Кристаллы. Виды кристаллов

Вид материала

Реферат

Содержание Выращивание кристаллов.

Подобный материал:

• Направление: Физика Тема: «Волшебный мир кристаллов» Научно, 239.25kb.
• «алмазодобывающая промышленность россии», 210.45kb.
• Реферат по физике на тему: «Профессии жидких кристаллов», 328.67kb.
• Мир кристаллов, 232.55kb.
• Реферат Тема: Жидкие кристаллы, 219.93kb.
• О некоторых особенностях роста кристаллов, 60.24kb.
• Твердые кристаллы как объект изучения геологии Введение, 572.96kb.
• Александр Китайгородский: «Кристаллы», 619.42kb.
• Реферат по химии Тема: кристаллы, 109.08kb.
• Адаптивная системА управления процессАмИ роста кристаллов для методов Степанова и Чохральского, 252.54kb.

Применение кристаллов.


 Применения кристаллов в науке и технике так многочисленны и разнообразны, что их трудно перечислить. Поэтому ограничимся несколькими примерами.

Самый твердый и самый редкий из природных минералов - алмаз. Сегодня алмаз в первую очередь камень-работник, а не камень-украшение. Благодаря своей исключительной твердости алмаз играет громадную роль в технике. Алмазными пилами распиливают камни. Алмазная пила - это большой (до 2-х метров в диаметре) вращающийся стальной диск, на краях которого сделаны надрезы или зарубки. Мелкий порошок алмаза, смешанный с каким-нибудь клейким веществом, втирают в эти надрезы. Такой диск, вращаясь с большой скоростью, быстро распиливает любой камень. Колоссальное значение имеет алмаз при бурении горных пород, в горных работах. В граверных инструментах, делительных машинах, аппаратах для испытания твердости, сверлах для камня и металла вставлены алмазные острия.

Алмазным порошком шлифуют и полируют твердые камни, закаленную сталь, твердые и сверхтвердые сплавы. Сам алмаз можно резать, шлифовать и гравировать тоже только алмазом. Наиболее ответственные детали двигателей в автомобильном и авиационном производстве обрабатывают алмазными резцами и сверлами.

Рубин и сапфир относятся к самым красивым и самым дорогим из драгоценных камней. У всех этих камней есть и другие качества, более скромные, но полезные. Кроваво-красный рубин и лазарево-синий сапфир - это родные братья, это вообще один и тот же минерал - корунд, окись алюминия А12О3. Разница в цвете возникла из-за очень малых примесей в окиси алюминия: ничтожная добавка хрома превращает бесцветный корунд в кроваво-красный рубин, окись титана - в сапфир. Есть корунды и других цветов. Есть у них ещё совсем скромный, невзрачный брат: бурый, непрозрачный, мелкий корунд - наждак, которым чистят металл, из которого делают наждачную шкурку. Корунд со всеми его разновидностями - это один из самых твердых камней на Земле, самый твердый после алмаза. Корундом можно сверлить, шлифовать, полировать, точить камень и металл. Из корунда и наждака делают точильные круги и бруски, шлифовальные порошки.

Вся часовая промышленность работает на искусственных рубинах. На полупроводниковых заводах тончайшие схемы рисуют рубиновыми иглами. В текстильной и химической промышленности рубиновые нитеводители вытягивают нити из искусственных волокон, из капрона, из нейлона. Новая жизнь рубина - это лазер или, как его называют в науке, оптический квантовый генератор (ОКГ), чудесный прибор наших дней. В 1960г. был создан первый лазер на рубине. Оказалось, что кристалл рубина усиливает свет. Лазер светит ярче тысячи солнц.

Мощный луч лазера громадный мощностью. Он легко прожигает листовой металл, сваривает металлические провода, прожигает металлические трубы, сверлит тончайшие отверстия в твердых сплавах, алмазе. Эти функции выполняет твердый лазер, где используется рубин, гранат с неодитом. В глазной хирургии применяется чаще всего неодиновые лазеры и лазеры на рубине. В наземных системах ближнего радиуса действия часто используются инжекционные лазеры на арсениде галлия.

Сапфир прозрачен, поэтому из него делают пластины для оптических приборов.

Основная масса кристаллов сапфира идет в полупроводниковую промышленность.

Кремень, аметист, яшма, опал, халцедон — все это разновидности кварца. Мелкие зернышки кварца образуют песок. А самая красивая, самая чудесная разновидность кварца - это и есть горный хрусталь, т.е. прозрачные кристаллы кварца. Поэтому из прозрачного кварца делают линзы, призмы и др. детали оптических приборов.

