Уникальные свойства кристаллов. Важнейшие свойства кристаллов

Рассматривая различные кристаллы мы видим, что все они разные по форме, но любой из них представляет симметричное тело. И действительно, симметричность - это одно из основных свойств кристаллов. Симметричными мы называем тела, которые состоят из равных одинаковых частей.

Все кристаллы симметричны. Это значит, что в каждом кристаллическом многограннике можно найти плоскости симметрии, оси симметрии, центры симметрии и другие элементы симметрии так, чтобы совместились друг с другом одинаковые части многогранника. Введем еще одно понятие относящиеся к симметрии - полярность.

Каждый кристаллический многогранник обладает определенным набором элементов симметрии. Полный набор всех элементов симметрии, присущих данному кристаллу называется классом симметрии. Их количество ограничено. Математическим путем было доказано, что в кристаллах существует 32 вида симметрии.

Рассмотрим более подробно виды симметрии в кристалле. Прежде всего, в кристаллах могут быть оси симметрии только 1, 2, 3, 4 и 6 порядков. Очевидно, оси симметрии 5, 7-го и выше порядков не возможны, потому что при такой структуре атомные ряды и сетки не заполнят пространство непрерывно, возникнут пустоты, промежутки между положениями равновесия атомов. Атомы окажутся не в самых устойчивых положениях и кристаллическая структура разрушится.

В кристаллическом многограннике можно найти разные сочетания элементов симметрии - у одних мало, у других много. По симметрии, прежде всего по осям симметрии, кристаллы делятся на три категории.

К высшей категории относятся самые симметричные кристаллы, у них может быть несколько осей симметрии порядков 2, 3 и 4, нет осей 6-го порядка, могут быть плоскости и центры симметрии. К таким формам относятся куб, октаэдр, тетраэдр и др. Им всем присуща общая черта: они примерно одинаковы во все стороны.

У кристаллов средней категории могут быть оси 3, 4 и 6 порядков, но только по одной. Осей 2 порядка может быть несколько, возможны плоскости симметрии и центры симметрии. Формы этих кристаллов: призмы, пирамиды и др. Общая черта: резкое различие вдоль и поперек главной оси симметрии.

Из кристаллов к высшей категории относятся: алмаз, кварцы, гранаты германий, кремний, медь, алюминий, золото, серебро, серое олово вольфрам, железо; к средней категории - графит, рубин, кварц, цинк, магний, белое олово, турмалин, берилл; к низшей - гипс, слюда, медный купорос, сегнетовая соль и др. Конечно в этом списке не были перечислены все существующие кристаллы, а только наиболее известные из них.

Категории в свою очередь разделяются на семь сингоний. В переводе с греческого «сингония» означает «сходноугольство». В сингонию объединяются кристаллы с одинаковыми осями симметрии, а значит, со сходными углами поворотов в структуре.

Сначала стоит упомянуть два основных свойства кристаллов. Одним из них является анизотропия. Под этим термином подразумевается изменение свойств в зависимости от направления. Вместе с тем кристаллы являются телами однородными. Однородность кристаллического вещества состоит в том, что два его участка одинаковой формы и одинаковой ориентировки одинаковы по свойствам.

Поговорим сначала об электрических свойствах. В принципе электрические свойства кристаллов можно рассматривать на примере металлов, так как металлы, в одном из состояний, могут представлять собой кристаллические агрегаты. Электроны, свободно передвигаясь в металле, не могут выйти наружу, для этого нужно затратить энергию. Если при этом затрачивается лучистая энергия, то эффект отрыва электрона вызывает так называемый фотоэлектрический эффект. Аналогичный эффект наблюдается и в монокристаллах. Вырванный из молекулярной орбиты электрон, оставаясь внутри кристалла, обуславливает у последнего металлическую проводимость (внутренний фотоэлектрический эффект). В нормальных же условиях (без облучения) такие соединения не являются проводниками электрического тока.

Поведением световых волн в кристаллах занимался Э. Бертолин, который первый заметил, что волны ведут себя нестандартно при прохождении через кристалл. Однажды Берталин зарисовывал двугранные углы исландского шпата, затем он положил кристалл на чертежи, тогда ученый в первый раз увидел, что каждая линия раздваивается. Он несколько раз убедился, что все кристаллы шпата раздваивают свет, лишь тогда Берталин написал трактат «Опыты с двупреломляющим исландским кристаллом, которые привели к открытию чудесного и необыкновенного преломления» (1669г.). Ученый разослал результаты своих опытов в несколько стран отдельным ученым и академиям. Работы были приняты с полным недоверием. Английская Академия наук выделила группу ученых на проверку данного закона (Ньютон, Бойль, Гук и др.). Эта авторитетная комиссия признала явление случайным, а закон несуществующим. О результатах опытов Берталина было забыто.

Лишь через 20 лет Христиан Гюйгенс подтвердил правильность открытие Берталина и сам открыл двупреломление в кварце. Многие ученые, в последствии занимавшиеся этим свойством подтвердили, что не только исландский шпат, но и многие другие кристаллы раздваивают свет.

Не раздваивают свет кристаллы высшей категории такие как алмаз, каменная соль, квасцы, гранаты, флюорит. У них вообще анизотропия многих свойств проявляется слабее, чем в остальных кристаллах а некоторые свойства изотропны. Во всех кристаллах низшей и средней категорий, если они прозрачны, наблюдается двойное преломление света.

Преломление возникает из-за различия скорости света в разных средах. Так в стекле скорость света в 1,5 раза меньше, чем в воздухе, следовательно, коэффициент преломления равен 1,5.

Причиной двупреломления является анизотропия скорости света в кристаллах. В изотропной среде волны расходятся во все стороны одинаково, как бы по радиусам шара. В кристаллах же световые и звуковые волны расходятся не кругами, и скорость этих волн, а значит и показатели преломления, в разных направлениях различны.

Представим, что в кристалле луч света раздваивается, один ведет себя как «обыкновенный», т.е. идет во все стороны по радиусам шара, другой - «необыкновенный» - идет по радиусам эллипсоида. В таком кристалле существует одно-единственное направление, в котором двупреломления нет. Обыкновенный и необыкновенный лучи идут вместе, луч света не раздваивается. Оно называется оптической осью. Так ведут себя по отношению к свету кристаллы средней категории, поэтому их называют оптически одноосными. В кристаллах низшей категории свет тоже испытывает двойное преломление, но уже оба луча ведут себя как необыкновенные, у обоих показатели преломления во всех направлениях разные и оба распространяются по радиусам эллипсоида. Кристаллы низшей категории называются оптически двуосными. Кристаллы высшей категории, где свет расходится по радиусам шара во все стороны одинаково, называются оптически изотропны.

Проходя через двупреломляющий кристалл, волна света не только раздваивается, но каждый из образованных лучей еще и поляризуется, раскладываются на две плоскости перпендикулярных друг другу. Волна ведет себя подобным образом, т.к. она должна пройти сквозь атомную решетку, ряды которой лежат перед ней. Поэтому она распадается в кристалле на две волны, у которых плоскости колебаний взаимно перпендикулярные.

Такие свойства твёрдых тел как упругость, прочность, поверхностное натяжения определяются силами взаимодействия между атомами и строением кристаллов. Изучая силы межатомного взаимодействия, можно, например, определить величину модуля упругости, предела прочности материала, энергии связи кристалла и коэффициента поверхностного натяжение.

