Исследование закономерностей роста кристаллов и

Гимназические чтения (2009 год)
Исследование закономерностей роста кристаллов и применение
методов физического анализа для расшифровки веществ. (тезисы)
Работа Михаила Львовича Фреера, физико-математический 11 класс,
МОУ «СОШ № 37» г. Череповца Вологодской области
Научный руководитель: Л. Н. Туркина, учитель физики.
Мы живем на поверхности твердого тела – земного шара, в
сооружениях, построенных из твердых тел, - домах. Наше тело, хотя и
содержит приблизительно 70 % воды. Орудия труда, машины также
сделаны из твердых тел. Знать свойства твердых тел жизненно
необходимо. Однако изучению роста кристаллов не уделяется
должного внимания.
В данной работе показано, что исследование можно вести
и в
школьной лаборатории, и в лаборатории университета (расшифровка с
помощью дифрактограмм). Такая взаимосвязь позволяет школьникам
сделать не только правильный профессиональный выбор, но и
повышает мотивацию к исследовательской работе. Это обеспечивает
проблему, связанную
с выявлением образовательного потенциала
учащихся, обеспечивает творческую самореализацию.
Также эта работа достаточно важна тем, что кристаллы – очень
своеобразная тема для исследования. Эта работа популяризирует тему
кристаллов, а также доносит до ученика теорию о кристаллах,
закономерность их роста и многие важные свойства кристаллов.
Помимо этого сейчас очень важна проблема определения структуры
вещества
либо
его
расшифровка.
С
помощью
традиционного
химического анализа не всегда возможно определить вещество. И
здесь
на
помощь
приходит
кристаллография.
С
помощью
дифрактограмм возможно определить строение вещества, размер
элементарной ячейки, ее форму и другие параметры. Также возможна
расшифровка веществ с
помощью дифрактограмм. Это дает
возможность определить такие элементы как натрий, калий, литий. А с
помощью традиционного химического анализа это сделать достаточно
сложно.
Цели и задачи:
1. Исследовать закономерности роста кристаллов для управления
процессом роста кристаллов как в промышленных, так и в иных (в том
числе и медицинских) целях. А именно:
1) от концентрации раствора;
2)
от
наличия
искусственных
центров
кристаллизации
(зависимость как скорости, так и конфигурации полученного
кристалла);
3) от общего количества вещества и площади свободной
поверхности;
4) от температуры раствора;
5) зависимость от рода вещества.
2. На основе исследования закономерностей роста кристаллов,
разработать структуру управления процессом роста кристаллов.
3. Ознакомится с методами физического анализа, провести опыты по
расшифровке веществ, определению их структуры с помощью
рентгеноскопического аппарата (ДРОН-6).
Гипотеза
исследования:
варьируя
характеристиками
факторов,
влияющих на рост кристаллов, можно управлять процессом их роста
После проведения опытов по пункту 1. целей и задач были сделаны
выводы:
1. Чем выше концентрация раствора, тем быстрее проходит
рост кристаллов.
2. Наличие
искусственных
центров
кристаллизации
повышает скорость роста кристаллов. И рост кристаллов
происходит на центре кристаллизации.
3. Скорость роста кристаллов зависит от объема капли. (Чем
меньше объем капли, тем меньше времени требуется для
кристаллизации данной капли). Скорость кристаллизации
капли зависит от площади поверхности. (Чем больше
площадь поверхности капли
раствора, из
которого
происходит рост кристаллов, тем выше скорость роста
кристаллов при прочих равных условиях.)
4. Чем выше температура капли, тем быстрее на ней
происходит рост кристаллов.
5. Скорость роста кристаллов зависит от рода вещества.
Измерения были сделаны с помощью микроскопа с предельным (около
600 раз) увеличением с встроенным микровинтом.
Затем с помощью аппарата ДРОН-6 были расшифрованы три
неизвестных вещества: дихромат аммония ((NH4)2Cr2O7), желтая
кровяная соль и Na2S2O3. При этом были применены методы:
1.
Съемка чистого вещества
2.
Съемка по стандарту (в нашем случае в основном по кварцу)
3.
Съемка на ограниченных интервалах (для уточнения результата)
4.
Индицирование (с помощью программы «Буревестник»)
5.
Определение сингонии по данным индицирования (для сокращения
круга поиска).
Таким
образом,
в
данной
работе
были
выведены
основные
закономерности роста кристаллов (в основном зависимость скорости
роста от условий внешней среды), построены графики зависимости
скорости роста от условий среды. Что позволяет управлять ростом
кристаллов, а это имеет огромное практическое применение. Процесс
кристаллизации
используется
для
очистки
веществ,
процесс
образования камней в почках тоже является кристаллизацией. Таким
образом, с помощью гипотез проверенных в данной работе можно
разработать схему управления процессом роста кристаллов, а с
помощью полученных графиков зависимости рационализировать ее.
Приведенные опыты по расшифровке веществ позволяют отойти от
классического метода химического анализа дающего сведения только о
количественном и качественном составе вещества к более выгодному
рентгеноскопическому методу, который помимо состава дает нам
информацию и о строении вещества, а значит, мы можем сделать
однозначный вывод о его свойствах.
Список литературы:
1) Г. Я. Мякишев, А. З. Синяков. Физика (Молекулярная физика и термодинамика) 10
класс.- М.: Дрофа, 2006.
2) http://www.nanometer.ru
3) Егоров-Тисменко Ю.К., Литвинская Г.П., Загальская Ю.Г. Кристаллография.Москва.: МГУ,1992.
4) Современная кристаллография. - Москва, 1979–1981
5) Шаскольская М.П. Кристаллография. - М.: Высшая школа, 1984
6) Торпов Н.А., Булак Л.Н. Кристаллография и минералогия - Л.: Стройиздат, 1972
7) Попов Е.М., Шафрановский И.И. Кристаллография - М.: Высшая школа, 1972