов). Позже выяснилось, что эти наблюдения над кристаллами кварца имеют общее значение для любых кристаллов.

Как же возникают грани кристалла и как вообще растет кристалл?.

Соединение, хорошо нам известное как вода (молекула Н

0,. состоящая из элементов водорода и кислорода в отношении 2:1), в зависимости от температуры может находиться в твердом (лед), жидком (вода) или газообразном (пар) фазовом состоянии. В твердом состоянии молекулы воды сцеплены между собой, образуя типичную кристаллическую решетку.

С повышением температуры происходит ослабление сил взаимного сцепления координационных связей, которое при 0°С заходит настолько далеко, что наступает распад кристаллической решетки. Высвобождающиеся из нее молекулы образуют новые, теперь уже свободно движущиеся по отношению друг к другу комбинации, при этом соединение переходит в жидкое состояние (воду). Этот процесс называется таянием (в общем случае - плавлением).

При охлаждении воды до точки замерзания стремление атомов к взаимной координации, наоборот, возрастает. Вначале происходит объединение небольшого числа отдельных частиц с образованием зародыша кристалла, который затем путем медленного наращивания снова образует решетку. По завершении этого процесса последнюю опять можно представить как упорядоченную атомную постройку - кристаллическую решетку. Необходимо подчеркнуть, что кристаллическая решетка возникает путем постепенного присоединения атомов. Это и называется ростом кристаллической решетки.

Подобным же образом можно описать рост кристаллов соли из водного раствора (в общем случае - из расплава). Принципиально важно отметить, что растущая кристаллическая решетка стремится окружить себя плоскими атомными сетками, которые воспринимаются глазом как грани кристалла. Свободный беспрепятственный рост кристалла благоприятствует появлению на нем граней. В природе, однако, часто возникает обстановка стесненного роста, обусловленная недостатком свободного объема, помехами со стороны соседних кристаллов и подобными этим явлениями. В результате могут образоваться зерна, имеющие совершенно неправильные внешние контуры. Хотя они и выглядят внешне как совершенно неупорядоченные образования, их внутреннее кристаллическое строение в большинстве случаев полностью сохраняется и может быть выявлено с помощью рентгеновских лучей.

Идеальный кристалл образуется в обстановке полного соответствия условий возникновения и роста. Однако большинство встречающихся в природе кристаллов обнаруживает небольшие отклонения от вдеальной формы - искажения. Эти кристаллы с искаженными формами именуют реальными кристаллами.

При описании форм кристаллов в целом различают простые формы и их комбинации. Простая форма представлена в том случае, когда все грани кристалла одинаковы, равнозначны; если же они различны, то есть принадлежат разным простым формам, говорят о комбинации.

Простые формы можно подразделить на замкнутые простые формы, которые могут существовать сами по себе (всего их у кристаллов в соответствии с законами симметрии только 30), и открытые простые формы, которые возможны лишь в комбинациях.

Если присутствует одна-единственная открытая простая форма, не имеющая другой себе эквивалентной, то говорят о моноэдре (педионе). Если же моноэдр имеет параллельную ему противолежащую грань, то такая открытая простая форма называется пинакоидом, а если другая равнозначная плоскость не параллельна, а располагается под углом к первой, то такая форма носит название домы (из-за своего сходства с двускатной крышей), или диэдра. Когда две равнозначные плоскости сходятся в форме клина, образуется сфеноид (осевой диэдр, полупризма). При наличии нескольких равнозначных плоскостей, пересекающихся по параллельным ребрам, возникают различные призмы: трехсторонняя (тригональная), четырехсторонняя квадратная (тетрагональная), четырехсторонняя прямоугольная (ромбическая) и шестисторонняя (гексагональная).

Пирамиды - открытые формы, образованные несколькими равнозначными плоскостями, ребра которых сходятся в одной точке. Особые разновидности пирамид носят те же названия, что и соответствующие призмы.

К закрытым простым формам относятся бипирамида, октаэдр, трапецоэдр, скаленоэдру бисфеноид (ромбический и тетрагональный тетраэдры), тетраэдр, куб (гексаэдр)I, ромбоэдр, ромбододекаэдр, пентагондодекаэдр, икоситетраэдр (тетрагонтриктаэдр), тетрагексаэдр и гексаоктаэдр.

Поскольку открытые формы не могут существовать сами по себе, самостоятельно, они прежде всего образуют комбинации. Однако и закрытые формы сплошь и рядом встречаются в комбинациях. Среди простых форм комбинации чаще всего образуют призма и пина ко ид, пирамида и моноэдр. Нередко совместно встречаются призма и бипирамида, иноща также куб и октаэдр.

