Порядок выполнения работы. Лабораторная работа № 6

Лабораторная работа № 6. (Часть 1).

Тема: Наблюдение процесса кристаллизации.

Цель работы: изучение кристаллических тел.

Приборы и материалы: вода; стеклянный сосуд; соль (поваренная, медный купорос или другая); нитка; карандаш или другой похожий предмет.

Описание установки и методики выполнения работы

Твердые тела сохраняют не только свой объем, как жидкости, но и форму. Они находятся преимущественно в кристаллическом состоянии.

Кристаллы — это твердые тела, атомы или молекулы которых занимают определенные, упорядоченные положения в пространстве. Поэтому кристаллы имеют плоские грани. Например, крупинка обычной поваренной соли имеет плоские грани, составляющие друг с другом прямые углы. Это можно заметить, рассматривая соль с помощью лупы. А как геометрически правильна форма снежинки! В ней также отражена геометрическая правильность внутреннего строения кристаллического твердого тела — льда.

Форма кристаллов различных веществ неодинакова. Но кристаллы одного и того же вещества могут быть различного цвета. Например, кристаллы кварца бывают бесцветными, золотистыми, розовыми, бледно-сиреневыми. В зависимости от цвета, им дают разные названия. Кристаллы кварца, например, могут называться горным хрусталем, дымчатым горным хрусталем, аметистом. С точки зрения ювелира многие кристаллы одного и того же вещества могут отличаться принципиальным образом. С точки зрения физика различия между ними вообще может не существовать, поскольку подавляющее количество свойств разноцветных кристаллов одного и того же вещества одинаково.

Зависимость физических свойств от направления внутри кристалла называют анизотропией. Анизотропия кристаллов тесно связана с их симметрией. Чем ниже симметрия кристалла, тем ярче выражена анизотропия.

Все кристаллические тела анизотропны.

→ различная механическая прочность кристаллов

→ тепло и электропроводность кристаллов

→ оптические свойства кристаллов

Пример 1, кусок слюды легко расслаивается в одном из направлений на тонкие пластинки, но разорвать его в направлении, перпендикулярном пластинкам, гораздо труднее. Пример 2, так же легко расслаивается в одном направлении кристалл графита. Когда вы пишете карандашом, такое расслоение происходит непрерывно и тонкие слои графита остаются на бумаге. Это происходит потому, что кристаллическая решетка графита имеет слоистую структуру. Слои образованы рядом параллельных сеток, состоящих из атомов углерода (рис.). Атомы располагаются в вершинах правильных шестиугольников. Расстояние между слоями сравнительно велико — примерно в 2 раза больше, чем длина стороны шестиугольника, поэтому связи между слоями менее прочны, чем связи внутри них.

Пример 3, кристалл кварца по-разному преломляет свет в зависимости от направления падающих на него лучей.

Кристаллические тела

Поликристалы Монокристаллы

Твердое тело, состоящее из большого числа маленьких кристалликов, называют поликристаллическим. Одиночные кристаллы называют монокристаллами.

Если взять сравнительно большой кусок металла, то на первый взгляд его кристаллическое строение никак не проявляется ни во внешнем виде этого куска, ни в его физических свойствах. Металлы в обычном состоянии не обнаруживают анизотропии. Дело здесь в том, что обычно металл состоит из огромного количества сросшихся друг с другом маленьких кристалликов. Под микроскопом или даже с помощью лупы их нетрудно рассмотреть, особенно на свежем изломе металла (рис.). Свойства каждого кристаллика зависят от направления, но кристаллики ориентированы по отношению друг к другу беспорядочно. В результате в объеме, значительно превышающем объем отдельных кристалликов, все направления внутри металлов равноправны и свойства металлов одинаковы по всем направлениям.

Соблюдая большие предосторожности, можно вырастить металлический кристалл больших размеров — монокристалл.

В обычных условиях поликристаллическое тело образуется в результате того, что начавшийся рост многих кристаллов продолжается до тех пор, пока они не приходят в соприкосновение друг с другом, образуя единое тело.

Примерк поликристаллам относятся металлы, кусок сахара.

Большинство кристаллических тел — поликристаллы, так как они состоят из множества сросшихся кристаллов. Одиночные кристаллы — монокристаллы имеют правильную геометрическую форму, и их свойства различны по разным направлениям (анизотропия).

Не все твердые тела — кристаллы. Существует множество аморфных тел.

Аморфные тела – тела, у которых нет строгого порядка в расположении атомов. Только ближайшие атомы-соседи располагаются в некотором порядке. Но строгой повторяемости по всем направлениям одного и того же элемента структуры, которая характерна для кристаллов, в аморфных телах нет.

