Проектная работа по химии "Кристаллы вокруг нас"

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение Крымская средняя общеобразовательная школа

Проектная работа по химии

Кристаллы вокруг нас

Выполнила: Замула Татьяна Сергеевна

ученица 9 класса

Руководитель: Бабешко Елена Владимировна

учитель химии и биологии

х. Крымский

2021г

Содержание

1.Введение Стр.

2.Основная часть

2.1. Что такое кристаллы?………………………....…………………….4

2.2. Как образуются кристаллы?.………………………………………..5

2. 3.В чем секрет уникальности кристаллов? ………………………….6

2.4. Снежинки ……………………………………………………………7

2.5. Кристаллы в технике и в быту …………………………………….11

3. Экспериментальная часть…………………………………………….12

3.1. Выращивание кристаллов из поваренной соли …………………..12

3.2. Сладкие палочки …………………………………………………...14

4. Заключение ……………………………………………………………16

5.Список литературы ……………………………………………………17

6. Приложение 1. Кристаллы из поваренной соли …………………….18

7. Приложение 2. Сладкие палочки …………………………………….19

Введение

Кристаллы – поразительные создания природы. Меня восхищают их яркие цвета и прозрачность, ровные, гладкие грани и, самое главное, удивительные формы. Кристаллы выглядят, таким образом, словно их кто-то специально вырезал, отшлифовал и раскрасил.

Многие из самых обычных веществ вокруг нас представляют собой кристаллы. Замерзающая вода превращается в кристаллы льда или снежинки. Каждая отдельная частица соли или сахара тоже кристаллы.

Люди научились выращивать искусственные кристаллы такие как: рубины, изумруды, бриллианты, которые широко используют в ювелирной промышленности.

В детских энциклопедиях и в интернете есть примеры выращивания кристаллов в домашних условиях, а я очень люблю смешивать разные вещества, ну немного похимичить, и у меня возник вопрос, а действительно ли можно вырастить кристаллы в домашних условиях?

Цель: проверить опытным путём возможность роста кристаллов поваренной соли и сахара без применения специальной техники.

Задачи:

• Собрать материал о кристаллах и их свойствах из литературных и интернет источников.

• Провести опыты по выращиванию кристаллов из поваренной соли и сахара.

Место и сроки проведения:

Крымская школа, февраль-март 2021 года.

Методы исследования:

1.Поисковый (сбор информации по теме)

2.Эксперементальный.

Что такое кристаллы

    Наш окружающий мир состоит из кристаллов, можно сказать, что мы живем в мире кристаллов. Здания и промышленные сооружения, самолеты и ракеты, теплоходы и тепловозы, горные породы и минералы состоят из кристаллов. Мы едим кристаллы, лечимся ими и частично состоим из кристаллов.

Кристаллом (от греч. krystallos – «прозрачный лед») вначале называли прозрачный кварц (горный хрусталь), встречавшийся в Альпах. Горный хрусталь принимали за лед, затвердевший от холода до такой степени, что он уже не плавится. Первоначально главную особенность кристалла видели в его прозрачности, и это слово употребляли в применении ко всем прозрачным природным твердым телам. Позднее стали изготавливать стекло, не уступавшее в блеске и прозрачности природным веществам. Предметы из такого стекла тоже называли «кристальными». Еще и сегодня стекло особой прозрачности называется хрустальным. Удивительной особенностью горного хрусталя и многих других прозрачных минералов являются их гладкие плоские грани. В конце XVII в. было подмечено, что имеется определенная симметрия в их расположении и установлено, что некоторые непрозрачные минералы имеют естественную правильную огранку.  Возникла догадка, что форма может быть связана с внутренним строением. В конце концов, кристаллами стали называть все твердые вещества, имеющие природную плоскую огранку.

В оружейной палате есть одежда и короны русских царей, сплошь усыпанные кристаллами - самоцветами - аметистами. В церквах аметистами украшали иконы и алтари.

