КРИСТАЛЛЫ. ВЫРАЩИВАНИЕ МОНО- И ПОЛИКРИСТАЛЛОВ

Кошмагамбетов Жансерик Нұрланұлы

студент 2 курса ГЮК КазГЮУ,г. Астана.

E-mail: 95 zhan @ mail.ru

Жумабаева Сауле Какимовна

преподаватель физики высшей квалификационной категории ГЮК  КазГЮУ.

В повседневной жизни мы часто встречаемся с процессом кристаллизации и образованием различных форм фигур. Например — красивые ледяные узоры на стеклах окон зимой или белый налет на поверхности после высыхания разлившейся соленной воды. Как и почему это происходит? Поиски ответов на эти вопросы и вызвали интерес к процессу кристаллизации.

Многие монокристаллы и поликристаллы широко применяются в кристаллографии, кристаллооптике, радиотехнике, в запоминающих устройствах, для измерения слабых температур, в технике управления световыми лучами, в обработке материалов, в бурении, в часах, в точных приборах

Цель исследования: исследование зависимости формы и размеров кристаллов от температуры

Задачи исследования:

1.  Вырастить монокристалл.

2.  Вырастить поликристалл.

3.Вырастить монокристаллы на поверхности различных фигур

Объект исследования:

1.  раствор медного купороса

2.  раствор поваренной соли

Глава 1. Теория кристаллов.

Кристаллы — это твердые тела, атомы или молекулы которых занимают определенные, упорядоченные положения в пространстве. Поэтому кристаллы имеют плоские грани. Например, крупинка обычной поваренной соли имеет плоские грани, составляющие друг с другом прямые углы.

Кристаллическую структуру имеют металлы. Если взять сравнительно большой кусок металла, то на первый взгляд его кристаллическое строение никак не проявляется ни во внешнем виде куска, ни в его физических свойствах. Металлы в обычном состоянии не обнаруживают анизотропии.

Дело здесь в том, что обычно металл состоит из огромного количества сросшихся друг с другом  маленьких кристалликов. Свойства каждого кристаллика зависят от направления, но кристаллики ориентированы по отношению друг к другу беспорядочно. В результате в объеме, значительно превышающем объем отдельных кристалликов, все направления внутри металлов равноправны и свойства металлов одинаковы по всем направлениям.

Твердое тело, состоящее из большого числа одиночных кристалликов, называют поликристаллическим. Одиночные кристаллы называют монокристаллами.

К поликристаллам относятся не только металлы. Большинство кристаллических тел — поликристаллы, так как они состоят из множества сросшихся кристаллов. Одиночные кристаллы — монокристаллы имеют правильную геометрическую форму, и их свойства различны по разным направлениям.

Жидкие кристаллы — вещества, которые ведут себя одновременно как жидкости и как твёрдые тела. Молекулы в жидких кристаллах, с одной стороны, довольно подвижны, с другой — расположены регулярно, образуя подобие кристаллической структуры (одномерной или двумерной). Часто уже при небольшом нагревании правильное расположение молекул нарушается, и жидкий кристалл становится обычной жидкостью. Напротив, при достаточно низких температурах жидкие кристаллы замерзают, превращаясь в твёрдые тела. Регулярное расположение молекул в жидких кристаллах обусловливает их особые оптические свойства. Свойствами жидких кристаллов можно управлять, подвергая их действию магнитного или электрического поля. Это используется в жидкокристаллических индикаторах часов, калькуляторов, компьютеров и последних моделей телевизоров.

Соблюдая большие предосторожности, можно вырастить кристалл больших размеров — монокристалл.

В обычных условиях поликристаллическое тело образуется в результате того, что начавшийся рост многих кристаллов продолжается до тех пор, пока они не приходят в соприкосновение друг с другом, образуя единое тело — поликристалл (см. рис. 1).