При рассмотрении всех этих кристаллографических форм ясно видно, что каждая из них имеет определенную симметрию, степень которой оценивается; исходя из отдельных ее элементов. В числе этих элементов следует назвать: плоскости зеркального отражения (плоскости симметрии), оси симметрии и центр симметрии. На основании возможных сочетаний различных элементов симметрии формы кристаллов можно подразделить на кристаллографические системы (сингонии) и классы симметрии.

Самой высокой симметрией характеризуется кубическая сингония, к которой принадлежат куб, октаэдр, ромбододекаэдр и другие формы. Из драгоценных и цветных камней в этой сингонии кристаллизуются алмаз, гранат, флюорит, сфалерит.

Далее по симметрии выделяются: тетрагональная сингония- циркон; гексагональная- апатит, берилл; тригональная (частично относимая к гексагональной) - турмалин, корунд; ромбическая - топаз; моноклинная - ортоклаз; триклинная - лабрадор. Здесь названы лишь некоторые представители отдельных сингоний. Кристаллы триклинной сингонии характеризуются самой низкой симметрией.

До сих пор, говоря о кристаллах и их формах, мы имели в виду только отдельные индивидуумы, одиночные кристаллы. Однако в природе они встречаются крайне редко. Сочетание немногих хорошо развитых связанных между собой кристаллов называется срастанием (сростком) кристаллов. Но гораздо чаще встречаются срастания многих кристаллов, нередко несовершенной формы, называемые кристаллическим агрегатом.

Кузьменкова Мария, Осипова Анна

Что такое кристаллы? Какими свойствами они обладают? Что такое кристаллическая решётка? Как растут кристаллы? Как и где они применяются в настоящее время и каковы перспективы их применения в будущем? Вот эти вопросы заинтересовали нас, и мы попытались найти на них ответы сами, так как в учебнике об этом мало говорится и ответов на эти вопросы мы не нашли.

Скачать:

Предварительный просмотр:

НОУ школа – интернат № 26 ОАО «РЖД»

Осипова Анна,

учащиеся 7 класса

Научный руководитель:

Прокушева Наталья Анатольевна,

учитель физики

Нижнеудинск, 2010

Введение 3

1 Понятие «кристалл». Строение кристаллов 4

2 Виды кристаллов 7

3 Образование кристаллов 8

4 Применение кристаллов 9

5 Выращивание кристаллов в домашних условиях 14

Заключение 16

Литература 19

Введение

Поэзия! Завидуй кристаллографии!

Кусай ногти в гневе и бессилии!

О. Мандельштам

Мы живём в мире, в котором большая часть веществ находится в твёрдом состоянии. Мы пользуемся различными механизмами, инструментами, приборами. Мы живём в домах и квартирах. Имеем мебель, бытовые приборы, современнейшие средства связи: радио, телевидение, компьютеры и т.д. А ведь всё это твёрдые тела. С физической точки зрения, человек – твёрдое тело. В отличие от жидкостей, твёрдые тела сохраняют не только объём, но и форму, так как положение в пространстве частиц, составляющих тело, стабильно. Из-за значительных сил межмолекулярного воздействия частицы не могут удаляться друг от друга на значительные расстояния.

В природе часто встречаются твёрдые тела, имеющие форму правильных многогранников. Такие тела назвали кристаллами. Изучение физических свойств кристаллов показало, что геометрически правильная форма – не главная их особенность.

Знаменитое изречение академика А.Е.Ферсмана «Почти весь мир кристалличен. В мире царит кристалл и его твёрдые прямолинейные законы» полностью согласуется с неугасающим научным интересом учёных всего мира и всех областей знания к данному объекту исследования. Так, в конце 60-х годов прошлого века начался серьёзный научный прорыв в области жидких кристаллов, породивший «индикаторную революцию» по замене стрелочных механизмов на средства визуального отображения информации. Позже в науку вошло понятие биологический кристалл (ДНК, вирусы и т.д.), а в 80-х годах XX века – фотонный кристалл.

Что такое кристаллы? Какими свойствами они обладают? Что такое кристаллическая решётка? Как растут кристаллы? Как и где они применяются в настоящее время и каковы перспективы их применения в будущем? Вот эти вопросы заинтересовали нас, и мы попытались найти на них ответы сами, так как в учебнике об этом мало говорится и ответов на эти вопросы мы не нашли.

Цели нашей работы:

1. Проследить эволюцию взглядов на природу кристаллов.
2. Изучить строение и физические свойства кристаллов.
3. Исследовать области применения кристаллов.
4. Вырастить кристаллы в домашних условиях.

1 Понятие «кристалл». Строение кристаллов

Физика твёрдого тела (раздел физики, изучающий структуру и свойства твёрдых тел) – это одна из основ современного технологического общества. В сущности, огромная армия инженеров всего мира работает над созданием твёрдых материалов с заданными свойствами, необходимыми для использования в самых разнообразных станках, механизмах и устройствах в области связи, транспорта и компьютерной техники.

Кристаллы (от греч. kr ý stallos, первоначально - лёд, в дальнейшем - горный хрусталь, кристалл) твёрдые тела, имеющие естественную форму правильных многогранников (рис. 1). Эта форма - следствие упорядоченного расположения в кристаллах атомов, образующих трёхмерно-периодическую пространственную укладку - кристаллическую решетку (рис. 2). Кристаллам ряда химических элементов и их соединений присущи замечательные механические, электрические, магнитные и оптические свойства.

Кристалл - равновесное состояние твёрдых тел. Каждому химическому веществу, находящемуся при данных термодинамических условиях (температуре, давлении) в кристаллическом состоянии, соответствует определённая кристаллическая атомная структура. Кристаллы обладают той или иной симметрией атомной структуры, соответствующей ей макроскопической симметрией внешней формы, а также анизотропией физических свойств. Кристалл, выросший в неравновесных условиях и не имеющий правильной огранки или потерявший её в результате той или иной обработки, сохраняет основной признак кристаллического состояния - решётчатую атомную структуру и все определяемые ею свойства.

Большинство природных или технических твёрдых материалов являются поликристаллическими, они состоят из множества отдельных, беспорядочно ориентированных, мелких кристаллических зёрен, иногда называемых кристаллитами. Таковы, например, многие горные породы, технические металлы и сплавы. Одиночные кристаллы (природные или синтетические) называются монокристаллами.

Рис. 1 Разнообразие кристаллов в природе

Рис. 2 Примеры простых кристаллических решёток: 1 – простая кубическая; 2 – гранецентрированная кубическая; 3 – объёмно-центрированная кубическая; 4 – гексагональная

Русский учёный Е.С.Фёдоров установил, что в природе может существовать только 230 различных пространственных групп, охватывающих все возможные кристаллические структуры. Большинство из них (но не все) обнаружены в природе или созданы искусственно. Кристаллы могут иметь форму различных призм, основанием которых могут быть правильный треугольник, квадрат, параллелограмм и шестиугольник.

Кристаллические решётки металлов часто имеют форму гранецентрированного (медь, золото) или объёмно-центрированного куба (железо), а также шестигранной призмы (цинк, магний).

В основе классификации кристаллов и объяснения их физических свойств может лежать не только форма элементарной ячейки, но и другие виды симметрии, например, поворот вокруг оси. Осью симметрии называют прямую, при повороте вокруг которой на 360° кристалл несколько раз совмещается сам с собой. Число этих совмещений называют порядком оси . Существуют кристаллические решётки, обладающие осями симметрии 2-го, 3-го, 4-го и 6-го порядков. Возможна симметрия кристаллической решётки относительно плоскости симметрии, а также комбинация разных видов симметрии (рис. 3).

Рис.3 Симметрия кристаллов

2 Виды кристаллов

Различают идеальные и реальные кристаллы. Идеальный кристалл я вляется, по сути, математическим объектом, имеющим полную, свойственную ему симметрию, идеализированно ровные гладкие грани и т. д. Реальный кристалл всегда содержит различные дефекты внутренней структуры решетки, искажения и неровности на гранях и имеет пониженную симметрию многогранника вследствие специфики условий роста, неоднородности питающей среды, повреждений и деформаций. Реальный кристалл не обязательно обладает кристаллографическими гранями и правильной формой, но у него сохраняется главное свойство - закономерное положение атомов в кристаллической решётке.

Основной отличительный признак кристаллов - присущее им свойство анизотропии , т о есть зависимость их свойств от направления, тогда как в изотропных (жидкостях , аморфных твёрдых телах ) или псевдоизотропных (поликристаллы) телах свойства от направлений не зависят.

3 Образование кристаллов

Существует три способа образования кристаллов: кристаллизация из расплава, из раствора и из газовой фазы. Примером кристаллизации из расплава может служить образование льда из воды (ведь вода – это расплавленный лёд), а также образования вулканических пород. Пример кристаллизации из раствора в природе – выпадение сотен миллионов тонн соли из морской воды. При охлаждении газа (или пара) электрические силы притяжения объединяют атомы или молекулы в кристаллическое твёрдое вещество – так образуются снежинки.