Как образуются кристаллы?

В природе кристаллы довольно часто образуются в момент охлаждения жидкости и ее последующего затвердевания: молекулы жидкости соединяются в виде особой решетки, которая неоднократно повторяется. Так, в процессе медленного остывания и затвердевания магмы, в недрах нашей планеты образуются кристаллы минералов с разным кристаллическими строением, большинство из которых являются драгоценными камнями.

Кристаллы также могут образовываться из пара. Например, пар, который ты выдыхаешь при сильных морозах, превращается в небольшие белые хлопья. Во время первых осенних заморозков трава и ветки низкорослых кустарников могут покрыться удивительным кристаллами воды, которая испаряется по мере повышения температуры.

Испарение из раствора – еще одна форма образования кристаллов. Например, после испарения воды из насыщенного соляного раствора на дне емкости останутся кристаллы соли. Подобные процессы происходят и в природе. Под лучами жаркого летнего солнца вода в морях и соляных озерах начинает испаряться. Кристаллы соли сначала плавают на поверхности воды, а затем оседают на дно. Так образуются природные месторождения солей.

В чем секрет уникальности кристаллов?

Уникальность кристаллов заключается в особой форме их граней. Если внимательно присмотреться к кристаллам соли и сахара, то разницу можно увидеть даже без микроскопа.

Все кристаллические решетки представляют собой различные геометрические фигуры: треугольники, прямоугольники, квадраты, ромбы и т.д., причем форма зависит от типа молекул и атомов каждого вещества. Характерной особенностью большинства известных нам простых и сложных веществ является их способность при определенных условиях приобретать строго правильную форму – образовывать кристаллы.

Поваренная соль, сахар, вода ниже точки ее замерзания, многие минералы, драгоценные камни и даже металлы дают кристаллические формы.

Кристаллы образуются в момент образования вещества в результате химической реакции, при присоединении к молекуле некоторых солей одной или нескольких молекул воды, при осаждении растворенного вещества из раствора, при переходе из газообразного или жидкого состояния вещества в твердое.

В природе геометрически правильные кристаллы образуются редко, обыкновенно они искажены или недоразвиты, а развиваясь в тесном соседстве, друг с другом, срастаются и теснят друг друга, образуя кристаллические агрегаты.

Искусственное получение правильно образованных кристаллов дает наилучшие результаты при осаждении их из водных растворов. Оно же дает возможность познакомиться, с замечательной способностью кристаллов, восстанавливать нарушенную правильную форму. Вы, может быть, знаете, что холоднокровные животные обладают такой способностью. У ящерицы отрастает отломанный хвост, а у тритона даже лапка. Только эти новые органы получаются недоразвитыми и уродливыми. Кристаллы чинят себя лучше.

Земная кора на 95% состоит из кристаллов, изучаемых многими науками. Известно более 3000 минералов, из которых примерно 25% представлены силикатами, 20% — фосфатами, 10% — сульфидами и 10% — оксидами и гидроксидами.

Наиболее сильное взаимодействие между частицами проявляется в кристаллическом состоянии. Сила этого взаимодействия такова, что частицы образуют пространственную структуру — кристалл, в котором они закономерно расположены на определенном расстоянии друг от друга. Кристалл ограничен плоскими гранями, которые пересекаются по прямым линиям — ребрам, придавая кристаллу форму многогранника.

Углы между гранями обусловлены внутренним строением кристалла и зависят от типа химической связи между частицами, энергии, углов и числа связей между частицами. Углы между соответствующими гранями кристалла одного и того же вещества постоянны. Существование кристаллов является следствием высокого порядка в расположении частиц, составляющих кристалл. Количественной мерой порядка служит энтропия. Наименьшая энтропия — у кристаллического алмаза (S_29s = 2,4 ДжДКмоль)), в котором атом углерода имеет четыре одинаковые по энергии и длине межъядерного расстояния связи, все углы между которыми равны по 109,5° (тетраэдрический угол, л/г* - ги б р и д из а ц и я). Следствием такого строения является исключительная твердость алмаза.

