Цілі: з'ясувати і показати. що кристал, яким би способом він не був отриманий, підкоряється закону симетрії. Визначити основні області застосування кристалів.
Завдання: Придбання учнями:
- загальнонавчальних умінь: працювати з науковою літературою, проводити спостереження, здійснювати самоконтроль і самоаналіз.
- пеціально знань і умінь з даної теми проекту, вміння орієнтуватися в інформаційному просторі, самостійно конструювати свої знання.
- дослідних знань і умінь: формулювати гіпотези, виділяти проблеми, планувати експеримент відповідно до гіпотезою, робити висновки.
Устаткування і реактиви: ваги, хімічний посуд (стаканчики, воронки, колби), штативи, дріт, фільтри, вода, солі (алюмокалієві галун, сірчанокислий нікель, Дихромат калію, мідний купорос, нітрат алюмінію).
актуалізація
Кристал, як загадкова і прекрасна частина природи, з давніх-давен привертав увагу людей.
Кристал зазвичай служить символом неживої природи. Однак грань між живим і неживим встановити дуже важко, і поняття «кристал» і «життя» не є взаємовиключними.
Природні кристали завжди збуджували цікавість у людей. Їх колір, блиск і форма зачіпали людське почуття прекрасного, і люди прикрашали ними себе і житло. З давніх-давен з кристалами були пов'язані забобони; як амулети, вони повинні були не тільки захищати своїх власників від злих духів, але і наділяти їх надприродними здібностями.
Пізніше, коли ті ж самі мінерали стали розрізати і полірувати, як дорогоцінні камені, багато забобони збереглися в талісмани «на щастя» і «своїх камені», відповідних місяця народження. Всі дорогоцінні природні камені, крім опала, є кристалічними, і багато хто з них, такі, як алмаз, рубін, сапфір і смарагд, трапляються у вигляді чудово огранених кристалів.
Найбільш відомі приклади кристалів: лід, алмаз, кварц, кам'яна сіль. Більшість твердих тіл не має характерну для кристалів правильної геометричної формою многогранника з плоскими гранями і гострими ребрами. Слово «кристал» походить від грецького - «лід».
Вода - «універсальний» розчинник
Вода - найпоширеніший розчинник для твердих, рідких і газоподібних речовин. З повсякденному житті добре відомо, що якщо деякі речовини розчиняються у воді, то при цьому утворюються розчини.
Розчинами називаються гомогенні однорідні системи, що містять два і більше речовин. Розчини можуть бути не тільки рідкі, але і тверді, наприклад, скло, метал срібла і золота. Відомі також і газоподібні розчини, наприклад повітря. Найбільш важливими і поширеними є водні розчини.
Відповідно до сучасних уявлень розчинення є результат хімічної взаємодії розчинника і розчиненої речовини, при цьому утворюються молекулярні сполуки. У водних розчинах ці сполуки називаються гідратами, а в наведених - сольватамі.
Кристали в природі
Кристали льоду і снігу
Кристали завмерла води, тобто лід і сніг, відомі всім. Ці кристали майже півроку (а в полярних областях і круглий рік) покривають неозорі простори Землі, лежать на вершинах гір і сповзають з них льодовиками, плавають айсбергами в океанах.
Крижаний покрив річки, масив льодовика або айсберга - це, звичайно, не один великий кристал. Щільна маса льоду зазвичай полікристалічна, тобто складається з безлічі окремих кристалів. Їх не завжди розгледиш, бо вони дрібні і все зрослися разом. Іноді ці кристали можна розрізнити в тане льоду, наприклад, в крижинках весняного льодоходу на річці. Тоді видно, що лід складається ніби з «олівчик», зрощених разом, як в складеному пачці олівців: шестигранні стовпчики паралельні один одному і коштують сторчма до поверхні води; ці «олівчик» і є кристалики льоду.
Відомо, як небезпечні для рослин весняні або осінні заморозки. Температура грунту і повітря падає нижче нуля, підгрунтові води і соки рослин замерзають, утворюючи голочки кристалів льоду. Ці гострі голки рвуть ніжні тканини рослин, листя зморщується, чорніють, стебла і коріння руйнуються. Після морозних ночей вранці в лісі і в полі часто можна спостерігати, як на землі виростає «крижана трава». Кожен стеблинка такої трави - це прозорий шестигранний кристалик льоду. Крижані голочки досягають довжини в 1-2 см, а іноді доходять до 10-12см. Трапляється, що земля виявляється покритою пластинками льоду, що стоять сторчма. Виростаючи з землі, ці кристалики льоду піднімають на своїх голівках пісок, гальку, камінчики вагою до 50-100г. Крижинки навіть виштовхують із землі і забирають вгору маленькі рослини. Іноді крижана кірка обволікає рослина, і корінь просвічує крізь лід. Буває і так, що щіточка крижаних голок спільно піднімає важкий камінь, зрушити який не під силу одному кристалику. Іскриться і горить райдужним блиском кришталева «крижана трава», але лише тільки прігреют промені сонця, кристалики згинаються назустріч сонцю, падають і швидко тануть.
У морозний весняне або осінній ранок, коли сонце ще не встигло знищити сліди нічних заморозків, дерева і кущі вкриті інеєм. На гілках повисли краплі льоду. Вдивіться: всередині крижаних крапель видно пучки тонких шестигранних голочок - кристаликів льоду. Покриті інеєм листя здаються щітками: як щетинки стоять на них блискучі шестигранні стовпчики кристалів льоду. Казковим багатством кристалів, кришталевим нарядом прикрашений ліс.
Кожен окремий кристалик льоду, кожна сніжинка тендітна і мала. На сніжинки найлегше переконається в тому, що форма кристалів правильна і симетрична. Дивно різноманітні форми зірочок-сніжинок, але симетрія їх завжди однакова: тільки шість променів. Чому? Така симетрія атомної структури кристалів снігу. Це відноситься не тільки до снігу. Форми кристалів можуть бути дуже різними, але симетрія цих форм для кожної речовини одна, її визначає симетрія і закономірність атомної будови даної речовини. Сніжинка може бути тільки шестипроменевої - така симетрія будови кристалів снігу.
Кристали в хмарах
Кристалики льоду, химерними візерунками яких ми милуємося в сніжинки, можуть в кілька хвилин погубити літак. Обледеніння - страшний ворог літаків - теж результат росту кристалів.
Тут ми маємо справу з ростом кристалів з переохолоджених парів. У верхніх шарах атмосфери водяні пари або краплі води можуть довго зберігатися в переохолодженому стані. Переохолодження в хмарах доходить до -30˚C. Але як тільки в ці переохолоджені хмари вривається летить літак, негайно ж починається бурхлива кристалізація. Миттєво літак виявляється обліплені купою швидко зростаючих кристалів льоду.
Кристали в печерах
Всі природні води - в океанах, морях, озерах, струмках і підземних джерелах - є природними розчинами, всі вони розчиняють зустрічаються їм породи, і у всіх цих розчинах відбуваються складні явища кристалізації.
Особливо цікава кристалізація підземних вод в печерах. Крапля за краплею просочуються води і падають зі склепінь печери вниз. Кожна краплина при цьому частково випаровується і залишається на стелі печери речовина, яке було в ній розчинено. Так поступово утворюється на стелі печери маленький горбок, що виростає потім в бурульку. Ці бурульки складені з кристаликів. Одна за одною краплі мірно падають день за днем, рік за роком, століття за століттями. Звук їх падіння глухо лунає під склепіннями. Бурульки все витягуються і витягуються, а назустріч їм починають рости вгору такі ж довгі стовпи бурульок з дна печери. Іноді бурульки, що ростуть зверху (сталактити) і знизу (сталагміти), зустрічаються, зростаються разом і утворюють колони. Так виникають в підземних печерах візерункові, кручені гірлянди, химерні колонади. Казково, незвичайно красиві підземні палати, прикрашені фантастичними нагромадженнями сталактитів і сталагмітів, розділені на арки гратами з сталактитів. У природі кристали неправильної форми зустрічаються незрівнянно частіше, ніж правильні багатогранники. У руслах річок через тертя кристалів про пісок і камені кути кристалів стираються, багатогранні кристали перетворюються в округлі камінці - гальку; від дії води, вітру, морозів кристали розтріскуються, розсипаються; в гірських породах кристалічні зерна заважають один одному зростати і набувати неправильні форми.
Фотографії природних кристалів в піщерах.
Азишская в Краснодарському краї (республіка Адигея).
Кристали ростуть знизу
Кристали ростуть зверху
Колонний зал, який із кристалів
Методи вирощування кристалів з розчинів
Кристалізація за допомогою «запалів»
Явище кристалізації солей неважко відтворити на досвіді. Розчиніть у воді щіпку простий кухонної солі і налийте солону воду на блюдце. Коли вода випарується, подивіться в лупу, і ви побачите, що на блюдце залишилися правильні білі з смужками гранями кубики кристалів. Кристали кам'яної (повареної) солі утворилися з розчину на ваших очах. Так в мініатюрі, можна спостерігати явище кристалізації розчину, яке в природі, в солоних озерах і в підгрунтя водах, відбувається в гігантських масштабах.
Чому ж кристали виділяються з розчину? Щоб зрозуміти це, слід познайомитися з деякими властивостями розчинів.
Спробуйте розчиняти в воді столову сіль: в чистім склянці води розчиниться 70 грамів солі, а якщо ви будете сипати сіль далі, вона перестане розчинятися і буде осідати на дно. Те ж саме ви побачите з цукром: в склянці з холодною води розчиниться приблизно двадцять чайних ложок цукрового піску, а потім цукор теж буде осідати на дно, не розчиняючись. У 100 грамах холодної води може розчинитися тільки абсолютно певну кількість цукру (194 грама), кухонної солі (35 грамів) або будь-якого іншого речовини. Кількість речовини, яка може розчинитися в 100 грамах води, називається розчинністю цієї речовини у воді; наприклад, розчинність кухонної солі у воді при кімнатній температурі дорівнює 35 грамам. Розчинність залежить від температури. Спробуйте розчинити цукор не в холодній воді, а в гарячій, і ви переконаєтеся що при підвищенні температури розчинність цукру збільшується. У різних речовин розчинність по-різному залежить від температури.
Отже, за будь-якої даної температурі в воді може розчинитися лише строго обмежена кількість речовини, яке визначається його розчинністю.
Візьміть склянку гарячої води і всипте будь кристалічна речовина, розчинна у воді: гипосульфит, соду, борну кислоту, галун. Якщо ви дістанете великі кристали, то спочатку потовчіть їх в порошок. У склянку гарячої води всипте стільки порошку, скільки може розчинитися. Коли порошок зовсім перестане розчинятися і почне осідати на дно, злийте утворився розчин в іншу склянку так, щоб на дно склянки з розчином не потрапило жодної крупинки порошку. Для цього профільтруйте розчин через фільтровану папір або через чисту ганчірочку. В отриманому розчині кількість речовини як раз відповідає його розчинності при даній температурі; розчин «наситився», і більше він не може поглинути ні крупинки речовини. Такий розчин називається насиченим. Тепер залиште склянку з розчином і дайте йому охолонути. При охолодженні розчинність багатьох речовин зменшується; поки наш розчин був гарячим, в склянці води було розчинено, скажімо, 12 ложок речовини, тоді як при кімнатній температурі в ньому могло б розчинитися лише 10 ложок цієї речовини. Таким чином, тепер в розчині виявиться зайве речовина. Інакше кажучи, при високій температурі розчин був насиченим, а охолонувши, він став перенасиченим. Такий перенасичений розчин не може довго існувати, тому зайве речовина виділяється з розчину і осідає на дно склянки. Розгляньте в лупу, і ви побачите, що цей осад складається з кристалів.
Розчинена речовина кристалізується з пересичених розчинів тому, що його виявляється в розчині занадто багато - більше, ніж розчин може утримати в собі.
Прозорі кристали алюмокалієвих квасцов виросли з водного розчину за кілька годин. Щоб підготувати водний розчин алюмокалієвих квасцов, треба розчинити в 400 см3 гарячої води стовчене в порошок 48 г алюмокалієвих квасцов. Якщо ж розчинити 60г квасцов, то вийде розчин, перенасичений при 15˚C на 12г. Тому-то треба брати гарячу воду: у холодній не розчинилися б більше 48г. Перенасичений розчин почне кристалізуватися, якщо в нього потрапляє якась «запал». Для цього достатньо відкрити кришку банки на одну-дві секунди: в розчин потраплять порошинки квасцов з повітря. Можна також внести в розчин голкою кілька порошинок квасцов. Потрапивши в перенасичений розчин, порошинки квасцов в ньому негайно почнуть рости, а вже якщо в розчині почалася кристалізація, вона не зупиниться, поки не виділиться весь надлишок розчиненої речовини.
Так само можна виростити один великий кристал. Для цього в неостиглого розчин треба покласти або підвести на нитці невеликий кристалик - «затравки». Спочатку він трохи розчиниться, а потім візьметься зростати.
Якщо в посудину з розчином опустити який-небудь предмет, на якому знаходиться багато запалів, то він весь обросте кристалами. Опустіть в розчин нитку, на якій є кристалічні порошинки, - на них почнуть осідати кристалики, і в результаті виростає «разок» з багатогранних кристалів. Такі нитки по красі можуть суперничати з штучно огранованими бусами, але, на жаль, кристали, вирощені з водних розчинів, зазвичай дуже швидко тьмяніють і легко руйнуються. У цьому складність їх застосування в техніці.
Можна зробити фігурки з кристалів.
Для цього треба приготувати каркас із дроту, обмотаною звичайними нитками або ватою, занурити його в насичений розчин, тут же вийняти і просушити при кімнатній температурі. Нитки просочаться розчином і при висиханні на них утворюються дрібні кристалики, які в подальшому стануть «затравки». А далі опускайте цей каркас в розчин і нарощуйте на ньому кристали. Якщо опустити в розчин розбірну синтетичну ялинку, попередньо обмотавши її стовбур і гілки нитками, то можна виростити «засніжену» ялинку. Для цього краще взяти не галун, а дигідрофосфат калію (КН2РО4) або дигидрофосфат амонію (NH4H2PO4), - чудові кристали, які ростять для приладів, які керують променем Лазаря. Їх розчинність на 100 г води: