ГБОУ гимназия №1583

ПУТЕШЕСТВИЕ

В МИР КРИСТАЛЛОВ

Проектная работа

Выполнила: ученица 1Б класса

ГБОУ гимназии №1583

Козулина Ксения

Классный руководитель:

Петрушина Ольга Петровна

Москва 2015

2

Оглавление Введение ...................................................................................................................................................... 3

Актуальность выбранной темы .............................................................................................................. 3

Проблема ................................................................................................................................................. 3

Цель проекта ................................................................................................................................................ 3

Задачи ........................................................................................................................................................... 4

План работы ................................................................................................................................................. 4

Описание проектной работы и ее результаты .......................................................................................... 4

Понятие кристаллов ................................................................................................................................ 4

Определение ........................................................................................................................................... 5

Где встречаются кристаллы .................................................................................................................... 5

Как образуются кристаллы ..................................................................................................................... 6

Свойства кристаллов ............................................................................................................................... 6

Применение кристаллов ......................................................................................................................... 7

Интересные факты о кристаллах ............................................................................................................ 8

Самые удивительные минералы планеты ............................................................................................ 8

Где и как добывают кристаллы ............................................................................................................ 10

Выращивание сталагмитов ................................................................................................................... 10

Выращивание поликристаллов ............................................................................................................ 11

Выращивание монокристаллов ........................................................................................................... 12

Результаты .............................................................................................................................................. 14

Выводы ....................................................................................................................................................... 14

Литература: ................................................................................................................................................ 15

Приложение ............................................................................................................................................... 16

3

Введение

Актуальность выбранной темы "Почти весь мир кристалличен. В

мире царит кристалл и его

твердые, прямолинейные законы" Академик Ферсман А.Е.

Большинство детей считают, что кристаллами называют драгоценные камни,

например, алмазы или рубины. Однако это не совсем так. Кристаллы встречаются нам

повсюду. Мы ходим по кристаллам, строим из кристаллов, обрабатываем кристаллы на

заводах, выращиваем их в лабораториях, широко применяем в технике и науке, едим

кристаллы, лечимся ими, находим их в живых организмах, выходим на просторы

космических дорог с помощью приборов из кристаллов. Что же такое кристаллы?

Проблема

Проявив интерес к кристаллам, мне захотелось узнать, что такое кристаллы, какие

они бывают, как они появляются и где их применяют, однако совместно с родителями и

нашим классным учителем мы пришли к тому, что по данной тематике отсутствует

литература для детей младшего школьного возраста. Самостоятельно разобраться в

имеющихся научных трудах ребенку в этом возрасте практически невозможно. Между

тем в интернете существует масса исследовательских проектов детей по выращиванию

кристаллов солей в домашних условиях, что свидетельствует о заинтересованности в

данной области широкого круга ребят. Это и побудило в нас желание создать нечто такое,

что позволило бы детям в легкой и доступной форме познакомиться с удивительным и

загадочным миром кристаллов.

Цель проекта

Создание пособия по кристаллам для детей младшего школьного возраста.

4

Задачи 1. В краткой и доступной форме изложить основные понятия о кристаллах и

принципах, лежащих в основе их применения в современном мире.

2. Познакомить детей с самыми удивительными и загадочными кристаллами нашей

планеты.

3. Рассказать о методах выращивания кристаллов, в том числе в домашних условиях, и

провести самостоятельные опыты для достоверности излагаемого материала.

План работы 1. Ознакомиться с теоретическим материалом;

2. Подготовить подборку интересных фактов о кристаллах;

3. Сделать искусственную пещеру своими руками и вырастить в ней сталагмиты;

4. Вырастить в домашних условиях кристаллы поваренной соли, сульфата магния,

алюминиевых квасцов;

5. Зафиксировать результаты опытов;

6. Оформить результаты исследований и теоретическую часть в виде пособия.

Описание проектной работы и ее результаты

Понятие кристаллов

Представим, что мы входим в кристаллический

лес, только там вместо деревьев растут кристаллы.

Они разных цветов, в большинстве своём прозрачны,

и, что самое замечательное, они обладают красивой

правильной формой. Они радуют глаз чудесной игрой

света в гранях, удивительной правильностью

строения.

Пойдем вглубь кристаллического леса. Мы

видим, что некоторые кристаллы стоят особняком

(монокристаллы), некоторые по 2-3, некоторые в

группах – это друзы или поликристаллы. Кристаллы

как люди, некоторые любят одиночество, некоторые

любят быть в группах.

Теперь представим, как будто мы входим в

кристалл и ходим внутри него. Посмотрим на его

структуру, ячейки, атомы в ячейках – это его

кристаллическая решетка.

Походим вверх и вниз, как

будто это комнатки. Форма

этих комнат у кристаллов может быть разной - кубической,

прямоугольной, шестиугольной. Форма самого кристалла

определяется формой его кристаллической решетки.

Например, кристаллическая решетка поваренной соли имеет

кубическую форму, поэтому и кристалл поваренной соли

имеет форму кубика.

Поликристалл (друза)

Монокристалл

5

Определение

Кристаллы — это твёрдые вещества, имеющие естественную внешнюю форму

правильных симметричных многогранников, основанную на их внутренней структуре, то

есть на одном из нескольких определённых регулярных расположений составляющих

вещество частиц (атомов, молекул).

Интересно происхождение слова

«кристалл». Много веков назад среди

вечных снегов в Альпах, на территории

современной Швейцарии, нашли очень

красивые, совершенно бесцветные

кристаллы, очень напоминающие чистый

лед. Древние натуралисты так их и назвали

– «кристаллос», по-гречески – лед; это

слово происходит от греческого «криос» –

холод, мороз. Полагали, что лед, находясь

длительное время в горах, на сильном морозе, окаменевает и теряет способность таять.

Где встречаются кристаллы

Кристаллы – совсем не музейная редкость. Кристаллы окружают нас повсюду.

Твёрдые тела, из которых мы строим дома и делаем станки, вещества, которые мы

употребляем в быту, почти все камни, руды металлов и сами металлы, выплавляемые из

этих руд, соль, сахар и многое другое вокруг нас - это все кристаллические вещества.

Кристаллы замерзающей воды, то есть лёд и снег, известны всем. Эти кристаллы

почти полгода покрывают необозримые пространства Земли, лежат на вершинах гор и

сползают с них ледниками, плавают айсбергами в океанах. Ледяной покров реки, массив

ледника или айсберга – это, конечно, не один большой кристалл. Плотная масса льда

обычно поликристаллическая, то есть состоит из множества отдельных кристаллов; их не

всегда различишь, потому что они мелкие и все срослись вместе. Иногда эти кристаллы

можно различить в тающем льду. Каждый отдельный кристаллик льда, каждая снежинка,

хрупка и мала. Часто говорят, что снег падает, как пух. Но даже это сравнение, можно

сказать, слишком «тяжёлое»: снежинка гораздо легче, чем пушинка. Десяток тысяч

снежинок составляют вес одной копейки. Но, соединяясь в

огромных количествах вместе, снежные кристаллы могут

остановить поезд, образовав снежные завалы.

Величина, форма и узор снежинок зависят от

температуры и влажности. Все снежинки имеют 6 граней и

одну ось симметрии.

Песок Соль

6

Каждый из нас замечал, что в мороз снег скрипит под ногами. Это происходит

потому, что ломаются сотни тысяч кристалликов под действием силы тяжести ноги.

Кристаллики льда в облаках могут в несколько минут погубить самолёт.

Обледенение – страшный враг самолётов – тоже результат роста кристаллов. Здесь мы

имеем дело с ростом кристаллов из переохлаждённых паров. В верхних слоях атмосферы

водяные пары или капли воды, могут долго сохраняться в переохлаждённом состоянии.

Переохлаждение в облаках доходит до - 30 ºс. Но как только в эти переохлаждённые

облака врывается летящий самолет, тотчас же начинается бурная кристаллизация.

Мгновенно самолет оказывается облепленным грудой, быстро растущих кристаллов льда.

Самые красивые среди кристаллов - драгоценные камни.

Как образуются кристаллы

В 1669г датский геолог, кристаллограф Николаус Стеной сформулировал понятия о

формировании кристаллов: «Рост кристалла происходит не изнутри, как у растений, но

путём наложения на внешние плоскости кристалла мельчайших частиц, приносящихся

извне некоторой жидкостью».

Современная наука придерживается следующего мнения: кристаллы образуются

когда какое-либо вещество или их комплекс переходит из жидкого или газообразного

состояния в твёрдое. Это происходит примерно так: грани наращиваются слой за слоем,

перемещаются параллельно самим себе, как при кладке кирпичной стены.

Свойства кристаллов

Основные свойства кристалла: сохраняет форму и объем при отсутствии внешних

воздействий, обладает прочностью, определенной температурой плавления и

анизотропией (зависимостью физических свойств кристалла от выбранного направления).

Отдельный тип кристаллов – это жидкие кристаллы. Они обладают одновременно

свойствами как жидкостей, так и кристаллов.

По структуре жидкие кристаллы представляют собой

жидкости, похожие на желе, состоящие из молекул вытянутой

формы, определённым образом упорядоченных во всем объёме

этой жидкости.

Наиболее характерным свойством жидких кристаллов

является их способность изменять ориентацию молекул под

воздействием электрических полей, что широко применяется в

промышленности. Жидкокристаллический

экран

Бриллианты

7

Применение кристаллов

Кристаллы применяются практически во всех областях деятельности человека.

Приведем лишь некоторые из них.

Около 80% всех добываемых природных алмазов и все искусственные алмазы

используются в промышленности. Алмазные инструменты используются для обработки

деталей из самых твёрдых материалов, для бурения скважин при разведке и добыче

полезных ископаемых, служат опорными камнями в хронометрах высшего класса для

морских судов и других, особо точных приборах. Конечно, алмазы используются и в

ювелирных изделиях.

Высокая твёрдость рубинов, или корундов, обусловила их широкое применение в

часовых изделиях и химической промышленности. Новые перспективы для широкого

применения рубинов в научных исследованиях и в технике открылись с изобретением

рубинового лазера, в котором рубиновый стержень служит мощным источником света,

испускаемого в виде тонкого луча.

Исключительная роль выпала на долю кристаллов в современной электронике. С их

помощью работают такие приборы, как термисторы, фоторезисторы, диоды, транзисторы.

Применение кристаллов так же находят в медицине. Новые возможности получили

врачи: жидкокристаллический индикатор на коже больного быстро диагностирует

скрытое воспаление и даже опухоль. Кристаллы перманганата калия применяются как

лекарство, более известное как «Марганцовка».

Рубиновый лазер Алмазная пила Часовые механизмы

Мобильные телефоны Калькуляторы Солнечные батареи

Перманганат калия

Приборы для измерения

артериального давления

Жидкокристаллический индикатор

8

Интересные факты о кристаллах

Американский натуралист Бентлей больше 50-ти лет фотографировал снежинки под

микроскопом. Он составил атлас нескольких тысяч фотографий снежинок, и все они

различны.

Самый крупный алмаз «Куллинан» был найден в 1908г. и весит 3106 каратов или ~

600 грамм. Это примерно вес месячного котенка.

Удивительным свойством обладает

Александрит. Он меняет цвет: днём - зелёный,

вечером – красный.

С точки зрения физики молекулы ДНК

рассматриваются как особый вид твёрдого тела –

одномерные апериодические кристаллы. Таким

образом, по этой теории человек построен из

кристаллов.

Жемчуг – это единственный кристалл, который

имеет округлую форму в природе.

Алмаз - самый твердый кристалл на земле, в

струе чистого кислорода горит слабо-голубым

пламенем при 720—800 °C, полностью превращаясь,

в конечном счёте, в углекислый газ. А при нагреве до 2000 °C без доступа воздуха алмаз

спонтанно за 15-30 минут переходит в обычный графит и взрывообразно разрушается на

мелкие части.

В мексиканской пустыне открылась

сказочная пещера. Там, на глубине З00 м

в горе Naica в пустыне Chihuahuan

(Mexico), находятся самые большие из

известных на сегодняшний день

природные кристаллы. Пещера была

случайно обнаружена шахтерами в 2000

году. Эти кристаллы состоят из селенита.

Самые большие из них имеют

колончатую структуру с диаметром ~1.2

метра, достигают длины 10-15 метров, и

весят не менее 55 тонн. Эти кристаллы

образовались примерно 0,5 млн. лет тому

назад из водного раствора минералов.

Самые удивительные минералы планеты

При определенных условиях фрагменты поваленного

умершего дерева не истлевают, а минерализуются, превращаясь

в настоящие камни. Для этого требуются сотни лет и отсутствие

доступа воздуха к материалу, в результате чего получается

уникальный минерал, напоминающий осколки обледеневшего

дерева, испещренные сверкающими вкраплениями опала или

халцедона.

Александрит

Жемчуг

Окаменевшее дерево

9

Какоксенит - этот минерал способен

придать кварцу и аметисту неповторимую

расцветку. Как представитель

игольчатых кристаллов, какоксенит

невероятно хрупок.

Осмий - самое плотное натуральное

вещество, крайне трудно поддается какой- либо

обработке. Широко применяется в медицине,

оборонной промышленности.

Необычный металл немецкий ученый

Паллас в 1777 году доставил в музей

Кунсткамера, обнаруженный в Красноярске на

месте падения космического тела (метеорита).

Вскоре в Петербург была переправлена вся

глыба внеземного происхождения весом 687

кг. Этот материал получил название

«палласово железо» или палласит.

Аналогичного ему вещества из тех, что

добываются на нашей планете, не найдено. По

оценкам специалистов этот метеорит

представляет собой железно-никелевую

основу с многочисленными вкраплениями

кристаллов оливина.

Клиноклаз - редкий кристалл имеет один

небольшой секрет. При нагревании этот

изысканно красивый минерал выделяет

чесночный запах.

Благородный драгоценный камень Опал

требователен к окружающей его влажности:

при долгом пребывании в излишне

засушливых условиях он может потускнеть и

даже растрескаться. По этой причине опалы

стоит изредка «купать» в чистой воде, а также

почаще носить, если они представлены в виде

ювелирного украшения, чтобы камни

насыщались влагой, исходящей

от человеческого тела.

Гематит при обработке способен окрашивать воду в

кроваво-красный цвет.

Ископаемое яйцо? Нет – жеода с опаловой сердцевиной.

В местах, богатых полезными ископаемыми, можно найти

жеоды – геологические образования, представляющие собой

полости, таящие внутри разнообразные минералы. На срезах и

сколах жеоды могут выглядеть крайне диковинно и

привлекательно.

Какоксенит

Осмий

Клиноклаз

Какоксенит

Жеода с опаловой

сердцевиной

10

Где и как добывают кристаллы

Месторождения драгоценных камней

часто являются образованными за счет

выветривания горных пород. Они

накапливаются в рыхлых отложениях рек и

на берегах океанов и морей - в так

называемых россыпях, откуда их можно

добывать, промывая песок. Так же их можно

добывать, отделяя от вмещающей их горной

породы. Они отлагаются и концентрируются

в определенных прослоях горных пород.

Драгоценные и поделочные камни

встречаются во многих районах земного

шара - то в виде отдельных находок, то в

более значительных количествах. Скопления

драгоценных камней, пригодные для

разработки, называют их месторождениями, а места, где были сделаны единичные

находки, - проявлениями или точками минерализации.

Выращивание сталагмитов

Процесс выращивания сталагмитов из силикатов натрия («жидкое стекло» или

канцелярский клей) в домашних условиях состоял из следующих этапов:

1. Строим основу для пещеры, в которой

будем выращивать сталагмиты, из

подручных материалов. В моем случае –

это были коробки из-под обуви. Мне

необходимо было их сделать меньшего

размера для того чтобы они, в

дальнейшем, смогли поместиться в

пятилитровую бутыль из-под питьевой

воды;

2. Следующим шагом я размешала

алебастр, купленный в строительном

магазине, с водой до

состояния сметаны. И

быстро, пока

полученная смесь не

отвердела, обмазала

ею сделанные

коробки до

приобретения ими вида натуральной пещеры;

3. Третьим шагом я оставила полученные пещеры сушиться

на несколько дней, пока они полностью не затвердели, и из

них не вышла вся вода;

Добыча на реках

жеода с опаловой сердцевиной

11

4. Затем я развела силикатный клей в пропорции 1:1 с водой в широкой и глубокой

емкости (пятилитровая бутыль из-под питьевой воды со срезанной верхушкой);

5. Я, для красоты, нанесла различные красители на смоченную пещеру и погрузила ее

в получившийся раствор силикатного клея. В растворе пещеру оставила на две

недели. Важным моментом являлось то, что раствор с пещерой должен был

находиться в темном месте без каких-либо внешних воздействий;

6. Через две недели осторожно достала пещеру из раствора. На ней можно было

наблюдать выросшие с пола пещеры тонкие вертикальные столбики. Это и были

сталагмиты, которые выкристаллизовались из раствора клея, то есть из силикатов

натрия.

Таким образом, мне удалось вырастить в домашних условиях сталагмиты силикатов

натрия в изготовленной мной пещере.

Выращивание поликристаллов

Для выращивания поликристаллов (или множественных кристаллов) я проделала

следующие шаги:

1. Из купленного в магазине набора для

выращивания кристаллов из медного

купороса я взяла медный купорос, высыпала

его в баночку с водой и поставила баночку

на «водяную баню» для поддержания

температуры раствора 50 °C. Я долго и

упорно размешивала раствор, пока весь

купорос не растворился в воде;

2. Аналогично я поступила с поваренной

12

солью. Высыпала ее в банку с водой и на водяной бане мешала раствор до полного

растворения соли;

3. После этого, я отфильтровала каждый из растворов, переливая через воронку с

положенной в нее ватой в другую банку;

4. Затем, в раствор медного купороса из набора я положила затравочные кристаллы и

камни, на которых должны были вырасти кристаллы. В случае раствора

поваренной соли, я опустила в него нитку с закрепленным на ней кристалликом

соли. После этого, я поставила обе банки с растворами в спокойное место без

внешних воздействий;

5. В течение месяца я наблюдала за обоими растворами, вытаскивала нитку с

кристалликом соли и смотрела, как он растет. За счет внешнего воздействия на

кристаллике соли в концентрированном растворе соли начали образовываться

другие кристаллы.

6. Через месяц я вылила оба раствора из банок и посмотрела, что успело вырасти за

это время.

За один месяц в растворе медного купороса на камнях выросли множественные

кристаллы медного купороса, образуя один поликристалл.

На кристаллике соли образовалось множество других кристалликов, сформировав

так же один поликристалл поваренной соли.

Выращивание монокристаллов

Финальной задачей для меня стояло вырастить достаточно крупный красивый

монокристалл. Для этого я проделала следующее:

1. Так же как и в предыдущем опыте, я сделала насыщенный раствор на водяной бане

медного купороса, приобретенного в цветочном магазине, и раствор алюминиевых

квасцов из набора по выращиванию кристаллов;

13

2. В этот раз я каждый из них оставила в своей банке на одну неделю. Через неделю

на дне каждой из банок выкристаллизовалось множество кристалликов

алюминиевых квасцов и медного купороса, соответственно;

3. Я отобрала один самый большой и ровный

выкристаллизовавшийся на дне кристалл

медного купороса и несколько больших

кристаллов алюминиевых квасцов для

затравки;

4. Каждый кристалл я привязала за

ниточки. С другой стороны ниточки были

привязаны к карандашам для фиксации.

Кристаллы опустила в отфильтрованные

насыщенные растворы медного купороса и

алюминиевых квасцов. Кристаллы должны

были быть опущены в растворы так, чтобы

они оказывались ровно между дном банки и

поверхностью раствора. Эти растворы

оставались после шага 2, но я повышала их

концентрацию, досыпая в них соли и

размешивая их на водяной бане до полного

растворения. После чего их заново

приходилось фильтровать. В растворы

алюминиевых квасцов я так же добавила

различные пищевые (кулинарные)

красители, для окрашивания получаемых

кристаллов в разные цвета;

5. Мне приходилось раз в три дня доставать кристаллы из растворов, очищать их от

нарастающих на них других кристаллов, для того чтобы не росли поликристаллы,

повышать концентрацию растворов, и фильтровать растворы;

6. После двух недель я достала получившиеся кристаллы, и покрыла их прозрачным

лаком для ногтей, чтобы они не сохли и не разрушались.

14

Результат превзошел все мои ожидания. У меня получилось в домашних условиях

вырастить монокристалл правильной формы размером 5 см из медного купороса и

несколько монокристаллов алюминиевых квасцов размером 3 см.

Результаты

1. Изучен и переработан теоретический материал о кристаллах;

2. Сделана искусственная пещера в домашних условиях из подручных материалов;

3. Выращены сталагмиты в искусственной пещере;

4. Выращены в домашних условиях кристаллы поваренной соли, сульфата магния,

алюминиевых квасцов;

5. Результаты исследований и теоретическая часть оформлены в виде учебного

пособия;

6. Результаты практической работы и теоретический материал представлен в виде

доклада на школьном уроке;

Выводы

1. Мир кристаллов красив, разнообразен и интересен;

2. Большинство веществ, которые нас окружают, состоят из кристаллов;

3. Кристаллы находят применение во всех сферах жизни;

4. Кристаллы можно легко получить в домашних условиях из подручных материалов.

15

Литература: 1. Китайгородский А.И. // Кристаллы

2. Бемеловский В.Д. // Эти удивительные жидкие кристаллы.

3. Волькенштейн Ф.Ф. // Атомы, блуждающие по кристаллу.

4. Гегузан Я.Е. // Живой кристалл.

5. Пикин С.А. // Жидкие кристаллы.

6. Дороговцева И.А. // Получение и применение кристаллов

7. Самые удивительные минералы. – 2014. Web:

http://naukaitechnica.ru/blog/43668004536/Samyie-udivitelnyie-mineralyi

8. Мировая добыча драгоценных камней и самоцветов, месторождения. Web:

http://www.webois.org.ua/jewellery/stones/games118.htm

16

Приложение

Поликристалл медного купороса

Искусственная пещера со сталагмитами из силикатного клея

17

Монокристалл алюминиевых квасцов

Поликристалл поваренной соли

18

Монокристалл медного купороса

Кубическая кристаллическая решетка (модель из массы для лепки и спичек)

19

Монокристалл (рисунок карандашом)

Друза (рисунок карандашом)