Krystaly hrály a stále hrají důležitou roli v životě člověka. Krystaly jsou široce používány ve vědě, průmyslu, optice a elektronice. Krystaly se získávají v laboratoři, ale vyskytují se i v přírodě. Například sněhové vločky, mrazivé vzory na okenním skle a námraza, která v zimě zdobí holé větve stromů. Pěstování krystalů je navíc fascinující činnost a pro většinu mladých chemiků možná nejjednodušší, nejdostupnější a nenákladná a nejbezpečnější. Toto téma mě velmi zaujalo a rozhodl jsem se vyzkoušet pěstování krystalů soli.
Téma naší práce: Pěstování krystalů
Účel práce: provést výzkum rostoucích krystalů z různých chemikálií.
1) zjistit, co je krystal;
2) provést průzkum mezi žáky 3. ročníku „Co vím o krystalech“;
3) zjistit, jaké podmínky je třeba vytvořit pro růst krystalů;
4) provádět experimentální práce na rostoucích krystalech;
5) sdílet získané informace ve třídě.
1) Akumulace teoretického materiálu.
2) Provádění experimentálních činností k získání krystalů
3) Analýza získaných výsledků výzkumu.
Předmětem výzkumu jsou krystaly.
Předmětem studia je proces krystalizace.
Výzkumná hypotéza: Vycházíme z předpokladu, že všechny soli mohou ze svých vodných roztoků tvořit krystaly.
Praktický význam studia je v tom, že ho lze využít při výuce okolního světa, v mimoškolních aktivitách a v kroužku „Mladý chemik“.
Základní informace o krystalech a jejich vlastnostech
Historie získávání umělých krystalů
Než jsem provedl svůj praktický výzkum, musel jsem zjistit, co jsou krystaly a jaké jsou jejich vlastnosti. Proto jsem se obrátil na teoretické zdroje v této oblasti. K tomu jsem použil internetové zdroje a knihy.
První pokus o získání umělých krystalů lze datovat do středověku, rozkvětu alchymie. A přestože konečným cílem pokusů alchymistů bylo získat zlato z jednoduchých látek, lze předpokládat, že se pokoušeli vypěstovat krystaly drahých kamenů.
Co jsou krystaly? Krystaly, v překladu z řečtiny, (krystallos) „led“. Podle encyklopedie je krystal pevná látka. Krystaly rostou přichycením částic látky z kapaliny nebo páry. Krystaly mohou být přírodního původu nebo umělé, pěstované ve speciálně vytvořených podmínkách. A každý člověk, pokud je to žádoucí, může snadno pěstovat krystaly doma. Ale aby výsledek byl opravdu krásný, musíte pečlivě provést všechny akce.
Krystaly mají speciální vlastnosti. Krystalické pevné látky se vyskytují jako jednotlivé monokrystaly – monokrystaly – a jako polykrystaly, což jsou shluky malých krystalů. Krystaly přicházejí v různých tvarech. Někdy se tvoří dendrity – to jsou krystaly, které vypadají jako větve stromů; velmi křehké, ale velmi krásné. Krystaly se dodávají v různých velikostech. Mnohé z nich lze vidět pouze mikroskopem. Existují však obří krystaly vážící několik tun.
Metody pěstování krystalů
Krystalizace může být provedena různými způsoby:
Metoda 1: Chlazení nasyceného horkého roztoku nebo taveniny.
Právě kvůli ochlazení před miliony let se na Zemi objevilo mnoho minerálů. „Řešením“ tohoto „zážitku“ bylo magma – roztavená masa hornin v útrobách Země. Magma vystoupilo na povrch z horkých hlubin a ochladilo se. A v důsledku tohoto ochlazení vznikly právě ty minerály, po kterých chodíme. Tento proces je velmi dlouhý.
Metoda 2: Postupné odstraňování vody z nasyceného roztoku.
Když se odpaří („vyschne“), voda se změní na páru a vypaří se. Chemikálie rozpuštěné ve vodě se ale nemohou odpařovat spolu s ní a usazovat se ve formě krystalů. Nejjednodušším příkladem je sůl, která vzniká odpařováním vody z roztoku solanky. A v tomto případě, čím pomaleji se voda odpařuje, tím lepší krystaly se získají. To je přesně metoda, kterou jsem použil k pěstování svého krystalu.
Metoda 3: Když pára kondenzuje.
Krystaly mohou také růst, když pára kondenzuje a vytváří sněhové vločky a vzory na studeném skle.
Při použití všech metod se nejlepších výsledků dosáhne, pokud se použije semínko – malý krystal správného tvaru nebo kameny. Tímto způsobem se získají například rubínové krystaly. Pěstování krystalů drahokamů se provádí velmi pomalu, někdy v průběhu let. Pokud krystalizaci urychlíte, pak místo jednoho krystalu získáte hmotu malých.
