Созерцание кристаллов обостряет ум и возвышает душу.
И. В. Гёте
Кристаллы играют важную роль в науке, промышленности, жизни каждого человека и общества в целом. Во многих областях нашей жизни используются кристаллы: натуральные и искусственно выращенные. Они обладают хорошими механическими и оптическими свойствами. Поэтому выращивание кристаллов в домашних условиях и их применение — это не только интересная, но и актуальная тема.
Гипотеза : мы предположили, что в домашних условиях можно вырастить кристаллы различной формы, цвета, и размера и создать собственную коллекцию.
Цель исследования : вырастить кристаллы из различных химических веществ и создать собственную коллекцию.
Для достижения цели необходимо решить следующие задачи :
- изучить литературу о кристаллах, их свойствах,
- выбрать химические вещества для кристаллизации,
- создать оптимальные условия для нормального роста кристаллов,
- разработать дизайн собственной коллекции.
При проведении исследования использовались следующие методы : сбор, систематизация и обобщение информации о кристаллах из литературных источников, получение растворов, эксперимент, наблюдение, сравнение, фотографирование, ведение дневника наблюдений, анализ полученных результатов.
Кристаллы — это все твердые тела, имеющие форму многогранника, возникающую в результате упорядоченного расположения атомов. Они могут быть образованы в природных или лабораторных условиях. В качестве примеров кристаллов можно отметить кубики поваренной соли, заостренные на концах шестигранные призмы горного хрусталя, восьмигранники алмаза, двенадцатигранники граната. Кристаллические образования широко распространены: снег, поваренная соль, сахарный песок, мелкие кристаллы многих лекарств, горные породы, слагающие земную кору.
Кристаллы применяются в различных отраслях промышленности и науки: электроника (для создания полупроводниковых приборов, в производстве интегральных схем и других электронных компонентов, в часах, компьютерах, мобильных телефонах и т. д.), оптика (для изготовления линз, призм и других оптических компонентов), машиностроение (в качестве режущих инструментов в металлообработке), медицина (медицинских инструментах и оборудовании, например, в аппаратах для ультразвуковых исследований, магнитно-резонансной томографии и других), наука (изучение структуры материалов, анализ молекул и изучение свойств кристаллов), ювелирное дело (драгоценные и полудрагоценные камни являются популярным материалом для изготовления ювелирных изделий благодаря их красоте и разнообразию цветов и форм).
Основные способы выращивания кристаллов в промышленности и исследовательских лабораториях: из газовой фазы, из раствора, из расплава.
Методы выращивания кристаллов в промышленности и лабораториях многочисленны и разнообразны. Для каждого способа существует несколько методов. В лабораториях выращивают в основном монокристаллы, больших размеров. При этом используется современное оборудование и соблюдаются необходимые условия для роста кристаллов: температура, влажность, давление и другие. В домашних условиях при отсутствии необходимого оборудования мы использовали способ выращивания кристаллов из растворов. С обязательным соблюдением техники безопасности (использование перчаток, при включенной вытяжке и проветривании помещения). Использовали нетоксичные химические вещества.
На первом этапе мы подготовили материалы для исследования. Для этого выбрали химические элементы. Свой выбор остановили на лимонной кислоте, алюмокалиевых квасцах и сульфате меди (II). Данные вещества приобрели в специализированном магазине по продаже химических реактивов. Также купили бумагу для фильтрации растворов и дистиллированную воду для их приготовления. Кроме того, в кондитерском магазине приобрели несколько пищевых красителей для проведения эксперимента по окрашиванию кристаллов. Еще нам понадобились весы для взвешивания химических веществ, мерный стакан, стеклянная посуда для растворов, ложечки для размешивания, перчатки одноразовые.
Затем приступили непосредственно к приготовлению растворов.
Для приготовления раствора лимонной кислоты мы взяли 100 миллилитров дистиллированной воды комнатной температуры. Оптимальная температура для растворения лимонной кислоты составляет 20°С. И стали добавлять лимонную кислоту небольшими порциями в воду, перемешивая до полного растворения всех кристалликов. При растворении порошка происходит химический процесс, в результате которого раствор сильно охлаждается. В холодной воде плохо происходит процесс растворения, получить насыщенный раствор сложно. Поэтому мы слегка подогревали свой раствор на водяной бане. На следующий день выбрали самые крупные и ровные кристаллы и использовали их для дальнейшего эксперимента. Свой эксперимент решили усложнить, используя пищевые красители. Нам стало интересно, возможно ли кристаллы окрасить искусственными красителями и одинаково ли они окрасятся, если использовать одни и те же красители, но разные химические вещества? Мы снова профильтровали раствор, разлили по стаканчикам, добавили в них по несколько капель красителя и хорошо перемешали. Кристаллы погрузили в подкрашенные растворы и оставили при комнатной температуре. Далее наблюдаем за ростом кристаллов. Процесс роста кристаллов длительный. По истечении 6–7 недель мы внимательно рассмотрели полученные кристаллы и сделали вывод, что кристаллы возможно окрасить искуственными красителями, однако, цвет кристаллов может отличаться от цвета красителя (Рис. 1)
Рис. 1. Приготовление раствора из лимонной кислоты и кристаллы из раствора лимонной кислоты с использованием красителей.
Для приготовления раствора из алюмокалиевых квасцов мы взвесили на электронных весах 100 г алюмокалиевых квасцов и добавили 400 мл горячей дистиллированной воды. Перемешали до полного растворения всех кристалликов. Параллельно приготовили раствор из алюмокалиевых квасцов с добавлением 12 г хромокалиевых квасцов. Затем оба раствора оставили в темном месте при комнатной температуре для образования на дне банок кристаллов. На следующий день проверили банки, на дне образовались кристаллы разного размера и формы (Рис. 2).
Рис. 2. Монокристаллы и поликристаллы хромокалиевых и алюмокалиевых (справа) квасцов (фото авторов)
Растворы профильтровали и выбрали самые красивые кристаллы как основу, привязали на нитку и снова поместили в отфильтрованный раствор. Поставили в темное место для образования более крупного кристалла. Спустя некоторое время проверили растворы, наши кристаллы значительно выросли! И мы отметили, что они имеют правильную форму, форму октаэдра (Рис. 3).
Рис. 3. Монокристаллы хромо- и алюмокалиевых квасцов (фото авторов)
Одновременно с этим мы провели эксперимент с окрашиванием раствора алюмокалиевых квасцов теми же красителями, что и раствор лимонной кислоты. Спустя 7–8 недель мы внимательно рассмотрели полученные кристаллы и сделали вывод, что кристаллы из раствора алюмокалиевых квасцов также возможно окрасить красителями. Все кристаллы получились с ровными гранями. Эксперимент проводили дважды, в результате нам удалось получить моно- и поликристаллы.
Выращивание кристаллов из раствора сульфата меди (II). Для приготовления раствора мы взяли 100 г сульфата меди (II) и добавили 200 мл теплой дистиллированной воды. Перемешивали до полного растворения всех кристалликов. Затем оставили на сутки для образования на дне кристаллов. На следующий день выбрали подходящие кристаллы и снова поместили их в раствор для получения более крупных кристаллов. Кристаллы из сульфата меди (II) растут очень медленно, поэтому нам пришлось запастись терпением. Но зато они вырастают идеальными монокристаллами красивого синего цвета, равномерно окрашенными (Рис. 4).
Рис. 4. Кристаллы из раствора сульфата меди (фото авторов)
Из полученных в ходе проведения эксперимента кристаллов мы создали коллекцию. В отдельной коробке с ячейками поместили разные по форме, размеру и цвету кристаллы с подписями (Рис. 5).
Рис. 5. Авторская коллекция кристаллов (фото авторов)
Заключение. В ходе проведения исследования нами была изучена литература о кристаллах и кристаллографии. Выявлены интересные факты о кристаллах и областях их применения. Наша гипотеза подтвердилась, поставленная нами цель достигнута, в домашних условиях мы вырастили кристаллы различные по цвету, форме, размеру. Создали коллекцию собственных кристаллов. И в дальнейшем будем ее пополнять.
Литература:
- Брагина В. И. Кристаллография, минералогия и обогащение полезных ископаемых: учеб. пособие / В. И. Брагина. — Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2012. — 152 с.
- Еремин Н. Н., Еремина Т. А. Занимательная кристаллография. — М.: МЦНМО, 2013. — 134с.