Наиболее распространёнными способами искусственного выращивания монокристаллов являются кристаллизация из раствора и из расплава. В первом случае кристаллы растут из насыщенного раствора при медленном испарении растворителя или при медленном понижении температуры. Такой процесс можно продемонстрировать в лаборатории с водным раствором поваренной соли. Если дать воде возможность медленно испаряться, то, в конце концов, раствор станет насыщенным, и дальнейшее испарение приведёт к выпадению соли.

Рис. 4 Кристаллизация из раствора

Если твёрдое вещество нагреть, оно перейдёт в жидкое состояние – расплав. Трудности выращивания монокристаллов из расплавов связаны с высокой температурой плавления. Например, для получения кристалла рубина нужно расплавить порошок оксида алюминия, а для этого его нужно нагреть до температуры 2030 °С. Порошок высыпают тонкой струйкой в кислородно-водородное пламя, где он плавится и каплями падает на стержень из тугоплавкого материала. На этом стержне постепенно и вырастает монокристалл рубина.

Рис. 5 Кристаллизация из расплава

4 Применение кристаллов

Применения кристаллов в науке и технике так многочисленны и разнообразны, что их трудно перечислить. Мы ограничились несколькими примерами.

1. Алмаз . Около 80% всех добываемых природных алмазов и все искусственные алмазы используются в промышленности. Алмазные инструменты используются для обработки деталей из самых твёрдых материалов, для бурения скважин при разведке и добыче полезных ископаемых, служат опорными камнями в хронометрах высшего класса для морских судов и других, особо точных приборах. На алмазных подшипниках не обнаруживается никакого износа даже после 25 млн. оборотов. Высокая теплопроводность алмаза позволяет использовать его в качестве теплоотводящей подложки в полупроводниковых электронных микросхемах.

Конечно, алмазы используются и в ювелирных изделиях – это бриллианты.

2. Рубин . Высокая твёрдость рубинов, или корундов, обусловила их широкое применение в промышленности. Из 1 кг синтетического рубина получается около 40 000 опорных камней для часов. Незаменимыми оказались рубиновые стержни – нитеводители на фабриках по изготовлению химического волокна. Они практически не изнашиваются, в то время как нитеводители из самого твёрдого стекла при протяжке через них искусственного волокна изнашиваются за несколько дней.

Новые перспективы для широкого применения рубинов в научных исследованиях и в технике открылись с изобретением рубинового лазера, в котором рубиновый стержень служит мощным источником света, испускаемого в виде тонкого луча.

3. Жидкие кристаллы . Это необычные вещества, которые совмещают в себе свойства кристаллического твёрдого тела и жидкости. Подобно жидкостям они текучи, подобно кристаллам обладают анизотропией. Строение молекул жидких кристаллов таково, что концы молекул очень слабо взаимодействуют друг с другом, в то же время боковые поверхности взаимодействуют очень сильно и могут прочно удерживать молекулы в едином ансамбле.

Рис. 6 Жидкие кристаллы: смектические (слева) и холестерические (справа)

Наибольший интерес для техники представляют холестерические жидкие кристаллы. В них направление осей молекул в каждом слое немного отличается друг от друга. Углы поворота осей зависят от температуры, а от угла поворота зависит окраска кристалла. Эта зависимость используется в медицине: можно непосредственно наблюдать распределение температуры по поверхности человеческого тела, а это важно для выявления скрытых под кожей очагов воспалительного процесса. Для исследования изготовляют тонкую полимерную плёнку с микроскопическими полостями, заполненными холестериком. Когда такую плёнку накладывают на тело, то получается цветное отображение распределения температуры. Этот же принцип используется в жидкокристаллических термометрах.

Наиболее широкое применение жидкие кристаллы получили в буквенно-цифровых индикаторах электронных часов, микрокалькуляторов и т.д. Нужная цифра или буква воспроизводится с помощью комбинации небольших ячеек, выполненных в виде полосок. Каждая ячейка заполнена жидким кристаллом и имеет два электрода, на которые подаётся напряжение. В зависимости от величины напряжения, «загораются» те или иные ячейки. Индикаторы можно делать чрезвычайно миниатюрными, они потребляют мало энергии.

Жидкие кристаллы применяются в различного рода управляемых экранах, оптических затворах, плоских телевизионных экранах.

4. Полупроводники . Исключительная роль выпала на долю кристаллов в современной электронике. Многие вещества в кристаллическом состоянии не являются такими хорошими проводниками электричества, как металлы, но их нельзя отнести и к диэлектрикам, т.к. они не являются и хорошими изоляторами. Такие вещества относят к полупроводникам. Это большинство веществ, их общая масса составляет 4/5 массы земной коры: германий, кремний, селен и др., множество минералов, различные оксиды, сульфиды, теллуриды и др.

