Исследование роста кристаллов

• Этап 1. Способы кристаллизации

В процессе знакомства с литературой было выяснено, что кристаллизацию можно вести разными способами. C некоторыми из них мы познакомились во время экскурсии на химический факультет МГУ им. М.В.Ломоносова. Часть этих методов может быть успешно использована в курсах физики и химии в общеобразовательных школах.

Один из них – охлаждение насыщенного горячего раствора. При каждой температуре в данном количестве растворителя (например, в воде) может раствориться не более определённого количества вещества. Например, в 100 г воды при 90 °С может раствориться 200 г алюмокалиевых квасцов. Если раствор охлаждать медленно, зародышей образуется немного, и, нарастая постепенно со всех сторон, они превращаются в красивые кристаллики правильной формы.

При быстром же охлаждении образуется много зародышей, причём частички из раствора «сыплются» на поверхность растущих кристалликов, как горох из порванного мешка. конечно, правильных кристаллов при этом не получается, потому что частицы из раствора просто не успевают «устраиваться» на поверхности кристалла на нужное место. Первые опыты дали результаты красивые, но бесполезные, – обросшую солью банку, будто вмёрзшую в лёд, или крупные кристаллические комплексы сульфата магния на лесках.

Другой метод получения кристаллов – постепенное удаление воды из насыщенного раствора. «Лишнее» вещество при этом кристаллизуется. И чем медленнее испаряется вода, тем лучше получаются кристаллы. Третий способ – выращивание кристаллов из растворов или расплавов при медленном охлаждении жидкости.

Во всех случаях наилучшие результаты получаются, если используется затравка – небольшой кристалл правильной формы, который помещают в раствор или расплав.

• Этап 2. Эксперимент

рис.1 Часть 1: выращивание монокристаллов медного купороса. Мы выбрали самый простой способ – испарение растворителя. В стеклянную банку ёмкостью около 750 мл налили примерно 600 мл насыщенного раствора медного купороса. По мере испарения в сосуд подливали новые порции раствора.

Из исходного порошка медного купороса мы выбрали семь кристалликов более или менее правильной формы. Каждый на тонкой (0,15 мм) леске опустили в сосуд с насыщенным раствором медного купороса. По мере роста неудачные кристаллы, обросшие «паразитами» и потерявшие типичную для монокристаллов медного купороса форму, удаляли. Через неделю на леске остался лишь один кристалл. На дне также нарастали неправильные по форме комплексы кристаллов. В общем получилось около 12 крупных монокристаллов.

Часть 2: наблюдение процесса кристаллизации из разных растворов. Чтобы исследовать, как на процесс роста кристаллов влияют различные излучения и внешние воздействия, нам были необходимы быстро кристаллизующиеся вещества, причём прозрачные, чтобы с ними можно было работать в проходящем излучении и рассматривать в микроскоп.

Мы брали обычную водопроводную воду, содержащую много солей, сульфат магния, борную кислоту, зелёнку, приготавливали концентрированный водный раствор (этап 1 на рисунке) и капали этим раствором на обычное предметное стёклышко (этап 2). Затем эту каплю облучали звуком (включали музыку, этап 3, а) или светом (этап 3, б), клали стёклышко на магнит (от системы зажигания машины «Урал») и через 3–5 минут в микроскоп наблюдали за кристаллизацией вещества, делали фотографии с помощью камеры телефона Nokia N72 и записывали результаты. Для ускорения кристаллизации мы добавляли в растворы силикатный клей. Фрагменты таблицы результатов приведены в конце статьи.

• Этап 3. Анализ результатов

Целью эксперимента было изучение влияния различных факторов, доступных в школьных условиях, на рост кристаллов. Эксперимент проводился в соответствии с процессом получения нового знания: изучение литературы, ознакомление с процессом роста кристаллов в лаборатории университета, создание условий в школьной лаборатории для выращивания кристаллов, апробирование веществ на предмет скорости кристаллизации, отработка технологии наблюдений и фиксации данных и т.д. Ниже представлены фотографии, свидетельствующие о том, что на процесс роста кристаллов влияют внешние факторы, в том числе свет, звук (музыка) и магнитное поле. Однозначных выводов о характере влияния каждого фактора сделать не удалось, но зато сделаны качественные описания.

Водопроводная вода. Под воздействием классической музыки минеральные соли из водопроводной воды кристаллизуются на стёклышке в виде больших пятен, отстоящих довольно далеко друг от друга; под воздействием тяжёлой музыки – в виде сплошного слоя с маленькими, расположенными хаотично полостями.

Cульфат магния (+ силикатный клей). После облучения светом обычной лампы кристаллы образуют хаотично ориентированные крупные кристаллы. После облучения светом галогеновой автомобильной лампы получаются более мелкие и вытянутые кристаллы.

Борная кислота. При облучении дневным светом наблюдается изотропный рост кристаллов. При облучении синим светом медицинской лампы кристаллы становятся мельче и растут радиально от центра стёклышка. При облучении галогеновой автомобильной лампой наблюдается анизотропный рост в виде вытянутых полосок.

Литература

№	Вещество	Воздействие	Результат	Фото
1. Воздействие звуком	Вода – H₂O (водопроводная, с солями)	Классическая музыка: Beethoven's Symphony № 9 (Scherzo); 3 мин	На стёклышке образуются большие пятна выпаренных солей, разделённые широкими областями ничем не покрытого стекла
1. Воздействие звуком	Вода – H₂O (водопроводная, с солями)	Тяжёлая музыка: Slipknot «Before I forget»; 3 мин	На стёклышке в сплошном слое мелких твёрдых кристалликов выпаренных солей образуются маленькие пустые области, расположенные хаотично
4. Воздействие светом	Сульфат натрия MgSO₄ + силикатный клей	Дневной свет, свет лампы накаливания	На стёклышке образуется узор в виде полосок, растущих в произвольных направлениях
4. Воздействие светом	Сульфат натрия MgSO₄ + силикатный клей	Галогеновая автомобильная лампа (12 В)	На стёклышке образуется рисунок в виде длинных полосок
8. Воздействие магн. полем и светом	Свет – рассеянный дневной, магнитного поля нет	Борная кислота	Борная кислота + силикатный клей	Борная кислота + силикатный клей + клей «Момент»
	Свет – рассеянный дневной, магнитного поля нет
	Свет – рассеянный дневной, магнитное поле есть

Проект был представлен в 2008 г. на ХIV всероссийской научной конференции молодых исследователей «Шаг в будущее». Полностью материал выложен как электронное приложение к № 4/2009 (cм. также рубрику «Дополнительные материалы» на сайте газеты).