У другой кристаллической модификации углерода — графита — атомы расположены плоскими слоями, в которых от каждого атома отходит по три равные по энергии и межъядерному расстоянию связи с углами между ними по 120° (х/?²-гибридизация). Слои атомов удерживаются благодаря незначительному перекрыванию негибридных р-орбиталей и слабым вап-дер-ваальсовым взаимодействиям. Хотя химические связи в графите прочнее, чем в алмазе, графит относится к мягким минералам и расслаивается при незначительном усилии (вспомните грифель карандаша). Энтропия графита составляет 5,7 Дж/(К-моль).

Частицы в структуре твердого тела образуют кристаллическую решетку — периодически повторяющееся в трех измерениях присущее данному кристаллу расположение частиц (атомов, ионов, молекул). Точки, в которых расположены частицы, называют узлами кристаллической решетки, а точки между узлами на равном расстоянии от них — междоузлиями.

Правильная и периодическая повторяемость расположения частиц в структуре кристалла позволяет представить решетку в виде множества элементарных ячеек,или наименьшей ее части, с помощью которой можно построить всю кристаллическую решетку (структуру). Для этого мысленно осуществляют параллельный перенос (трансляцию) ячейки в трех направлениях (измерениях), последовательно прикладывая ячейки друг к другу

В общем случае элементарная ячейка — это параллелепипед с тремя разными но длине ребрами а, b и с и гремя углами между ними а, р и у.

 Фрагмент кристаллической решетки (иногда так изображают элементарную ячейку кристалла).

Снежинки

Одним из самых интересных и необычных кристаллов являются снежинки. Это кристаллы льда в форме игл, призм, шестиугольников или пластинок.

Вы уже знаете, что в составе молекулы воды содержится два атома водорода и один – кислорода. Когда молекула воды кристаллизуются, она может образовать только трех- или шестиугольные фигуры. Вот в этом и заключается основная причина шестиугольной формы снежинок!

Снежинки зарождаются высоко в облаках при очень низких температурах. Происходит это следующим образом: на мельчайших частичках пыли при отрицательных температурах формируется кристаллики льда. Сначала, под действием потоков воздуха, кристаллики начинают опускаться из – за чего немного подтаивают и слипаются друг с другом. Затем кристаллы снова поднимаются и подмерзают, при этом увеличиваются в размере, так как на них конденсируется влага из воздуха.

Как только кристаллы становятся слишком тяжелыми и не могут больше удерживаться в облаке, они начинают падать. Но долететь до земли снежинки могут только в том случае, когда температура воздуха ниже нуля.

Если возле поверхности земли температура выше 0⁰С, то снежинки либо испарятся и превратятся в водяной пар, который снова поднимается в облака, либо выпадут на землю в виде дождя или мокрого снега.

Форма снежинок зависит от нескольких факторов:

• Температура, при которой снежинка образуется,

• Высоты над уровнем моря,

• Содержание водяного пара в облаке, в котором эта снежинка образовалась.

Ученым удалось выяснить, снежинки какой формы образуется при разных температурах

Снежинки в виде звездочек формируются при температуре от -16 до -12⁰С

Температура в облаке от -3 до 0⁰С способствует образованию плоских шестиугольников. Их также можно увидеть, если температура облака – от -12 до -8⁰С

При температурах от -5 до -3⁰С появляются кристаллы в форме иглы

Если температура находится в пределах от -8 до -5⁰С, то образуются столбики призмы

Падают снежинки очень медленно: их скорость составляет приблизительно 1 км/ч. Во время падения им приходится переживать разные температуры. Поэтому форма снежинок постоянно меняется.

Если снежинки во время падения на землю постоянно вращается, то она принимает симметричную форму. А если летит, например, под сильным порывами ветра, то ей вряд ли удастся сохранить идеальную форму. Скорее всего, такая снежинка будет далека от симметрии.

Гуляя по улице в снегопад, можно поймать несколько снежинок на варежку и внимательно рассмотреть их с помощью лупы. Можно определить, при какой температуре сформировались эти снежинки.

Кристаллы в технике и в быту.

Кристаллы находят довольно широкое применение в технике и быту. Так, благодаря сверхвысокой твердости алмазы, природные и искусственные, используются в промышленности для изготовления высокопрочных режущих инструментов, специальных опорных элементов для особо точных хронометров и других приборов, а ограненные алмазы – бриллианты – считаются самыми дорогими драгоценными камнями.

Рубины также являются драгоценными камнями. Они, как и алмазы, широко применяются в часовой промышленности, на фабриках по изготовлению химического волокна.

Кристаллы кварца нашли применение в радиотехнике.

Скорее всего, вы слышали выражение жидкокристаллический дисплей, или экран. Называют не совсем обычные вещества, которые соединяют в себе свойства как жидкости, так и кристаллических тел. От жидких тел они унаследовали текучесть, а от твердых – упорядоченность в ориентации молекул. Самое широкое применение жидкие кристаллы получили в плоских телевизионных экранах, индикаторах часов, калькуляторов и т.д.

Кристаллы и кристаллические материалы находят применение во многих приборах и устройствах, с которыми мы сталкиваемся каждый день. Кристаллы используются: в компьютерах и мобильных телефонах, аудио- и видеотехнике. Без кристаллов не могут работать многие сложные современные устройства для обработки, передачи и хранения информации. Кристаллы применяются для трансформации одного вида энергии в другой , они нужны для создания когерентных источников света и управления лазерным излучением. Великолепие кристаллов издревле вдохновляет людей на создание красивейших ювелирных украшений и декоративных изделий.  Кристаллы необходимы для обработки поверхностей. Потребность в кристаллах в мире очень высока. Десятки тысяч тонн разнообразных кристаллов выращиваются ежегодно, и специалисты по росту и исследованию кристаллов постоянно востребованы как у нас в стране, так и за рубежом. Работы по созданию технологий кристаллических материалов входят в Перечень Приоритетных направлений развития науки, технологий и техники Российской Федерации, утвержденный Президентом РФ.

Экспериментальная часть

Выращивание кристаллов из поваренной соли.

В домашних условиях совсем не сложно вырастить собственные кристаллы… из обычной соли! Ими можно долго любоваться, ведь все кристаллы такие разные и такие красивые! Возможно, у вас даже возникнет желание вырастить собственную коллекцию.

Для эксперимента понадобятся:

1. Банка емкостью 0,5л.

2. Ножницы

3. Полстакана соли

4. Шерстенная нитка

5. 2 зубочистки

6. Ложка

7. Вода

Особые условия:

Длительность проведения опыта – несколько недель.

Ход опыта:

1. Наполнила банку водой и высыпала в нее соль.

2. Ложкой хорошо перемешала раствор до полного растворения соли. Если она вся растворилась, добавила еще немного и продолжила мешать. Раствор готов, когда соль перестает растворяться в воде.

3. Отрезала кусок шерстяной нитки и каждый ее конец привязала к зубочистке (длина нити должна быть такой, чтобы она могла свободно опуститься до середины банки с насыщенным солевым раствором). Опустила нитку в банку, при этом зубочистки должны лежать на противоположных краях банки.

4. Теперь нужно набраться терпения, ждать и каждый день наблюдать за ростом кристаллов соли.

Что происходит?

В среднем для выращивания кристаллов понадобится 2-3 недели. Это довольно долгий опыт, однако у меня была возможность ежедневно наблюдать за образованием новых и новых кристаллов.

Почему так происходит?

