Из каких агрегатных состояний выращивают кристаллы

Из каких агрегатных состояний выращивают кристаллы

Как растут кристаллы

Кристаллы железного купороса или пищевой соды, растущие буквально на наших глазах и поражающие своими строгими геометрическими формами, никогда не перестанут удивлять.
Каким образом природе удается буквально за считанные часы создавать столь совершенные творения? Очень быстро, в течение нескольких дней, из приготовленного раствора вырастают кристаллы каменной (поваренной) соли и меди, сахара и алюмокалиевых квасцов.

Механизм роста кристаллов прост и сложен одновременно. В домашних и лабораторных опытах кристаллы обычно выращивают из пересыщенных водных растворов. Но они могут расти и из расплавов, кристаллы могут образоваться и при раскристаллизации гелей. При определенных условиях кристаллы могут менять свое строение, переходя из одной кристаллической формы в другую, с сохранением химического состава. Этот процесс носит название перекристаллизация.

Геометрический отбор растущих кристаллов при образовании друзы (схема)

Рост кристаллов (за исключением перекристаллизации) всегда является переходом из одного агрегатного состояния в другое (из газообразного — в твердое; из жидкого — в твердое). Для того, чтобы начался рост кристаллов из раствора, нужно, чтобы раствор был пересыщенным. Тогда, при снижении температуры, в растворе возникнут центры кристаллизации, микроскопические «зародыши» будущих великолепных кристаллов. Рассмотрим, для примера, поваренную (каменную) соль, формула которой известна каждому со школьных времен — NaCl. Если раствор пересыщен ионами натрия и хлора, они находятся на близком расстоянии друг к другу и между ними устанавливается химическая связь. Несколько молекул строятся в кубическую решетку, а к ним уже присоединяются другие ионы. Так образуется «зародыш» кристалла. Молекулы соединяются с друг с другом, в результате микроскопический кристаллик увеличивается и скоро становится видимым кубиком. Это идеальный вариант роста кристалла, который никогда не осуществляется на практике. Для того, чтобы получить идеальный кубик соли, нужно, чтобы «зародыш» неподвижно висел в растворе, не тонул и ни к чему не прикреплялся (хотя, в невесомости, возможно, когда-то и проведут такой опыт). К тому же, к кристаллу непрерывно и равномерно должен с определенной скоростью подаваться пересыщенный раствор и равномерно омывать его.

В условиях реального опыта (или в природе) раствор поступает к «зародышу» неравномерно, может меняться как скорость поступления, так и температура раствора. К тому же, в растворе образуется множество «зародышей». Поэтому из раствора вырастает множество кристаллов в виде агрегатов или друз (на твердой поверхности — основе), которые нарастают друг на друга, растут рядом, перекрывают друг друга.

При неравномерном, волнообразном поступлении пересыщенного раствора искажается форма кристалла, некоторые его грани не могут приобрести совершенные формы. Такой же процесс с образованием множества центров кристаллизации и зародышей происходит при росте кристаллов из насыщенной газами среды.

Самые совершенные кристаллы вырастают в тех местах, где раствор поступает равномерно и есть пространство для роста. Поэтому в любой друзе самыми большими и красивыми являются верхние кристаллы.

Исследования показывают, что самые большие и красивые кристаллы вырастают в условиях, когда центров кристаллизации мало, а пространство между ними велико.
Важен и еще один момент — чем дольше растет кристалл при сохранении оптимальных условий — тем совершеннее его грани. При очень быстром изменении температурных условий и концентрации вещества в растворе кристаллики вырастают очень мелкими (иногда их размеры не превышают несколько микрон).

В природе вырастают как очень мелкие, так и очень большие кристаллы. Так, кристаллы природного гипса могут достигать в длину 5-6 метров и более.

Цвет кристалла одного и того же минерала может быть различным из-за примесей, которые в момент его роста находились в растворе. Они встраиваются в кристаллическую решетку кристалла.

О том, как провести опыты по выращиванию кристаллов в домашних условиях, можно узнать, пройдя по ссылке.

Мексика, штат Чиуауа, пещера Найка. Кристаллы гипса

Твердые тела разделяют на аморфные тела и кристаллы. Отличие вторых от первых состоит в том, что атомы кристаллов располагаются согласно некоторому закону, образуя тем самым трехмерную периодическую укладку, что называется – кристаллическая решетка.

Этимология

Примечательно, что название кристаллов происходит от греческих слов «застывать» и «холод», и во времена Гомера этим словом называли горный хрусталь, который тогда считался «застывшим льдом». Сперва данным термином называли лишь ограненные прозрачные образования. Но позже, кристаллами стали звать также непрозрачные и не ограненные тела природного происхождения.

Кристаллическая структура и решетка

Идеальный кристалл представляется в виде периодически повторяющихся одинаковых структур – так называемых элементарных ячеек кристалла. В общем случае, форма такой ячейки – косоугольный параллелепипед.

Следует различать такие понятия как кристаллическая решетка и кристаллическая структура. Первая – это математическая абстракция, изображающая регулярное расположение неких точек в пространстве. В то время как кристаллическая структура – это реальный физический объект, кристалл, в котором с каждой точкой кристаллической решетки связана определенная группа атомов или молекул.

Кристаллическая структура граната — ромб и додекаэдр

Основным фактором, определяющим электромагнитные и механические свойства кристалла, является строение элементарной ячейки и атомов (молекул), связанных с ней.

Анизотропия кристаллов

Главное свойство кристаллов, отличающее их от аморфных тел – это анизотропия. Это означает, что свойства кристалла различны, в зависимости от направления. Так, например, неупругая (необратимая) деформация осуществляется лишь по определенным плоскостям кристалла, и в определенном направлении. В связи с анизотропией кристаллы по-разному реагируют на деформацию в зависимости от ее направления.

Однако, существуют кристаллы, которые не обладают анизотропией.

Виды кристаллов

Сравнение структур монокристаллов и поликристаллов

Кристаллы разделяют на монокристаллы и поликристаллы. Монокристаллами называют вещества, кристаллическая структура которых распространяется на все тело. Такие тела являются однородными и имеют непрерывную кристаллическую решетку. Обычно, такой кристалл обладает ярко выраженной огранкой. Примерами природного монокристалла являются монокристаллы каменной соли, алмаза и топаза, а также кварца.

