Дослідницька робота "Вирощуємо кристали в домашніх умовах"

Виконуючи дослідницьку роботу (проєкт) з хімії на тему "Вирощуємо кристали в домашніх умовах", учнем 7 класу було вивчено значення поняття "кристал" та описує процес їх утворення, проводить експеримент з вирощування кристалів з різних речовин (з солі та мідного купоросу).

Докладніше про роботу:

У процесі дослідницької роботи про вирощування кристалів в домашніх умовах автор дізнається більше про кристали, спостерігає за процесом росту кристалів протягом певного часу, а також фіксує результати спостережень (розмір, форма кристалів), додає наглядні фотографії отриманих результатів роботи.

В результаті навчального дослідницького проєкту на тему "Вирощуємо кристали в домашніх умовах" учень 7 класу приходить до висновку, що проведений ним експеримент допомагає краще зрозуміти процес кристалізації та побачити на власні очі красу і різноманітність кристалічних структур.

Зміст

Вступ
1. Історичні відомості.
1.1 Стародавні часи та Середньовіччя.
1.2 Епоха Відродження та Нового часу.
1.3 Становлення кристалографії.
1.4 Вирощування кристалів як науковий метод.
1.5 Сучасність
2. Методи вирощування кристалів.
2.1 Вирощування кристалів з розчинів.
2.2 Вирощування кристалів з розплавів.
2.3 Вирощування кристалів з газової фази.
3. Проведення дослідження.
Висновки
Список літератури
Додатки.

Мета дослідження: Дослідити процес вирощування кристалів у домашніх умовах та визначити фактори, що впливають на їх ріст.

Завдання дослідження:

1. Ознайомитися з теоретичною інформацією про кристали та процес їх утворення.
2. Провести експеримент з вирощування кристалів з різних речовин .
3. Спостерігати за процесом росту кристалів протягом певного часу.
4. Зафіксувати результати спостережень (розмір, форма кристалів).
5. Зробити висновки про фактори, що впливають на ріст кристалів у домашніх умовах.

Обладнання та матеріали:

• Склянки або банки (кілька штук)
• Вода
• Цукор
• Сіль (кухонна або морська), мідний купорос
• Нитки або тонкий дріт
• Олівці або палички
• Ложка для розмішування
• Каструля (для нагрівання води)
• Папір та ручка для записів

Світ навколо нас сповнений дивовижних явищ і форм, і одним із найчарівніших є утворення кристалів. Ці тверді тіла, атоми або молекули яких розташовані впорядковано, демонструють неймовірну симетрію та красу, привертаючи увагу людини з давніх часів. Від блискучих коштовних каменів до звичайних кристалів солі та цукру на нашій кухні, вони є скрізь, хоча ми не завжди замислюємося над процесом їхнього утворення.

Кристали не лише вражають своєю естетикою, але й відіграють важливу роль у багатьох аспектах нашого життя. Вони використовуються в сучасних технологіях, наукових дослідженнях, медицині та навіть у харчовій промисловості. Розуміння процесів кристалізації є ключем до створення нових матеріалів з унікальними властивостями.

У цій дослідницькій роботі ми спробуємо зазирнути у захопливий світ кристалів, дослідивши у проєкті процес їхнього вирощування в домашніх умовах. Проводячи прості експерименти з доступними речовинами, ми зможемо на власні очі побачити, як з невидимих частинок у розчині народжуються впорядковані кристалічні структури, та спробуємо зрозуміти, які фактори впливають на їхній ріст і форму. Це дослідження не лише розширить наші знання про природні явища, але й подарує можливість відчути себе справжніми дослідниками, які відкривають таємниці кристалічного світу.

Кристали – це тверді тіла, атоми або молекули яких розташовані впорядковано, утворюючи кристалічну ґратку. У природі кристали утворюються протягом тривалого часу внаслідок охолодження розплавів, випаровування розчинів або осадження з газової фази.

В домашніх умовах ми можемо відтворити процес кристалізації, створивши насичений розчин певної речовини. Насичений розчин – це такий розчин, в якому при певній температурі більше не може розчинятися додаткова кількість розчиненої речовини. При повільному охолодженні або випаровуванні води з такого розчину, розчинена речовина починає випадати в осад у вигляді кристалів.

Інтерес людства до кристалів сягає глибокої давнини. Заворожливі форми, блиск та колір природних кристалів завжди привертали увагу, породили безліч легенд та вірувань.

У стародавніх цивілізаціях, таких як Єгипет, Греція та Рим, кристали, особливо коштовне каміння (кварц, аметист, гірський кришталь), цінувалися за їхню красу та вважалися такими, що мають магічні властивості. Їх використовували в ювелірних виробах, амулетах та релігійних обрядах.

Перші спроби наукового вивчення кристалів були пов'язані з їхньою геометричною формою. Давньогрецький філософ Теофраст (IV ст. до н.е.) у своїй праці "Про каміння" описував різні мінерали та їхні властивості, включаючи кристалічну форму деяких з них.