Рисунок 1. Поликристалл меди

Чтобы вырастить кристалл, полезно знать, какие процессы управляют его ростом; почему разные вещества дают кристаллы различной формы, а некоторые вовсе не образуют кристаллов; что надо сделать, чтобы кристаллы получились большими и красивыми.

Если кристаллизация идёт очень медленно, то получается один большой кристалл, если быстро — множество мелких кристаллов Выращивание кристаллов производят разными способами:

1. Охлаждение насыщенного раствора.

С понижением температуры растворимость большинства веществ уменьшается, и они, как говорят, выпадают в осадок. Сначала в растворе и на стенках сосуда появляются крошечные кристаллы-зародыши. Когда охлаждение медленное, а в растворе нет твёрдых примесей (скажем, пыли), зародышей образуется немного, и постепенно они превращаются в красивые кристаллы правильной формы. При быстром охлаждении центров кристаллизации возникает много, сам процесс идёт активнее и правильных кристаллов при этом не получится (см. рис. 2)

Рисунок 2 На стенках сосуда образовались множество различных мелких кристалликов

2. Постепенное удаление воды из насыщенного раствора

В этом случае чем медленнее удаляется вода, тем лучше получаются кристаллы. Можно оставить открытый сосуд с раствором при комнатной температуре на длительный срок — вода при этом будет испаряться медленно (особенно если сверху положить лист бумаги или прикрыть марлей). Растущий кристалл можно либо подвесить в насыщенном растворе на тонкой прочной нитке, либо положить на дно сосуда. В последнем случае кристалл периодически надо поворачивать на другой бок. По мере испарения воды в сосуд следует подливать свежий раствор (см. рис. 3).

Рисунок 3 Кристалл, полученный на дне сосуда из раствора медного купороса с добавлением соли и железных опилок

3. Быстрое удаление  воды из насыщенного раствора

В этом случае кристаллы получаются правильной формы, с острыми гранями, но мелкими (раствор находился в широком сосуде рядом с нагревателем) (см. рис. 4)

Рисунок 4 Монокристаллы, полученные при быстром испарении раствора

Выращивание кристаллов — процесс интересный, занимательный, но требующий бережного и осторожного отношения к своей работе. Время от времени кристаллизатор необходимо чистить: сливать раствор и удалять мелкие кристаллики, наросшие на основном, а также на стенках и дне сосуда. Теоретически размер кристалла, который можно вырастить таким способом, неограничен. Если выращенный кристалл оставить открытым в сухом воздухе, он, постепенно теряя содержащуюся в нём воду, превратится в невзрачный серый порошок. Чтобы предохранить кристалл от разрушения, его можно покрыть бесцветным лаком.

Глава 2.

Эксперимент № 1. Выращивание кристаллов поваренной соли

Этот процесс не требует наличия каких-то особых химических препаратов. Кристаллы поваренной соли NaCl представляют собой бесцветные прозрачные кубики.

Насыпал пищевую соль в стакан с водой при температуре 20°С и оставил на несколько минут, предварительно помешав. За это время соль растворилась. Затем добавил ещё соль и снова перемешал. Повторял этот этап до тех пор, пока соль уже не будет растворяться и будет оседать на дно стакана. Так я получил насыщенный раствор соли. Перелил его в чистый стакан такого же объёма, избавившись при этом от излишек соли на дне. Выбрал один более крупный кристаллик поваренной соли и положил его на дно стакана с насыщенным раствором. Уже через 3 дня было заметно значительный для кристаллика рост. С каждым днём он увеличивался. Затем проделал всё то же ещё раз (приготовил насыщенный раствор соли и опустил в него этот кристаллик), он стал расти гораздо быстрее — от размеров 0,3 до ,0,9 см за следующие 3 дня (см. рис. 5)

Рисунок 5 Бесцветные прозрачные кубики. поваренной соли

Эксперимент № 2. Выращивание кристаллов медного купороса

Раствор медного купороса приготовил следующим образом: налил воды в стакан (200 г) и поставил его в кастрюлю с тёплой водой при 50°С и начал растворять 100 г порошка медного купороса также, как и раствор поваренной соли, оставил на несколько дней. Сначала, способом быстрого испарения в открытом сосуде на стенках получил монокристалл медного купороса: (см. рис. 6)

Рисунок 6 Монокристалл, зародыш для поликристалла

Затем поместил его в новый раствор для дальнейшего наращивания при комнатной температуре и закрытом сосуде. Через 2 недели получил поликристалл размером 2,8 см (см рис. 7).     

