Таким образом icon

Таким образом



НазваниеТаким образом
Дата конвертации17.07.2012
Размер86.79 Kb.
ТипДокументы




ВВЕДЕНИЕ

Природные кристаллы всегда возбуждали любопытство у людей. Их цвет, блеск и форма затрагивали человеческое чувство прекрасного, и люди украшали ими себя и жилище.

Развитие науки и техники привело к тому, что многие драгоценные камни или просто редко встречающиеся в природе кристаллы стали необходимы для изготовления деталей приборов и машин, для выполнения научных исследований. Потребность в кристаллах возросла настолько, что удовлетворить ее за счет расширения масштабов выработки старых и поисков новых природных месторождений оказалось невозможно.

Кроме того, для многих отраслей техники и, особенно для выполнения научных исследований все чаще требуются монокристаллы очень высокой химической чистоты с совершенной кристаллической структурой. Кристаллы, встречающиеся в природе, этим требованиям не удовлетворяют. В связи с этим возникла задача разработки технологии искусственного изготовления монокристаллов многих элементов и химических соединений.

Таким образом, цель моей работы: изучить основные свойства кристаллов и возможность их выращивания в условиях школьной лаборатории.

Задачи: 1. Познакомиться с литературой, посвящённой вопросам строения кристаллов.

2. Выяснить, как выращивают кристаллы в промышленности.

3. Вырастить монокристаллы сульфата меди. Сделать необходимые фотографии.

4. Изучить области применения кристаллов.

^ СТРОЕНИЕ КРИСТАЛЛОВ

Твёрдые тела, в которых расположение атомов, ионов или молекул периодически правильно повторяется в трёх измерениях, имеют форму кристаллов /от греческого «krystallos» – лед/.

«Кристалл – твердое тело, характеризующееся дальним порядком расположения атомов или молекул» [4, сл.2].

Идеальная форма кристалла имеет вид многогранника. Кристаллы одного и того же вещества могут иметь разнообразную форму, которая зависит от условий кристаллизации. Цвет не является характерным признаком кристаллов данного вещества, т.к. зависит от примесей. По выражению русского кристаллографа Е.С.Федорова «кристаллы блещут симметрией».

Кристаллы могут иметь форму призм и пирамид (рис1), в основании которых могут лежать только правильный треугольник, квадрат, параллелограмм и шестиугольник. Все кристаллы обладают удивительным свойством: все плоские грани пересекаются друг с другом под определенными углами. Углы между соответственными гранями всегда одинаковы. [5,ст.7]. «Каждому веществу, находящемуся при данных термодинамических условиях (t,p) в кристаллическом состоянии, соответствует определенная кристаллическая структура» [5, с.272], (рис.
2), в основе которой лежит элементарная ячейка (рис. 3).

^ ПОЛУЧЕНИЕ КРИСТАЛЛОВ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Крупные одиночные кристаллы, имеющие правильную форму, т.е. монокристаллы в природе встречаются очень редко. Но такой кристалл можно вырастить в искусственных условиях.

В химических и смежных отраслях промышленности, а также в лабораториях преимуществено применяют кристаллизацию из расплавов и растворов, реже – из паровой и твердой фаз.

Кристаллизацию из расплавов используют гл. обр. для выращивания монокристаллов. Контейнер с расплавом и затравкой охлаждают так, чтобы затравка всегда была холоднее расплава, но переохлаждение на ее поверхности было невелико, и затравка росла без дендритообразования или появления "паразитных" кристаллов.

Особенно широко распространен метод Чохральского (рис.4), при котором затравку закрепляют на охлаждаемом стержне, опускают в расплав, а затем вытягивают из расплава при непрерывном вращении стержня. Метод используют для промышленного получения кристаллов металлов и полупроводников (Ge, Si, GdAs, ZnAs размером 1-50 см).

Особо чистые кристаллы получают, используя метод Вернейля. (рис.5), При этом порошок кристаллизующегося вещества высыпают из бункера на поверхность затравки, помещенной под пламенем горелки или газового разряда; проходя через пламя, частицы порошка плавятся и в виде капель достигают затравки, где закристаллизовываются. Так выращивают кристаллы

тугоплавких оксидов и солей (корунда и рубина в виде стержней длиной до 3 м).

Как и в природе, получение кристаллов из раствора сводится к двум способам. Первый из них состоит в медленном испарении растворителя из насыщенного раствора, а второй — в медленном понижении температуры раствора. В качестве растворителей используют воду, спирты, кислоты, расплавленные соли и металлы. Недостатком метода является возможность загрязнения кристаллов частицами растворителя.

^ ВЫРАЩИВАНИЕ КРИСТАЛЛОВ МЕДНОГО КУПОРОСА

Выращивать кристаллы можно из насыщенного раствора: путем охлаждения раствора или путем его выпаривания, либо в открытым, либо в закрытом сосуде.

В своей работе я использовал “открытый” вариант. В методике выращивания можно выделить несколько этапов: I. Приготовление маточного раствора.

II. Получение кристалла-затравки.

III. Выращивание монокристалла.

Суть методики состоит в следующем: растворимость любых веществ зависит от температуры. Обычно с повышением температуры растворимость увеличивается, а с понижением температуры — уменьшается. При охлаждении насыщенного при 40°С раствора до 20°С в нем будет находиться избыточное количество соли. При отсутствии центров кристаллизации это вещество может оставаться в растворе, т. е. раствор будет пересыщенным. С появлением центров кристаллизации избыток вещества выделяется из раствора, и при каждой данной температуре в растворе остается то количество вещества, которое соответствует коэффициенту растворимости при этой температуре. Избыток вещества пз раствора выпадает в виде кристаллов, число которых тем больше, чем большее число центров кристаллизации содержится в растворе. Центрами кристаллизации могут служить загрязнения на стенках посуды с раствором, пылинки, мелкие кристаллики нерастворившейся соли.

1-ый этап. Готовлю насыщенный раствор соли (график 1) в горячей (t=400С) дистиллированной воде. Через день раствор фильтрую и использую его в дальнейшем для роста кристаллов.

Примечание: следует помнить, что любая примесь в растворе может стать включением в кристалле или быть источником дефекта. В итоге вместо монокристалла появятся “химеры”, состоящие из наростов и искажений (фото1) (это возникшие из-за разных центров кристаллизации микрокристаллики пробуравили друг друга); они будут увеличиваться по мере роста кристалла. Иногда это выглядит более эффектно, чем правильный монокристалл но, всякое отклонение следует расценивать, как несоблюдение каких-либо условий.

Самое важное: для выращивания кристаллов использую только свежеприготовленные растворы! Так как в процессе стояния в растворах многих веществ накапливаются комплексы определённого состава (например, аквакомплексы),которые меняют структуру кристалла (такие кристаллы могут начинать быстрее выветриваться).

II. Получение кристалла-затравки: «затравку» получаю, используя ранее приготовленный маточный раствор. Кристалл-затравка – это небольшой плоский кристаллик-параллелограмм с длиной ребра около 3мм (фото 2).

Примечание: чем меньше выбранная затравка, чем она правильнее, тем легче раствору (системе) подстроиться под неё (как перламутру к песчинке, попавшей в мантию моллюска).

III. Выращивание монокристалла: снова готовлю насыщенный раствор на основе исходного маточного. Беру нить и обматываю затравку, а остальную часть нити закрепляю на каркасе из двух пересечённых палочек. Кристалл при этом должен “висеть” в растворе в центре. Но здесь требуется следить за тем, чтобы не обрастала нить, иначе можно получить «бусы» (фото3), но не правильный монокристалл.

Кристалл сульфата меди можно вырастить и без нити, т.к. он образует плоские кристаллы. Всё, что для этого требуется – стакан с плоским дном, так как для этой цели затравку аккуратно укладываю на середину дна и она повторит его рельеф. Здесь рост кристалла будет ограничен стенками стакана, и преимущественно, он будет расти в стороны.

Теперь следует следить за ростом кристалла каждый день, ни в коем случае не сотрясая раствор, иначе эта встряска породит в системе мгновенную кристаллизацию. Кроме того, иногда приходится удалять из системы, образующиеся «кристаллы-паразиты» чтобы они не срослись с основным кристаллом. В итоге я получил два монокристалла медного купороса разной величины (фото 4) и (фото 5).

Если начальная концентрация раствора сильно высокая, то вырастет друза т.е. сросшиеся кристаллы (фото 6).

Описание кристалла «Малыш»: выращенный кристалл имеет форму ромбической призмы (рис.6). Стороны кристалла ровные, имеют форму параллелограммов. Кристалл гладкий и прозрачный. Кристалл медного купороса CuSO4·5H2O триклинной сингонии, обладает только центром симметрии. Кристаллы медного купороса относятся к группе наименее симметричных.

^ ПРИМЕНЕНИЕ КРИСТАЛЛОВ

Области применения кристаллов в науке и технике так многочисленны и разнообразны, что их трудно перечислить. Поэтому ограничимся несколь­кими примерами.

Оптика. Первые линзы, в том числе и для очков, изготавливались из кристаллов неокрашенного кварца. Кристаллы кварца, флюорита, турмалина (фото7) и других прозрачных веществ, пропускающих ультрафиолетовое и инфракрасное излучение, применяются для изготовления призм и линз оптических приборов.

Лазерная технология. Важнейшую роль в получении лазерного луча играл кристалл рубина (фото 8) с добавкой хрома. Лазеры применяют в промышленности для различных видов обработки материалов, сверление отверстий, сварки тонких изделий, в машиностроении, в медицине.

Электроника. Исключительная роль выпала на долю кристаллов в современной электронике. Большинство полупроводниковых электронных приборов изго­товлено из кристаллов германия или кремния.

Самый твердый и самый редкий из природных минералов — алмаз (фото 9). Около 80% всех добываемых природных алмазов и все искус­ственные алмазы используются в промышленности. Роль алмазов в со­временной технике так велика, что, по подсчетам американских экономи­стов, прекращение применения алмазов привело бы к уменьшению мощно­сти промышленности США вдвое. Примерно 80% применяемых в технике алмазов идет на заточку инструментов и резцов "сверхтвердых сплавов". Алмазы служат опор­ными камнями (подшипниками) в хронометрах высшего класса для морских судов и в других особо точных навигационных приборах. На алмазных подшипниках не обнаруживается никаких следов износа даже после 25 000 000 оборотов.

С точки зрения, как фундаментальной науки, так и практики вискеры одни из наиболее перспективных кристаллических материалов с уникальным комплексом свойств.

Вискеры (от англ whisker – волос, усы) – это нитевидные кристаллы (фото 10) c диаметром от 1 до 10 мкм и отношением длины к диаметру >1000. Подобная необычная форма кристаллов интересна из-за своих специфических физико-химических характеристик. Вискеры в десятки и даже сотни раз прочнее обычных кристаллов, они обладают поразительной гибкостью, коррозионной стойкостью. Вискеры, при наличии у них особой кристаллической структуры, обуславливающей смешанную электронно-ионную проводимость, могут быть использованы для создания электродных и мембранных материалов нового поколения в силу уникального сочетания выдающихся механических свойств и суперионной проводимости.

Источник света, работа которого основана на использовании системы вискеров кремния, имеет малые габариты (по толщине), высокую квантовую эффективность и экологичен (по сравнению, например, с люминесцентными лампами). Он может найти применение для подсветки плоских жидкокристаллических дисплеев, обеспечивая хорошие яркость и контраст. Еще одно направление, в котором вискеры кремния, играют важную роль – изготовление зондов для атомно-силовой микроскопии. Зондовая микроскопия не требует вакуума и работает даже в растворах, что открывает широчайшие перспективы для биологии, медицины, фармакологии, т.к. обеспечивает возможность исследовать сильно развитые поверхности, типичные для биологических макромолекул.

Заключение.

Кристаллы необходимы для развития современных направлений науки и техники. Монокристаллы ряда элементов и многих химических веществ обладают замечательными механическими, электрическими, магнитными и оптическими свойствами.

Все более глубокое проникновение в законы внутреннего строения кристаллов позволяет осуществить направленный синтез веществ, в том числе в форме монокристаллов, с заранее заданными полезными для практики свойствами. Широкое внедрение основанной на кристаллохимических знаниях новой технологии позволяет с полным правом называть наш век «веком монокристаллов».

Выводы.

В данной работе я изучил возможность выращивания кристаллов медного купороса из пресыщенных растворов, используя малое количество реактивов.

Установил, что для того, чтобы кристаллы получились как можно более красивыми и имели геометрическую форму необходимо использовать вещество как можно более высокой степени чистоты, использовать дистилированную воду, обязательно необходимо фильтровать раствор и избегать попадания пыли и примесей в маточный раствор, в течение всего времени кристаллизации, поддерживать температуру и плотность раствора одинаковыми во всём объёме.




Похожие:

Таким образом icon6. Основные направления и основные проблемы в работе доу таким образом
Таким образом, динамика повышения качества дошкольного образования в нашем учреждении обусловлена
Таким образом iconОнтологической
Во-вторых, опираясь на уточненные таким образом понятия, сформулировать нашу собственную позицию, суть которой можно выразить следующим...
Таким образом iconКонференция 9 класс
Таким образом, с учетом всех критериев может быть получена оценка от 3 до 5 баллов
Таким образом iconБакунин и Маркс
Реорганизованное таким образом государство утрачивает классовый характер, не являясь ни буржуазным, ни социалистическим
Таким образом iconУрок №5
Таким образом задача этого предлога похожа на ту же задачу про которую мы говорили в уроке о притяжательных местоимениях
Таким образом iconСодди Ф. "История атомной энергии"
Таким образом, в течение 2000 лет химия была обречена на бессмысленную погоню за несбыточной мечтой
Таким образом iconОсобенности выбора схем
Таким образом, для каждого помещения существует своя оптимальная мощность и схема расположения звуковоспроизводящих устройств
Таким образом iconЧто такое сетевой маркетинг, его история и перспективы развития
Таким образом, к первоначальной цене продукции накручиваются сотни (Иногда в магазинах скидка в 70 %)
Таким образом iconС. П. Яковлева
Работа была организована таким образом, чтобы познавательная самостоятельность учеников постепенно возрастала от уровня воспроизведения...
Таким образом iconТворец устроил мир таким образом, что человек, хотя никогда не может постигнуть
А если бы Бог остался всецело закрытым от человека, то вера осталась бы без поддержки
Разместите кнопку на своём сайте:
Документы


База данных защищена авторским правом ©podelise.ru 2000-2014
При копировании материала обязательно указание активной ссылки открытой для индексации.
обратиться к администрации
Документы

Разработка сайта — Веб студия Адаманов