Сульфат алюминия-калия монокристалл

Немало веществ имеют кристаллическую структуру, хотя обычно не имеют характерной для кристаллов формы. К таким веществам относятся, например, металлы. Исследования показывают, что такие вещества состоят из большого количества очень маленьких монокристаллов — кристаллических зерен или кристаллитов. Вещество, состоящее из множества таких разноориентированных монокристаллов, называется поликристаллическим. Поликристаллы зачастую не имеют огранки, а их свойства зависят от среднего размера кристаллических зерен, их взаимного расположения, а также строения межзеренных границу. К поликристаллам относятся такие вещества как металлы и сплавы, керамики и минералы, а также другие.

Возможные способы роста и образования

  1. Кристаллизация путем возгонки. Подобный метод кристаллизации подразумевает переход вещества из газообразного состояния к твердому, минуя жидкую фазу. Подобный процесс в природе имеет место в вулканических трещинах или кратерах, когда вещество быстро остывает. Однако простейший пример – образование зимой снежинок из воды.

Кристалл воды — снежинка

Монокристалл рубина (корунд)

Другие факты

  • Имеет место такое явление как прорастание кристаллов. Это означает процесс, когда индивиды взаимно пересекаются и прорастают друг друга.
  • Существуют так называемые ионные кристаллы, которые состоят в основном из ионов, связь которых образуется за счет электростатического притяжения. К таким телам относят фторид калия и натрия, хлорид и бромид калия и др.
  • Существует 47 простых форм, из которых может состоять кристалл. Среди них: призма, пирамида, тетраедр, трапецоедр, ромбоедр и т.п.

Цель работы – самостоятельно вырастить кристаллы в домашних условиях из различных веществ. Задачи работы: * Узнать, что такое кристалл, какие бывают кристаллы, — презентация

Презентация была опубликована 5 лет назад пользователемВячеслав Самошкин

Похожие презентации

Презентация на тему: » Цель работы – самостоятельно вырастить кристаллы в домашних условиях из различных веществ. Задачи работы: * Узнать, что такое кристалл, какие бывают кристаллы,» — Транскрипт:

2 Цель работы – самостоятельно вырастить кристаллы в домашних условиях из различных веществ. Задачи работы: * Узнать, что такое кристалл, какие бывают кристаллы, где они применяются; * Попробовать изменить цвет и форму кристалла; * Научиться соблюдать требования техники безопасности при проведении эксперимента.

3 Перед тем, как приступить к выполнению работы, я посетил Уральский Геологический музей. Музей разносторонне показывает уральский камень и руды Урала не только в том виде, в каком они встречаются в природе, но и во всевозможных продуктах и изделиях из них. Хотя музей в настоящее время насчитывает свыше 30 тысяч экспонатов, в постоянной экспозиции музея находится только около десяти тысяч собранных богатств. Остальные, скрытые от глаз, таятся в многочисленных запасниках фондах.

4 Кристалл это обычно твердое вещество, но бывают и жидкие кристаллы. Каждое вещество состоит из маленьких частиц (молекул или атомов). Можно назвать их кирпичиками. Обычно в веществе кирпичики разные и по-разному соединяются друг с другом, т. е. получаются странные узоры. А в кристалле кирпичики одинаковые, они одинаково соединяются друг с другом, повторяются в точно такой же последовательности по всему веществу, т. е. получаются узоры правильной формы. Большинство горных пород и минералов состоит из кристаллов. ПИРИТГОРНЫЙ ХРУСТАЛЬКРИСТАЛЛ РУБИНА

5 Величина кристаллов иногда достигает человеческого роста. В Восточном Оренбуржье в бассейне р. Джаман-Акжар найден кристалл горного хрусталя длиной 170 см, 80 см в поперечнике и весом 784кг. Он назван «Малюткой». Его возраст миллионов лет. Кристалл «Малютка» установлен перед входом в Уральский геологический музей.

6 В 2000 г. в мексиканской пустыне Чиуауана глубине 300 метров была обнаружена Пещера Гигантских Кристаллов. Пещера является естественным скоплением гигантских кристаллов. Кристаллы состоят из селенита и являются самыми большими из когда-либо обнаруженных на Земле. Их размеры составляют до 4 метров в диаметре, 11 метров в длину, весом они до 55 тонн. Ближе к поверхности земли рядом с Пещерой Кристаллов на глубине 120 метров находится Пещера Мечей. Ее стены усеяны кристаллическими «кинжалами». В этой пещере гораздо больше кристаллов, но они намного меньше, как правило, до метра в длину.

7 В настоящее время кристаллы имеют большое распространение в науке и техники, так как обладают особыми свойствами. Кристаллы нашли своё применение в различных областях: для изготовления украшений, в технике, например рубиновый лазер, жидкокристаллические экраны и т.д

8 Кристаллы возникают при переходе вещества из любого агрегатного состояния (расплавы, растворы, пары) в твердое. Застывание магмы – это процесс роста кристаллов из расплавов Отложение солей из насыщенных соляных источников Примерами кристаллов из паров являются снежинки, иней Агат образуется в пустотах при застывании вулканической магмы

9 После посещения Горного музея возникло желание самостоятельно вырастить кристаллы из следующих веществ: — соль поваренная; — соль поваренная с добавлением раствора бриллиантовой зелени (зеленки); — соль морская; — квасцы жженые; — сахар; — медный купорос; — железный купорос; — детский набор для выращивания — кристаллов желтого и зеленого цветов.

10 Весь процесс выращивания кристаллов можно разделить на несколько этапов. Этап 1: Приготовление раствора. В кипящей дистиллированной воде растворяем вещество, из которого будет расти кристалл. Растворяется вещество до тех пор, пока не будем уверены, что вещество уже больше не растворяется (такой раствор называется насыщенный). Этап 2: Насыщенный раствор переливается в другую ёмкость, где можно производить выращивание кристаллов (с учётом того, что он будет увеличиваться). Этап 3: Привязывается на нитку «затравка» (крупный кристаллик вещества, который растворяли; пуговица; камешек и т.д.), нитку крепится, например, к карандашу который кладется на край стакана (ёмкости), где налит насыщенный раствор.«Затравка» опускается в насыщенный раствор. Этап 4: Ёмкость с насыщенным раствором и «затравкой»переносится в место, где нет сквозняков, вибрации и сильного света (выращивание кристаллов требует соблюдение этих условий). Этап 5: Ёмкость с насыщенным раствором и «затравкой» накрывается чем-нибудь сверху (например, бумагой), чтобы защитить раствор от попадания пыли и мусора. Оставляем раствор на несколько дней. Этап 6: Наблюдение за ростом кристаллов.