В технике также нашел своё применение поликристаллический материал поляроид. Поляроид - это тонкая прозрачная пленка, сплошь заполненная крохотными прозрачными игольчатыми кристалликами вещества, двупреломляющего и поляризующего свет. Все кристаллики расположены параллельно друг другу, поэтому все они одинаково поляризуют свет, проходящий через пленку. Поляроидные пленки применяются в поляроидных очках. Поляроиды гасят блики отраженного света, пропуская весь остальной свет. Они незаменимы для полярников, которым постоянно приходится смотреть на ослепительное отражение солнечных лучей от заледеневшего снежного поля. Поляроидные стекла помогут предотвратить столкновения встречных автомобилей, которые очень часто случаются из-за того, что огни встречной машины ослепляют шофера, и он не видит этой машины. Если же ветровые стекла автомобилей и стекла автомобильных фонарей сделать из поляроида, причем повернуть оба поляроида так, чтобы их оптические оси были смещены, то ветровое стекло не пропустит света фонарей встречного автомобиля, "погасит его". Кристаллы сыграли важную роль во многих технических новинках 20 в. Некоторые кристаллы генерируют электрический заряд при деформации. Первым их значительным применением было изготовление генераторов радиочастоты со стабилизацией кварцевыми кристаллами. Заставив кварцевую пластинку вибрировать в электрическом поле радиочастотного колебательного контура, можно тем самым стабилизировать частоту приема или передачи. Полупроводниковые приборы, революционизировавшие электронику, изготавливаются из кристаллических веществ, главным образом кремния и германия. При этом важную роль играют легирующие примеси, которые вводятся в кристаллическую решетку. Полупроводниковые диоды используются в компьютерах и системах связи, транзисторы заменили электронные лампы в радиотехнике, а солнечные батареи, помещаемые на наружной поверхности космических летательных аппаратов, преобразуют солнечную энергию в электрическую. Полупроводники широко применяются также в преобразователях переменного тока в постоянный

Одно из важных направлений использования жидких кристаллов — термография. Подбирая состав жидкокристаллического вещества, создают индикаторы для разных диапазонов температуры и для различных конструкций. Например, жидкие кристаллы в виде плёнки наносят на транзисторы, интегральные схемы и печатные платы электронных схем. Неисправные элементы — сильно нагретые или холодные, неработающие — сразу заметны по ярким цветовым пятнам. Новые возможности получили врачи: жидкокристаллический индикатор на коже больного быстро диагностирует скрытое воспаление и даже опухоль.

С помощью жидких кристаллов обнаруживают пары́ вредных химических соединений и опасные для здоровья человека гамма- и ультрафиолетовое излучения. На основе жидких кристаллов созданы измерители давления, детекторы ультразвука. Но самая многообещающая область применения жидкокристаллических веществ — информационная техника. От первых индикаторов, знакомых всем по электронным часам, до цветных телевизоров с жидкокристаллическим экраном размером с почтовую открытку прошло лишь несколько лет. Такие телевизоры дают изображение весьма высокого качества, потребляя меньшее количество энергии.

Перечень видов применения кристаллов уже достаточно длинен и непрерывно растет.


Выращивание кристаллов.


Почти любое вещество может при известных условиях дать кристаллы. Кристаллы можно получить из раствора или из расплава данного вещества, а также из его паров.        Многим известно, что растворимость веществ зависит от температуры. Обычно с повышением температуры растворимость увеличивается, а с понижением – уменьшается. Мы знаем, что одни вещества растворяются хорошо, другие - плохо. При растворении веществ образуются насыщенные и ненасыщенные растворы. Насыщенный раствор – это раствор, который содержит максимальное количество растворяемого вещества при данной температуре. Ненасыщенный раствор – это раствор, который содержит меньше растворяемого вещества, чем насыщенный при данной температуре.        Итак, допустим мы приготовили насыщенный раствор, скажем, сахара при температуре 30°С и начинаем охлаждать его до 20°С. При 30°С мы смогли растворить в 100 г воды 223 г сахара, при 20°С растворяется 205 г. Тогда при охлаждении от 30 до 20°С 18 г окажутся "лишними" и, как говорят, выпадут из раствора. Итак, один из возможных способов получения кристаллов состоит в охлаждении насыщенного раствора.        Можно поступить иначе. Приготовим насыщенный раствор соли и оставим его в открытом стакане. Через некоторое время мы обнаружим появление кристалликов. Почему они образовались? Внимательное наблюдение покажет, что одновременно с образованием кристаллов произошло еще одно изменение – уменьшилось количество воды. Вода испарилась, и в растворе оказалось "лишнее" вещество. Итак, другой возможный способ образования кристаллов – это испарение раствора.         Иногда при приготовлении раствора в особых условиях (осторожное охлаждение горячего насыщенного раствора в замкнутом сосуде) вещество образует не раствор (насыщенный) и осадок, а только раствор, называемый пересыщенным. Такие растворы обычно неустойчивы – при введении центра кристаллизации избыточное количество растворяемого вещества выпадает в осадок и образуется насыщенный раствор. Опыты по выращиванию кристалла из пересыщенного раствора более эффективны.         Как же происходит образование кристаллов из раствора?

        Мы сказали, что кристаллы "выпадают" из раствора; надо ли это понимать так, что неделю кристалла не было, а в одно какое-то мгновение он вдруг возник? Нет, дело обстоит не так: кристаллы растут. Не удается, разумеется, обнаружить глазом самые начальные моменты роста. Сначала немногие из беспорядочно движущихся молекул или атомов растворенного вещества собираются в том примерно порядке, который нужен для образования кристаллической решетки. Такую группу атомов или молекул называют зародышем.          Опыт показывает, что зародышичаще образуются при наличии в растворе каких-либо центров кристаллизации. Центрами кристаллизации могут служить загрязнения на стенках посуды с раствором, пылинки, мелкие кристаллики растворенного вещества. Всего быстрее и легче кристаллизация начинается тогда, когда в насыщенный раствор помещается маленький кристалл – затравка. При этом выделении из раствора твердого вещества будет заключаться не в образовании новых кристалликов, а в росте затравки.    Рост зародыша не отличается, конечно, от роста затравки. Смысл использования затравки состоит в том, что он "оттягивает" на себя выделяющееся вещество и препятствует, таким образом, одновременному образованию большого числа зародышей. Если же зародышей образуется много, то они будут мешать друг другу при росте и не позволят нам получить крупные кристаллы.    Как распределяются на поверхности зародыша порции атомов или молекул, выделяющихся из раствора?

          Опыт показывает, что рост зародыша или затравки заключается как бы в перемещении граней параллельно самим себе в направлении, перпендикулярном к грани. При этом углы между гранями остаются постоянными (мы уже знаем, что постоянство углов – важнейший признак кристалла, вытекающий из его решетчатого строения)

                                         

 

       На рисунке даны встречающиеся очертания трёх кристаллов одного и того же вещества при их росте. Подобные картины можно наблюдать в микроскоп. В случае, изображенном слева, число граней во время роста сохраняется. Средний рисунок дает пример появления новой грани (вверху справа) и снова ее исчезновения.

       Очень важно отметить, что скорость роста граней, т.е. скорость перемещения их параллельна самим себе, неодинакова у разных граней. При этом "зарастают" – исчезают именно те грани, которые перемещаются всего быстрее, например левая нижняя грань на среднем рисунке. Наоборот, медленно растущие грани оказываются самыми широкими, как говорят, наиболее развитыми.

       Особенно отчетливо это видно на последнем рисунке. Бесформенный обломок приобретает ту же форму, что и другие кристаллы, именно из-за анизотропии скорости роста. Вполне определенные грани развиваются за счет других всего сильнее и придают кристаллу форму, свойственную всем образцам этого вещества.        В целом ряде случаев кристаллы образуются из расплавленной массы – из расплава. В природе это совершается в огромных масштабах: из огненной магмы возникли базальты, граниты и многие другие горные породы.        Для примера предлагаю расплавить лед, для этого начнем его нагревать, поместив предварительно в сосуд с веществом измеритель температуры. Давайте попытаемся описать в определенном порядке увиденные явления. Сначала температура льда увеличивалась до 0°С, потом вещество начинает плавиться, и подъем температуры приостановился. Пока все вещество не превратилось в жидкость, температура не изменилась; дальнейший подъем температуры – это уже нагревание жидкости. Все кристаллические вещества имеют определенную температуру плавления. Лед плавится при 0°С, железо – при 1527°С, ртуть – при 39°С и т.д.

       Как мы уже знаем, в каждом кристаллике атомы или молекулы вещества образуют упорядоченную упаковку и совершают малые колебания около своих средних положений. По мере нагревания тела скорость колеблющихся частиц возрастает вместе с размахом колебаний. Это увеличение скорости движения частиц с возрастанием температуры составляет один из основных законов природы, который относится к веществу в любом состоянии – твердом, жидком или газообразном.       Когда достигнута определенная, достаточно высокая температура кристалла, колебания его частиц становятся столь энергичными, что аккуратное расположение частиц становится невозможным – кристалл плавится. С началом плавления подводимое тепло идет уже не на увеличение скорости частиц, а на разрушение кристаллической решетки. Поэтому подъем температуры приостанавливается. Последующее нагревание – это увеличение скорости частиц жидкости. В интересующем нас случае кристаллизации из расплава вышеописанные явления наблюдаются в обратном порядке: по мере охлаждения жидкости ее частицы замедляют свое хаотическое движение; при достижении определенной, достаточно низкой температуры скорость частиц уже столь мала, что некоторые из них под действием сил притяжения начинают пристраиваться одна к другой, образуя кристаллические зародыши. Пока все вещество не за кристаллизируется, температура остается постоянной. Эта температура, как правило, та же, что и температура плавления. Если не принимать специальных мер, то кристаллизация из расплава начнется сразу во многих местах. Кристаллики будут расти в виде правильных, свойственных им многогранников совершенно так же, как мы описывали выше. Однако свободный рост продолжается недолго: увеличиваясь, кристаллики наталкиваются друг на друга, в местах соприкосновения рост прекращается, и затвердевшее тело получает зернистое строение. Каждое зерно – это определенный кристаллик, которому не удалось принять своей правильной формы.В зависимости от многих условий, и прежде всего от быстроты охлаждения, твердое тело может обладать более или менее крупными зернами: чем медленнее охлаждение, тем крупнее зерна. Размеры зерен кристаллических тел колеблются от миллионной доли сантиметра до нескольких миллиметров. В большинстве случаев зернистое кристаллическое строение можно наблюдать в микроскоп. Твердые тела обычно имеют именно такое мелкокристаллическое строение.

Теперь поговорим о том, как вырастить крупный одиночный кристалл. Ясно, что требуется принять меры к тому, чтобы кристалл рос из одного места. А если уж начало расти несколько кристалликов, то во всяком случае надо сделать так, чтобы условия роста были благоприятны лишь для одного из них.

Вот, например, как поступают при выращивании кристаллов легкоплавких металлов. Металл расплавляют в стеклянной пробирке с оттянутым концом. Пробирку, подвешенную за нить внутри вертикальной цилиндрической печи, медленно опускают вниз. Оттянутый конец постепенно выходит и охлаждается. Начинается кристаллизация. Сначала образуется несколько кристалликов, но те, которые растут вбок, упираются в стенку пробирки и рост их замедляется. В благоприятных условиях окажется лишь тот кристаллик, который растет вдоль оси пробирки, т.е. вглубь расплава. По мере опускания пробирки новые порции расплава, попадающие в область низких температур, будут "питать" этот единственный кристалл. Поэтому из всех кристалликов выживает он один; по мере опускания пробирки он продолжает расти вдоль ее оси. В конце концов, весь расплавленный металл застывает в виде одиночного кристалла. Та же идея лежит в основе выращивания тугоплавких кристаллов рубина. Мелкий порошок вещества сыплют струей через пламя. Порошинки при этом плавятся; крошечные капли падают на тугоплавкую подставку очень малой площади, образуя множество кристалликов. При дальнейшем падении капель на подставку все кристаллики растут, но опять-таки вырастает лишь тот из них, который находится в наиболее выгодном положении для "приема" падающих капель. Как было уже сказано в начале, кристаллы могут образовываться также непосредственно из пара или газа. При охлаждении газа электрические силы притяжения объединяют атомы или молекулы в кристаллическое твердое вещество. Так образуются снежинки; воздух, содержащий влагу, охлаждается, и прямо из него вырастают снежинки той или иной формы.

Я в процессе работы над данной темой выращивала кристаллы поваренной соли и медного купороса. Кристаллы поваренной соли выращивались в различных условиях: при повышенной температуре(№3); на ярком свете (№2); в темном и холодном месте (№ 1). Наибольший рост кристаллов наблюдался в темном прохладном месте. Рассматривая получившиеся кристаллики под лупой я обнаружила что кристаллики соли имеют форму куба ( что объясняется строением их кристаллической решетки). Кристаллы медного купороса имели форму наклонного параллелепипеда.

Дата	Образец № 1	Образец № 2	Образец № 3
04.12	Появление кристаллов на нити и единичные на стенках сосуда	Множество маленьких кристалликов на стенках сосуда, единичные на нити	Небольшая кристаллизация выше раствора
04.10-10.12	Постепенный рост кристалликов кристаллизация выше раствора		Кристаллизация выше раствора, единичные маленькие кристаллы на нити
10.12	Замена раствора
11.12	Резкое увеличение роста	Увеличение роста	Кристаллизация выше раствора, увеличение роста
11.12-15.12	Постепенный рост кристалликов
15.12-16.12			Интенсивная кристаллизация на нити

Так же изучала кристаллизацию льда. Вода при охлаждении превращается в лёд, имеющий кристаллическое строение.

Опыт 1. На небольшое чистое стёклышко поместить большую каплю воды. Сильно охладить стёклышко, прижав его к снегу или охладительной смеси. Замерзая, капля воды даст прекрасные кристаллы в виде разнообразных звёздочек. Такие кристаллические звёздочки образуются в капельках воды, унесённых движением воздуха на значительную высоту. В холодное время года звёздочки-снежинки падают вниз и достигают земли. Мы говорим: "Идёт снег".

Опыт 2 .Посмотрим теперь, что происходит при замерзании воды и образовании кристаллов льда. В стакан ( пластмассовый) с водой налейте немного чернил, акварельной краски или чайной заварки. Укутайте его верхнюю часть слоем теплоизоляции (шерстяной тканью, поролоном), чтобы слой льда нарастал от дна стакана к поверхности воды, и выставьте на мороз. Можно предполагать, что через несколько часов в стакане окажется кусок окрашенного льда. Были даже советы эти цветные льдинки развешивать на уличных ёлках. Разноцветного льда, однако, так получить не удастся.

Ледяной цилиндрик, вынутый из стакана, выглядит очень любопытно. В нижней его части, там, где начиналось замерзание воды, располагается абсолютно прозрачный лёд. Верхняя же его часть окрашена, и гораздо более интенсивно, чем сам раствор. Граница между двумя областями бывает настолько резка, что кажется — это два совершенно разных вещества.(у нас четкой раганицы между льдом и краской не получилось). Если концентрация краски слишком велика, на поверхности льда может даже остаться лужица её раствора. Почему же лёд „не хочет“ делаться цветным?

Кристалл стремится вырасти как можно более правильным — это „выгодно“ с точки зрения его внутренней энергии. А любые примеси искажают форму решётки. Поэтому растущий кристалл вытесняет любые посторонние атомы и молекулы, стараясь строить идеальную решетку, пока это возможно. И только когда примесям деваться уже некуда, он начинает встраивать их в свою структуру или оставляет в виде капсул с концентрированной жидкостью.

Свойство растущего кристалла вытеснять примеси используют в технике для очистки материалов методом зонной плавки. Образец проходит сквозь кольцевую печь; в ней он плавится, а за ней кристаллизуется. Примеси непрерывно переходят из зоны кристаллизации в расплав и постепенно мигрируют вдоль образца в его конец.


Заключение.

Познакомившись с миром кристаллов, понимаешь, что эта область науки интересна и занимательна. Кристаллы бывают не только природными, но также и искусственные выращиваемые человеком. Так же, как сама природа человек может задать форму, цвет и многие другие свойства кристаллам. В процессе работы мною были проведены опыты по исследованию условий выращивания кристаллов и было замечено, что скорость выращивания кристаллов зависит от :

• Температуры кристаллизатора.
  
• От близости насыщенного раствора к состоянию перенасыщенности.
  
• От рода вещества.
  

Для того, чтобы вырастить красивый кристалл надо :

• Постоянно менять раствор на насыщенный.
  
• Следить за чистотой раствора (на дне сосуда в, котором выращивается кристалл, тоже образуются кристаллы, и один из них может прирасти к затравке, образовав дефект).
  
• При замене раствора температура должна быть чуть выше комнатной. Это надо, чтобы предотвратить образование дефектов.
  

Нельзя вырастить красивый и ровный кристалл быстро, для этого надо пожертвовать временем.

При искусственном выращивании можно получить кристаллы крупнее и чище, чем в природе. Есть и такие кристаллы, которые в природе редки и ценятся дорого, а в технике, очень нужны. А самое главное – искусственно выращивая кристаллы, создают вещества, каких вообще нет в природе.

В облаках, в глубинах Земли, на вершинах гор, в песчаных пустынях, в озерах, морях и океанах, в доменных печах, в аппаратах химических заводов, в научных лабораториях, в клеточках растений, в живых и мертвых организмах - везде встречаем мы кристаллы. Нет такого места на Земле, где бы не было кристаллов, где бы не происходили все время возникновение, рост и разрушение кристаллов.


Литература.

1. Громов С.В. Физика: Школьная энциклопедия. – М.:Дрофа, 1999. – 336 с.: ил.
   
2. Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, Н. Н. Сотский.- Просвещение, 2003г.
   
3. «Иллюстрированная энциклопедия» - АСТ, 2007 г – 320 с.: ил.
   
4. URAI.NET.RU
   
5. www.lien.ru/