Na internetu najdete mnoho návodů, jak vypěstovat krystaly z různých chemikálií. Rozhodli jsme se vše zkontrolovat sami a jako základ jsme vzali obyčejnou kuchyňskou sůl, síran měďnatý, kamenec draselný a soli kyseliny křemičité.
Po analýze textového materiálu a stanovení výzkumných metod jsme provedli experimentální práce na rostoucích krystalech.
Uvědomil jsem si, že pěstování krystalů je umění, takže s trochou vytrvalosti, vytrvalosti a přesnosti se můžete stát vlastníky krásných krystalů, ale musíte dodržovat bezpečnostní pravidla. Proto jsem se obrátil na svého učitele chemie.
Pokus č. 1. Pěstování krystalů z kuchyňské soli
Vezměte sůl, zřeďte roztok v nádobě a vložte jej do pánve s teplou vodou, dokud se nerozpustí. Přidejte další sůl a znovu promíchejte. Tento krok opakujeme, dokud se sůl nerozpustí a nezačne se usazovat na dně sklenice. Máme nasycený solný roztok. Nalijte do čisté nádoby. Vybereme libovolný větší krystal kuchyňské soli, který se nám líbí, svážeme nití a zavěsíme tak, aby se nedotýkal stěn sklenice. Již po několika dnech si můžete všimnout výrazného růstu krystalu. Každým dnem se bude zvyšovat (obr. 1).
Výsledek: dostali jsme krystal kuchyňské soli.
1. Kuchyňská sůl se skládá z krystalů.
2. Když se krystaly soli dostanou do kontaktu s vodou, rozpustí se.
3. Krystaly soli se mohou nejrychleji vytvořit v nasyceném roztoku kuchyňské soli.
4. Jak se voda odpařuje, sůl opět krystalizuje.
5. Krystaly lze pěstovat za nezbytných podmínek: přítomnost nasyceného solného roztoku a nasazené vlákno.
Pokus č. 2. Pěstování krystalů ze síranu měďnatého
Vezměte sklenici vody, přidejte síran měďnatý, důkladně promíchejte, dokud se nerozpustí. Nejlepší je postupně zahřívat nádobu s vodou, aby se chemikálie rychleji rozpustila. Voda přitom začne měnit barvu – z modré na tmavě modrou. Poté položíme „semeno“ do skleněné nádoby. Jedná se o obyčejnou nit navázanou na tužku. A po několika dnech vidíme, že na niti vyrostlo mnoho malých modrých krystalů. Pokračujeme v růstu, dokud voda nezíská světlou barvu a krystaly přestanou růst (obr. 3).
Výsledek: dostali jsme krystal síranu měďnatého. Vypěstované malé tvarované krystaly mohou být použity jako dekorace, jako jsou fotorámečky nebo jiné předměty.
Pokus č. 3. Pěstování krystalů z kamence draselného
Přidejte 4 čajové lžičky prášku hliníkového kamence do půl šálku horké vody. Pro lepší rozpuštění promíchejte. Po nějaké době se prášek rozpustí a roztok zprůhlední.
Sklenici zakryjte speciálním víčkem, abyste ji chránili před prachem. Po 1 dni se objeví krásné krystaly.
Výsledek: získali jsme krystaly z kamence draselného.
Pokus č. 4. Pěstování krystalů ze solí kyseliny křemičité
Do kádinky jsme nalili silikátové lepidlo (vodný roztok křemičitanu sodného) a destilovanou vodu v poměru 1:1. Do sklenice se nasypaly krystaly soli různých barev: vápník, nikl, měď, kobalt, železo, baryum, zinek, chrom a mangan. Po 15–20 minutách se ve skle objevily „houštiny“ připomínající stromy nebo řasy.
Výsledek: V kádince se objevily „houštiny řas“ tvořené krystaly solí kyseliny křemičité.
Pokus č. 5. Pěstování stalaktitů a stalagmitů
Rám budoucí „jeskyně“ je vyroben ze silného papíru. Trochu alabastru se smíchá s malým množstvím vody, dokud se nezíská viskózní homogenní hmota. Dokud alabastr neztuhne, pokrývají jím všechny strany „jeskyně“, zvenku i zevnitř. Po pár hodinách alabastr konečně ztvrdne.
