Из каких агрегатных состояний выращивают кристаллы

Из каких агрегатных состояний выращивают кристаллы

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.

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.

Форма, плотность и скорость роста этих дендритов зависит от величины силы тока, самой используемой соли, наличия различных примесей и некоторых других параметров.

Кристаллогенезис — возникновение, рост и разрушение кристаллов

По курсу «Кристаллография и кристаллохимия»

«Кристаллогенезис – возникновение, рост и разрушение кристаллов»

Образование кристаллов в природе

Причины и условия образования кристаллов

Механизмы роста кристаллов

Формы роста кристаллов

История получения искусственных кристаллов

Список используемой литературы

Кристаллогенезис – возникновение, рост и разрушение кристаллов

Для понимания процессов, приводящих к зарождению и росту кристаллов, необходимы знания из области физики, химии, кристаллографии и других ветвей науки.

Однако подход к изучению кристаллов у разных специалистов разный: физиков кристаллы интересуют как материал, используемый в технике и обладающий интересными физическими свойствами; минерологи же на основе изучения тех или иных особенностей кристаллов пытаются выяснить историю их зарождения, роста и последующих превращений – определить температуру, давление и состав среды, в которой кристаллы зарождались и росли, т.е. определить последовательность тех физико-химических процессов, которые привели к образованию кристалла.

Образование кристаллов в природе

В природе кристаллы образуются при различных геологических процессах из растворов, расплавов, газовой или твердой фазы.

Значительная часть минеральных видов произошла путем кристаллизации из водных растворов. Примеры выпадения кристаллов из раствора – выпадение кристаллов солей в замкнутых водоемах; рост кристаллов на стенках трещин и полостей при гидротермальных процессах, на больших глубинах в условиях высоких давлений и температур; образование отдельных кристаллов вторичных минералов в зонах окисления рудных месторождений.

Образование кристаллов из расплавов. Если магматический очаг располагается на большой глубине и его остывание идет медленно, то магма успевает хорошо раскристаллизоваться и кристаллы вырастают достаточно крупными и хорошо ограненными. Если магма застывает внезапно, могут образоваться некристаллические минералы и горные породы. Внезапное застывание магмы происходит при извержении вулканов. Потоки застывшей лавы дает начало не кристаллическим, а стекловидным породам.

Образование кристаллов в результате конденсации газов или из паров. Кристаллизоваться могут не только водяные пары, но и пары других веществ. Пример- на фумаролах образуются кристаллы из газов.

Образование кристаллов при перекристаллизации твердых веществ. При переходе из твердого состояния в твердое выделяют 2 случая:

1. Кристаллическое вещество образуется из аморфного–например, с течением времени закристаллизовываются содержащие стекла кристаллические породы.

2. Перекристаллизация – это процесс, при котором структура одних веществ разрушается, и образуются новые кристаллы с другой структурой. Например, известняк под действием высоких температур и давления становится мрамором. Перекристаллизация связана с таким явлением как метосамотоз – преобразование горной породы или минерала в другую горную породу или минерал под воздействием привноса или выноса вещества.

Причины и условия образования кристаллов

Материальные частицы (атомы, молекулы, ионы), слагающие газообразные или жидкие (расплавленные) вещества, обладая высокой кинетической энергией, находятся в непрерывном движении. Время от времени они сталкиваются, образуя зародыши – микроскопические фрагменты будущей структуры. Чаще всего такие зародыши распадаются, что связано либо с собственными колебаниями, либо с бомбардировкой их свободными частицами. Однако для начала кристаллизации необходимо, чтобы зародыш достиг критической величины, т.е. содержал такое количество частиц, при котором присоединение следующей частицы сделало бы разрастание зародыша энергетически более выгодным, чем его распад. Такая возможность для большинства веществ проявляется либо с понижением температуры, в результате чего уменьшаются температурные колебания, либо с повышением концентрации вещества в растворе или газе, что приводит к увеличению вероятности встречи частиц друг с другом, то есть к возникновению зародышей.