Читайте также:  Как правильно выращивать базилик в открытом грунте?

11 * детского набора для выращивания кристаллов желтого цвета. * соли морской; * соли поваренной (с «затравкой», без «затравки», с «затравкой» со сменой температуры); * медного купороса * соли поваренной с добавлением зеленки; * сахара; * квасцов жженых.

12 В одной банке с поваренной солью начался рост кристаллов. Кристаллик вырос примерно на 1 сантиметр и пять миллиметров В другой банке, где соли в растворе было очень много и не растворившаяся соль находилась на дне банки кристалл вырос на три сантиметра. На стенках банки образовался осадок Кристаллик из поваренной соли, в раствор которой была добавлена зеленка стал расти с чуть заметным зеленым оттенков. Оттенок появился от окрашенной зеленкой нитки.

13 Кристаллики из детского набора подросли еще примерно на сантиметр. Они сформировались в красивую друзу. Кристаллы из квасцов никак не изменились. В банке с медным купоросом я не заметил никаких изменений, кроме более сильного осадка на стенках банки и, поэтому не стал вытаскивать нитку из раствора.

14 Из морской соли вырос кристалл длиной примерно 7 сантиметров. Отдельные кристаллики имеют кубическую форму. Из поваренной соли выросли: * «Снежинка» примерно 4 сантиметра * В другой банке вырос кристаллик длиной примерно в 5 сантиметров

15 Самое интересное произошло с раствором медного купороса.

16 17 февраля 2013 г. из нового детского набора поставил выращиваться желтый кристалл. 25 февраля 2013 г. кристаллы из детского набора выглядели так: 26 февраля 2013 г. Поставил дополнительно раствор из железного купороса. Раствор был буро-коричневого цвета. Также я поставил новый раствор из детского набора зеленого цвета. Кристаллы железного купороса. 11 марта 2013 г.:

17 Во время проведения опыта, когда появились первые результаты, я задумался, а что будет, если в насыщенный раствор опустить какой-нибудь предмет? Вырастит ли кристалл на конкретном предмете так, как он растет на нитке? Для этого в насыщенный раствор соли погрузили пластмассовую снежинку и искусственный цветок. Закрыл все пленкой и в течение месяца не открывал. В результате на цветочке и на снежинке образовались маленькие кристаллики.

18 Выводы: * Эксперимент был завершен 11 марта 2013г. Кристаллы росли 45 дней. * Выросшие кристаллы оформлены в коллекцию. Кристаллы можно получить из некоторых веществ в домашних условиях, только нужно знать способы их выращивания. Кристалл растёт потому, что вода из насыщенного раствора постепенно испаряется, а кристаллическое вещество переходит из жидкого состояния в твёрдое, так как «кирпичики» притягиваются друг к другу и самостоятельно занимают своё место. У меня не получилось изменить цвет кристаллов при помощи зеленки. Для того чтобы вырастить большие и красивые кристаллы, нельзя при росте без особой причины вынимать их из раствора. Не нельзя допускать попадание мусора в насыщенный раствор, это может сильно замедлить рост кристалла (или кристалл вообще не вырастит). При выращивании кристаллов необходимо соблюдать правила техники безопасности, пользоваться перчатками, очками и выполнять все операции под наблюдением взрослых. Ведь большинство веществ, используемых при выращивании кристаллов, являются ядовитыми.

Как растут кристаллы

Кристаллы железного купороса или пищевой соды, растущие буквально на наших глазах и поражающие своими строгими геометрическими формами, никогда не перестанут удивлять.
Каким образом природе удается буквально за считанные часы создавать столь совершенные творения? Очень быстро, в течение нескольких дней, из приготовленного раствора вырастают кристаллы каменной (поваренной) соли и меди, сахара и алюмокалиевых квасцов.

Механизм роста кристаллов прост и сложен одновременно. В домашних и лабораторных опытах кристаллы обычно выращивают из пересыщенных водных растворов. Но они могут расти и из расплавов, кристаллы могут образоваться и при раскристаллизации гелей. При определенных условиях кристаллы могут менять свое строение, переходя из одной кристаллической формы в другую, с сохранением химического состава. Этот процесс носит название перекристаллизация.

Геометрический отбор растущих кристаллов при образовании друзы (схема)

Рост кристаллов (за исключением перекристаллизации) всегда является переходом из одного агрегатного состояния в другое (из газообразного — в твердое; из жидкого — в твердое). Для того, чтобы начался рост кристаллов из раствора, нужно, чтобы раствор был пересыщенным. Тогда, при снижении температуры, в растворе возникнут центры кристаллизации, микроскопические «зародыши» будущих великолепных кристаллов. Рассмотрим, для примера, поваренную (каменную) соль, формула которой известна каждому со школьных времен — NaCl. Если раствор пересыщен ионами натрия и хлора, они находятся на близком расстоянии друг к другу и между ними устанавливается химическая связь. Несколько молекул строятся в кубическую решетку, а к ним уже присоединяются другие ионы. Так образуется «зародыш» кристалла. Молекулы соединяются с друг с другом, в результате микроскопический кристаллик увеличивается и скоро становится видимым кубиком. Это идеальный вариант роста кристалла, который никогда не осуществляется на практике. Для того, чтобы получить идеальный кубик соли, нужно, чтобы «зародыш» неподвижно висел в растворе, не тонул и ни к чему не прикреплялся (хотя, в невесомости, возможно, когда-то и проведут такой опыт). К тому же, к кристаллу непрерывно и равномерно должен с определенной скоростью подаваться пересыщенный раствор и равномерно омывать его.

В условиях реального опыта (или в природе) раствор поступает к «зародышу» неравномерно, может меняться как скорость поступления, так и температура раствора. К тому же, в растворе образуется множество «зародышей». Поэтому из раствора вырастает множество кристаллов в виде агрегатов или друз (на твердой поверхности — основе), которые нарастают друг на друга, растут рядом, перекрывают друг друга.

При неравномерном, волнообразном поступлении пересыщенного раствора искажается форма кристалла, некоторые его грани не могут приобрести совершенные формы. Такой же процесс с образованием множества центров кристаллизации и зародышей происходит при росте кристаллов из насыщенной газами среды.