Наиболее характерным свойством полупроводников является резкая зависимость их удельного электрического сопротивления под воздействием различных внешних воздействий: температуры, освещения. На этом явлении основана работа таких приборов, как термисторы, фоторезисторы.

Объединяя полупроводники различного типа проводимости, можно пропускать электрический ток только в одном направлении. Это свойство широко используется в диодах, транзисторах.

Исключительно малые размеры полупроводниковых приборов, иногда всего в несколько миллиметров, долговечность, связанная с тем, что их свойства мало меняются со временем, возможность легко изменять их электропроводность открывают широкие перспективы использования полупроводников сегодня и в будущем.

5. Полупроводники в микроэлектронике . Интегральной микросхемой называют совокупность большого числа взаимосвязанных компонентов – транзисторов, диодов, резисторов, конденсаторов, соединительных проводов, изготовленных на одном кристалле. При изготовлении интегральной схемы на пластинку из полупроводника (обычно это кристаллы кремния) наносятся последовательно слои примесей, диэлектриков, напыляются слои металла. В результате на одном кристалле формируется несколько тысяч электрических микроприборов. Размеры такой микросхемы обычно 5 мм, а отдельных микроприборов – порядка 10 –6 м.

–9 –10 –10 м. Для этого на очищенную поверхность монокристалла никеля или кремния с помощью туннельного микроскопа напыляются небольшие количества атомов или молекул других веществ. Поверхность кристалла охлаждается до –269 °С, чтобы исключить заметные перемещения атомов вследствие теплового движения. Размещение отдельных атомов в заданных местах открывают фантастические возможности создания хранилищ информации на атомном уровне. Это уже предел «миниатюризации».

6. Вольфрам и молибден . На современном уровне технического развития резко возросли скорости нагрева и охлаждения деталей приборов и машин, значительно увеличился интервал температур, при которых им приходится работать. Очень часто требуется длительная работа при очень высоких температурах, в агрессивных средах. Также необходимы машины, способные выдерживать большое число температурных циклов.

При таких сложных условиях эксплуатации детали и целые узлы многих машин и приборов очень быстро изнашиваются, покрываются трещинами и разрушаются. Для работы при высоких температурах широко применяются тугоплавкие металлы, например, молибден и вольфрам. Монокристаллы вольфрама и молибдена, полученные при помощи зонной плавки, используются для изготовления сопел реактивных и прямоточных воздушно-реактивных двигателей, обшивок головных частей ракет, ионных двигателей, турбин, атомных силовых установок и во многих других устройствах и механизмах. Поликристаллические вольфрам и молибден применяются для изготовления анодов, катодов, нитей накаливания в лампах, высокотемпературных электрических печей.

7. Кварц . Это диоксид кремния, один из самых распространённых минералов земной коры, по сути, песок. Природные кристаллы кварца имеют размеры от песчинок до нескольких десятков сантиметров, встречаются кристаллы размером до одного метра и более. Чистый кристалл кварца бесцветен. Ничтожные посторонние примеси вызывают разнообразную окраску. Прозрачные бесцветные кристаллы – это горный хрусталь, фиолетовые – аметист, дымчатые – раухтопаз. Оптические свойства кварца обусловили широкое применение его в оптическом приборостроении: из него делают призмы для спектрографов, монохроматоров. Кварц в отличие от стекла хорошо пропускает ультрафиолетовое излучение, поэтому из него изготавливают специальные линзы, применяемые в ультрафиолетовой оптике.

Кварц также обладает пьезоэлектрическими свойствами, т.е. способен преобразовывать механическое воздействие в электрическое напряжение. Благодаря этому свойству кварц широко применяется в радиотехнике и электронике – в стабилизаторах частоты (в том числе и в часах), всевозможных фильтрах, резонаторах и т.д. С помощью кристаллов кварца возбуждают (и измеряют) малые механические и акустические воздействия.

Рис. 7 Применение кристаллов в быту и технике

Из плавленного кварца изготавливают тигли, сосуды и другие ёмкости для химических лабораторий.

5 Практическая часть

Выращивание кристаллов в домашних условиях

Мы вырастили в домашних условиях кристаллы медного купороса.

1. Материал - сульфат меди порошок (медный купорос, CuSO 4 ) - 500г. В процессе теоретической работы над темой мы выяснили, что чем чище соль сульфата меди - тем красивее вырастут кристаллы. Мы взяли обычный медный купорос, который продаётся в отделах «Всё для сада и огорода».