Рисунок 7 Поликристалл размером 2,8 см

Эксперимент № 3. Выращивание красных  кристаллов меди:

На дно широкой чаши, равномерно по площади дна, положил немного медного купороса, сверху насыпал поваренной соли и закрыл всё это вырезанным кружком бумаги, на неё положил железные стружки. Всё это вместе залил насыщенным раствором поваренной соли и оставил чашу на неделю. За это время выросли иглоугольные красные кристаллы меди. Затем, также как и в предыдущем случае, произвел наращивание и получил  монокристалл и поликристаллы (см. рис. 8).

Рисунок 8 Красные моно — и поли-кристаллы меди

Эксперимент № 4. Исследования зависимости роста кристалла от

температуры

Результаты исследования зависимости роста от температуры  кристаллизации показали,что, чем выше температура кристаллизации, тем больше размеры и острее углы (см. рис. 9 и 10). Оба раствора готовились при температуре 80°С, затем, для кристалла № 9 поддерживалась температура 32—35°С, а для № 10 — температура 58—60°С., росли в течении 2 недель.

Рисунок 9 Монокристалл вырос при тепературе 32 градуса

Рисунок 10 Монокристалл вырос при тепературе при 59 градусах

Процесс кристаллизации можно использовать для покрытия поверхности различных фигур:

1.  на рис. 11 фигура дракона с наросшими на ней кристаллами. В раствор медного купороса добавлена капелька зеленки, фигура сделана из проволоки, обмотанной тоненькой нитью)

Рисунок 11 Фигура дракона с наросшими на ней кристаллами

2.  на рис. 12 веточка розы с наклеенными на нее кубическими

Рисунок 12 Веточка розы с наклеенными на нее кубическими кристалликами голубой меди

3.  кристалликами голубой меди (такие кристаллы получены при температуре 80°С и быстром охлаждении).

4.  На рис. 13 электрический ночной светильник. В начале методом охлаждения насыщенного раствора получены мелкие кристаллики на поверхности стеклянной колбы, затем наклеены кубические кристаллы, полученные методом быстрого испарения при температуре 80°С

Рисунок 13. Электрический ночной светильник

Заключение

· Результаты исследований показали, что форма и размеры кристаллов зависят от температуры насыщенного раствора, (это можно увидеть по полученным кристаллам).

· Используя эту технологию выращивания кристаллов можно покрыть кристаллами нужного цвета поверхность различных фигур.

· В целом процесс выращивания кристаллов из растворов, при котором играет роль диффузия тепла и «питательного» материала, но самое главное-распределение и укладка молекул при выходе их на кристалл, настолько сложен, что в настоящее время невозможно дать количественную оценку скорости роста кристаллов в терминах молекулярных перемещений. Иными словами, до сих пор никто еще не смог, приняв за основу некоторые числовые характеристики, отражающие свойства и движение молекул, успешно рассчитать скорость роста кристалла.

В перспективе я буду продолжать работу, и поставил перед собой цель —

вырастить кристаллическое дерево.

Список литературы:

1.Прохоров А.М. Физика: большой энциклопедический словарь. Научное издательство «Большая Российская энциклопедия», 1998, — 319 с, 330 с.

2.[Электронный ресурс] — Режим доступа — URL: http www.mirkristalkov.com.

3.[Электронный ресурс] — Режим доступа — URL: http www.alhimik.ru.