Poté jsme v „jeskyni“ začali pěstovat „krápníky“ a „stalagmity“. Ve vhodné nádobě připravíme směs silikátového lepidla (tekuté sklo) a vody v objemovém poměru 1:1. Umístili „jeskyni“ do nádoby tak, aby hladina kapaliny nedosahovala jejího horního oblouku. Klenba „jeskyně“ musí být volně přístupná. Pomocí špachtle byl do „jeskyně“ přidán síran hořečnatý a krystaly byly nality do roztoku. Stejným způsobem byl do roztoku přidán krystalický chlorid vápenatý. Po několika minutách byl pozorován růst „stalagmitů“ (doba jejich růstu závisí na objemu nádoby).
Potom opatrně vyjmuli „jeskyni“ z roztoku, otočili ji o 180 stupňů a spustili zpět do roztoku. Do „jeskyně“ byly opět přeneseny soli síranu hořečnatého a chloridu vápenatého. Opět jsme pozorovali výskyt bizarních výrůstků v „jeskyni“. Vyjmuli „jeskyni“ z nádoby, opatrně ji opláchli vodou a nechali vyschnout (obr. 4).
Výsledek: na klenbách jeskyně se vytvořily bizarní výrůstky krystalů.
Výsledkem výzkumu je plně potvrzená hypotéza: podařilo se nám vypěstovat krystaly kuchyňské soli, cukru a síranu měďnatého.
Když jsem se začal zajímat o pěstování krystalů z různých chemikálií, rozhodl jsem se zeptat svých spolužáků: „Ví, co jsou krystaly? jak je získáte? A kde se používají? Za tímto účelem byl proveden průzkum mezi paralelními žáky 3. ročníku. Studentům byly položeny následující otázky:
1. Co jsou krystaly:
2. Vyberte krystaly z navrhovaných položek (existuje několik odpovědí):
3. Jaké metody se používají k pěstování krystalů (odpovědí je několik):
d) kondenzace par
Výsledek: dotazník ukázal, že ne všichni studenti vědí, co jsou krystaly, jak se získávají a kde se používají. Všechny odpovědi jsou shrnuty do diagramů (obr. 5–7), proto jsem děti během třídnické hodiny seznámila s výsledky své práce.
Dozvěděl jsem se, že mnoho významných vědců začalo své první experimenty s pěstováním krystalů. Kromě čistě vnějších vlivů nás tyto experimenty nutí přemýšlet o tom, jak jsou krystaly strukturovány a jak vznikají, proč různé látky dávají krystaly různých tvarů a některé nevytvářejí krystaly vůbec, co je třeba udělat, aby byly krystaly velké a krásný.
Výzkumná hypotéza se zcela potvrdila: krystaly soli se mohou objevit, když jsou vytvořeny určité podmínky, a pokud změníte podmínky krystalizace a rozpustíte různé látky, můžete získat krystaly různých tvarů, barev a v různých časech.
Naučil jsem se pracovat se zdroji informací.
Naučil jsem se, co jsou krystaly, co mohou být, proč rostou a proč jsou potřeba.
Zvládl jsem některé metody pěstování krystalů různých látek.
Pozorovaný růst krystalů za různých podmínek.
Provedl studii rozpustnosti síranu měďnatého ve vodě při různých teplotách.
Dozvěděl jsem se, že látky různého chemického složení mají krystaly různých tvarů a liší se vlastnostmi, jako je symetrie.
Po provedení průzkumu tedy mohu vyvodit následující závěry:
1) za příznivých podmínek mají stolní sůl, síran měďnatý, kamenec draselný, soli kyseliny křemičité formu krystalů;
2) krystaly různých látek mají různé tvary;
3) tvar krystalů je ovlivněn teplotou;
4) krystaly různých látek mají různé vlastnosti (některé krystaly jsou barevné, jiné bezbarvé; některé krystaly rostou dobře, jiné špatně).
5) krystal roste rychleji a snadněji, když je krystal – „semínko“ – umístěn do nasyceného roztoku.
Tvar krystalů závisí na podmínkách jejich růstu a povaze látky. Růst a tvar krystalů je ovlivněn teplotou, při které dochází ke krystalizaci, přítomností nečistot ve zkoumaných roztocích, rozpouštědly, ze kterých látka krystalizuje, polohou krystalu při růstu atd.
Vliv nečistot.Tvar krystalů se mění zvláště silně pod vlivem nečistot přítomných ve studovaném roztoku a v roztoku činidla. Nečistoty se buď adsorbují na povrchu nebo se dostanou („usadí“) uvnitř krystalu. V obou případech může přítomnost nečistot změnit tvar krystalů.