Рис. 8 Медный купорос

2. Стеклянный химический термостойкий стакан вместимостью 200-300мл или обычная стеклянная банка.

Рис. 9 Стеклянная ёмкость

3. Мы налили в банку тёплую воду так, чтобы до краёв осталось 3-4 см. Постепенно добавляли медный купорос в воду и тщательно перемешивали ложкой. Получился насыщенный раствор темно - синего цвета. Банку мы подогрели на водяной бане, чтобы растворить оставшиеся кристаллы.

Рис. 10 Готовый раствор

Мы выбрали самые крупные кристаллики из соли медного купороса, привязали их на нитки. Нитки привязали к обычной шариковой ручке и опустили эту «затравку» в банку, поставили в кухне на шкаф.

Через сутки кристаллы выросли приблизительно до 1 см. в диаметре. Они были похожи на драгоценные камни. Окончательно вытащили их из банки мы недели через две, просушили и покрыли бесцветным лаком. За это время кристаллы на ниточках выросли не много, но на дне тоже образовался кристаллический осадок.

Рис. 11 Так выглядит кристалл медного купороса, выращенный из раствора

Заключение

Кристаллы активно используются в современной науке и технике. Широко в промышленности применяются природные и искусственные алмазы .

Алмазные инструменты используются для обработки деталей из самых твёрдых материалов, для бурения скважин при разведке и добыче полезных ископаемых, служат опорными камнями в хронометрах высшего класса для морских судов и других, особо точных приборах.

Из 1 кг синтетического рубина получается около 40 000 опорных камней для часов. Новые перспективы для широкого применения рубинов в научных исследованиях и в технике открылись с изобретением рубинового лазера, в котором рубиновый стержень служит мощным источником света, испускаемого в виде тонкого луча.

Большой интерес для техники представляют жидкие кристаллы . Это необычные вещества, которые совмещают в себе свойства кристаллического твёрдого тела и жидкости. Наиболее широкое применение жидкие кристаллы получили в буквенно-цифровых индикаторах электронных часов, микрокалькуляторов и т.д. Индикаторы можно делать чрезвычайно миниатюрными, они потребляют мало энергии. Жидкие кристаллы применяются в различного рода управляемых экранах, оптических затворах, плоских телевизионных экранах.

Исключительная роль выпала на долю кристаллов и в современной электронике и микроэлектронике. С их помощью работают такие приборы, как термисторы, фоторезисторы, диоды, транзисторы.

В последнее время всё чаще стали обсуждать возможность создания электронных микросхем, в которых размеры элементов будут сопоставимы с размерами самих молекул, т.е. порядка 10 –9 –10 –10 м. Размещение отдельных атомов в заданных местах открывают фантастические возможности создания хранилищ информации на атомном уровне.

Для работы при высоких температурах широко применяются тугоплавкие металлы, например, молибден и вольфрам . Монокристаллы вольфрама и молибдена используются для изготовления сопел реактивных и прямоточных воздушно-реактивных двигателей, обшивок головных частей ракет, ионных двигателей, турбин, атомных силовых установок и во многих других устройствах и механизмах. Поликристаллические вольфрам и молибден применяются для изготовления анодов, катодов, нитей накаливания в лампах, высокотемпературных электрических печей.

Оптические свойства кварца обусловили широкое применение его в оптическом приборостроении: из него делают призмы для спектрографов, монохроматоров. Кварц в отличие от стекла хорошо пропускает ультрафиолетовое излучение, поэтому из него изготавливают специальные линзы, применяемые в ультрафиолетовой оптике. Из плавленого кварца изготавливают тигли, сосуды и другие ёмкости для химических лабораторий.

Практическая часть нашей работы заключалась в выращивании кристаллов. Мы убедились, что довольно легко и быстро вырастают кристаллы медного купороса. К тому же они очень красивые. А кристаллы из обычной поваренной соли нам вырастить не удалось.

Литература

1. Лымарева Н.А. Проектная деятельность учащихся. Физика 9 – 11 классы. – Волгоград: Учитель, 2008
2. Учебник «Физика-10»: Под ред. А.А.Пинского. – М: Просвещение, 2001.
3. Физическая энциклопедия, т. 3: Под ред. А.М.Прохорова. – М: Советская энциклопедия, 1990.
4. Ресурсы интернета.

В недрах нашей планеты скрыты несметные сокровища. Большая часть драгоценных и полудрагоценных камней имеют гладкую поверхность с четкими гранями, которые придают им определенные очертания симметрии. С XVIII века такие тела называют кристаллами, хотя у древних римлян и греков этот термин применялся по отношению к горному хрусталю. В буквальном переводе, слово «кристаллус» означает «замерзший». В те времена считалось, что это уплотненный лед. Развенчал этот миф доказав, что горный хрусталь тяжелее воды, поэтому никак не может быть замерзшей водой.