Пример, к аморфным телам относятся стекло, смола, канифоль, сахарный леденец и др.

Свойства аморфных тел:

- по расположению атомов и по их поведению аморфные тела аналогичны жидкостям. Часто одно и то же вещество может находиться как в кристаллическом, так и в аморфном состоянии. Например, кварц Si0₂ может быть как в кристаллической, так и в аморфной форме (кремнезем). Кристаллическую форму кварца схематически можно представить в виде решетки из правильных шестиугольников. Аморфная структура кварца также имеет вид решетки, но неправильной формы. Наряду с шестиугольниками в ней встречаются пяти- и семиугольники.

- все аморфные тела изотропны, т. е. их физические свойства одинаковы по всем направлениям.

- при внешних воздействиях аморфные тела обнаруживают одновременно упругие свойства, подобно твердым телам, и текучесть, подобно жидкости.

Пример, так, при кратковременных воздействиях (ударах) они ведут себя как твердые тела и при сильном ударе раскалываются на куски. Но при очень продолжительном воздействии аморфные тела текут. В этом вы можете убедиться сами, если запасетесь терпением. Проследите за куском смолы, который лежит на твердой поверхности. Постепенно смола по ней растекается, и, чем выше температура смолы, тем быстрее это происходит.

- атомы или молекулы аморфных тел, подобно молекулам жидкости, имеют определенное время «оседлой жизни» — время колебаний около положения равновесия. Но в отличие от жидкостей это время у них весьма велико.

Пример, так, для вара при t = 20 °С время «оседлой жизни» примерно 0,1 с. В этом отношении аморфные тела близки к кристаллическим, так как перескоки атомов из одного положения равновесия в другое происходят сравнительно редко.

- аморфные тела при низких температурах по своим свойствам напоминают твердые тела. Текучестью они почти не обладают, но по мере повышения температуры постепенно размягчаются и их свойства все более и более приближаются к свойствам жидкостей. Это происходит потому, что с ростом температуры постепенно учащаются перескоки атомов из одного положения равновесия в другое.

- определенной температуры плавления у аморфных тел, в отличие от кристаллических, нет.

Вещества, обладающие одновременно основными свойствами кристалла и жидкости, а именно анизотропией и текучестью называются жидкокристаллическими. Жидкими кристаллами являются в основном органические вещества, молекулы которых имеют длинную нитевидную форму или форму плоских пластин.

Порядок выполнения работы

1. Заранее приготовьте кристаллик выбранной соли. Это будет наша затравка. Можно использовать самую обыкновенную поваренную соль NaCl, тогда получатся бесцветные кристаллы, но существуют и другие соли, которые имеют цвет. Так, например, из медного купороса вырастают красивые синие кристаллы. Привяжите его к нитке, нитку закрепите на карандаше (подойдёт и ручка, стержень, что-то другое т.п.), так, чтобы при расположении его на краю стакана, кристаллик на нитке висел в центре стакана (см.рис.16).

Рис.16

2. Наполните стеклянную банку водой. Добавьте в неё немного выбранной соли. Перемешайте состав, чтобы вся соль растворилась. Добавьте ещё немного соли, также добейтесь её полного растворения. Проделывайте эту операцию до тех пор, пока соль не перестанет растворяться, т.е. пока на дне банки не появится осадок из кристалликов соли.

3. После этого вам необходимо немного нагреть полученный раствор. Для этого поставьте банку в теплую воду. Продолжайте помешивание. Когда банка нагреется, осадок растворится в воде.

4. Для больше надёжности избавьтесь от остатков осадка путём переливания раствора в новую банку.

5. Поставьте банку с раствором в спокойное место с комнатной температурой, в котором на него не будут влиять внешние воздействия. Теперь всё готово для того, чтобы погрузить в раствор наш кристаллик-затравку. Сделайте это. Зафиксируйте карандаш на краю банки. Накройте банку листом бумаги.

6. Теперь вам необходимо ждать. Раз в неделю рекомендуется обновлять раствор по той же схеме, как описано выше. В остальное время банку с раствором трогать не стоит.

Спустя некоторое время вы заметите, как ваш кристалл увеличивается в размерах (см. рис. 17).

Для того, чтобы ускорить процесс роста кристалла необходимо:

1. Через несколько дней достать увеличившийся кристалл из раствора.

2. Приготовьте насыщенный раствор соли заново и

3. Опустить в новый раствор увеличившийся кристалл.

Рис.17

Контрольные вопросы:

1. Дать определение кристалла?

2. На какие виды делятся кристаллические тела?

3.Сформулируйте определение поликристаллических тел.

4..Сформулируйте определение монокристалла.

5. Что называют аморфными телами?