У Середньовіччі алхіміки проявляли значний інтерес до кристалів, вважаючи їх ключем до розуміння таємниць природи і навіть до трансмутації металів. Хоча їхні пошуки часто були ненауковими, вони накопичили певні емпіричні знання про властивості різних речовин, включаючи ті, що утворюють кристали.

З розвитком науки в епоху Відродження почалося більш систематичне вивчення кристалів. Георгіус Агрікола (XVI ст.) у своїй праці "Про гірничу справу та металургію" детально описав мінерали та їхні кристалічні форми, заклавши основи мінералогії як науки.

У XVII столітті Йоганн Кеплер, відомий своїми законами руху планет, також досліджував форму сніжинок, зауваживши їхню гексагональну симетрію, що стало одним із перших наукових досліджень кристалічних структур на мікроскопічному рівні.
Розвиток мікроскопії у XVII-XVIII століттях дозволив детальніше вивчати будову кристалів.

XIX століття стало періодом бурхливого розвитку кристалографії як самостійної науки. Рене -Жюст Аюї (на початку XIX ст.) сформулював закон постійності кутів між відповідними гранями кристалів, що стало одним з фундаментальних законів кристалографії. Він також висунув ідею про те, що кристали складаються з елементарних будівельних блоків певної форми.

Огюст Браве (середина XIX ст.) математично описав 32 класи симетрії кристалів та 14 типів кристалічних ґраток (гратки Браве), що стало важливим кроком у розумінні внутрішньої будови кристалів.

Відкриття рентгенівських променів наприкінці XIX століття Вільгельмом Конрадом Рентгеном та подальші дослідження Макса фон Лауе, Вільяма Генрі Брегга та Вільяма Лоренса Брегга на початку XX століття започаткували рентгеноструктурний аналіз – потужний метод визначення атомної структури кристалів. Це відкриття дало змогу "зазирнути" всередину кристалів та розкрити їхню впорядковану будову на атомному рівні.

З розвитком хімії та фізики почалися систематичні дослідження умов утворення кристалів. Вчені навчилися контролювати процеси кристалізації з розчинів, розплавів та газової фази для отримання кристалів з певними властивостями.

Вирощування штучних кристалів стало важливим для розвитку багатьох галузей науки та техніки, включаючи електроніку (напівпровідникові кристали), оптику (лазерні кристали), матеріалознавство та фармацевтику.

Сьогодні вирощування кристалів є важливим напрямком наукових досліджень та технологій. Розробляються нові методи отримання кристалів з унікальними властивостями для різноманітних застосувань.

Експерименти з вирощування кристалів у навчальних цілях, такі як ті, що ти проводиш, допомагають учням наочно познайомитися з основними принципами кристалізації та розвинути навички наукового дослідження.

Таким чином, вивчення та вирощування кристалів пройшло довгий шлях від захоплення їхньою зовнішньою красою до глибокого розуміння їхньої внутрішньої будови та використання у передових технологіях. Твій експеримент є частиною цієї тривалої історії дослідження дивовижного світу кристалів.

Звісно, існують різні методи вирощування кристалів, які використовуються як у наукових дослідженнях, так і в промисловості. Основні з них можна поділити на три великі групи залежно від фазового стану, з якого відбувається кристалізація.

Це один з найдоступніших методів, який часто використовується в лабораторних умовах та навіть вдома . В основі методу лежить створення перенасиченого розчину речовини у певному розчиннику (наприклад, вода). Кристалізація відбувається шляхом повільного зменшення розчинності речовини, що може бути досягнуто двома способами:

• Охолодження розчину: Розчин насичують при високій температурі, а потім повільно охолоджують. Зі зниженням температури розчинність речовини зменшується, і її надлишок випадає в осад у вигляді кристалів.
• Випаровування розчинника: При повільному випаровуванні розчинника концентрація розчиненої речовини збільшується, досягаючи стану перенасичення, що призводить до кристалізації.

Для отримання великих поодиноких кристалів часто використовують затравку – невеликий кристал тієї ж речовини, який опускають у перенасичений розчин. На поверхні затравки відбувається осадження нових молекул, і кристал поступово зростає.

Цей метод використовується для вирощування кристалів речовин, які плавляться без розкладання. Речовину нагрівають до рідкого стану (розплаву), а потім повільно охолоджують. При контрольованому охолодженні відбувається кристалізація. Існують різні варіанти цього методу, залежно від способу охолодження та наявності затравки.

Цей метод використовується для вирощування кристалів речовин, які можуть бути переведені в газову фазу шляхом нагрівання або хімічної реакції. Кристалізація відбувається при охолодженні газу або при його взаємодії з поверхнею підкладки. Існують різні варіанти цього методу.

Вибір методу вирощування кристалів залежить від властивостей речовини (температури плавлення, розчинності, здатності до сублімації), необхідних розмірів та якості кристалів, а також економічних міркувань.

Мій домашній експеримент з вирощування кристалів цукру, солі та мідного купоросу належить до методів вирощування з розчинів. Це простий та наочний спосіб дослідити процес кристалізації.