Что такое кристалл

Кристаллы - это твердые тела с атомами, расположенными в определенном порядке, образуя трехмерно-периодическую пространственную укладку. Внешне такие тела имеют правильные и симметричные множественные грани.

Первым, кто придал более широкое понятие слову «кристалл», был Капеллер. Хотя понимание и закон постоянств углов был установлен еще Нильсом Стенсеном в 1669 году.

Современное понятие сформировано в Международном союзе кристаллографов, и трактуется как тело, имеющее преимущественно острую дифракционную форму.

В понятие кристалл входит не только алмаз и другие минералы с определенной структурой, но и сахар, даже замерзающая вода.

Классификация

Какие бывают кристаллы? В современном мире все кристаллы разделены на 32 типа и сгруппированы в 6 видов. Также такие твердые тела разделяют на:

• натуральные, то есть извлеченные из недр земли;
• искусственные, то есть созданные руками человека (самый яркий пример - кристаллы Сваровски).

Выделяют также реальные и идеальные кристаллы. Последний вид имеет идеальную симметрию, без дефектов. У реального кристалла обязательно есть какой-либо дефект, то есть, наблюдаются неровности и деформации.

Существует классификация, разделяющая кристаллы на уровне атомов и групп молекул. В данном случае выделяют монокристаллы, которые имеют многогранную форму и не состоят из отдельных частей. Поликристаллы - это несколько монокристаллов, сросшихся вместе.

Какие бывают кристаллы еще? Драгоценные и недрагоценные, то есть, классифицируемые по эстетико-экономическому критерию.

Алмаз

Самый известный и дорогой кристалл в мире. При нормальных условиях этот минерал может существовать вечно, но если его поместить в инертный газ или вакуум, то он превратится в графит.

Добыча алмазов на промышленном уровне ведется на всех континентах. Хотя их происхождение и возраст так и не удалось установить. Известны даже минералы внеземного происхождения, которые попали на землю, сформировавшись при ударном метаморфизме в процессе падения метеоритов.

В подавляющем большинстве алмазы, добываемые на нашей планете, имеют желтый или коричневый цвет. Но встречаются и достаточно уникальные - зеленые, розовато-лиловые и голубые, даже черные. Самые известные - «Портер-Родс» голубого цвета и Дрезденский зеленый. Самыми ценными считаются те, которые имеют уникальный окрас, в особенности рубиново-красные, вишневые, голубые и золотистые.

В природной среде алмазы встречаются всевозможных форм: от круглых и овальных до пятигранных.

Одним из самых дорогих считается красный алмаз, которых в мире насчитывается всего лишь 50 (с идеальной чистотой). Самый дорогой весом в 5,11 каратов называется «Красный щит». Наименование дано по форме кристалла, в начале нашего века он был продан с аукциона за 8 миллионов долларов.

Аквамарин

Какие бывают кристаллы, очень похожие на лед? Это аквамарин. Минерал является разновидностью берилла, и его название переводится как «морская вода». По форме кристаллы напоминают длинностолбчатые и шестигранные призмы с сильным стеклянным блеском. Минерал очень хрупкий и его легко раздавить.

В ювелирном искусстве аквамарин получил популярность только в начале XX века, когда в моду пришел стиль - арт-деко. Месторождения этого минерала есть на всей планете, добывают его из пегматитов, которые расположены в крупнозернистых гранитах.

Самый огромный минерал был найден в 1910 году, его вес составлял 110,5 килограммов.

Аметист

Какие виды кристаллов бывают еще? Аметист относят к полудрагоценным камням или поделочным, в зависимости от цвета. Если окрас непрозрачный, то это поделочный камень, соответственно, прозрачный ценится у ювелиров.

Бывает фиолетового, вишневого, синего, красного цвета. Уникальная особенность этого кварца в том, что оттенок меняется в зависимости от освещения. Некоторые аметисты, найденные в осадочных породах, выцветают под воздействием солнечных лучей.

Бирюза

Какие бывают кристаллы? Название этого минерала знают все - бирюза или камень счастья. Он пользуется популярностью с древних времен.

По форме минерал представлен в виде скрытокристаллической плотной массы. В камне присутствуют мелкие вкрапления округлой формы. На срезе видны жилки бурого или черного цвета. Окрас минерала варьируется от небесно-голубого до блекло-зеленого.

Изумруд

Какие кристаллы бывают в природе еще? Изумруд - драгоценный минерал из берилловой группы, относится к самоцветам первого порядка. Крупные (от 5 карат) и не имеющие дефектов изумруды стоят дороже алмазов.

У минерала цвет варьируется от желтовато-зеленого до травянисто-зеленоватого, главное условие - наличие зеленого оттенка. Камни, добываемые в Южноафриканских странах, имеют примесь оксида железа, поэтому имеют синеватый оттенок.

Один из самых известных в мире - «Девонширский изумруд», его вес составляет 304 грамма. А самый известный в России - «Коковинский» изумруд весом немного более 400 граммов. Добыт на Урале в 1833 году.

Малахит

Какие бывают кристаллы в мире еще, кроме перечисленных? Малахит - это ценный поделочный минерал зеленого цвета. Формы камня в природе разнообразны. Ярко выраженную кристаллическую форму имеют редкие экземпляры минерала, в больших количествах очень редко встречается в одном месте. На территории России практически все запасы минерала исчерпаны. На протяжении длительного времени малахитовую руду использовали для получения меди.

Горный хрусталь

Какого цвета бывают кристаллы? Существуют даже бесцветные, со стеклянным блеском, и речь в данном случае идет о горном хрустале. Это чистый диоксид кремния - бесцветная разновидность кварца. Форма у минерала может быть трапециевидной или призматической.

В эту группу включено несколько разновидностей: волосатик, раухтопаз, аметист, цитрин и морион.

Минерал пользуется спросом не только у ювелиров, но также используется в радиотехнике. Крупные размеры природного материала достаточно дорого стоят. Главное - не путать горный хрусталь с тем, что продается в магазинах. Для получения стеклянного блеска при изготовлении «хрустальной» посуды в стекло добавляется барий и оксид свинца.

Крокоит

Какие формы кристаллов бывают? К самым уникальным можно отнести крокоит. Внешне он напоминает высушенные лепестки шафрана. Относится к красной свинцовой руде из класса хроматов.

Минерал отнесен к коллекционным материалам, так как имеет уникальный цвет, форму и очень редко встречается, является спутником

Самые редкие виды кристаллов

Мусгравит. Обнаружили его примерно 50 лет назад в Австралии. На сегодняшний день нашли только 14 экземпляров. Расцветки у него разнообразные: от светло-желтого с зеленым оттенков до фиолетово-пурпурного. Один карат зеленого мусгравита стоит 6 тысяч долларов.

Грандидьерит. Очень редкий кристалл с голубым или зеленым оттенком. Уникальная особенность камня - способность менять окрас. На сегодняшний день в мире огранили только 20 минералов, соответственно и цена на такие изделия очень высокая - 30 000 долларов/1,8 млн руб. за 1 карат.

Танзанит. Какие бывают кристаллы? Фото этого камня можно увидеть в фильме «Титаник», где он был представлен в виде голубого бриллианта. Ценность минерала в его окраске, которая изменяется в зависимости от освещения, во-вторых, на сегодняшний день найдено только одно месторождение - в Африке, запасы которого иссякнут через 20 лет.

Тааффеит. Очень редкий кристалл, стоимость за карат составляет от 500 до 20 000 долларов (30 000 - 1,2 млн руб.). На сегодняшний день существует только 4 месторождения: в Танзании, на Шри-Ланке и в России (Восточная Сибирь и Карелия). Цвет камня варьируется от бледно-розового до лавандового.

Кристаллы искусственного происхождения

Пожалуй, самые известные и дорогие камни искусственного происхождения продаются под маркой Swarovski. На сегодняшний день в компании широкий ассортимент, представленный более чем 100 тысячами позиций. Кристаллами этого производителя инкрустируют не только ювелирные изделия, но и украшают предметы гардероба, обувь и интерьер.

Какие бывают кристаллы Сваровски? Согласно линейке производителя, большая часть кристаллов представлена в виде конусов, внутренние грани которого максимально раскрывают яркость, блеск и цвет камня. Компания предлагает самую широкую палитру цветов, представлены практически все цвета в чистом виде, некоторые имеют сатиновый или радужный эффект.

На втором месте по полярности идут кристаллы Прециоза (Чехия). Они не уступают по качеству, цвету и форме Сваровски. Из них получаются красивейшие ювелирные изделия.

Корейские кристаллы несколько уступают двум предыдущим, так как механической шлифовке подвергаются только две грани - нижняя и верхняя, остальные формируются в процессе стекольного литься. Цветовая палитра не очень широкая, но основные цвета присутствуют.

На рынке также представлены кристаллы китайского производства. Они не дорогие, но и качество у них достаточно низкое, основной материал не отличается высокой степенью прозрачности.