Е.О.ПЕРЕКАЛИНА,
школа № 315, г. Москва aperekalin@mail.ru

Выращивание крупных кристаллов

Физический кружок, 5-й класс

На уроках природоведения в нашей школе дети занимаются по учебнику А.Е.Гуревича, Д.А.Исаева, Л.С.Понтак «Физика и химия» [1] и за два года, не владея математическим аппаратом, на опытах и демонстрациях получают представление о полном курсе физики. Наши эксперименты по выращиванию кристаллов начались с тривиального вопроса: что делать на физическом кружке с учащимися 5-го класса, которые об этом предмете ещё почти ничего не знают? Когда мы прошли строение вещества, появилась возможность объяснить, что такое кристаллы, как и почему они растут.

Вот как описали практическую часть занятий члены кружка Оля Бобкова и Галя Кальченко:

– Чтобы вырастить кристалл медного купороса, сначала нужно сделать перенасыщенный раствор: размешать в горячей воде такое количество медного купороса, которое потребуется, чтобы больше «не помещалось» этого вещества. Потом через тряпочку, сложенную вдвое, необходимо профильтровать раствор в другую банку. На следующий день на дне банки с раствором образуются маленькие кристаллы вещества – затравки. Нужно выбрать затравку правильной формы и привязать её ниточкой к карандашу. Раствор нужно разогреть и снова добавлять в него, размешивая, медный купорос до тех пор, пока раствор опять не станет насыщенным. Раствор снова нужно профильтровать в чистую банку и повесить туда затравку. До размера спичечного коробка кристалл будет расти приблизительно месяц. Время от времени банку и нитку нужно очищать от других кристалликов и доливать насыщенный раствор. Когда кристалл достигнет больших размеров, его нужно вынуть из банки, отрезать нитку и протереть маслом.

Пятиклассники, члены физического кружка, с выращенными ими кристаллами: а) медного купороса; б) хромовых квасцов; в) алюмоаммонийных квасцов; г) медного купороса. Кристаллы на рис. в и г выращены в одном сосуде из одного раствора.

Для сравнения положен спичечный коробок

Первое, что было доведено до сведения детей: медный купорос – это ядохимикат, которым травят насекомых, и они читали на упаковке с веществом (для большей ответственности), что нужно делать при отравлении медным купоросом. А чтобы избежать синих неотмываемых пятен на ногтях, надо работать в латексных перчатках.

Что касается методики выращивания кристаллов, она описана во многих книгах [2, 3], но для условий школы мы сделали несколько существенных дополнений. Цель нашей практической работы состояла в выращивании большого монокристалла. Качество его внутренней структуры нас не интересовало. Обычно рекомендуют не трясти кристалл и даже не трогать его руками. Но при этом на нитке и в банке появляются другие кристаллики, которые начинают расти и срастаются. Мы же, наоборот, регулярно вынимали растущий кристалл из банки, снимали пассатижами наросшие на нитку мелкие кристаллики, иногда очищали от них саму банку. Практика показывает, что совсем маленькие дефекты на кристаллах зарастают. Конечно, при этом внутренняя структура оказывается нарушенной, но внешний вид остаётся замечательным. При таком способе у всех ребят получились крупные кристаллы правильной формы. По окончании работы кристаллы нужно смазать силиконовым или растительным маслом во избежание контакта с воздухом. На воздухе кристаллы медного купороса вскоре меняют глубокий синий цвет на грязно-голубой. Когда дети разбирают кристаллы по домам, им следует напомнить, что кристалл медного купороса так же ядовит, как и порошок, его нужно держать в прозрачной коробочке или банке и руками трогать пореже.

Для выращивания кристаллов каждому ребёнку необходимо иметь по две поллитровые банки, 200 г медного купороса (продаётся в цветочных магазинах для дачников), чистую ситцевую тряпочку в качестве фильтра, карандаш и стеклянную палочку для размешивания. Ниже приводится примерное планирование занятий кружка по теме «Кристаллы».

Занятие 1. Что такое кристаллы?

Теоретическая часть. Чтобы дети поняли, чем они будут заниматься, нужно показать многообразие видов кристаллов, рассказать, что в природе встречаются моно- и поликристаллы, что они тоже растут, потому что частицы вещества притягиваются друг к другу. Вырастить их можно и самим, в лабораторных условиях. Для перехода к практической части следует объяснить различие между насыщенным и ненасыщенным растворами, рассказать о влиянии температуры на растворимость веществ.

Демонстрации. Различные кристаллы и минералы. Моно- и поликристаллы. Рост кристаллов поваренной соли и сульфата аммония прямо на глазах у детей (на слайдах).

Практическая часть. Изготовление горячего насыщенного раствора медного купороса. Фильтрование. Часть объяснений можно вести, пока дети готовят раствор.

Задание 2. Строение и форма кристаллов

Теоретическая часть. Посмотрев в свои банки, дети радостно убеждаются, что в жидкости образовались маленькие твёрдые кристаллики, причём у всех одинаковой правильной формы. ВЫВОД: кристаллы растут при охлаждении насыщенного раствора. Следует объяснить подробнее, что в растворе при охлаждении получился избыток твёрдого вещества. Теперь можно объяснить, почему кристаллы имеют правильную форму, почему она для данного вещества одна и та же у всех. Так как дети не знакомы ещё с понятиями силы и энергии, то мы объясняли это так: частицы вещества имеют какую-то определённую форму и притягиваются тем сильнее, чем ближе им удаётся подойти друг к другу. Можно использовать аналогию с конструктором, состоящим из одинаковых объёмных деталей, – детали складываются максимально плотно обычно одним-единственным способом.

Демонстрации. Сравнение кристалликов медного купороса из своих банок с большими кристаллами, выращенными ранее другими учащимися. Сравнение кристаллов кварца разного цвета и размера, других имеющихся кристаллов с целью выявить одинаковую форму у кристаллов одного вещества. Рисунки снежинок. Демонстрация моделей решёток различных кристаллов. Конструктор типа «Кубики».

Практическая часть. Выбор затравки из получившихся кристалликов, повторное приготовление подогретого насыщенного раствора, помещение в него затравки.

Комментарий. За неделю между занятиями кристаллики в банках у детей, как правило, успевают срастись в крепкие поликристаллы (дети имеют возможность на опыте увидеть, как образуются поликристаллы). Преподавателю лучше самому приготовить затравки. Для этого надо за два дня до занятия приготовить горячий насыщенный раствор и профильтровать его. Тогда кристаллики ещё не успеют срастись, их и можно будет использовать в качестве затравок. Детям же следует объяснить, что они всё сделали правильно, и если бы занятия кружка бывали чаще, то их затравки вполне бы подошли. Детям следует помочь посадить затравку на ниточку. Содержимое всех банок мы сливали в одну кастрюлю, подогревали на плитке, растворяли все кристаллики и аккуратно (чтобы не лопнули) опять разливали по банкам. Затем дети опять мешали и готовили насыщенный раствор. (Тут им нужно объяснить, что момент ответственный: если они поленятся долго мешать, раствор может оказаться ненасыщенным, «запросит» ещё вещества и «съест» их затравки.) Затем раствор опять фильтровали, и вешали затравки.

Занятие 3. Свойства кристаллов. Аморфные вещества

Теоретическая часть. Рассказ о свойствах кристаллов: полиморфизме на примере алмаза, графита, угля и сажи, анизотропии (строения, формы, скорости роста, прочности, теплопроводности), определённой температуре плавления. Рассказ об аморфных телах. Влияние времени остывания расплава на состояние образующегося твёрдого вещества: кристалл или аморфное тело. ВЫВОД: кристаллы растут из расплавов при охлаждении.

Демонстрации. Модели кристаллических решёток алмаза и графита. Модель решётки поваренной соли, различные кристаллы. Засахаренные леденцы или варенье.

Практическая часть. Очистка кристалла, нитки и банки. Изгибание стеклянных трубочек в огне, изготовление леденца из сахара.

Занятие 4. Рост кристаллов в природе

Теоретическая часть. Поглядев в банки, дети видят, что кристаллы ещё подросли, что, хотя на прошлом занятии раствор не нагревали, его стало меньше. ВЫВОД: кристаллы растут и при испарении раствора. Рассказ преподавателя (или подготовившихся заранее учащихся) по книге М.П.Шаскольской «Кристаллы» [3] о круговороте минеральных веществ в природе, об образовании кристаллов и минералов в природных условиях.

Демонстрации. Фотографии или слайды кристаллов в природе, в том числе сталактитов и сталагмитов, соляных озёр.

Практическая часть. Очистка кристалла, нитки и банки, доливание насыщенного раствора. (Учитель должен следить, чтобы насыщенный раствор медного купороса всё время был в запасе.)

Комментарий. К этому моменту кристаллы детям уже слегка надоели, и мы переключились на другие темы, продолжая наблюдение за ростом кристаллов и их чистку уже перед началом занятий.

Перед каникулами мы закончили выращивание и протёрли кристаллы маслом. Тот, кто быстрее справился со своей работой, переключился на другой вид деятельности. Некоторые выращивали одновременно и кристаллы алюмоаммонийных квасцов. А с двумя детьми мы затеяли эксперимент. Настя Калюкина поверх хромового квасца выращивала алюмоаммонийный, а Антон Лысов в одном растворе в одной банке выращивал сразу кристаллы квасца и медного купороса. Чем кончится эксперимент Антона, мы не знали. Вот как дети описали свои эксперименты.

Настя: «Я вырастила затравку хромовых квасцов KCr(SO₄)₂ • 12H₂O (они тёмно-фиолетового цвета) и сначала поместила её в насыщенный раствор хромовых квасцов. Вскоре вырос кристалл размером 1–1,5 см. Затем я поместила его в насыщенный раствор алюмоаммонийных квасцов (NH₄)Al(SO₄)₂ • 12H₂O. Чтобы убедиться, что раствор насыщенный и выращенный кристалл не растворится, нужно профильтровать раствор. Если в осадок выпадут кристаллики, то раствор насыщенный. После помещения туда кристалла хромового квасца, он начинает обрастать частицами из раствора алюмоаммонийных квасцов. Получается, что тёмный кристалл обрастает прозрачным слоем. При этом форма кристалла сохраняется».

Антон: «Я приготовил раствор, являющийся насыщенным и для алюмоаммонийных квасцов (NH₄)Al(SO₄)₂ • 12H₂O, и для медного купороса CuSO₄ • 5H₂O. Опустил в этот раствор затравки обоих кристаллов и решил провести наблюдение, как будут расти кристаллы: медный купорос на медном купоросе, а квасцы на квасцах, или оба вещества будут осаждаться на обеих затравках беспорядочно. Сначала, недели две, алюмоаммонийный кристалл рос совершенно прозрачным, т.е. частицы медного купороса на него не осаждались. Затем он стал становиться голубоватым, но свою характерную форму сохранял. Кристалл медного купороса тоже сохранял свою форму. Так как он тёмно-синий, то изменение его цвета заметить было невозможно. Затем, примерно через месяц, я обнаружил на большом кристалле медного купороса наросшие на него прозрачные маленькие кристаллики квасцов, позже и на поверхности кристалла квасцов образовались маленькие кристаллики медного купороса».

Ребятам для чтения на зимние каникулы помимо книги М.П.Шаскольской [3] была дана ещё книга Ч.Банна «Кристаллы. Их роль в природе и науке» [4]. После чтения и бесед они смогли членораздельно объяснить результаты эксперимента: «Как растёт кристалл? Мы знаем, что кристаллы имеют правильную форму. Представим частицы кристалла, например, квасца, в виде квадратиков. Тогда притянувшиеся друг к другу частицы образуют кристалл, как показано на рис. а. К кристаллу приближаются частицы из раствора и притягиваются к нему. Но может налететь другая частица, ударить по севшей и выбить её со своего места. Если частицы одинаковой формы, то расстояния до соседних частиц невелики, частицы притягиваются сильно, и их трудно выбить со своего места. Тогда кристалл разрастается. Если приблизившаяся частица имеет другую форму (рис. б), то расстояния до соседних частиц будут больше, и эта частица будет держаться слабее. Поэтому налетающие частицы её легко выбивают. Вероятно, частицы хромовых и алюмоаммонийных квасцов имеют одинаковую форму и размеры, поэтому на кристалле хромовых квасцов легко нарастали алюмоаммонийные квасцы, так что кристалл не изменил формы. У медного купороса и квасцов, наверное, форма и размеры частиц разные, поэтому сначала частицы медного купороса не могли осесть на кристалле квасцов, и наоборот. Потом некоторые частицы всё же закрепились на «чужом» кристалле. К ним стали притягиваться такие же частицы, и на поверхности одного кристалла стали вырастать чистые кристаллики другого вещества

Рост кристаллов: а) из частиц одинаковой формы и размера. Плотная упаковка позволяет частицам притягиваться сильно и осаждаться на кристалл; б) частица другой формы приближается к кристаллу. Она будет притягиваться слабо и не сможет удержаться на кристалле; в) к частице другой формы, случайно удержавшейся на кристалле, могут притягиваться такие же частицы. Тогда на кристалле из одного вещества будет расти кристалл другого вещества

Комментарий. Кристаллы на рис. в и г на фотографии на с. 9 относятся к моменту, когда кристаллики чужого вещества ещё не начали нарастать.

Мне кажется, что подобное объяснение демонстрирует высокий для начала 5-го класса уровень понимания детьми их труда. Такая работа дала им много: практические навыки; понимание физических законов взаимодействия частиц, которые они смогли представить наглядно; желание прочитать очень трудную для них научную литературу, чтобы объяснить свои эксперименты; умение описать свой научный эксперимент, что умеют делать даже не все научные работники.

Я спросила ребят, что им понравилось в изучении кристаллов. Они ответили, что очень интересно было прибегать и узнавать: «Ну, как он там поживает, мой кристаллик, как вырос, как изменился?» – заботиться, как о живом. И ещё удивительным было то, как вообще из жидкого раствора может появиться что-то твёрдое.

Литература

1. Гуревич А.Е., Исаев Д.А., Понтак Л.С. Физика и химия-5–6. – М.: Дрофа, 1997.

2. Гуревич А.Е. Физика. 7 класс. – М.: Новая школа, 1996.

3. Шаскольская М.П. Кристаллы. – М.: Наука, 1978.

4. Банн Ч. Кристаллы. Их роль в природе и науке. – М.: Мир, 1969.