Za normálních podmínek krystalizuje chlorid sodný ve formě kostek a v přítomnosti močoviny – ve formě oktaedrů (oktaedrů). Kamenec krystalizuje z vodných roztoků ve formě oktaedrů az vodných roztoků obsahujících močovinu – ve formě kostek. Tvar krystalů chloridu olovnatého se mění v přítomnosti draselných iontů. Krystaly fluoridu lithného mění tvar v přítomnosti draslíkových, sodných a amonných iontů. Pokud se ionty lithia vysrážejí (jako fluorid) přidáním fluoridu draselného, vytvoří se krystaly ve tvaru krychle. Při ukládání iontů lithia s fluoridem sodným se vytvářejí šestiboké hranoly a pokud je fluorid sodný nahrazen fluoridem amonným, tvoří se krystaly ve tvaru pravoúhlých růžiček.
Totéž lze říci o krystalech oxalátů vápníku, barya a stroncia. Při interakci těchto kationtů s oxalátem amonným se tvoří krystaly určitého tvaru. Pokud je šťavelan amonný nahrazen kyselinou šťavelovou, vytvoří se krystaly jiného tvaru.
Poloha krystalů při jejich růstu.Tvar krystalu může záviset na jeho poloze v kapalině během růstu. Krystal „plovoucí“ v kapalině roste všemi směry. Pokud se krystal během růstu dostane do kontaktu s povrchem podložního sklíčka, roste do stran a nahoru. Růstu krystalu směrem dolů je zabráněno povrchem podložního sklíčka. Aby nedocházelo k deformaci krystalů během jejich růstu, doporučuje řada autorů metodu, podle které se reakce za vzniku krystalů provádí v visící kapce.
Izomorfismus.Fenomén izomorfismu se poprvé zabýval E. Mitcherlichem v roce 1819. Isomorfismus (doslovný překlad z řečtiny – uniformita) je vlastnost chemicky nebo geometricky podobných atomů, iontů a jejich kombinací vzájemně se nahrazovat v krystalové mřížce za vzniku krystalů. proměnlivého složení. Atomy se stejnou valencí, typem vazby a polarizací jsou považovány za chemicky blízké. Geometricky blízké jsou atomy se stejnými nebo blízkými (s odchylkou ne větší než 5-7 %) poloměry nebo objemy. Izomorfní látky jsou tedy pevné látky, které mají podobné chemické složení a podobné tvary krystalů.
Polymorfismus. Při mikrokrystaloskopické analýze může docházet k chybám při studiu látek, které mohou existovat v několika polymorfních modifikacích.
Fenomén polymorfismu objevil E. Mitscherlich v roce 1822. Podstatou polymorfismu je, že některé látky za různých podmínek mohou vytvářet krystaly různé symetrie a tvaru. Každá z krystalických forem, která vzniká jako výsledek polymorfismu, se nazývá polymorfní modifikace. Polymorfní modifikace látky mají charakteristický geometrický tvar krystalu.
Jak zdůrazňuje G. B. Bokiy, fenomén polymorfismu je extrémně běžný. Téměř všechny látky lze za známých podmínek získat v různých polymorfních modifikacích. Polymorfismus jednoduchých látek (uhlík, síra, fosfor, cín atd.) se nazývá alotropie.
Polymorfismus je způsoben změnami teploty (a v některých případech změnami teploty a tlaku) během krystalizace. Polymorfní modifikace mají odpovídající teplotní rozsahy své existence.
Dusičnan amonný má 4 polymorfy. V teplotním rozmezí 18 až 32 °C vzniká β-orhombická modifikace dusičnanu amonného, od 32 do 84 °C – α-orombická, od 84 do 125 °C – trigonální, nad 125 °C – kubická.
Lze uvést příklady polymorfismu a dalších látek. Je známo, že krystaly chloridu amonného mohou existovat ve formě dvou polymorfů. Je známo 5 modifikací pro sulfid zinečnatý, 3 pro jodid kademnatý, 4 pro jodid stříbrný atd. Jsou popsány polymorfní modifikace oxidu křemičitého, uhličitanu vápenatého aj. Gadamer popisuje polymorfní modifikace většiny barbiturátů a řady dalších používaných látek. v lékařství.
Některé polymorfy se změnami teploty snadno přeměňují na jiné. U některých polymorfních modifikací je však takových přechodů poměrně obtížné dosáhnout.
Při polymorfních přeměnách se v té či oné míře mění typ chemické vazby v krystalu, prudce se mění úhly krystalů a jejich fyzikálně-chemické vlastnosti.
Polymorfismus může způsobit změny v optických vlastnostech (krystalové optické konstanty) krystalů. Literatura obsahuje údaje o krystalových optických konstantách polymorfních modifikací některých látek. Podle těchto údajů nejsou krystalové optické konstanty (vysoké, střední a nízké indexy lomu, dvojlom) různých polymorfních modifikací dané látky stejné.