Таким образом, рост кристаллов можно рассматривать как процесс, посредством которого мельчайшие кристаллические частицы – зародыши – достигают макроскопических размеров. Причем кристаллизация протекает не во всем объеме, а лишь там, где возникнут зародыши. Факторами, влияющими на появление зародышей, являются не только переохлаждение и повышение концентрации раствора или вязкости расплава, но и присутствие посторонних обломков кристаллов или пылинок, на поверхности которых собираются частицы, упрощая этим начало кристаллизации.

Процесс кристаллизации является энергетически выгодным. Растущий кристалл не принимает равновесную форму вследствие того, что на него влияют различные изменяющиеся условия кристаллизации: температура, давление, сила тяжести, химический состав и динамика среды и т.д.

Механизмы роста кристаллов

Существенный вклад в решение вопросов о механизме роста кристаллов внесли разработанные теории роста идеальных кристаллов.

В конце XIX в. американским физиком Дж. Гиббсом (1839-1903), французским физиком П. Кюри и русским кристаллографом Г.В. Вульфом на термодинамической основе была разработана количественная теория зарождения и роста кристаллов. Несколько позже, в 20-х гг. XX в., немецким физиком М. Фольмером (1885-1965) была выдвинута теория самопроизвольного зарождения кристаллов и их роста.

Вслед за термодинамическим учением Гиббса в 1927 году наибольшее признание получили теоретические работы немецкого физико-химика В.Косселя (1888 – 1956) и болгарского физика И.Н. Странского (1897 — 1979), положившие начало молекулярно-кинетической теории роста кристаллов. Они рассмотрели рост идеального кристалла при незначительном перенасыщении без учета несовершенств реальных кристаллов и влияния среды кристаллизации. Эта теория объяснила явление послойного роста кристаллов с позиций атомно-молекулярного состояния поверхности растущего кристалла, опираясь на энергетическую выгодность присоединения отдельных частиц вещества в различные позиции на свободной от дефектов поверхности кристаллов.

В процессе роста возникают либо атомно-гладкие, либо атомно-шероховатые грани. Атомно-гладкие грани растут путем послойного отложения вещества, т.е. тангенциального перемещения ступеней, и остаются в процессе роста макроскопически плоскими. Такой рост называется тангенциальным или послойным. При этом скорость роста разных граней будет различна. В итоге кристаллы будут расти в идее многогранника.

Читать еще:  Как выращивать клубнику в открытом грунте агроволокно?

Кристаллы с атомно-шероховатыми гранями могут присоединять частицы с макроскопической точки зрения практически в любой точке поверхности. Поэтому поверхность грани в процессе роста перемещается по нормали к самой себе в каждой своей точке. Такой рост называется нормальным. При этом скорости роста граней кристалла в разных направлениях будут примерно одинаковы и кристаллы приобретут округлые формы изотерм кристаллизации. Исследование морфологии кристаллов дает информацию об атомных процессах, происходящих на поверхности растущего кристалла.

Рост на атомно-шероховатых плоскостях и торцах ступеней требует лишь потенциальных барьеров для встраивания отдельных атомов или молекул. Рост же атомно-гладких поверхностей требует еще и образования ступеней, т.е. для роста каждого нового слоя необходимо появление на поверхности нового зародыша, а это не всегда возможно из-за недостатка пересыщения. В этом случае рост происходит лишь путем движения уже имеющихся ступеней. Таким образом, первый процесс с энергетической точки зрения оказывается более выгодным.

Кроме того, грани реальных кристаллов практически никогда не бывают идеальны. На их поверхности всегда имеются нарушения – дефекты, благодаря которым возникают винтовые и краевые дислокации. Нарастание граней происходит по спирали путем навивания одного слоя на другой. И такой рост может происходить при сколько угодно малых пересыщениях и даже из паров. Дислокации, следовательно, являются непрерывно действующим источником возникновения слоев и снимают необходимость появления на поверхности растущей грани двухмерных зародышей.

Однако такие представления оказались неприменимы для сильно пересыщенных растворов и расплавов. В условиях больших пересыщений возможны и другие механизмы роста. Исследования морфологии поверхностей роста дает возможность сделать важные выводы о механизмах кристаллизации. Существует много методов исследования поверхностей граней, главными из которых являются оптическая и электронная микроскопия; кроме того, структура и состав поверхности изучаются методами дифракции медленных электронов, масс-спектроскопии, ультрафиолетовой и рентгеновской спектроскопии и т.д.

Формы роста кристаллов

При различных отклонениях от идеальных условий кристаллизации (например, в вязких, загрязненных или сильно пересыщенных средах) вырастают экзотические образования. Опыт показывает, что при малых пресыщениях и переохлаждениях на фронте роста возникают совершенные – гранные – формы кристаллов. С увеличением отклонения от равновесия кристаллы меняют свой облик, превращаясь в скелеты, дендриты (от греч. Дендрон – дерево), нитевидные образования или кристаллы сферической формы. Указанные формы различаются тем, что скелетные кристаллы – это монокристаллы, а дендриты – чаще всего поликристаллические агрегаты.

Дефекты кристаллов

Нарушение правильности в расположении частиц, слагающие структуры реальных кристаллов, т.е. отклонения от их идеальной структуры, порождают дефекты. Для исследователя дефект – это источник информации о событиях, произошедших с кристаллом.

В реальных кристаллах всегда присутствуют структурные дефекты, которые оказывают существенное влияние на многие свойства твердых тел. К этим свойствам, именуемым структурно-чувствительными, относятся те, которые связаны с движением атомов или электронов. Это механические свойства (прочность и пластичность), ионная и полупроводниковая электропроводность, люминесценция, фотопроводимость, теплопроводность, скорость диффузии и фазовых превращений, и ряд других.

Дефекты — любые отклонения от периодической структуры кристалла — классифицируют по их размерам и протяженности областей решетки, на которое распространяется их действие. Выделяют следующие типы дефектов кристаллической решетки:

1) Точечные или нульмерные дефекты — нарушения в периодичности в изолированных друг от друга точках решетки; во всех трех измерениях они не превышают одного или нескольких междуатомных расстояний (параметров решетки). Точечные дефекты — это вакансии, междоузельные атомы, атомы примеси, внедренные или в позиции замещения.

2) Линейные дефекты — одномерные, т. е. протяженные в одном измерении: нарушения периодичности в одном измерении простираются на расстояния, сравнимые с размером кристалла, а в двух других не превышают нескольких параметров решетки. Специфические линейные дефекты — это дислокации. Неустойчивые линейные дефекты могут возникать из цепочек точечных дефектов.

3) Поверхностные или двумерные дефекты. Простираются в двух измерениях на расстояния, сравнимые с размером кристалла, а в третьем составляют несколько параметров решетки. Это плоскости двойникования у двойников, границы зерен и блоков, дефекты упаковки, стенки доменов, и сама поверхность кристалла.

4) Объемные или трехмерные. Это пустоты, поры, частицы другой фазы, включения.

Кроме перечисленных, можно выделить особую группу дефектов, характерную, в основном, для полупроводниковых кристаллов — микродефекты. Под микродефектами понимают любые дефекты структуры субмикронных размеров.

История получения искусственных кристаллов

Первую попытку получения искусственных кристаллов можно отнести к Средневековью, к периоду расцвета алхимии. И хотя конечной целью опытов алхимиков было получение золота из простых веществ, можно предположить, что они пытались вырастить кристаллы драгоценных камней.

Целенаправленное создание искусственных кристаллов минералов связано с именем французского химика М. Годена, которому в 1837 г. удалось получить мельчайшие (в 1 карат – 0,2 г) кристаллы рубина. В дальнейшем предпринимались неоднократные попытки получения искусственных рубинов, и уже в конце XIX в. удалось синтезировать ряд соединений группы корунда. А в 1902 г. французский химик М.А. Вернейль начал поставлять на мировой рынок синтетические рубины, позже сапфиры и шпинели.

Несколько позже были синтезированы кристаллы многих драгоценных камней, нашедшие наряду с природными широкое применение не только в качестве ювелирного сырья, но и в промышленности, где понадобились уже монокристаллы достаточно крупных размеров.

В последние полвека в связи с бурным развитием техники и приборостроения с каждым годом возрастает потребность в кристаллах, обладающих специфическими свойствами, такими как пьезоэлектрические, полупроводниковые, люминесцентные, акустические, лазерные, оптические и т.д. Кроме того, для создания современных приборов требуются кристаллы с такими уникальными свойствами, которыми природные объекты не обладают. Все это способствует становлению промышленного выращивания искусственных кристаллов.

Работы по теории и практике выращивания кристаллов способствовали интенсивному развитию научных исследований в области процессов реального кристаллообразования, в частности в природных условиях.

Моделирование природных процессов кристаллообразования в лаборатории позволяет понять и объяснить ряд причин зарождения, роста и разрушения кристаллов в реальных условиях.

Список используемой литературы

1. Булах А.Г. Минералогия с основами кристаллографии. М.: Альфа-М, 1989. – 156 с.

2. Егоров-Тисменко Ю.К. Кристаллография и кристаллохимия: учебник. – М.: КДУ, 2005. – 592 с.

3. Попов Г.М., Шафрановский И.И. Кристаллография. М.: ГОСГЕО — ЛТЕХИЗДАТ, 1955г. – 215с

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

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.

Читать еще:  Какую морскую рыбу не выращивают искусственно список?

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

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.

Читать еще:  Как правильно выращивать острый перец в домашних условиях?

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.

Из каких агрегатных состояний выращивают кристаллы

(Публикация содержит частичный материал.
Интересующихся продолжением просьба звонить по тел. 050-9455328)

Автор доктор В. Ляховицкая

Материя, как хорошо известно, может находиться в трех агрегатных состояниях – газообразном, жидком и твердом, отличающихся друг от друга разной степенью взаимного притяжения молекул, атомов и ионов. В газах материальные частицы находятся в непрерывном движении. В твердых телах они «скованы «, причем в зависимости от того, хаотически или закономерно расположены частицы, различают аморфные и кристаллические твердые тела. Название кристалл ( по — гречески «кристаллос», застывший на холоде) еще в глубокой древности относилось к прозрачному кристаллу шестиугольной формы — кварцу ( горный хрусталь ). Он считался «небесной влагой», которая образовалась из льда, охлажденного до такой степени, что даже сильное пламя неспособно было вернуть его в первоначальное состояние.

Многогранники и симметрия

С незапамятных времен при производстве горных работ люди находили минералы, имеющие форму многогранников. Позднее все многогранники стали называть кристаллами. Возникает даже наука – кристаллография, которая занимается геометрическим описанием различных форм кристаллов. Импульсом к зарождению и развитию криталлографии в древности послужили находки природных минералов с ярко выраженными различными гранными формами По представлению древнегреческих философов формы с одинаковыми гранями, одинаковыми вершинами и одинаковыми ребрами символизировали основные элементы природы : огонь изображали тетраэдром (четырехгранник), воздух – октаэдром (восемь граней), воду – икосаэдром (двадцать граней) и землю – кубом (шестигранник). Часто многогранники имели не одинаковые грани, они были составлены из граней нескольких форм. Названия форм крсталлов сохранились и используются до сих пор. .С изучением многогранников связано также нахождение законов симметрии. Слово «симметрия » в точном переводе с греческого означает «соразмерность». В одной из ниш здания знаменитой картинной галереи «Прадо» в Мадриде стоит мраморная статуя, изображающая красивую женщину. Надпись на цоколе свидетельствует о том, что это статуя богини симметрии. Существование такой статуи служит доказательством того, что понятие о симметрии появилось в очень давние времена, задолго до того, как симметрия стала предметом науки – кристаллографии. Слово симметрия, по-видимому, ранее отождествлялось со словом «красота». «Обожествление» симметрии ясно указывает на то, что в древности, как и сейчас, она играла большую роль в искусстве. Как правило, никому не известны имена ученых, которые ввели новые понятия или термины. К таким понятиям в частности, относится и понятие об элементах симметрии, без которого невозможно представить себе науку кристаллографию а именно, о плоскостях симметрии, осях и центре симметрии. Относительно простейшего и важнейшего элемента симметрии – плоскости симметрии можно сказать определенно, что представление о ней сложилось у человека с незапамятных времен, поскольку обнаружить ее можно было непосредственно в фигурах зверей, птиц, насекомых, самого человека и великого множества самых обычных предметаов. Труднее было прийти к представлению об оси симметрии как о такой прямой, при вращении вокруг которой фигура совмещается с собой несколько раз, пока не окажется в исходном положении. Принято было называть ось симметрии осью н-го порядка, если фигура, обладающая этой осью, совмещается с собой при полном повороте вокруг оси н-раз. Порядок осей у кристаллов невелик – 1, 2, 3, 4, 6. Центром симметрии называется такая точка, по обе стороны от которой в любом направлени находятся одинаковые точки, грани и ребра фигуры.