Дослід 1: Вирощування кристалів цукру

1. Налив у каструлю невелику кількість води та нагрій її (не до кипіння).
2. Поступово додавав цукор у гарячу воду, постійно розмішуючи до повного розчинення кожної порції. Додавати цукор до тих пір, поки він не перестане розчинятися (утвориться насичений розчин).
3. Перелив гарячий солодкий розчин у чисту склянку.
4. Прив'язав до нитки невеликий кристалик цукру (його можна взяти з цукорниці або спробувати виростити маленький кристал, залишивши краплю насиченого розчину на блюдці до висихання).
5. Інший кінець нитки прив'язав до олівця.
6. Опустив кристалик на нитці в солодкий розчин так, щоб він не торкався дна і стінок склянки. Поклав олівець зверху на склянку, зафіксувавши нитку з кристаликом.
7. Залишив склянку з розчином у спокійному місці при кімнатній температурі.
8. Спостерігав за ростом кристалів протягом кількох днів, роблячи щоденні записи

Дослід 2: Вирощування кристалів солі

1. Повторив кроки 1-3 з попереднього досліду, використовуючи замість цукру сіль. Для кращого результату можна використовувати морську сіль, оскільки вона містить різні мінерали.
2. Повторив кроки 4-8, використовуючи маленький кристал солі (якщо є) або можна взяти зав'язану на нитці невелику грудочку солі у розчин.

Дослід 3: Вирощування кристалів мідного купоросу

Дослід 1: Кристали цукру

Через кілька днів спостереження в насиченому цукровому розчині на нитці почали утворюватися прозорі кристали цукру. Спочатку вони були невеликими, але поступово збільшувалися в розмірі, набуваючи характерної неправильної багатогранної форми з блискучими гранями. Кристали росли не тільки на маленькому кристалі, але й утворювалися на самій нитці та навіть на стінках склянки ближче до поверхні розчину.

З часом деякі кристали зросли досить великими, утворюючи своєрідні "цукрові сталактити" або "бурульки", що звисали з нитки. Розчин став менш концентрованим, що свідчило про осадження цукру у вигляді кристалів.

Висновки:
Експеримент показав, що з цукрового розчину також успішно виростають кристали. Вони мають прозорий колір та неправильну, але добре помітну кристалічну структуру з багатьма гранями. Процес росту кристалів цукру є відносно повільним, і для отримання великих екземплярів потрібен тривалий час.

На ріст кристалів цукру впливає концентрація розчину та повільне випаровування води. Чим повільнішим є процес випаровування, тим більші та краще сформовані кристали можуть утворитися.
Вирощування кристалів цукру в домашніх умовах є цікавим способом наочно побачити процес кристалізації та отримати гарні їстівні кристали, які можна використовувати, наприклад, для прикраси десертів (звісно, якщо вони вирощувалися в чистих умовах).

Дослід 2: Кристали кухонної солі

У розчині кухонної солі також почали формуватися кристали, але вони мали іншу форму – переважно кубічну. Вони були прозорими або злегка білуватими. Кристали солі росли швидше, ніж кристали мідного купоросу, але їх розмір був меншим. На дні склянки утворився осад дрібних кристаликів.

Дослід 3: Кристали мідного купоросу

Через кілька днів спостереження в розчині мідного купоросу почали утворюватися гарні, відносно великі кристали насиченого блакитного кольору. Вони мали характерну ромбічну форму, дещо витягнуту вздовж нитки. Деякі кристали зросли поодиноко, а інші утворили невеликі зростки. Розчин поступово втрачав свій інтенсивний колір, оскільки мідний купорос осідав на кристалах. На стінках склянки також утворилися дрібніші кристали.

Проведена дослідницька робота в рамках проєкту з хімії показала, що в домашніх умовах можливо вирощувати кристали з різних речовин. Форма та розмір отриманих кристалів залежать від хімічної природи речовини. Кристали мідного купоросу мали характерну блакитну ромбічну форму та росли повільніше, утворюючи більші окремі екземпляри та невеликі зростки. Кристали кухонної солі мали кубічну форму, були прозорими та росли швидше, але досягали менших розмірів.

На швидкість росту та розмір кристалів впливають такі фактори, як концентрація розчину, температура, наявність маленького ( затравочного ) кристала та швидкість випаровування води. Повільне випаровування сприяє утворенню більших та правильніших за формою кристалів.

Цей експеримент допоміг краще зрозуміти процес кристалізації та побачити на власні очі красу і різноманітність кристалічних структур.

1. https://naurok.com.ua/prezentaciya-proekt-viroschuvannya-kristaliv-soley-154327.html
2. https://sites.google.com/view/chemistry-fcg/%D0%B4%D0%BE%D0%BC%D0%B0%D1%88%D0%BD%D1%96%D0%B9-%D0%B5%D0%BA%D1%81%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B8%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D1%82/%D0%B2%D0%B8%D1%80%D0%BE%D1%89%D1%83%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D0%BD%D1%8F-%D0%BA%D1%80%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BB%D1%96%D0%B2
3. https://man.gov.ua/contests/vseukrayinsskij-konkurs-kristali