Самые совершенные кристаллы вырастают в тех местах, где раствор поступает равномерно и есть пространство для роста. Поэтому в любой друзе самыми большими и красивыми являются верхние кристаллы.

Исследования показывают, что самые большие и красивые кристаллы вырастают в условиях, когда центров кристаллизации мало, а пространство между ними велико.
Важен и еще один момент — чем дольше растет кристалл при сохранении оптимальных условий — тем совершеннее его грани. При очень быстром изменении температурных условий и концентрации вещества в растворе кристаллики вырастают очень мелкими (иногда их размеры не превышают несколько микрон).

В природе вырастают как очень мелкие, так и очень большие кристаллы. Так, кристаллы природного гипса могут достигать в длину 5-6 метров и более.

Цвет кристалла одного и того же минерала может быть различным из-за примесей, которые в момент его роста находились в растворе. Они встраиваются в кристаллическую решетку кристалла.

О том, как провести опыты по выращиванию кристаллов в домашних условиях, можно узнать, пройдя по ссылке.

Мексика, штат Чиуауа, пещера Найка. Кристаллы гипса

Из каких агрегатных состояний выращивают кристаллы

Существует множество различных методик выращивания кристаллов. Здесь перечислены основные методы выращивания кристаллов как в промышленности, так и в домашних условиях.

I. Хорошо и средне растворимые вещества

1. Медленное испарение растворителя

Основной метод выращивания кристаллов в домашних условиях, в промышленности применяется намного реже – в основном из-за того, что растворимые кристаллы имеют очень ограниченную сферу применения, а также из-за длительности процесса.

Готовится насыщенный раствор вещества в выбранном растворителе. Для этого вещество должно быть хорошо или средне растворимо в нем. Вещество порциями и с длительным перемешиванием добавляется в раствор, пока тот не станет насыщенным.

Обычно готовится горячий раствор с последующим его остыванием, во избежание ситуации, когда раствор близок к насыщению, но не насыщен, а опущенная в раствор затравка кристалла может раствориться через некоторое время.

Либо готовится раствор сразу нужной температуры и оставляется с дополнительной порцией вещества на несколько часов.

Затем в раствор помещается затравка. Она привязывается на нить, ставится на подставку либо просто кладется на дно сосуда.

Сосуд оставляют с открытым горлом на длительное время. Испарение растворителя увеличивает концентрацию вещества в растворе, а т.к. она уже является предельной, то получающийся избыток оседает на кристалле, вызывая его рост.

2. Медленное остывание раствора.

Методика близка к первой. Готовится горячий насыщенный раствор, в него помещается затравка. Раствор в сосуде начинает медленно охлаждаться.
В промышленности это контролируется термостатами с заданной программой, дома – укутыванием емкости в полотенца, теплую одежду либо выращивание в термосе или емкости из пенопласта. Сосуд не закрывают герметично во избежание повреждения емкости из-за изменения давления.

В результате уменьшения температуры граница насыщенности медленно понижается, и все большее количество вещества в растворе становится избыточным. Оно оседает на затравку и приводит к росту кристалла.

3. Температурный градиент

Близок к первым двум методикам.

Сосуд ставится на источник тепла – термостат, нагреватель, батарею. Температура не должна быть высокой, отличия между температурой верха и низа емкости должно быть всего в несколько градусов. Сосуд может быть герметичным, хотя желательно просто накрыть его крышкой во избежание попадания пыли.

В результате нижний слой раствора нагревается, предел растворимости повышается, растворяется часть порции вещества со дна емкости. Этот более теплый слой, благодаря конвекции, медленно поднимается вверх по емкости. Во время движения происходит постепенное охлаждение, поэтому при достижении верха емкости слой становится пересыщенным. Достигая затравки происходит осаждение вещества на ней, кристалл растет.

II. Малорастворимые вещества

1. Рост с одновременным получением

В емкости по отдельности заливаются растворы, содержащие реагенты для получения вещества. Для солей это раствор, содержащий нужный катион (ион металла), а в другую – содержащий нужный анион (кислотный остаток).

Во время обычной реакции растворы реагируют быстро и по всему объему, получающиеся вещества практически не образуют кристаллов (либо образуют, но микроскопических размеров).
Гель или мембрана приводят к локализации реакции и её сильному замедлению, поэтому образуются отдельные крупные (все относительно, обычно их размер всего в пару миллиметров) кристаллы.

Большая температура обычно увеличивает скорость реакции, но кристаллы растут более мелкими.

Представляет собой тот же самый метод температурного градиента, с той лишь разницей, что вещество растворяется в растворителе при больших температурах и давлении. В таких условиях малорастворимые вещества становятся хорошо растворимыми, что позволяет намного проще обходиться с ними.

В домашних условиях не реализуем из-за трудности воспроизведения нужных условий. Однако в промышленности используется достаточно широко, именно этим методом выращивают кристаллы кварца и синтетического рубина.

Растворяемое вещество имеет более высокую температуру плавления, но может легко растворяться в расплаве, имеющем гораздо более низкую температуру плавления. К такому высокотемпературному раствору уже можно применять обычный метод температурного градиента или медленного охлаждения.

Широко используется в промышленности для получения кристаллов тугоплавких веществ. В домашних условиях малореализуем.

По мере медленного остывания расплава вокруг затравки образуется область с переохлажденным расплавом, который стремится перейти в твердое состояние. Происходит медленный рост затравки.

Получаются правильные чистые монокристаллы вещества, растущие вглубь и в стороны внутри расплава. По мере остывания необходимо следить, чтобы весь расплав не затвердел, иначе вынуть кристалл не удастся.

Реализуем в домашних условиях с некоторыми не слишком тугоплавкими веществами. В промышленности используются другие способы, позволяющие контролировать параметры кристалла.

Очень широко используется в промышленности для выращивания кристаллов металлов и полупроводников.

На поверхность расплава опускается затравочный кристалл или стержень с системой охлаждения, который затем немного поднимается над расплавом. Расплав, благодаря силам поверхностного натяжения, оказывается соединен со стержнем тонкой областью. На границе касания, внутри этой области, начинается кристаллизация, причем силы поверхностного натяжения ориентируют возникающий кристалл в направлении стержня. Медленное вытягивание стержня из раствора приводит к подниманию части выросшего кристалла, все так же соединенного с раствором. На новой границе касания продолжается направленный рост кристалла.

Читайте также:  Как правильно выращивать каллы в домашних условиях?