Ворсинки шерстяной нитки становятся центрами кристаллизации следующим образом: беспорядочно двигающиеся молекулы растворенного вещества начинают цепляться за ворсинки и собираться в том порядке, который необходим для образования кристаллической решетки. Сначала на них образуются мельчайшие кристаллики, которые постепенно увеличиваются в размерах.

Сладкие палочки.

Сахарные кристаллы – самые настоящее леденцы на палочках, которые можно сделать дома! Приготовь их и наслаждайся!

Особые условия:

Длительность проведения опыта – неделя.

Для эксперимента понадобятся:

1. Сахар

2. 2 деревянные палочки для мини-шашлыков

3. 1,5 стакана воды

4. Кастрюля

5. 2 стакана из толстого стекла

6. 2 большие бельевые прищепки

7. Плотная белая бумага

Ход опыта

1. Приготовить сироп. Для этого я налила в кастрюлю ½ стакана воды и насыпала несколько столовых ложек сахара. Поставила кастрюлю на небольшой огонь и, размешивая, полностью растворила сахар.

2. На плотную бумагу высыпала небольшое количество сахара. Обмакнула деревянную палочку в сваренный сироп, затем тщательно обваляла ее в сахаре. Кристаллики сахара должны равномерно прилипнуть ко всем сторонам палочки. Обмакнула в сироп, а затем в сахар и вторую палочку. Отложила их в сторону и дождалась полного высыхания.

3. В кастрюлю насыпала 1,5 стакана сахара и влила 1 стакан воды. Поставила кастрюлю на небольшой огонь и, медленно помешивая, растворила весь сахар. Затем в этот сироп насыпала еще 1,5стакана сахара и варила до тех пор, пока весь сахар полностью не растворится.

4. Подготовила палочки: надела на каждую из них бельевую прищепку.

5. Горячий сироп разлила поровну в прозрачные стаканы.

6. В центр каждого стакана опустила палочку с сахарными кристаллами так, чтобы до дна оставалось 1,5 – 2 см. Это расстояние можно отрегулировать при помощи прищепки.

7. Вот и все! А теперь наберись терпения и жди, пока сладкие кристаллы начнут расти.

Что происходит?

Каждый день на палочке появляются все новые и новые кристалликами. И уже через неделю можно полакомиться самодельным леденцом.

Почему так происходит?

Растворяя сахар в воде, я получила сироп – перенасыщенный раствор сахара. Вода удерживает сахар только в горячем состоянии. Остывая, он выходит из раствора и оседает на заготовке – деревянной палочке с сухими кристаллами сахара.

Заключение:

Мой эксперимент показал, что кристаллы можно вырастить самому в домашних условиях. Кристаллы растут в насыщенном растворе при постепенном испарении жидкости. Кристаллы растут намного быстрее, когда много тепла и света. Весь процесс занял 2 недели. Кристаллы можно выращивать разного цвета и размера. Мне понравилось выращивать кристаллы - это очень увлекательное занятие. В результате проведенных исследований я достигла поставленной цели. Мне удалось вырастить кристаллы из поваренной соли и сахара без применения специальной техники. Собранную мной информацию и результаты эксперимента можно использовать как дополнительный материал на уроках химии, при изучении строения кристаллических веществ, а также на занятиях внеурочной деятельностью.

Список литературы:

1. Вайткене Л. Д. Химия., М.: Издательство АСТ, 2017

2. Ольгин О. Давайте по химичим. М.: Издательство (Детская литература), 2002

3. Рюмин В. В. Химические опыты. М.: Издательство АСТ, 2018

4. Савина Л. А. Занимательная химия. М.: Издательство АСТ, 2018

5. Савина Л. А. Я познаю мир. Химия. Энциклопедия. М.: Издательство АСТ, 2004

Приложение 1. Кристаллы из поваренной соли

Приложение 2. Сладкие палочки

17