Тайна природы кристаллов

Трудно представить себе человека, не встечавшегося с кристаллами в повседневной жизни. Они существуют в природе, в быту и даже в человеческом организме. Всем известны кристаллы воды — лёд, снег, снежинки, часто встречаемся с процессом засахаривания варенья, меда (кристаллы сахарозы), с появлением кристаллов винной кислоты, с образованием кристаллов в печени или почках человека. А драгоценные камни: алмаз, тораз, изумруд, рубин и т.д. Сколько создано легенд и детективных историй о знаменитых драгоценностях, таким кристаллам приписывали мистические свойства. Красота, цвет и симметрия кристаллов (в том числе и специально обработанных) с давних времен использовались в качестве украшений, амулетов. Минералоги рассматривали кристаллы как вечные, застывшие и неизменные творения природы, которые следует хранить в музеях, и которые резко отличаются от живой природы- растений , животных.Лишь в ХV11 – ХV111 веках появились первые научные взгляды на природу крсталлов. Было предположено, что кристалл построен из мельчайших «кирпичиков». Рассматривая внимательно разбитый кристалл можно было обнаружить, что отколовшиеся кусочки имеют правильную форму, подобную форме большого кристалла (их «родителя»). Хотелось предположить, что форма сохраняется даже у крпичиков, невидимых глазом. Тайна такого невидимого мельчайшего «кирпичика » была открыта при исследовании явления дифракции рентгеновских лучей только в начале ХХ века (М.Лауэ, 1912г.). Метод дал возможность измерять расстояния между материальными частицами, составляющими упорядоченную пространственную решетку. Открытие дифракции рентгеновских лучей (называемых также Х — лучи) произвело полный переворот в кристаллографии. Появилась новая область кристаллохимии — рентгеноструктурный анализ, давший возможность изучать структуру кристаллов на уровне атомов. Для таких исследований требовались монокристаллы т.е. кристаллы, состоящие из одного индивидуума, хотя и небольшого размера. Пионерами в исследование атомной структуры кристаллов были отец и сын Брэгги, определившие структуру поваренной соли, алмаза и некоторых других минералов. Возникла необходимость в новых объектах — монокристаллах, невстречавшихся в природе.

Дальнейшее развитие кристаллографии пошло по трем руслам:

1. Изучение атомного строения кристаллов.

2. Исследование процессов зарождения и роста кристаллов, нахождение методов их выращивания.

3. Изучение новых физических свойств кристаллов, привязанных к их атомной структуре, и использование искусственно полученных кристаллов с заданными свойствами в различных отраслях науки и техники.

Итак, искусственные кристаллы. Их также называют синтетическими, чтобы подчеркнуть, что такие кристаллы, в отличие от природных минералов, получены в лабораторных условиях.Трудно сказать, когда было обнаружено; что кристаллы могут зарождаться и расти при испарении водных растворов сахара, гипосульфита или поваренной соли. Во всяком случае, такие факты были хорошо известны еще до возникновения научной химии, минералогии и кристаллографии. Интересно, что до начала ХХ века химики уже научиись очищать различные вещества с помощью многократной перекристаллизации, а кристаллогафы умели получать из растворов мелкие хорошо образованные кристаллы для исследования их оптических и других свойств.Казалось бы , неподвижная, как бы застывшая, геометрически правильная внешняя форма кристаллов проиворечит понятию о жизни, как о чем-то неустойчивом, непрерывно меняющем свой облик. Однако, исследования в области кристаллизации показали, что всякий кристалл, как и все существующее в природе, претерпевают со временем ряд изменений, составляющих то, что условно называют его «жизнью».

Кристаллы зарождаются, растут, питаются, разрушаются, подвергаются регенерации, старению, усталости, срастаются между собой и даже пожирают друг друга. Все эти термины, взятые из биологии, исторически отражают несогласие натуролистов Х!Х столетия с теми их предшественниками, которые рассматривали кристаллы как вечные и неизменные творения природы.Однако, не только классики-естествоиспытатели, но и ученые более поздних поколений ограничивались, как правило, наблюдательными опытами и общими суждениями. Описательная стадия стала отступать лишь к 20-30-м гг. ХХ века.

О том же говорит и статистика: до 1970 года число публикаций по росту кристаллов росло экспоненциально. Экстраполируя экспоненту назад ко времени, когда число публикаций было равно одной в год, мы придем примерно к 1915 г. Сейчас ежегодно выходит несколько тысяч публикаций. В них исследуются процессы зарождения кристаллов, структуры их поверхностей, процессы роста из газа, раствора, расплава, при химичеких реакциях и электролизе, образование дефектов в растущих кристаллах. Эти научные исследования очень нужны практике – промышленность выпускает тысячи тонн кристаллов для электроники, вычислительной техники, оптикии, акустики. Развитие кристаллографии и ее двух ветвей -кристаллофизики – исследование физических свойств кристаллов, и кристаллохимии- исследования структуры кристаллов теперь в большей степени зависит от наличия новых синтетических кристаллов.

Получить небольшой кристалл неконтролируемого качества – не слишком сложная проблема. А вот добиться заданых свойств в очень большом или даже в маленьком кристалле очень трудно, и этот процесс иногда занимает десятилетия.

Как же получают (выращивают) кристаллы

Размеры монокристаллических образований, с которыми имеют дело ученые и производственники, занимают шкалу от нанометров (10-9м ) до 1 метра длиной и 0,5 метра радиусом, Ниже будут приведены методы выращивания массивных, видимых невооруженным глазом кристаллов. Для получения монокристаллов малой толщины (пленок) или нанометровых образований (фулерены, нанотрубки) используют другие методы.Выращивание кристаллов – это сложный физико- химический процесс, течение которого зависит от многих самых разнообразных факторов, и в котором четко прослеживается атомная природа вещества. Процессы кристаллизации представляют собой фазовые превращения, которые соответствуют переходу атомов из вещества с полностью или частично неупорядоченной кофигурацией (пар, жидкость, аморфное состояние) в вещество с упорядоченной конфигурацией кристаллической решетки. Количество методов выращивания монокристаллов ограничено числом возможных таких переходов в кристаллическое состояние.

Рост из газовой фазы

Кристаллизация многих практически важных веществ при физической конденсации из паров, состоящих из атомов или молекул элементов, образующих кристалл, трудна ввиду малых скоростей роста и низкого давления паров нужных компонентов. Рост из газовой фазы с участием химических реакций, когда газ состоит из различных химических соединений атомов, образующих кристалл, нашел большее применение, особенно при получении пленок, нитевидных кристаллов, нанокристаллов.

Рост из растворов

Выращивание кристаллов из растворов считают наиболее универсальным методом. Кристаллизуемое вещество находится в чистом растворителе или в растворителе, содержащим добавки. Из-за небольшой скорости роста кристаллы в растворах обычно растут ограненными, т.е. покрываются атомно гладкими поверхностями.Растворители и условия выращивания кристаллов (состав, температура, давление) подбираются на основе физико-химических данных кристаллизуемого вещества. Растворителями могут служить как соединения, не входящие в состав кристалла, так и соединения из компонентов выращиваемого кристалла. Чаще всего в качестве растворителя испольуют воду, в которой растворяются многие неорганические вещества .Органические вещества, которые не растворяются в воде, кристаллизуют из органических растворов. Особые случаи роста кристаллов из растворов связаны либо с приложением давления в замкнутом объеме (специальные аппараты – автоклавы), либо с высокой температурой, когда в качестве растворителя используют расплавленные вещества. Первые называют гидротермальные растворы, вторые – высокотемпературные растворы (растворы в расплаве).

Израиль, Реховот, июнь, 2009 г.

Copyright © доктор В. Ляховицкая &nbsp

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector