Кристаллы алмаз и графит

Проблематика статьи:

Почему алмаз и графит, являясь по сути, одном и тем же химическим веществом, имеют различные физические свойства?

Цель моей статьи – узнать как можно больше о кристаллах.

Задачи: выяснить строение кристаллов, связь между строением и физическими свойствами кристаллов, ответить на поставленный проблемный вопрос, вырастить один из кристаллов в школьной лаборатории, ответить на вопрос: «Где применяются кристаллы?».

Я начал свою работу с того, что обсудил проблему с учителем математики и химии. В результате появилась необходимость узнать о кристаллах. Наметил пути решения, сроки работы в школьной лаборатории.

Затем я приступил к сбору информации о кристаллах из методических пособий энциклопедий, Интернета. Параллельно выращивал кристалл медного купороса в школьной лаборатории, собирал макеты кристаллов поваренной соли, алмаза и графита, отвечал на поставленный вопрос.

Над проектом я работал вторую четверть 9-го класса. Результатом стала презентация по теме «Кристаллы» для 9-10 классов, показанная в неделю математики в январе месяце

Что такое кристаллы и их разнообразие в природе

Интересно происхождение слова «кристалл». Оно звучит почти одинаково во всех европейских языках. Много веков назад, среди вечных снегов Альп, на территории современной Швейцарии, нашли очень красивые, совершенно бесцветные кристаллы, очень напоминающие чистый лед. Древние натуралисты так их и назвали «кристаллос», в переводе с греческого - лёд. Полагали, что лед, находясь длительное время в горах, на сильном морозе, окаменевает и теряет способность таять. Один из самых авторитетных философов античности Аристотель писал: «Кристаллос рождается из воды, когда она полностью утрачивает теплоту». Римский поэт Клавдиан описал тоже самое стихами:

Ярой альпийской зимой лед превращается в камень.

Солнце не в силах затем камень такой растопить.

Аналогичный вывод сделали в древнем Китае и Японии – лед и горный хрусталь обозначили одним и тем же словом. И даже в 19 веке нередко соединяли воедино эти образы.

Едва прозрачный лед, над озером тускнея,

Кристаллом покрывал недвижные струи.

А. С. Пушкин к Овидию

Кристаллов великое разнообразие. Они различны по цвету, прозрачности.

(презентация «разнообразие кристаллов»), А кто не любовался снежинками, разнообразие которых бесконечно! Еще в 17 веке знаменитый астроном Иоганн Кеплер написал трактат «О шестиугольных снежинках», а спустя три столетия были изданы альбомы, в которых представлены тысячи фотографий увеличенных снежинок, причем ни одна из них не повторяет другую. (презентация «снежинки»).

Так что же такое кристаллы в современном понятии?

Кристаллы – твердые вещества, в которых атомы, молекулы, ионы располагаются в пространстве в определенном порядке. При мысленном соединении этих частиц отрезками образуется пространственная решетка (каркас), которую называют кристаллической решеткой. Точки, в которых расположены частицы – узлы решетки.

Виды кристаллических решеток. Симметрия кристаллов. Схожесть и различие свойств кристаллов в зависимости от их симметрии.

Если в узлах – ионы, то решетка – ионная, если атомы – атомная, если молекулы – молекулярная. Пространственное сходство кристаллических решеток называется симметрией кристаллов. Симметрия кристаллов ведет к схожести их физических свойств: прочности, пластичности и др.

Рассмотрим на примере кристалла поваренной соли NaCl. Кристаллическая решетка ионная, в узлах находятся ионы Na (зеленые шарики) и ионы Cl (желтые шарики). Каждый положительно заряженный ион Na окружен 6 отрицательно заряженными ионами Cl и наоборот. При этом образуется пространственная кристаллическая решетка в виде куба. Такое расположение способствует плотной «упаковке» ионов. В кристалле поваренной соли нельзя выделить отдельные молекулы, он весь – огромная макромолекула. Химические связи между ионами прочные. Вещества с ионными кубическими кристаллическими решетками обладают сравнительно высокой твердостью, тугоплавкостью, малолетучи и растворимы в воде.

Модификации кристаллических решеток. Зависимость свойств кристаллов от модификации.

Если одно и то же вещество образует более чем одну пространственную форму кристаллической решетки, то такие формы называются модификациями кристаллических решеток. Оказывается, что в зависимости от модификации из одного вещества получаются кристаллы с совершенно разными свойствами. Поясним на примере. Химическое вещество – углерод. Модификации – алмаз и графит. Алмаз – самое прочное из природных веществ, в переводе с арабского алмаз – «твердейший». Его используют во многих отраслях, в том числе и в бурении. Графит – одно из самых мягких веществ. Оба имеют атомную кристаллическую решетку. Почему же у них такие разные физические свойства? В узлах кристалла алмаза каждый атом углерода связан с четырьмя другими атомами углерода ковалентными связями, которые являются самыми прочными. Атомы находятся на одинаковом расстоянии друг от друга, ковалентные связи находятся под равными углами. Пространственная форма такого кристалла тетраэдр. Разрушить такие ковалентные связи очень трудно. Кристаллы, имеющие атомные кристаллические решетки с таким пространственным строением, твердые, практически не растворимы в воде, с высокой температурой плавления (сюда относятся кремний, германий). У графита каждый атом соединен с шестью другими, лежащими в одной плоскости, очень прочно (образуется правильный шестиугольник) – этим обусловлена тугоплавкость графита. Но при этом образуются слои, расстояние между которыми в два с половиной раза больше, чем внутри слоя. Образовавшаяся пространственная фигура – призма с сечениями. Такое строение объясняет мягкость графита, когда мы пишем, кристаллы отрываются и оставляют след на бумаге.

Идеальные и реальные кристаллы. Выращивание кристаллов

Идеальный кристалл является, по сути, математическим объектом, имеющим полную, свойственную ему симметрию, идеализированно равные грани.

Реальный кристалл всегда содержит различные дефекты, искажения и неровности на гранях, имеет пониженную симметрию многогранника вследствие условий роста, неоднородности питающей среды, повреждений и деформации. Реальный кристалл не обязательно обладает гранями правильной формы, но у него сохраняется главное свойство – закономерность положение атомов в кристаллической решетке. Каждое кристаллическое вещество имеет определенную свойственную ему пространственную форму. Например, для хлорида натрия – это куб, для алюминиевых квасцов – октаэдр. И даже, если сначала такой кристалл имел неправильную форму, он все равно рано или поздно превратится в куб или октаэдр. Более того, если кристалл с правильной формой специально испортить – отбить у него вершины, повредить ребра и грани, то он при дальнейшем росте начнет самостоятельно «залечивать» свои повреждения. Чтобы убедиться в этом был проведен такой опыт: из кристалла поваренной соли выточили шар, а потом поместили его в насыщенный раствор; через некоторое время кристалл сам постепенно принял форму куба! Но добиться идеальной формы кристаллов в земных условиях практически не возможно потому, что при выращивании на него действует сила тяжести, которая способствует деформации граней. Поэтому проводили опыты по выращиванию кристаллов в условиях невесомости на борту космических кораблей.

Как же выращивают кристаллы? Вот простая модель, поясняющая суть кристаллизации. Представим, что в большом зале укладывают паркет. Легче всего работать с плитками квадратной формы – как ее не поверни, она все равно подойдет к своему месту. Труднее выложить паркет из прямоугольных дощечек, особенно если у них с боков есть пазы и выступы – тогда каждую дощечку можно уложить на свое место единственным способом. Особенно трудно выложить узор из дощечек сложной формы – напоминает сборку пазлов. Если паркетчик очень торопится, то плитки будут поступать к месту укладки очень быстро – правильного узора не получится, появятся пустоты. Примерно те же процессы происходят при росте кристаллов, только сложность еще заключается и в том, что частички должны укладываться не в плоскости, а в пространстве. Они непрерывно совершают тепловые движения и «ищут» самое удобное для себя место – энергетически выгодное положение. Попав на такое место на поверхности растущего кристалла, частичка вещества может там остаться и через некоторое время оказаться внутри, под новыми наросшими слоями. Но возможен и другой исход – частичка вновь уйдет с поверхности в раствор снова начнет «искать», где ей удобнее устроиться.

Для выращивания кристаллов нужны условия: высокое давление, вакуум, температура. Кристаллы некоторых веществ можно получить в школьной лаборатории. Чтобы вырастить кристаллы медного купороса, мы получили насыщенный раствор. Перелили его в стакан, где будет расти кристалл. Вода не должна остывать, поэтому стакан с раствором поставили в емкость с горячей водой. К нитке привязали кристаллик, а ее к стержню, который положили на стакан и кристаллик окунули в раствор. Поставили стакан туда, где нет сквозняков, вибрации, сильного света. Накрыли стакан бумагой от попадания пыли и мусора. Через 2-3 дня кристаллик начал расти. При выращивании нужно помнить:

Кристаллик нельзя без особой причины вынимать из раствора.

Периодически менять или обновлять насыщенный раствор.

Медный купорос образует кристалл синего цвета ромбовидной формы, похож на драгоценный камень.

Применение кристаллов.

Для чего нужны кристаллы?

Применения кристаллов в промышленности так многочисленны и разнообразны, что их трудно перечислить. Поэтому ограничимся несколькими примерами. (презентация «применение кристаллов»)

Самый твердый и самый редкий из природных минералов – алмаз. Сегодня алмаз в первую очередь камень-работник, а не камень-украшение.

Благодаря своей исключительной твердости алмаз играет громадную роль в технике. Алмазными пилами распиливают камни. Алмазная пила - это большой (до 2-х метров в диаметре) вращающийся стальной диск, на краях которого сделаны надрезы или зарубки. Мелкий порошок алмаза, смешанный с каким-нибудь клейким веществом, втирают в эти надрезы. Такой диск, вращаясь с большой скоростью, быстро распиливает любой камень.

Колоссальное значение имеет алмаз при бурении горных пород, в горных работах.

В граверных инструментах, делительных машинах, аппаратах для испытания твердости, сверлах для камня и металла вставлены алмазные острия.

Алмазным порошком шлифуют и полируют твердые камни, закаленную сталь, твердые и сверхтвердые сплавы. Сам алмаз можно резать, шлифовать и гравировать тоже только алмазом. Наиболее ответственные детали двигателей в автомобильном и авиационном производстве обрабатывают алмазными резцами и сверлами.

Рубин и сапфир относятся к самым красивым и самым дорогим из драгоценных камней. У всех этих камней есть и другие качества, более скромные, но полезные. Кроваво-красный рубин и лазарево-синий сапфир - это родные братья, это вообще один и тот же минерал - корунд, окись алюминия А12О3. Разница в цвете возникла из-за очень малых примесей в окиси алюминия: ничтожная добавка хрома превращает бесцветный корунд в кроваво-красный рубин, окись титана - в сапфир. Есть корунды и других цветов. Есть у них ещё совсем скромный, невзрачный брат: бурый, непрозрачный, мелкий корунд - наждак, которым чистят металл, из которого делают наждачную шкурку. Корунд со всеми его разновидностями - это один из самых твердых камней на Земле, самый твердый после алмаза. Корундом можно сверлить, шлифовать, полировать, точить камень и металл. Из корунда и наждака делают точильные круги и бруски, шлифовальные порошки.

Вся часовая промышленность работает на искусственных рубинах. На полупроводниковых заводах тончайшие схемы рисуют рубиновыми иглами. В текстильной и химической промышленности рубиновые нитеводители вытягивают нити из искусственных волокон, из капрона, из нейлона.

Новая жизнь рубина - это лазер или, как его называют в науке, оптический квантовый генератор (ОКГ), чудесный прибор наших дней. В 1960г. был создан первый лазер на рубине. Оказалось, что кристалл рубина усиливает свет. Лазер светит ярче тысячи солнц. Мощный луч лазера громадный мощностью. Он легко прожигает листовой металл, сваривает металлические провода, прожигает металлические трубы, сверлит тончайшие отверстия в твердых сплавах, алмазе. Эти функции выполняет твердый лазер, где используется рубин, гранат с неодитом. В глазной хирургии применяется чаще всего неодиновые лазеры и лазеры на рубине. В наземных системах ближнего радиуса действия часто используются инжекционные лазеры на арсениде галлия.

Появились и новые лазерные кристаллы: флюорит, гранаты, арсенид галлия и др.

Сапфир прозрачен, поэтому из него делают пластины для оптических приборов.

Основная масса кристаллов сапфира идет в полупроводниковую промышленность.

Кремень, аметист, яшма, опал, халцедон — все это разновидности кварца. Мелкие зернышки кварца образуют песок. А самая красивая, самая чудесная разновидность кварца - это и есть горный хрусталь, т. е. прозрачные кристаллы кварца. Поэтому из прозрачного кварца делают линзы, призмы и др. детали оптических приборов.

Кристаллы сыграли важную роль во многих технических новинках 20 в. Некоторые кристаллы генерируют электрический заряд при деформации. Первым их значительным применением было изготовление генераторов радиочастоты со стабилизацией кварцевыми кристаллами. Заставив кварцевую пластинку вибрировать в электрическом поле радиочастотного колебательного контура, можно тем самым стабилизировать частоту приема или передачи.

Полупроводниковые приборы, революционизировавшие электронику, изготавливаются из кристаллических веществ, главным образом кремния и германия. При этом важную роль играют легирующие примеси, которые вводятся в кристаллическую решетку. Полупроводниковые диоды используются в компьютерах и системах связи, транзисторы заменили электронные лампы в радиотехнике, а солнечные батареи, помещаемые на наружной поверхности космических летательных аппаратов, преобразуют солнечную энергию в электрическую. Полупроводники широко применяются также в преобразователях переменного тока в постоянный.

Кристаллы используются также в некоторых мазерах для усиления волн СВЧ - диапазона и в лазерах для усиления световых волн. Кристаллы, обладающие пьезоэлектрическими свойствами, применяются в радиоприемниках и радиопередатчиках, в головках звукоснимателей и в гидролокаторах. Некоторые кристаллы модулируют световые пучки, а другие генерируют свет под действием приложенного напряжения. Перечень видов применения кристаллов уже достаточно длинен и непрерывно растет.

История знаменитых алмазов

Особое место среди кристаллов занимают драгоценные камни, прежде всего бриллианты. Бриллиант – это ограненный алмаз, причем огранку проводят алмазным резцом. В настоящее время ученые научились выращивать искусственные алмазы – кристаллы оксида циркония. Но у них нет такой чисты и прозрачности, как у подлинных. (презентация «бриллианты»)

Алмаз «Шах»

Алмаз «Шах» массой 90 карат (18г) – желтого цвета, но очень прозрачный, длиной 3см – был найден в Индии около 1591г. Шах повелел вырезать на одной из граней надпись на фарси: «Бурхан – Низам – шах второй». В 1829 г в столице Персии Тегеране был убит русский дипломат и писатель А. С. Грибоедов. правительство России потребовало наказания виновных. Испуганный шахский двор отправляет в Петербург сына шаха, который везет в дар царю алмаз «Шах». Так этот бриллиант оказался в Алмазном фонде.

Алмаз «Куллинан»

Самый крупный из обнаруженных алмазов получил имя «Куллинан». Он был найден в 1005 г в Южной Америке. Масса его составляла 3106 карат (621г) и стоил 9млн фунтов стерлингов. Алмаз был подарен английскому кролю Эдуарду VI. Позднее его раскололи на 105 частей, самая крупная из них массой 516,5 карата получила название Звезда Африки».

Алмаз «Кохинор»

Этот алмаз никогда не продавался за деньги. Он был найден в Индии в 56 г до н. э. история этого алмаза – это история предательства и обмана. Кохинор в переводе с фарси – «гора света». Так воскликнул персидский шах Надир, впервые увидев этот камень. После подавления восстания сикхов, вместе с другими драгоценностями Кохинор в качестве военной трофеи был переправлен в Англию. Он был подвергнут переогранке, и его масса уменьшилась до 21, 2 карата. В 1911г Кохинор был вделан в малую Королевскую государственную корону Великобритании.

Как- бы не были великолепны эти и другие знаменитые алмазы, на них всех лежит чья-то кровь.

Работая над данным проектом, я смогли получить дополнительные знания по предметам: геометрия и химия, а так же из многих других областей. Я научился выращивать кристаллы в школьной лаборатории. Установил связь между пространственным строением и физическими свойствами кристаллов. Ответил на проблемный вопрос: несмотря на то, что графит и алмаз – одно и тоже химическое вещество – углерод, и у них одинаковые атомные кристаллические решетки, эти кристаллы имеют разные физические свойства потому, что у них разные модификации кристаллических решеток. Так же я узнал о широком спектре применения кристаллов в промышленности. Закончив проект, я могу сказать, что все задуманное получилось.