Таким образом, оцениваются характеристики любых твёрдых тел, но проще всего это сделать для идеальных ионных кристаллов. В решетке таких кристаллов периодически чередуются положительные и отрицательные ионы. Для оценки, прежде всего, необходимо выяснить величину силу единичной межатомной связи, которая в ионных кристаллах определяется силой взаимодействия между двумя ионами.

Зависимость сил межатомного взаимодействия от расстояния между центрами атомов в твёрдых телах заключается в следующем:

1) Между атомами одновременно действуют силы притяжения и силы отталкивания. Результирующая сила межатомного взаимодействия - сумма этих двух сил.

2) При уменьшении расстояния между атомами силы отталкивания нарастают значительно быстрее, чем силы притяжения, поэтому существует некоторое расстояние, при котором силы притяжения и силы отталкивания уравновешиваются и результирующая сила становится равной нулю. В кристалле, предоставленном самому себе, ионы располагаются именно на расстоянии r0 друг от друга. Если расстояние между атомами меньше равновесного (r меньше r0), то преобладают силы отталкивания, если (r больше r0), то преобладают силы притяжения.

Эти свойства межатомных сил позволяют условно рассматривать частицы, образующие кристалл как твердые упругие шары, взаимодействующие друг с другом. Деформация растяжения кристалла приводит к увеличению расстояния между центрами соседних шаров и преобладанию сил притяжения, а деформация сжатия - к уменьшению этого расстояния и преобладанию сил отталкивания.

Пределом прочности обычно называют наибольшее напряжение, которое может выдержать материал, не разрушаясь. При растяжении образца предел прочности определяется максимальной величиной результирующей силы межатомного притяжения, приходящейся на единицу площади сечения, перпендикулярного направлению растяжения.

Результирующая сила межатомного взаимодействия достигает максимального значения, когда центры атомов находятся на расстоянии r1 друг от друга. Когда растяжение ещё более увеличивается, силы взаимодействия становятся настолько малыми, что связи между атомами разрываются.

Мал золотник, да дорог

(Об исследованиях Торричелли читайте

Замечательный французский мыслитель, писатель и ученый Блез Паскаль, современник Торричелли, понял, что на основе таких сообщающихся сосудов легко создать могучий «жидкий» подъемный кран или гидравлический пресс.

Для этого диаметр у одной из сообщающихся трубок необходимо сделать намного меньше, чем у другой. Тогда с помощью сравнительно небольшого давления, приложенного к малой трубке, можно передвинуть тяжелую массу жидкости в другом сосуде!

Принцип, предложенный Паскалем, лежит в основе самых современных гидравлических машин и аппаратов, позволяющих получать очень большие давления, необходимые, в частности, для «насильственного» соединения водорода с металлами.

Так, еще не зная атомной и молекулярной структуры тел, ученые прошлого обнаруживали удивительные особенности поведения веществ, которые удалось объяснить только в XX веке…

Чтобы проверить механические свойства материала для сложных конструкций, его растягивают в раскаленном состоянии.

В твердом теле атомы почти не меняются местами, если, конечно, не нагревать его. Нагрев сильно увеличивает быстроту и размах движений атомов около положений равновесия. При высокой температуре твердое тело можно расплавить или даже испарить.

Особую группу твердых тел составляют кристаллы, где атомы распределены в строгом геометрическом порядке. Существует много возможностей расположить атомы в правильные ряды, шеренги и составить из них разнообразные геометрические фигуры, хотя, как доказал еще в прошлом веке русский ученый Е, С. Федоров, наиболее устойчивых конструкций кристаллической решетки ровно 230. Все последующие проверки теории Федорова показали, что в природе не существует других, не предсказанных Федоровым стабильных кристаллических структур.

Строгая периодичность внутреннего строения кристаллов оказалась очень полезной для современной техники.

Свободный электрон, возникший в кристалле под воздействием на него температуры или света, может пройти гораздо большие расстояния, чем в обычном твердом теле, что очень важно при создании приборов для радиотехники.

Разнообразны кристаллы, существующие в природе! Снег, лежащий ранней зимой между кустами и деревьями, тоже состоит из крохотных кристалликов.

Свет проникает в кристалл глубже, чем в твердое тело того же химического состава, но состоящее из множества случайных, хаотично расположенных по отношению друг к другу атомных групп. И это свойство широко используется в оптике - лучшие линзы и призмы делаются, конечно, из кристаллов.

Обнаружены кристаллы, в которых после приложения давления на разных гранях возникают электрические заряды противоположного знака. И наоборот - после пропускания электрического тока эти кристаллы могут сильно сжиматься или расширяться.

Такие удивительные кристаллы, получившие название пьезо-кристаллов , сейчас широко применяются в электронной технике - ведь даже давление звуковой волны вызывает в них появление и ток электрических зарядов, который может быть легко обнаружен и передан по проводам…

Свойства кристаллов

Глубокое изучение свойств столь полезных кристаллов показало, что в них возможно достаточно свободное движение атомов. Более того - в кристаллах были найдены различные несовершенства, нарушения в правильном строении кристаллической решетки, пустоты, сдвиги атомов. Пользуясь этими нарушениями структуры, инородные примеси, посторонние металлические или газовые включения могут довольно глубоко проникнуть в кристалл, особенно когда его получают из расплава или раствора исходного вещества.

Именно поэтому прочность реальных кристаллов чаще всего в десятки, а то и в сотни раз меньше прочности, которой они должны были бы обладать по теоретическим расчетам.

Кристаллы-усы, увеличенные в 150 раз.Сплетенные с волокнами графита, стекла и полимеров кристаллические усы позволили получить новые материалы,легкие и очень прочные.

Около двадцати лет назад в нескольких лабораториях мира внимательные исследователи обнаружили под микроскопом, что на поверхности многих кристаллов самопроизвольно вырастают небольшие «усики». Но по атомным масштабам – это небоскребы, где высота в десятки и сотни раз превышает ширину основания.

Образование крохотных усиков (или, как их теперь называют, нитевидных кристаллов ) происходит за счет малозаметных передвижений атомов по поверхности кристалла. Ведь атомы поверхности опутаны электронными связями только с одной стороны - из глубины кристалла, и это дает им иногда возможность оторваться от соседей и двигаться. Такие блуждающие атомы начинают пристраиваться к случайному выступу на поверхности и окружают его. Рост выступа вверх происходит, как правило, по спирали. Образуется башня-конус, напоминающая устремленный в небо памятник III Интернационалу, символ братства народов, проект которого выполнил в двадцатых годах нашего столетия выдающийся художник и конструктор Владимир Татлин, Недавно проект этого памятника можно было видеть в залах Музея изобразительных искусств им. Пушкина в Москве.

Интересен механизм роста кристаллов-усиков , но самым необычным оказалось… полное отсутствие в них каких-либо дефектов. Прочность крохотных кристаллов в сотни раз превышала прочность массивных кристаллов, на поверхности которых они выросли, и полностью соответствовала теоретической.

Помню, когда в начале шестидесятых годов в одном из журналов появился мой обзор работ по нитевидным кристаллам-усикам, к нам в лабораторию стали приходить многочисленные посетители. Одних интересовали уникальные свойства новых материалов, других беспокоила возможность «незапланированного» роста кристаллов в радиотехнических схемах, где такие усики могли привести к внезапному выходу из строя электронных приборов.

Большую радость открытие нитевидных кристаллов вызвало у всех, кому необходимы прочные и легкие конструкционные материалы. Нитевидные кристаллы стали вплетать в полимерные волокна, соединять с металлами, чтобы получить канаты, ленты и трубы невиданной прочности и долговечности.

Факт геометрически закономерного расположения материальных частиц в кристаллических структурах, окончательно установленный с помощью рентгеновых лучей, положен в основу всей современной кристаллографии. Но теория о решетчатом строении кристаллов была создана задолго до рентгеноанализа. Величайшие кристаллографы Огюст Бравэ, Л.Зонке, Е.С.Федоров, А.Шенфлис и др. дали математическую разработку этой теории. Применение рентгеновых лучей подтвердило опытным путем правильность их умозрительных построений.

Теория структуры кристаллов до 1912 г. базировалась на некоторых особенностях кристаллического состояния, улавливаемых опытным путем. К числу таких важнейших свойств кристаллов относятся:

1. Статичность.Это фиксированное расположение частиц друг по отношению к другу. В аморфном веществе есть фрагменты кристаллов, но со временем эти фрагменты разрушаются. За сотни лет в стёклах, например, происходят изменения и они «текут».

2.Однородность или гомогенность. Согласно опытным данным, однородным называется такое тело, которое во всем своем объеме обнаруживает одинаковые свойства. Однородность кристаллов устанавливается при изучении его свойств по параллельным направлениям. Кристаллическое тело, обладающее во всех своих участках одинаковым строением, должно отличаться однородностью. При этом не принимаются во внимание посторонние загрязнения, включения и несовершенства реальных кристаллов, связанные с внешними воздействиями.

3.Анизотропность - (в переводе «ан»-не, «изос»-равно, «строфос»-свойство, т.е. неравносвойственность) . Анизотропным называется такое однородное тело, которое при одинаковых свойствах по параллельным направлениям обладает в общем случае неодинаковыми свойствами по параллельным направлениям. В связи с решетчатостью структуры одинаковые атомы (ионы, молекулы) должны располагаться строго одинаково, образуя между собой одинаковые промежутки. Поэтому и свойства кристаллов должны быть по таким направлениям одинаковыми. По непараллельным направлениям частицы в общем случае отстоят друг от друга на разных расстояниях, вследствие чего и свойства по таким направлениям должны быть различными.

Например, слюда. Кристаллические пластины этого минерала легко расщепляются только по плоскостям, параллельным его пластинчатости. В поперечных направлениях расщепить слюдяные пластины значительно труднее.

Другим примером анизотропности является минерал дистен (Al 2 O), отличающийся резко различной твердостью по неодинаковым направлениям. Вдоль удлинения кристаллы дистена легко царапаются лезвием ножа, в направлении перпендикулярном удлинению, нож не оставляет никаких следов.

Рис.1.Кристалл дистена

Минерал кордиерит (Mg 2 Al 3 ). Кристалл кордиерита по трем различным направлениям представляется различно окрашенным. Если из такого кристалла вырезать куб с гранями. Перпендикулярными этим направлениям, то по диагонали куба (от вершины к вершине наблюдается серовато-синяя окраска, в направлении поперек куба - желтая, и в направлении вертикальном - индигово-синяя окраска.

Рис.2. Куб, вырезанный из кордиерита.

Кристалл поваренной соли, которая имеет форму куба. Из такого кристалла можно вырезать стерженьки по различным направлениям. Три из них перпендикулярно граням куба, параллельно диагонали. Выяснилось, что для разрыва этих стерженьков необходимы разные усилия: разрывающее усилие для первого стерженька (вертикального вдоль оси) выражается 570 г/мм 2 , для второго (по горизонтальной диагонали) - 1150 г/мм 2 и для третьего (диагональ от вершины к вершине) - 2150 г/мм 2 . (рис.3)

Приведённые примеры исключительны по своей характерности. Но путём точных исследований удалось прийти к выводу, что все кристаллы в том или ином отношении обладают анизотропностью.

Твёрдые аморфные образования также могут быть однородными и даже анизотропными (анизотропность, например, может наблюдаться при растягивании или сдавливании стёкол). Но ни при каких условиях аморфные тела не могут сами по себе принимать многогранную форму.

Лекция 16

Физические свойства кристаллов

Изучением структуры и физических свойств твердых тел занимается физика твердого тела. Она устанавливает зависимость физических свойств от атомной структуры вещества, разрабатывает методы получения и исследования новых кристаллических материалов, обладающих заданными характеристиками.

Физические свойства кристаллов определяются:

1) природой химических элементов, входящих в состав кристаллов;

2) типом химической связи;

3) геометрическим характером структуры, т. е. взаимным расположением атомов в кристаллической структуре;

4) несовершенством структуры, т. е. наличием дефектов.

С другой стороны, именно по физическим свойствам кристаллов мы обычно судим о типе химической связи.

О прочности кристаллов проще всего можно судить по их механическим и термическим свойствам. Чем прочнее кристалл, тем больше его твердость и тем выше его температура плавления. Если изучать изменение твердости с изменением состава в ряду однотипных веществ и сопоставлять полученные данные с соответствующими значениями для температур плавления, то можно заметить «параллелизм» в изменении этих свойств.

Напомню, что самой характерной особенностью физических свойств кристаллов является их симметрия и анизотропия . Анизотропная среда характеризуется зависимостью измеряемого свойства от направления измерения.

Мы уже говорили, что кристаллохимия тесно связана с кристаллографией и физикой. Поэтому, основной задачей кристаллофизики (раздела кристаллографии, изучающего физические свойства кристаллов) является изучение закономерностей физических свойств кристаллов от их строения, а также зависимости этих свойств от внешних воздействий.

Физические свойства веществ можно подразделить на две группы: структурно чувствительные и структурно нечувствительные свойства. Первые зависят от атомной структуры кристаллов, вторые - главным образом от электронного строения и типа химической связи. Примером первых могут служить механические свойства (масса, плотность, теплоемкость, температура плавления и др.), примером вторых - тепло - и электропроводность , оптические и др. свойства.

Так, хорошая электропроводность металлов, обусловленная наличием свободных электронов, будет наблюдаться не только в кристаллах, но и в расплавленных металлах.

Ионный характер связи проявляется, в частности, в том, что многие соли, например, галогениды щелочных металлов, растворяются в полярных растворителях, диссоциируя на ионы. Однако факт отсутствия растворимости не может еще служить доказательством наличия у соединения неполярной связи. Так, энергия связи, например, у оксидов настолько больше энергии связи щелочных галогенидов, что диэлектрическая постоянная воды уже недостаточна для отрыва ионов от кристалла.

Кроме того, некоторые соединения, преимущественно с гомеополярным типом связи, под влиянием большой диэлектрической постоянной полярного растворителя могут в растворе диссоциировать на ионы, хотя в кристаллическом состоянии ионными соединениями они могут и не быть (например НСl, НВr).

В гетеродесмических соединениях некоторые свойства, например механическая прочность соединений, зависят только от одного (слабейшего) типа связи.

Поэтому, кристалл можно рассматривать, с одной стороны, как прерывистую (дискретную) среду. С другой стороны – кристаллическое вещество можно рассматривать как сплошную анизотропную среду. В этом случае физические свойства, проявляющиеся в определенном направлении, не зависят от трансляций (переносов). Это позволяет описывать симметрию физических свойств с помощью точечных групп симметрии.

Описывая симметрию кристалла, мы принимаем во внимание только внешнюю форму, т. е. рассматривает симметрию геометрических фигур. П. Кюри показал, что симметрия материальных фигур описывается бесконечным числом точечных групп, которые в пределе стремятся к рассмотренным ранее семи предельным группам симметрии (семейства вращающегося конуса, неподвижного конуса, вращающегося цилиндра, скрученного цилиндра, неподвижного цилиндра, семейства шара с вращающимися точками поверхности, семейства неподвижного шара).

Предельными точечными группами ‑ группами Кюри – называются точечные группы, содержащие оси бесконечных порядков. Существует всего семь предельных групп: ¥, ¥mm, ¥/m, ¥22, ¥/mm, ¥/¥, ¥/¥mm.

Связь между точечной группой симметрии кристалла и симметрией его физических свойств сформулировал немецкий физик Ф. Нейманн: материал в отношении физических свойств обнаруживает симметрию того же рода, что и его кристаллографическая форма. Это положение известно как принцип Неймана.

Ученик Ф. Немана немецкий физик В. Фойгт существенно уточнил указанный принцип и сформулировал его следующим образом: группа симметрии любого физического свойства должна включать в себя все элементы точечной группы симметрии кристалла.

Рассмотрим некоторые физические свойства кристаллов.

Плотность кристаллов.

Плотность вещества зависит от кристаллической структуры вещества, его химического состава, коэффициента упаковки атомов, валентностей и радиусов слагающих ее частиц.

Плотность изменяется с изменением температуры и давления, т. к. эти факторы вызывают расширение или сжатие вещества.

Зависимость плотности от структуры можно продемонстрировать на примере трех модификаций Al2SiO5:

· андалузит (r = 3,14 – 3,16 г/см3);

· силлиманит (r = 3,23 – 3,27 г/см3);

· кианит (r = 3,53 – 3,65 г/см3).

С увеличением коэффициента упаковки кристаллической структуры плотность вещества возрастает. Например, при полиморфном переходе графита в алмаз с изменением координационного числа атомов углерода с 3 до 4 соответственно возрастает и плотность от 2,2 до 3,5 г/см3).

Плотность реальных кристаллов обычно меньше, чем расчетная плотность (идеальных кристаллов) из-за присутствия дефектов в их структурах. Плотность алмаза, например, колеблется в пределах 2,7 – 3,7 г/см3. Таким образом, по уменьшению реальной плотности кристаллов можно судить о степени их дефектности.

Плотность изменяется и с изменением химического состава вещества при изоморфных замещениях – при переходе от одного члена изоморфного ряда к другому. Например, в ряду оливинов (Mg , Fe 2+ )2[ SiO 4 ] плотность возрастает по мере замены катионов Mg2+ на Fe2+ от r = 3,22 г/см3 у форстерита Mg 2 [ SiO 4 ] до r = 4,39 г/см3 у фаялита .

Твердость.

Под твердостью подразумевается степень сопротивления кристалла внешнему воздействию. Твердость не является физической постоянной. Ее величина зависит не только от изучаемого материала, но и от условий измерения.

Твердость зависит от:

· типа структуры;

· коэффициента упаковки (удельного веса);

· заряда образующих кристалл ионов.

Например, полиморфные модификации CaCO3 – кальцит и арагонит – имеют плотности 3 и 4 соответственно и отличаются разной плотностью их структур:

· для структуры кальцита с КЧСа = 6 ‑ r = 2,72;

· для структуры арагонита с КЧСа = 9 ‑ r = 2,94 г/см3).

В ряду одинаково построенных кристаллов твердость возрастает у увеличением зарядов и уменьшением размеров катионов. Присутствие в структурах достаточно крупных анионов типа F-, OH-, молекул Н2О понижает твердость.

Грани разных форм кристаллов обладают различной ретикулярной плотностью и отличаются по своей твердости. Так, наибольшей твердостью в структуре алмаза обладают грани октаэдра (111), имеющие большую ретикулярную плотность по сравнению с гранями куба (100).

Способность к деформации.

Способность кристалла к пластической деформации определяется, прежде всего, характером химической связи между его структурными элементами.

Ковалентная связь , обладающая строгой направленностью, резко ослабевает уже при незначительных смещениях атомов относительно друг друга. Поэтому кристаллы с ковалентным типом связи (Sb, Bi, As, se и др.) не проявляют способность к пластической деформации.

Металлическая связь не имеет направленного характера и при смещении атомов относительно друг друга меняется слабо. Это определяет высокую степень пластичности металлов (ковкость). Наиболее ковкими являются те металлы, структуры которых построены по закону кубической плотнейшей упаковки, имеющей четыре направления плотноупакованных слоев. Менее ковки металлы с гексагональной плотнейшей упаковкой – с одним направлением плотнейших слоев. Так, среди полиморфных модификаций железа a-Fe и b-Fe ковкостью почти не обладают (решетка I типа), тогда как g-Fe с кубической плотнейшей упаковкой (гранецентрированная кубическая решетка) – ковкий металл как Cu, Pt, Au, Ag и др.

Ионная связь не имеет направленного характера. Поэтому типичные ионные кристаллы (NaCl, CaF2, CaTe и др.) такие же хрупкие, как кристаллы с ковалентной связью. Но в то же время они обладают достаточно высокой пластичностью. Скольжение в них протекает оп определенным кристаллографическим направлениям. Это объясняется тем, что в структуре кристалла можно выделить сетки (110), образованные либо одними ионами Na+, либо ионами Cl-. При пластической деформации одна плоская сетка передвигается относительно соседней таким образом, что ионы Na+ скользят вдоль ионов Cl-. Разноименность зарядов ионов в соседних сетках препятствует разрыву, и они остаются параллельными своему исходному положению. Скольжение вдоль этих слоев протекает при минимальном нарушении в расположении атомов и является наиболее легким.

Тепловые свойства кристаллов.

Теплопроводность тесно связана с симметрией. Наиболее наглядно это можно продемонстрировать на следующем опыте. Покроем тонким слоем парафина грани трех кристаллов: куба, гексагональной призмы, прямого параллелепипеда. Острием тонкой раскаленной иглы прикоснемся к каждой из граней этих кристаллов. По очертаниям пятен плавления можно судить о скорости распространения теплоты на плоскостях граней по различным направлениям.

На кристалле кубической сингонии контуры пятен плавления на всех гранях будут иметь форму круга, что указывает на одинаковую скорость распространения теплоты по всем направлениям от точки касания горячей иглой. Форма пятен в идее кругов на всех гранях кубического кристалла связана с его симметрией.

Форма пятен на верхней и нижней гранях гексагональной призмы будет также иметь форму круга (скорость распространения теплоты в плоскости, перпендикулярной главной оси кристалла средней категории одинакова по всем направлениям). На гранях гексагональной призмы пятна плавления будут иметь форму эллипсов, так как перпендикулярно этим граням проходят оси 2-го порядка.

На всех гранях прямого параллелепипеда (кристалл ортогональной сингонии) пятна плавления будут иметь форму эллипса, т. к. перпендикулярно этим граням проходят оси 2-го порядка.

Итак, скорость распространения теплоты по телу кристалла находится в прямой зависимости от того, вдоль какого линейного элемента симметрии она распространяется. В кристаллах кубической сингонии поверхность распространения теплоты будет иметь форму сферы. Следовательно, в отношении теплопроводности кристаллы кубической сингонии являются изотропными, т. е. по всем направлениям равносвойственными. Поверхность теплопроводности кристаллов средней категории выражается эллипсоидом вращения (параллельно главной оси). В кристаллах низшей категор ии все поверхности теплопроводности имеют форму эллипсоида.

Анизотропия теплопроводности тесно связана со структурой кристаллического вещества. Так, наиболее плотным атомным сеткам и рядам соответствуют большие значения теплопроводности. Поэтому слоистые и цепочечные кристаллы имеют большие различия в направлениях теплопроводности.

Теплопроводность зависит также от степени дефектности кристалла – у более дефектных кристаллов она ниже, чем у синтетических. Вещество в аморфном состоянии обладает более низкой теплопроводностью, чем кристаллы того же состава. Например, теплопроводность кварцевого стекла значительно ниже теплопроводности кристаллов кварца. На этом свойстве основано широкое применение посуды из кварцевого стекла.

Оптические свойства.

Каждое вещество с определенной кристаллической структурой характеризуется своеобразными оптическими свойствами. Оптические свойства тесно связаны с кристаллическим строением твердых тел, его симметрией.

В отношении оптических свойств все вещества можно разделить на оптически изотропные и анизотропные. К первым относятся аморфные тела и кристаллы высшей категории, ко вторым – все остальные. В оптически изотропных средах световая волна, представляющая собой совокупность поперечных гармонических колебаний электромагнитной природы, распространяется с одинаковой скоростью во всех направления. При этом колебания вектора напряженности электрического и магнитного полей происходят также по всевозможным направлениям, но в плоскости, перпендикулярной направлению луча. Вдоль его направления происходит передача световой энергии. Такой свет называется естественным или неполяризованным (рисунок а, б).

В оптически анизотропных средах скорости распространения волны в разных направлениях могут быть различными. При определенных условиях может быть получен так называемый поляризованный свет , для которого все колебания вектора электрического и магнитного полей проходят в строго определенном направлении (рисунок в, г). На поведении такого поляризованного света в кристаллах основана методика кристаллооптических исследований с помощью поляризационного микроскопа.

Двойное лучепреломление света в кристаллах.

линейно поляризованным с взаимно перпендикулярными плоскостями колебаний. Разложение света на два поляризованных луча называется двойным лучепреломлением или двупреломлением.

Двупреломление света наблюдается в кристаллах всех сингоний, за исключением кубической. В кристаллах низшей и средней категории двупреломление происходит по всем направлениям, за исключением одного или двух направлений, называемых оптическими осями .

Явление двупреломления связано с анизотропией кристаллов. Оптическая анизотропность кристаллов выражается в том, что скорость распространения света в них различна по разным направлениям.

В кристаллах средней категории среди множества направлений оптической анизотропии существует одно единичное направление – оптическая ось , совпадающее с главной осью симметрии 3-го, 4-го, 6-го порядков. Вдоль этого направления свет идет не раздваиваясь.

В кристаллах низшей категории имеется два направления, вдоль которых свет не раздваивается. Сечения кристаллов, перпендикулярные этим направлениям, совпадают с оптически изотропными сечениями.

Влияние структурных особенностей на оптические свойства.

В кристаллических структурах со слоями из плотноупакованных атомов расстояние между атомами внутри слоя превышают расстояние между ближайшими атомами, расположенными в соседних слоях. Подобная упорядоченность приводит к более легкой поляризации, если вектор напряжения электрического поля световой волны будет параллелен плоскости слоев.

Электрические свойства.

Все вещества можно разделить на проводники, полупроводники и диэлектрики.

Некоторые кристаллы (диэлектрики) поляризуются под влиянием внешних воздействий. Способность диэлектриков поляризоваться – одно из их фундаментальных свойств. Поляризация – это процесс, связанный с созданием в диэлектрике под действием внешнего электрического поля электрических диполей.

В кристаллографии и физике твердого тела важное теоретическое практическое значение получили явления пьезоэлектричества и пироэлектричества.

Пьезоэлектрический эффект – изменение поляризации некоторых диэлектрических кристаллов при механической деформации. Величина возникших зарядов пропорциональна приложенной силе. Знак заряда зависит от типа кристаллической структуры. Пьезоэлектрический эффект возникает только в кристаллах, лишенных центра инверсии, т. е. имеющих полярные направления. Например, кристаллы кварца SiO2, сфалерита (ZnS).

Пироэлектрический эффект – появление электрических зарядов на поверхности некоторых кристаллов при их нагревании или охлаждении. Пироэлектрический эффект возникает только в диэлектрических кристаллах с единственным полярным направлением, противоположные концы которого не могут быть совмещены ни одной операцией данной группы симметрии. Появление электрических зарядов может происходить только по определенным, полярным направления. Грани, перпендикулярные этим направлениям, получают разные по знаку заряды: одна – положительный, а другая – отрицательный. Пироэлектрический эффект может возникнуть в кристаллах, относящихся к одному из полярных классов симметрии: 1, 2, 3, 4, 6, m, mm2, 3m, 4mm, 6mm.

Из геометрической кристаллографии следует, что направления, проходящие через центр симметрии, не могут быть полярными. Не могут быть полярными и направления, перпендикулярные плоскостям симметрии или осям четного порядка.

В классе пироэлектриков выделяют два подкласса. К первому относятся линейные пироэлектрики, у которых во внешнем поле электрическая поляризация линейно зависит от напряженности электрического поля. Например, турмалин NaMgAl3B3.Si6(O, OH)30.

Кристаллы второго подкласса называются сегнетоэлектриками. У них зависимость поляризации от напряженности внешнего поля носит нелинейный характер и поляризуемость зависит от величины внешнего поля. Нелинейная зависимость поляризации от напряженности электрического поля характеризуется петлей гистерезиса. Эта особенность сегнетоэлектриков предполагает сохранение у них электрической поляризации в отсутствии внешнего поля. Благодаря этому кристаллы сегнетовой соли (отсюда название сегнетоэлектрики) оказались надежными хранителями электрической энергии и регистраторами электрических сигналов, что позволяет их использовать в «ячейках памяти» ЭВМ.

Магнитные свойства.

Это способность тел взаимодействовать с магнитным полем, т. е. намагничиваться при помещении их в магнитное поле. В зависимости от величины магнитной восприимчивости различают диамагнитные, парамагнитные, ферромагнитные и антиферромагнитные кристаллы.

Магнитные свойства всех веществ зависят не только от особенностей их кристаллической структуры, но и от природы слагающих их атомов (ионов), т. е. магнетизм определяется электронным строением оболочек и ядер, а также орбитальным движением вокруг них электронов (спинами).

При внесении атома (иона) в магнитное поле изменяется угловая скорость движения электронов на орбите за счет того, что на первоначальное вращательное движение электронов вокруг ядра накладывается дополнительное вращательное движение, в результате чего атом получает дополнительный магнитный момент. При этом если все электроны с противоположными спинами в атоме сгруппированы попарно (рисунок А), то магнитные моменты электронов оказываются скомпенсированными и их суммарный магнитный момент будет равен нулю. Такие атомы называются диамагнитными, а вещества, состоящие из них – диамагнетиками . Например, инертные газы, металлы В-подгрупп – Cu, Ag, Au, Zn, Cd, большинство ионных кристаллов (NaCl, CaF2), а также вещества с преобладающей ковалентной связью – Bi, Sb, Ga, графит. В кристаллах со слоистыми структурами магнитная восприимчивость для направлений, лежащих в слое, значительной превышает таковую для перпендикулярных направлений.

При заполнении электронных оболочек в атомах электроны стремятся быть неспаренными. Поэтому существует большое количество веществ, магнитные моменты электронов, в атомах которых, расположены беспорядочно и при отсутствии внешнего магнитного поля в них не происходит самопроизвольная ориентация магнитных моментов (рисунок Б). Суммарный магнитный момент, обусловленный несвязанными попарно и слабо взаимодействующими друг с другом электронами, будет постоянным, положительным или несколько большим, чем у диэлектриков. Такие атомы называются магнитными, а вещества – парамагнетиками . При внесении парамагнетика в магнитное поле разориентированные спины приобретут некоторую ориентировку, в результате чего наблюдаются три типа упорядочения нескомпенсированных магнитных моментов – три типа явлений: ферромагнетизм (рисунок В), антиферромагнетизм (рисунок Г) и ферримагнетизм (рисунок Д).

Ферромагнитными свойствами обладают вещества, магнитные моменты атомов (ионов) которых направлены параллельно друг другу, в результате чего внешнее магнитное поле может усилиться в миллионы раз. Название группы связано с присутствием в ней элементов подгруппы железа Fe, Ni, Co.

Если магнитные моменты отдельных атомов антипараллельны и равны, то суммарный магнитный момент атомов равен нулю. Такие вещества называются антиферромагнетиками. К ним относятся оксиды переходных металлов – MnO, NiO, CoO, FeO, многие фториды, хлориды, сульфиды, селениды и др.

При неравенстве антипараллельных моментов атомов структуры кристаллов суммарный момент оказывается отличным от нуля и такие структуры обладают спонтанной намагниченность. Подобными свойствами обладают ферриты (Fe3O4, минералы группы граната).

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

«Почти весь мир кристалличен.

В мире царит кристалл и его твердые,

прямолинейные законы»

Академик Ферсман А.Е.

Можно ли вырастить кристаллы в домашних условиях? Совершенствовать свои умения и навыки, проявлять творческие способности - что может быть более актуальным для современного школьника? Хочется проверить свои способности, найти ответы на вопросы: Что? Как? Почему? И именно выбранная тема данной работы дает мне такую возможность: Разберусь! Объясню! Данная работа обладает определенным аспектом новизны, поскольку я никогда не делала своими руками что-либо подобное - кристалл «рос» на моих глазах, я наблюдала и ухаживала за ним. В моем представлении «вырастить», получить кристалл - это сотворить чудо!

Цель работы : вырастить кристаллы в домашних условиях и исследовать их свойства.

Задачи: 1. Изучить информацию из литературных источников по вопросу.

2. Вырастить кристалл из соли медного купороса.

3. Изучить влияние внешних условий на рост кристаллов на примере

магнитного поля;

4. Исследовать физические и химические свойства выращенных кристаллов.

В мире очень много интересного и необычного. В земле иногда находят камни такой формы, как будто их кто-то тщательно выпиливал, шлифовал, полировал -это кристаллы. Они встречаются в нашей жизни везде, притягивая своей необычностью и загадочностью, вызывая интерес к наблюдению и изучению. Бывают кристаллы маленькие, узкие и острые, как иголки, и бывают громадные, как колонны. Многие кристаллы идеально чисты и прозрачны, как вода. Недаром говорят “прозрачный как кристалл”, “кристально чистый”.

Живя на Земле, мы ходим по кристаллам, строим из кристаллов, обрабатываем кристаллы на заводах, выращиваем их в лабораториях, широко применяем в технике и науке, едим кристаллы, лечимся ими...

В лабораториях получают искусственно монокристаллы многих веществ. Соблюдая меры предосторожности, можно вырастить некоторые кристаллы и в домашних условиях, например, из перенасыщенных растворов медного купороса способом постепенного удаление воды из раствора. Именно по такому способу я выращивала свои кристаллы, разбив работу на три этапа:

Приготовление «затравки».

Наблюдение за ростом кристаллов.

Исследование физических и химических свойств кристалла.

Программное обеспечение, которое мы использовали для обработки результатов экспериментов с кристаллами: цифровой микроскоп, цифровой фотоаппарат, электронные весы.

Программы: Microsoft Office Picture Manager, Microsoft Photo Paint

Выводы:

1.Мы вырастили кристаллы медного купороса: монокристалл и поликристалл (друза).

2. Кристалл, выращенный в магнитном поле, имеет почти правильную форму ромба.

3. Исследовали физико-химические свойства: кристаллы медного купороса хорошо растворяются в воде и плохо в спирте; появление зеленого оттенка в пламени указывает на наличие ионов меди (CuSO 4), плотность кристалла, выращенного в магнитном поле равна 2,07г/см 3 , а вне магнитного поля - 2,04 кг/см 3 ; показатель преломления кристалла n=1,54; кристалл в опыте на электропроводность проявил четко выраженные свойства изолятора, что полностью соответствует нормальным электрическим свойствам кристаллов с ионным строением.

В результате проведенных исследований поставленная проблема была решена: нам удалось вырастить кристаллы медного купороса в домашних условиях.

Практическая значимость исследования состоит в том, что выращенные нами кристаллы могут быть использованы для демонстрации на уроках химии, физики, для создания картин, цветов, композиций, бижутерию для модниц и др. Из выращенных нами кристаллов мы изготовили: брошь, украсили рамку для фотографий и подставку для свечи, украсили шкатулку. Итоги нашей работы мы отразили в выпущенных буклетах с рекомендациями по выращиванию кристаллов в домашних условиях и создали презентацию, которую также можно использовать на уроках и внеурочных занятиях.

Глава 1. Теоретическая часть

Слово кристалл ("кристаллос") - греческого происхождения. Кристаллом древние греки называли лёд, а затем и горный хрусталь, который считали окаменевшим льдом. Позднее, начиная с 17 века, кристаллами стали называть все твёрдые тела, имеющие природную форму плоскостного многогранника. Кристаллы - это твердые тела, атомы или молекулы которых занимают определенные, упорядоченные положения в пространстве. Во всех кристаллах, во всех твердых веществах частицы расположены правильным, четким строем, выстроены симметричным, правильным повторяющимся узором. Пока есть этот порядок, существует твердое тело, кристалл. Поэтому кристаллы имеют плоские грани. Кристаллы бывают разной формы.

Кристаллические твердые вещества встречаются в виде отдельных одиночных кристаллов - монокристаллов и в виде поликристаллов, представляющих собой скопление беспорядочно ориентированных мелких кристалликов - кристаллитов, иначе называемых (кристаллическими) зернами. По своим свойствам монокристаллы отличаются от поликристаллов. Одиночные кристаллы, монокристаллы, имеют правильную геометрическую форму, для них характерна анизотропия, то есть различие свойств по разным направлениям. Поликристаллы состоят из множества сросшихся кристаллов, они изотропны. Вот, например, кристаллы медного купороса, выращенные нами в домашних условиях:

Для наглядного представления внутренней структуры кристалла используют его изображение с помощью кристаллической решётки. Кристаллическая решётка - трёхмерное расположение атомов, ионов или молекул в кристаллическом веществе. В зависимости от того, как расположены атомы, он становится либо алмазом - красивым, прозрачным, самым твёрдым на свете камнем, либо серовато - чёрным мягким графитом, который мы видим в карандаше.

В зависимости от типа кристаллической решетки кристаллы делятся на 4 группы:

Ионные

В узлах кристаллической решетки располагаются поочередно ионы противоположного знака. Силы взаимодействия электростатические

Ковалентные (атомные)

В узлах решетки располагаются нейтральные атомы, удерживающиеся ковалентными связями квантово-механического происхождения.

Молекулярные

В узлах решетки располагаются положительно заряженные ионы металла. При образовании решетки валентные электроны, слабо связанные с атомами, отделяются от атомов и коллективизируются, т.е. принадлежат всему кристаллу в целом.

Металлические

В узлах решетки располагаются нейтральные молекулы, силы взаимодействия между которыми обусловлены взаимным смещением электронов.

1.2.Способы выращивания кристаллов в природе.

Каждый мог наблюдать, как возникают, растут и постепенно меняют свою форму кристаллы льда на стекле замерзшего окна. Кристаллы растут. Они всегда растут правильными, симметричными многогранниками, если им ничто не мешает при росте. Кристаллизацию можно вести разными способами.

1 способ : Кристаллы могут расти при конденсации паров - так получаются снежинки и узоры на холодном стекле.

2 способ : Охлаждение насыщенного горячего раствора или расплава. К кристаллизации из расплава относится и процесс образования вулканических пород. Именно из-за охлаждения миллионы лет назад на Земле появились многие минералы. «Раствором» для этого «опыта» служила магма - расплавленная масса горных пород в недрах Земли. Поднимаясь к поверхности из раскалённой глубины, магма охлаждалась. В результате этого охлаждении, которое могло длиться не одну тысячу лет, образовались те самые минералы, по которым мы ходим, на которые взбираемся. Процесс этот очень длительный.

3способ : Постепенное удаление воды из насыщенного раствора. При испарении («высыхании») вода превращается в пар и улетучивается. Но растворённые в воде химические вещества не могут испариться вместе с ней и оседают в виде кристаллов. Самый простой пример - соль, которая образовывается при испарении воды из соляного раствора. И в этом случае, чем медленнее испаряется вода, тем лучше получаются кристаллы. Именно по такому способу я выращивал свой кристалл.

Магнитное поле - это особый вид материи, не воспринимается органами чувств, оно невидимо. Магнитное поле возникает вокруг тел, длительное время сохраняющих намагниченность - магнитов, тел, обладающих собственным магнитным полем. Основное свойство магнитов: притягивать тела из железа или его сплавов. Постоянный магнит всегда имеет два магнитных полюса: северный (N) и южный (S). Наиболее сильное магнитное поле постоянного магнита у его полюсов. Одноименные полюса магнита отталкиваются, а разноименные полюса притягиваются. Природные (или естественные) магниты - это куски магнитного железняка. По химическому составу они состоят на 31% из FeO и на 69% из Fe 2 O 3 .

Глава 2. Практическая часть.

Правила по технике безопасности:

Работать с веществами надо очень аккуратно.

Крупинки ни в коем случае не должны попасть в пищевые продукты.

Пользоваться для выращивания кристаллов необходимо специальной посудой.

После работы с медным купоросом обязательно вымыть руки с мылом.

Этапы работы:

Приготовление «затравки».

Выращивание и наблюдение за кристаллами.

Исследование различных факторов на процесс роста кристаллов (магнитное поле).

Исследование химических и физических свойств кристаллов.

Скажи мне, и я забуду.

Покажи мне, и я запомню.

Дай мне действовать самому, и я научусь.

Конфуций

2.1. Обнаружение магнитного поля.

Так как магнитное поле невидимо, то его можно обнаружить с помощью железных опилок и магнитов. Проведем эксперимент подтверждающий существование магнитного поля.

Оборудование: два дугообразных магнита, металлические опилки, лист бумаги.

Порядок выполнения: На лист бумаги насыпали железные опилки ровным слоем и затем положили его на магниты, расположенные друг к другу разноименными полюсами. Металлические опилки расположились определенным образом.

Вывод: С помощью железных опилок я получила представление о виде магнитного поля. Железные опилки расположились в магнитном поле вдоль его силовых линей.

2.2. Приготовление «затравки»

Что нужно для приготовления «затравки»: Оборудование:0,5 банка, ножницы, шелковая нить, картон, бумажный фильтр, воронка для фильтрования, термометр, водяная баня. Химические реактивы: дистиллированная вода, медный купорос (Приложение 1).
2. Вырезаем из картона держатель, на который привяжем нитку. Сначала приготовим насыщенный раствор медного купороса. Для этого на водяную баню ставим стакан с водой и насыпаем немного порошка медного купороса, постоянно помешивая. После полного растворения ещё добавляем немного порошка и хорошо размешиваем. Таким образом, мы получили насыщенный раствор медного купороса.
3.Оставляем приготовленную смесь на сутки. На следующий день переливаем смесь в другую банку через фильтр.
4.Через сутки на дне стакана появились первые кристаллики - они все имели разную форму. Именно из них мы отобрали те, которые больше понравились и которые имели более правильную форму. Они будут использованы в качестве затравки. Привязываем кристаллики к нитке - это затравка. Заранее приготовленный новый раствор переливаем в банку и погружаем туда затравку, накрываем бумагой и оставляем расти.

«Затравка» - центр кристаллизации, от её качества зависит рост кристаллов.

2.3.Наблюдение за ростом кристаллов в магнитном поле и вне его.

Для исследования было приготовлено два одинаковых стаканчика с одинаковым количеством раствора медного купороса. Одну банку мы поместили в магнитное поле (использовали постоянные магниты), а вторую - вдали от магнитов. Условия - температурный и световой режим, в которых находились банки с раствором, были одинаковы.

Наблюдение за ростом и формой кристалла в магнитном поле и вне его

Итог наблюдений:в магнитном поле вырос монокристалл медного купороса достаточно большой, а вне его вырос кристалл в причудливой форме - друза.

Вывод. Процесс роста кристалла оказался чувствителен к воздействию магнитного поля. Кристалл был глубокого синего цвета и имеет форму скошенного параллелепипеда. Стороны кристалла ровные. В другой банке выросла друза размером 5-6 см причудливо — красивой формы и имеющая тоже насыщенный синий цвет. Среди сросшихся кристалликов можно различить участки монокристаллов ромбической формы (Приложение 2).

2.4. Химические свойства

2.5. Измерение плотности кристаллов

Плотность кристалла медного купороса определяли, основываясь на том, что он не растворяется в спирте.

Оборудование: электронные весы, измерительный цилиндр (мензурка), спирт.

Вывод: плотность кристалла, выращенного в магнитном поле- 2,07 г/см 3 , а вне магнитного поля - 2,04г/см 3 . (сравнимы с табличными данными)

2.6.Измерение показателя преломления кристалла.

Важное значение в описании и идентификации кристаллов имеют их оптические свойства. Когда свет падает на прозрачный кристалл, он частично отражается, а частично проходит внутрь кристалла. Свет, отражающийся от кристалла, придает ему блеск и цвет, а свет, проходящий внутрь кристалла, создает эффекты, которые определяются его оптическими свойствами. При переходе наклонного луча света из воздуха в кристалл его скорость распространения уменьшается; падающий луч отклоняется, или преломляется. Отношение sin угла падения к sin угла преломления есть величина постоянная и называется показателем преломления. Это самая важная из оптических характеристик кристалла и ее можно очень точно измерить.

Для измерения показателя преломления мы использовали луч света, прошедший через экран со щелью. Положив кристалл на пути луча, мы отметили по две точки на входе и выходе луча из кристалла, затем мы соединили их. Сделав дополнительные построения, мы измерили угол падения луча, угол преломления и используя формулу мы вычислили показатель преломления кристалла, выращенного в магнитном поле.

2.7 . Электромагнитные свойства

После проведения опыта с видимым излучением мы проверили способность кристалла поглощать радиоволны, т.е. невидимое излучение. Для этого мы обмотали пульт алюминиевой фольгой, которая не пропускает радиоволны. Мы нажали на кнопку включения, но доска не включилась. Затем мы открыли узкое отверстие для прохода лучей, вновь нажали на кнопку включения и доска включилась.

Выключив доску, мы повторили попытку включить ее, но на этот раз закрыли излучатель кристаллом купороса. При нажатии на кнопку включения доска не включилась.

Вывод: кристалл толщиной 15 мм является препятствием для волн радиодиапазона.

2.8. Исследование на электропроводность

Электропроводность - это свойство некоторых тел проводить электрических ток. Все вещества делятся на проводящие электрический ток (проводники), полупроводники и диэлектрики (изоляторы).

Исследуя электропроводность полученного кристалла, мы использовали электрическую лампочку для фиксации прохождения электрического тока. Если ток в цепи есть - лампочка горит, если нет - не горит. Подавалось напряжение со значением 4,5В.

Вывод: Кристалл в опыте проявил свойства изолятора, лампочка не загорелось, что полностью соответствует нормальным электрическим свойствам кристаллов с ионным строением.

Выводы:

В обычной школьной физической лаборатории, используя оборудование, мы вырастили кристаллы из насыщенного раствора медного купороса методом испарения, наблюдали за их ростом в магнитном поле и вне его, вычислили физические характеристики, исследовали химические свойства.

1.Мы вырастили кристаллы медного купороса: монокристалл и поликристалл.

2.Магнитное поле оказывает определенное воздействие на рост кристаллов, кристалл, выращенный в магнитном поле, имеет почти правильную форму ромба.

3. Исследовали физико-химические свойства: кристаллы медного купороса хорошо растворяются в воде и плохо в спирте; появление зеленого оттенка в пламени указывает на наличие ионов меди, т.е. CuSO 4; плотность кристалла, выращенного в магнитном поле равна 2,07г/см 3 , а вне магнитного поля - 2,04 кг/см 3 ; показатель преломления кристалла n =1,54; кристалл в опыте на электропроводность проявлял четко выраженные свойства изолятора, что полностью соответствует нормальным электрическим свойствам кристаллов с ионным строением.

Заключение.

Выполненная исследовательская работа открыла для меня удивительный мир кристаллов. В моем представлении получить кристалл - это сотворить чудо. Для меня это новое и необычное дело. До этого я не знала - что у меня получится, как будут выглядеть мои «авторские» кристаллы и что мне с ними делать. При изучении кристаллов я убедилась: свойства их настолько разнообразны, что мы смогли исследовать лишь некоторые из них. Но самое главное - мы нашли применение этим кристаллам. Выращенные нами кристаллы могут быть использованы для демонстрации на уроках химии, физики. Из самих кристаллов мы изготовили брошь, украсили рамку для фотографий и подставку для свечи, украсили шкатулку (Приложение 3). Итоги нашей работы мы отразили в выпущенных буклетах с рекомендациями по выращиванию кристаллов в домашних условиях и создали презентацию, которую также можно использовать на уроках и внеурочных занятиях.

В результате проведенных исследований мы решили проблему: нам удалось вырастить кристаллы медного купороса в домашних условиях. Я с уверенностью могу сказать, что выращивание кристаллов - это искусство!

Эта тема нам была очень интересна. Мир кристаллов оказался удивителен и разнообразен. В результате у нас возникли и другие вопросы, которые требуют дальнейшего более глубокого изучения. Поэтому мы планируем и дальше заниматься изучением данной темы.

Физика - удивительная наука, и нужно шаг за шагом познавать ее.

Для выращивания кристаллов использовать только свежеприготовленные растворы.

Использовать только чистую посуду.

Обязательно фильтровать раствор.

Кристаллик нельзя при росте без особой причины вынимать из раствора.

Не допускать попадание мусора в насыщенный раствор. Для этого накрывать его фильтровальной бумагой.

Периодически (раз в неделю) менять или обновлять насыщенный раствор.

Удалять образовавшиеся сросшиеся мелкие кристаллы.

Чем медленнее охлаждается раствор, тем крупнее образуются кристаллы. Для этого можно обворачивать стаканы тканью.

Полученные кристаллы тщательно покрывать бесцветным лаком против выветривании

Библиография:

1.Физический практикум для классов с углубленным изучением физики. Под редакцией Ю.И. Дика, О.Ф. Кабардина. М; 1993

2. Серия «Эрудит» Химия, Физика.

3. Шаскольская, М. П. Кристаллы. Издательство “Наука”. - М.: 1978.

4. Энциклопедический словарь юного физика. - М.: Педагогика, 1995.

Интернет — ресурсы:

school-collection.edu.ru

class-fizika.narod.ru

Приложение 1

Медный купорос

Химическая формула: CuSO 4 *5Н 2 О 1

Химическое название: медный купорос, медь сернокислая пятиводная (Cuprumsulfuricum), сульфат мели (II) пентагидрат

Описание: кристаллический порошок синего цвета

Класс соединений: кристаллогидратсоли

Описание кристаллов: голубые кристаллы, хорошо растворимые в воде. Свойства. Гигроскопичен. Растворяется в воде, глицерине, серной кислоте. Малорастворим в аммиаке. На воздухе соль устойчива.

Строение кристаллогидрата

Структура медного купороса приведена на рисунке. Как видно, вокруг иона меди координированы два аниона SO 4 2− по осям и четыре молекулы воды (в плоскости), а пятая молекула воды играет роль мостиков, которые при помощи водородных связей объединяют молекулы воды из плоскости и сульфатную группу.

Применение.

Его используют для борьбы с вредителями и болезнями растений(от грибковых заболеваний и виноградной тли). Иногда применяют в плавательных бассейнах для предотвращения роста водорослей в воде.

В строительстве водный раствор сульфата меди применяется для ликвидации пятен ржавчины, а также для удаления выделений солей с кирпичных и бетонных поверхностей; а также как средство для предотвращения гниения древесины.

Также он применяется для изготовления минеральных красок, в медицине, и как часть прядильных растворов в производстве ацетатного волокна.

В пищевой промышленности зарегистрирован в качестве пищевой добавкиE519 (консервант).

В природе изредка встречается минералХалькантит, состав которого близок к CuSO 4 *5H 2 O

В пунктах скупки лома цветных металлов раствор медного купороса применяется для выявления цинка, марганца и магния в алюминиевых сплавах и нержавейке. При выявлении вышеозначенных металлов появляются красные пятна чистой меди.

Приложение 2

Изучение кристаллов с помощью цифрового микроскопа.

Приложение 3

1 Материал взят со страниц Википедии

Уникальные свойства кристаллов. Важнейшие свойства кристаллов