Данный метод позволяет легко получить однородные кристаллы тугоплавких веществ с заданными свойствами.

Существует большое количество модификаций метода, предлагающих разное направление вытягивания, использование флюсов и особых системы охлаждения, но их различия не существенны и важны только для промышленности.

Широко используется в промышленности для получения чистых кристаллов простых веществ.

Нагретое вещество под действием другого превращается в летучее или легкоплавкое соединение. На месте кристаллизации под действием сильного нагрева, разрядов тока или другого способа происходит разложение соединения на исходные вещества, одно из которых кристаллизуется на затравке или предмете, а другое переносится в начало для дальнейшего переноса.

Обычно в качестве транспорта используются газообразные галогены. Тогда метод называют методом газового транспорта

Близок к предыдущему методу, но используются два летучих соединения, которые реагируют в обрасти возле затравки, образуя необходимое вещество.

Используется для получения кристаллов простых металлов и их сплавов.

Требуется раствор или расплав соли металла, электроды и источник тока.

Электроды погружаются в раствор, на них подается постоянный ток. На одном их электродов восстанавливается металл в виде дендритов или полусфер, на другом окисляется анион кислотного остатка.

Geolib.net

Справочник по геологии

Образование и рост кристаллов

Кристаллы возникают при переходе вещества из любого агрегатного состояния в твердое. Главным условием образования кристаллов является понижение температуры до определенного уровня, ниже которого частицы (атомы, ионы), потеряв избыток теплового движения, проявляют присущие им химические свойства и группируются в пространственную решетку.

Способы и факторы зарождения кристаллов

При температурах, измеряемых тысячами градусов, ни одно из известных в природе веществ в кристаллическом состоянии существовать не может. Вторым важным условием является давление. Температура и давление – это термодинамические условия существования кристаллического вещества. Высоко нагретое вещество при охлаждении может проходить стадии газообразной смеси, жидкости, расплава, твердого состояния. Поэтому возможны три способа образования кристаллов.

  1. Кристаллизация путем возгонки – переход непосредственно из газообразного состояния к твердому. В этом случае кристаллы образуются прямо из пара, минуя жидкую фазу. Примером могут служить возгонка и перекристаллизация йода. В природе этот процесс происходит в кратерах, вулканических трещинах (налеты нашатыря, серы и др.). Зимой при ясной морозной погоде в воздухе образуются снежинки.
  2. Раскристаллизация в твердом состоянии – переход из твердого состояния в твердое. Здесь возможны два процесса. Первый – кристаллическое вещество может образовываться из аморфного. Так, с течением времени раскристаллизовываются стекла и содержащие стекло вулканические породы. Второй процесс – перекристаллизация: структура одних веществ разрушается и образуются новые кристаллы с иной структурой. Явления перекристаллизации широко распространены в природе и ведут к образованию новых минералов, горных пород и руд. Все метаморфические горные породы в той или иной степени являются перекристаллизованными. Под влиянием температуры, давления и других факторов известняк, например, переходит в мрамор, глинистые породы – в филлиты и кристаллические сланцы, кварцевые песчаники – в кварциты.
  3. Кристаллизация из расплавов и растворов – основной способ образования кристаллов в природе. Так образуются из огненно-жидкого силикатного расплава (магмы) массивные кристаллические породы – граниты. На дне озер, заливов и в море отлагаются кристаллы солей. Из расплавов и растворов выращиваются искусственные кристаллы (например, технические и драгоценные камни: пьезокварц, карборунд, рубин, алмаз, сапфир и др.).

Таким образом, основное условие зарождения – переохлаждение или перенасыщение. Зарождение кристаллов – переохлаждение или перенасыщение. Зарождение кристаллов может идти самостоятельно. Но иногда для роста кристаллов достаточным бывает наличие мельчайших кристалликов самого кристаллизуемого вещества или близких к нему по строению частиц других твердых веществ. Процесс образования кристаллов проходит скачкообразно, с выделением энергии, с перегруппировкой частиц, с резким изменением первоначальных свойств. Кристаллизационная способность у различных веществ неодинакова, она определяется количеством центров кристаллизации, образующихся в единицу времени в единице объема, и скоростью роста кристаллов. При большой скорости образования центров кристаллизации возникает много мелких кристаллов, при малом количестве центров возникают крупные кристаллы.

Как вырастить кристалл из соли дома

Можно самостоятельно проводить опыты по выращиванию кристаллов. Предварительно приготовляется измельченная в порошок навеска той или иной соли (квасцы, медный купорос и др.). Навеску насыпать в химически стеклянный или фарфоровый стакан и налить с помощью градуированной мензурки требуемое количество воды. Покрыв круглым (часовым) стеклом стакан, нагрейте его содержимое, чтобы ускорить растворение соли в воде. Затем полученный раствор профильтруйте.

Таблица 1 — Растворимость солей (в граммах) в 100 см 3 воды.

Калиево-алюминиевые квасцы KAl[SiO4]·12H2OНатровая селитра

3,97376,931,6109,580,693,8372015,188,5115,942,3302296,6146,348,84030,9104,9179,356,9

Отфильтрованную жидкость поместите в специальный стакан с широким дном и низкими стенками. В стакане раствор остывает и интенсивно испаряется, чему способствует характерная форма стакана, создающая большую поверхность испарения. В результате охлаждения и испарения получается сначала насыщенный, а затем перенасыщенный раствор (в нем содержится избыток растворенного вещества). При этом в кристаллизаторе начинают выпадать кристаллики. На следующий день (после приготовления раствора) нужно выбрать несколько или один из выпавших кристалликов, слить осторожно раствор в чистый кристаллизатор и поместить туда отобранные кристаллы – «завтраки». «Завтраками» называются твердые частицы, способные вызывать кристаллизацию. Для получения хорошо ограненного (изометричного) кристалла следует выращивать его на волоске, или нитке-шелковинке. Кристаллы, выращенные на дне сосуда, будучи стеснены в росте, приобретут неправильную форму (сплюснутые, вытянутые). По истечении некоторого срока, когда раствора станет мало, следует приготовить свежий раствор и перенести в него кристалл. Список оборудования для выращивания кристаллов: реактивы, ступка (фарфоровая), весы с разновесами (аптекарские), два стакана (химических или фарфоровых), мензурка, горелка, асбестовая сетка, круглое часовое стекло, стеклянная палочка для размещения раствора, воронка, фильтровальная бумага, штатив для воронки, стакан с широким дном, пинцет, термометр. Удобный материал для получения хорошо образованных кристаллов представляют алюминиевые квасцы. Растворимость квасцов в горячей воде значительно больше, чем в холодной, поэтому мы можем ускорить процесс, охлаждая насыщенный раствор. Растворите квасцы в горячей воде до пределов растворимости; получится насыщенный раствор. Опыт показывает, что в 200 г горячей воды можно растворить 25 г квасцов. На нитках-шелковинках, опущенных в раствор, вырастают кристаллы правильной формы, свойственной квасцам – октаэдры. С нитки удалите мелкие и неправильные кристаллы и оставьте один лучший, который будет постепенно нарастать. Вещество квасцов равномерно оседает на гранях свободно растущего кристалла. При охлаждении насыщенного раствора (75 г хромовых квасцов на 20 г воды) до температуры 11⁰С на дно сосуда выпадают корки мелкозернистых кристаллов. Правильные кристаллы хромовых квасцов в виде октаэдров фиолетового цвета растут на нитках, опущенных в раствор. Кристаллы алюминиевых квасцов могут расти в растворе хромовых и наоборот, так как у тех и других одинаковый тип пространственной решетки. Поместите растущий на нитке фиолетовый кристалл хромовых квасцов в насыщенный раствор алюминиевых квасцов – вы получите двухслойный кристалл с фиолетовым внутренним октаэдром и наружным бесцветным.

Наиболее удачный результат получается при выращивании кристаллов медного купороса из раствора, концентрацией 29,2% при охлаждении его до 13,5⁰С. В 200 г воды при подогревании растворите 82,5 г растертого в порошок медного купороса. Раствор пропустите через бумажный фильтр. Спустя 14-15 часов выпадут хорошо образованные кристаллы до 1,5 см в длину. Кроме квасцов и медного купороса, хорошо кристаллизуется двухромовокислый калий. Опыт по самоогранению кристалла: придайте выращенному кристаллу квасцов (обтачиванием напильником) форму шара, снова опустите его в насыщенный маточный раствор и следите за его ростом. Через 1-2 дня вы заметите, что на шарике появляются грани и через неделю вместо шарика снова образуется правильный октаэдр.

Введение

Всё чаще мы стали встречаться с термином «жидкие кристаллы».

Мы общаемся с ними, и они играют немаловажную роль в нашей жизни. Многие современные приборы и устройства работают на них. К таким относятся часы, термометры, дисплеи, мониторы и прочие устройства.

Что же это за вещества с та-ким парадоксальным названием «жидкие кристаллы» и почему к ним проявляется столь значительный интерес?

В наше время наука стала производительной силой, и поэтому, как правило, повышенный научный интерес к тому или иному явлению или объекту означает, что это явление или объект представляет интерес для материаль-ного производства.

В этом отношении не являются ис-ключением и жидкие кристаллы. Интерес к ним, прежде всего, обусловлен возможностями их эффективного при-менения в ряде отраслей производственной деятельно-сти.

Внедрение жидких кристаллов означает экономиче-скую эффективность, простоту, удобство.

Открытие жидких кристаллов

Четвертое агрегатное состояние вещества – мегафаза

Жидкий кристалл – это специфическое агрегатное со-стояние вещества, в котором оно проявляет одновре-менно свойства кристалла и жидкости. Сразу надо огово-риться, что далеко не все вещества могут находиться в жидкокристаллическом состоянии. Большинство веществ может находиться только в трех, всем хорошо известных агрегатных состояниях: твердом или кристаллическом, жидком и газообразном.

Оказывается, некоторые органические вещества, обладающие сложными молеку-лами, кроме трех названных состояний, могут образовы-вать четвертое агрегатное состояние — жидкокристалли-ческое. Это состояние осуществляется при плавлении кристаллов некоторых веществ. При их плавлении обра-зуется жидкокристаллическая фаза, отличающаяся от обычных жидкостей. Эта фаза существует в интервале от температуры плавления кристалла до некоторой более высокой температуры, при нагреве до которой жидкий кристалл переходит в обычную жидкость.

Чем же жидкий кристалл отличается от жидкости и обычного кристалла и чем похож на них? Подобно обычной жидкости, жидкий кристалл обладает текучестью и принимает форму сосуда, в который он помещен. Этим он отличается от известных всем кристаллов. Однако, несмотря на это свойство, объединяющее его с жид-костью, он обладает свойством, характерным для кри-сталлов. Это – упорядочение в пространстве молекул, образующих кристалл. Правда, это упорядочение не та-кое полное, как в обычных кристаллах, но, тем не менее, оно существенно влияет на свойства жидких кристаллов, чем и отличает их от обычных жидкостей. Неполное про-странственное упорядочение молекул, образующих жид-кий кристалл, проявляется в том, что в жидких кристал-лах нет полного порядка в пространственном располо-жении центров тяжести молекул, хотя частичный порядок может быть. Это означает, что у них нет жесткой кри-сталлической решетки. Поэтому жидкие кристаллы, по-добно обычным жидкостям, обладают свойством текуче-сти.

Обязательным свойством жидких кристаллов, сбли-жающим их с обычными кристаллами, является наличие порядка пространственной ориентации молекул. Такой порядок в ориентации может проявляться, например, в том, что все длинные оси молекул в жидкокристалличе-ском образце ориентированы одинаково. Эти молекулы должны обладать вытянутой формой. Кроме простейше-го названного упорядочения осей молекул, в жидком кристалле может осуществляться более сложный ориентационный порядок молекул.

В зависимости от вида упорядочения осей молекул жидкие кристаллы разделяются на три разновидности: нематические, смектические и холестерические.

Исследования по физике жидких кристаллов и их при-менениям в настоящее время ведутся широким фрон-том во всех наиболее развитых странах мира. Отечествен-ные исследования сосредоточены как в академических, так и отраслевых научно-исследовательских учреждени-ях и имеют давние традиции. Широкую известность и признание получили выполненные еще в тридцатые годы в Ленинграде работы В.К. Фредерикса к В.Н. Цветкова. В последние годы бурного изучения жидких кристаллов отечественные исследователи также вносят весомый вклад в развитие учения о жидких кристаллах в целом и, в частности, об оптике жидких кристаллов. Так, работы И.Г. Чистякова, А.П. Капустина, С.А. Бразовского, С.А. Пикина, Л.М. Блинова и многих других советских иссле-дователей широко известны научной общественности и служат фундаментом ряда эффективных технических приложений жидких кристаллов.

Существование жидких кристаллов было установлено очень давно, а именно в 1888 году, то есть почти столетие назад. Хотя учёные и до 1888 года сталкивались с данным состоянием вещества, но официально его открыли позже.

Читайте также:  Как правильно выращивать ананас в домашних условиях?

Первым, кто обнаружил жидкие кристаллы, был авст-рийский ученый-ботаник Рейнитцер. Исследуя новое син-тезированное им вещество холестерилбензоат, он обна-ружил, что при температуре 145°С кристаллы этого ве-щества плавятся, образуя мутную сильно рассеивающую свет жидкость. При продолжении нагрева по достижении температуры 179°С жидкость просветляется, т. е. начина-ет вести себя в оптическом отношении, как обычная жидкость, например вода. Неожиданные свойства холестерилбензоат обнаруживал в мутной фазе. Рассматри-вая эту фазу под поляризационным микроскопом, Рей-нитцер обнаружил, что она обладает двупреломлением. Это означает, что показатель преломления света, т. е скорость света е этой фазе, зависит от поляризации.

Как самостоятельно вырастить кристаллы?

В природе очень редко можно встретить кристаллы с идеальными параметрами и формой. Уже на протяжении многих лет ведется успешное создание искусственных кристаллов в лабораториях. Однако, не все знают, что такое чудо можно вырастить и в домашних условиях.

Выращивание кристаллов

Что нужно знать?

Выращивание кристаллов — процесс очень интересный, но бывает достаточно длительным. Полезно знать, какие процессы управляют его ростом; почему разные вещества образуют кристаллы различной формы, а некоторые их вовсе не образуют; что надо сделать, чтобы они получились большими и красивыми.

Если кристаллизация идёт очень медленно, получается один большой кристалл (или монокристалл, например при выращивании искусственных камней), если быстро — то множество мелких (или поликристалл, например металлы).

Выращивание кристаллов в домашних условиях производят разными способами. Например, охлаждая насыщенный раствор. С понижением температуры растворимость веществ уменьшается (в основном, это касается безводной соли), и они, как говорят, выпадают в осадок. Сначала в растворе и на стенках сосуда появляются крошечные кристаллы-зародыши.

Когда охлаждение медленное, а в растворе нет твёрдых примесей (скажем, пыли), зародышей образуется немного, и постепенно они превращаются в красивые кристаллики правильной формы. При быстром охлаждении возникает много мелких кристалликов, почти никакой из них не имеет правильную форму, ведь их растёт множество и они мешают друг другу.

Выращивание кристаллов можно осуществить и другим способом — постепенным удалением воды из насыщенного раствора. И в этом случае чем медленнее удаляется вода, тем лучше получается результат. Оставьте открытым сосуд с раствором при комнатной температуре на длительный срок, накрыв его листом бумаги, — вода при этом будет испаряться медленно, и пыль в раствор попадать не будет.

Растущий кристаллик можно либо подвесить в насыщенном растворе на тонкой прочной нитке, либо положить на дно сосуда. В последнем случае кристаллик периодически надо поворачивать на другой бок. По мере испарения воды в сосуд следует подливать свежий раствор.

Выращивание кристаллов — процесс занимательный, но требующий бережного и осторожного отношения к своей работе. Теоретически размер кристалла, который можно вырастить в домашних условиях таким способом, неограничен. Известны случаи, когда энтузиасты получали кристаллы такой величины, что поднять их могли только с помощью товарищей.

Но, есть некоторые особенности их хранения (конечно каждая соль и вещество имеют свои особенности).
Например, если кристаллик квасцов оставить открытым в сухом воздухе, он, постепенно теряя содержащуюся в нём воду, превратится в невзрачный серый порошок.

Как вырастить кристалл?

Вырастить кристалл можно из разных веществ: например из сахара, даже каменные — искусственное выращивание камней, с соблюдением строгих правил по температуре, давлению, влажности и других факторов (искусственные рубины, аметисты, кварц, цитрины, морионы).

В домашних условиях, конечно, всего этого у нас не получится, поэтому поступим другим образом. Будем выращивать кристаллы соли. У всех у нас есть дома обычная пищевая соль (как наверное, знаете, что её химическое название хлорид натрия NaCl). Подойдёт и любая другая соль (соль — с химической точки зрения), например, можно получить красивые синие кристаллы из медного купороса или или любого другого купороса (например железного).

Можно использовать квасцы (двойные соли металлов серной кислоты), тиосульфата натрия (раньше использовался для изготовления фотографий).
Для всех этих солей (да и вообще для соли) не требуется особых каких-то условий: сделали раствор, опустили туда «зародыш» (всё это подробно описано ниже) и растёт он себе, каждый день прибавляя в росте.

Да, не следует раскрашивать раствор, где растёт Ваш кристалл, например красками или чем нибудь подобным, — это лишь испортить сам раствор, а кристалл всё же не покрасит!

Лучший способ получить цветные кристаллы — это подобрать нужную по цвету соль! Но будьте внимательными: например кристаллы жёлтой кровной соли имеют красно-оранжевый цвет — а раствор получается жёлтым. Вот теперь можем приступить!

Выращивание кристаллов поваренной соли

Кристаллы поваренной соли — процесс выращивания не требует наличия каких-то особых химических препаратов. У нас всех есть пищевая соль (или поваренная соль), которую мы принимаем в пищу. Её также можно назвать и каменной — всё одно и то же. Кристаллы поваренной соли NaCl представляют собой бесцветные прозрачные кубики.

Начнём. Разведите раствор поваренной соли следующим образом: налейте воды в ёмкость (например стакан) и поставьте его в кастрюлю с тёплой водой (не более 50°С — 60°С). Конечно, в идеальном варианте, если вода не будет содержать растворённых солей (т.е. дистиллированная), но в нашем случаем можно воспользоваться и водопроводной.

Насыпьте пищевую соль в стакан и оставьте минут на 5, предварительно помешав. За это время стакан с водой нагреется, а соль растворится. Желательно, чтобы температура воды пока не снижалась. Затем добавьте ещё соль и снова перемешайте. Повторяйте этот этап до тех пор, пока соль уже не будет растворяться и будет оседать на дно стакана.

Мы получили насыщенный раствор соли. Перелейте его в чистую ёмкость такого же объёма, избавившись при этом от излишек соли на дне.Выберите любой понравившийся более крупный кристаллик поваренной

соли и положите его на дно стакана с насыщенным раствором. Можно кристаллик привязать за нитку и подвесить, чтобы он не касался стенок стакана.
Теперь нужно подождать.

Уже через пару дней можно заметить значительный для кристаллика рост. С каждым днём он будет увеличиваться. А если проделать всё то же ещё раз (приготовить насыщенный раствор соли и опустить в него этот кристаллик), то он будет расти гораздо быстрее (извлеките кристаллик и используйте уже приготовленный раствор, добавляя в него воды и необходимую порцию пищевой соли).

Для сведений: в 100г воды при температуре 20°С может раствориться приблизительно 35 г поваренной соли. С повышением температуры растворимость соли растёт. Так выращивают кристаллы поваренной соли (или кристаллы соли, форма и цвет которых Вам больше нравится)

Выращивание кристаллов медного купороса

Кристаллы медного купороса — выращиваются подобным образом, также, как с поваренной солью: сначала готовится насыщенный раствор соли, затем в этот раствор опускается понравившийся маленький кристаллик соли медного купороса.

Медный купорос- — химически активная соль! Поэтому для удачности опыта в этом случае воду нужно взять дистиллированную, т.е. не содержащую других растворённых в ней солей. Из под крана воду тоже лучше не брать, так как она во-первых содержит растворённые соли, во-вторых может быть сильно хлорированной. Примеси (особенно карбонаты в жёсткой вроде) вступают в химические реакции с медным купоросом, из-за чего раствор сильно портится

Если всё в порядке, — продолжим. Если Вы решили не переливать раствор из ёмкости, в которой первоначально рос маленький кристаллик, тогда подвесьте кристаллик, что бы он не касался других кристалликов, оставшихся на дне!

Выращивание кристаллов производят не только из растворов, но и из расплавов соли. Ярким примером могут служить жёлтые непрозрачные кристаллы серы, имеющие форму ромба или вытянутых призм. Но с серой, особо, работать не советую. Газ, образующийся при её испарении,
вреден для здоровья.

Можно избежать роста отдельных граней кристаллика. Для этого эти грани надо нанести раствор вазелина или жира.

Выращивание кристаллов меди

Теперь вырастим красные кристаллы меди. Нам необходимы медный купорос, поваренная соль, стальная пластинка по форме сечения ёмкости (немного меньшего периметра. Можно использовать стальную стружки или кнопки), где будут расти кристаллы меди и кружок из промокательной бумаги в форме сечения.

Итак, положите немного медного купороса на дно пузырька (желательно равномерно по площади). Сверху насыпьте поваренной соли и закройте всё это вырезанным кружком бумаги. На неё положите железную пластинку (или засыпьте стальной стружкой).

Всё это вместе надо залить насыщенным раствором поваренной соли (такой раствор мы готовили из поваренной соли). Оставьте ёмкость приблизительно на неделю. За это время вырастут иглоугольные красные кристаллы меди.

Когда идёт процесс роста старайтесь не переносить ёмкость, а также очень нежелательно изымать кристаллики из раствора.

Можно вырастить кристалл разноцветным и многослойным. Их получают путём приготовления растворов квасцов (двойные соли серной кислоты) и переносят поочерёдно выращиваемый кристаллик из одного раствора в другой.

Если смешать горячие концентрированные растворы сульфатов алюминия Al2(SO4)3 и калия K2(SO4), а полученный раствор охладить, то из него начнут кристаллизоваться квасцы — двойной сульфат калия и алюминия 2KAl(SO4)2•12Н2О. Квасцы растворяются в воде так: 5,9 г на 100 г воды при 20 °С, но уже 109 г — при 90 °С в пересчёте на безводную соль.

При хранении на воздухе квасцы выветриваются. При температуре 92,5 °С они плавятся в своей кристаллизационной воде, а при нагревании до 120 °С обезвоживаются, переходя в жжёные квасцы, которые разлагаются лишь при температуре выше 700 °С.

Кое-что о жидких кристаллах

Жидкие кристаллы — это вещества, которые ведут себя одновременно как жидкости и как твёрдые тела. Молекулы в жидких кристаллах, с одной стороны, довольно подвижны, с другой — расположены регулярно, образуя подобие кристаллической структуры (одномерной или двумерной).

Часто уже при небольшом нагревании правильное расположение молекул нарушается, и жидкий кристалл становится обычной жидкостью. Напротив, при достаточно низких температурах они замерзают, превращаясь в твёрдые тела.

Регулярное расположение молекул в жидких кристаллах обусловливает их особые оптические свойства. Их свойствами можно управлять, подвергая действию магнитного или электрического поля. Это используется в жидкокристаллических индикаторах часов, калькуляторов, компьютеров и последних моделей телевизоров.

Итак, процесс выращивание кристаллов в домашних условиях разделим на основные этапы:

  1. Растворить соль, из которой будет расти кристалл, в подогретой воде (подогтерть нужно для того, чтобы соль растворилось немного больше, чем может раствориться при комнатной температуре). Растворять соль до тех пор, пока будете уверены, что соль уже больше не растворяется (раствор насыщен!). Рекомендую использовать дистиллированную воду (т.е. не содержащую примесей других солей)
  2. Насыщенный раствор перелить в другую ёмкость, где можно производить выращивание кристаллов (с учётом того, что он будет увеличиваться). На этом этапе следите, чтобы раствор не особо остывал.
  3. Привяжите на нитку кристаллик соли, нитку привяжите например к спичке и положите спичку на края стакана (ёмкости), где налит насыщенный раствор (этап 3). Кристаллик опустите в насыщенные раствор.
  4. Перенесите ёмкость с насыщенным раствором и кристалликом в место, где нет сквозняков, вибрации и сильного света (выращивание кристаллов требует соблюдение этих условий).
  5. Накройте чем-нибудь сверху ёмкость с кристалликом (например бумагой) от попадания пыли и мусора. Оставьте раствор на пару дней.

Важно:

  • кристаллик нельзя при росте без особой причины вынимать из раствора
  • не допускать попадание мусора в насыщенные раствор, наиболее предпочтительно использовать дистиллированную воду
  • следить за уровнем насыщенного раствора, периодически (раз в неделю или две) обновлять при испарении раствор

Ссылка на основную публикацию