Agrodom93.ru

Агропромышленный комплекс
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Из каких агрегатных состояний выращивают кристаллы

Выращивание кристаллов из газообразной фазы

Широко распространено мнение, что выращивание монокристаллов из газообразной фазы не имеет большого практического значения ввиду малых скоростей роста, присущих этому методу. Действительно, скорость роста монокристаллов из газообразной фазы обычно равна сотым долям мм/ч, что на несколько порядков ниже, чем при вытягивании кристаллов из расплава. Рост из газообразной фазы применяется в основном для выращивания тонких эпитаксиальных пленок, используемых в технологии полупроводниковых приборов, и для получения небольших монокристаллов тугоплавких материалов, а также полупроводниковых соединений, которые плавятся с разложением. Кроме того, поскольку высокопроизводительные методы выращивания монокристаллов из расплавов не всегда обеспечивают высокую однородность их свойств, то для получения особо качественных небольших кристаллов полупроводников используются методы выращивания из газообразной фазы. Эти методы, естественно, не устраняют все причины, приводящие к дефектности кристаллов. Процессы выращивания монокристаллов из газообразной фазы тоже весьма чувствительны к колебаниям внешних условий и составу питающей фазы. Однако влияние этих колебаний значительно сглажено благодаря малым скоростям роста, что способствуют приближению к более равновесным условиям роста.

Сам процесс роста кристаллов из газообразной фазы состоит из тех же этапов, что и процесс кристаллизации из жидкой фазы: 1) подвод кристаллизующегося компонента к поверхности роста (процессы массопереноса); 2) поверхностная диффузия (миграция по поверхности роста и встраивание атомов в кристалл); 3) диффузия в объеме кристалла (миграция в кристалле); 4) отвод теплоты кристаллизации от поверхности роста (процессы теплопереноса). Различие процессов конденсации из газообразной фазы и кристаллизации из жидкой фазы заключается в том, что при росте из газообразной фазы, как правило, не реализуется сплошность контакта этой фазы с фронтом кристаллизации.

С технологической точки зрения методы выращивания кристаллов из газообразной фазы делятся на три большие группы, отличающиеся способом доставки атомов от источника к растущему кристаллу:

1) метод сублимации-конденсации;

2) метод химических реакций разложения–восстановления;

3) метод химического транспорта.

Рассмотрим сначала особенности первой группы методов. В современной технологии полупроводников широкое распространение получили технологические процессы получения монокристаллов из паровой фазы в системах с пониженным давлением (в вакууме). К преимуществам выращивания кристаллов в вакууме относятся чистота условий получения материалов и изученность закономерностей массопереноса в вакууме, последнее позволяет научно обосновать и автоматизировать технологические процессы.

Массоперенос в вакууме включает следующие три основные стадии:

1) переход вещества из конденсированной (твердой) фазы в газообразную; 2) перенос вещества в пространстве от источника до подложки при пониженном давлении газа; 3) конденсация паров вещества на подложке.

Первая стадия — перевод вещества из конденсированной фазы в газообразную в основном осуществляется методами термического испарения или ионно-плазменного распыления.

Сущность процесса термического испарения заключается в нагреве вещества (методами резистивного, электронно-лучевого, высокочастотного, светового и др.) до температуры, когда энергия поверхностных атомов вещества становится выше их энергии связи с соседними атомами, в результате чего они приобретают способность к переходу в паровую фазу.

Ионное распыление (часто называемое катодным распылением) производят путем импульсной передачи энергии от ионов плазмы атомам вещества с последующим радиационным разрушением материала. Ион плазмы при соударении с атомами вещества передает им часть своей энергии. Если переданная энергия превышает пороговую энергию смещения атомов, то последние покидают свои места. При достаточном запасе энергии эти первичные смещенные атомы смещают другие атомы и т. д., в результате чего вдоль пути иона образуются каскады смещенных атомов. Часть из этих атомов достигает поверхности облучаемого кристалла и покидает ее.

В зависимости от соотношения между длиной свободного пробега атома или молекулы в паре l и расстоянием от источника паров до подложки L различают два основных режима второй стадии массопереноса вещества в вакууме.

При l L пар от поверхности испаряемого вещества движется в виде сплошного потока, и массоперенос в этом случае описывается уравнениями газодинамики [37]. Перенос вещества происходит путем молекулярной диффузии2 или конвекции и молекулярной диффузии одновременно.3 В неподвижной среде вещество перемещается, строго говоря, лишь посредством одной молекулярной диффузии. В движущейся среде перенос вещества осуществляется как молекулярной диффузией, так и самой средой в направлении ее движения (ламинарный поток) или ее частицами в разных направлениях (турбулентный поток). В турбулентном потоке конвективный перенос вещества, осуществляемый под действием турбулентных пульсаций (нерегулярных пульсаций скорости), часто называют турбулентной диффузией.

При l L движение пара от поверхности испарения происходит в виде молекулярных пучков, в пределах которых атомы или молекулы распространяются по прямолинейным траекториям. Основные закономерности для этого режима массопереноса при термическом испарении были установлены Герцем, Кнудсеном и Ленгмюром. Плотность потока испаряющихся частиц (скорость испарения) в режиме молекулярных пучков описывается уравнением Герца-Кнудсена:

j0 = (aиP)/(2πRT /M)1/2, (6.9)

где j0 — плотность потока испаряющихся частиц, P — равновесное давление пара испаряемого вещества при температуре T его поверхности, M — молекулярная масса вещества, R — универсальная газовая постоянная, aи — коэффициент испарения, учитывающий факторы, препятствующие уходу атомов или молекул с поверхности конденсированной фазы в паровую.

Если поверхность испарения и паровая фаза находятся в состоянии, близком к термодинамическому равновесию, то распределение по энергиям молекул, падающих на поверхность или покидающих ее, описывается распределением Максвелла. Из него непосредственно вытекает закон косинуса для пространственного распределения молекул, испускаемых нагретой поверхностью:

j(r, ϕ) = jdsи cos ϕ/πL2 , (6.10)

2 Молекулярной диффузией называется перенос вещества, обусловленный беспорядочным движением самих молекул в неподвижном веществе. В однофазной системе при постоянной температуре и при отсутствии внешних сил диффузия выравнивает концентрацию каждого компонента фазы во всей системе. Если на систему действуют внешние силы или поддерживается градиент температуры, то в результате диффузии устанавливаются градиенты концентрации отдельных компонентов (электродиффузия, термодиффузия; см. 8).

3Суммарный перенос вещества молекулярной диффузией и движущимся потоком вещества называется конвективной диффузией или конвективным переносом. Очевидно, что скорость молекулярной диффузии существенно ниже скорости конвективного переноса вещества.

Рис. 6.14. Схема пространственного распределения молекул, испускаемых нагретой поверхностью, в зависимости от взаимного положения элементов поверхности испарения dsи и подложки dsп .

где j(r, ϕ) — плотность потока испаряемых молекул на расстоянии L от источника под углом ϕ к нормали элемента поверхности испарения dsи (см. рис. 6.14).4

Количество вещества, которое осаждается на противолежащей источнику паров растущей поверхности кристалла (подложке), также зависит от положения этой поверхности относительно испаряемой. Как видно из рисунка 6.14, количество вещества, испаряемого в пределах пространственного угла dω, осаждается на площади, которая возрастает с увеличением как расстояния до испаряемой поверхности L, так и угла падения ϕ1. Площадь элемента подложки dsп для данных dω, L и ϕ1 такова:

dsп = L2dω/ cos ϕ1. (6.11)

Таким образом, поток осаждающегося вещества на единицу площади поверхности растущего кристалла (скорость осаждения) будет:

I = acI0 cos ϕ cos ϕ1/πL2, (6.12) где I0 — поток испаряемых молекул, ϕ1 — угол падения вещества на

поверхность растущего кристалла, а ac — коэффициент конденсации. Коэффициент конденсации ac изменяется от 1 до 10−10 для разных веществ и условий. Было выяснено, что коэффициент конденсации зависит в первую очередь от механизма роста и чистоты растущей поверхности.

Для количественной характеристики эффективности ионного испарения используется коэффициент распыления R, равный числу атомов

4В соответствии с законом косинуса испарение вещества происходит неравномерно во всех направлениях. Оно идет преимущественно в направлениях, близких к нормали к испаряемой поверхности.

материала, выбитых одним падающим ионом [37],

M1M2

R = Kα l(E)(M

+ M ) E, (6.13)

где Kα — коэффициент, учитывающий агрегатное состояние мишени; M1 — масса бомбардирующего иона; M2 — масса выбитого атома мишени; l(E) — средняя длина свободного пробега иона в материале мишени; E — энергия иона. Значение R в сильной степени зависит от энергии иона, природы распыляемого материала, массы распыляющихся ионов, кристаллографической ориентации поверхности мишени и угла падения ионов. С практической точки зрения можно считать, что угловое распределение атомов, выбиваемых из поликристаллической мишени, близко к закону косинуса, а выбиваемых из монокристаллов, характеризуется наличием в кристалле наиболее предпочтительных направлений испускания атомов. Анизотропный характер эмиссии атомов из монокристаллической мишени при ионном испарении приводит к получению неоднородных по толщине пленок, а поэтому на практике применяется редко.

Рост кристалла из паровой фазы, в основном, происходит по слоистому или слоисто-спиральному механизмам с соответствующими зависимостями скорости роста V кристаллизующейся поверхности от пересыщения (см. гл. 4).

Для выращивания кристаллов из паровой фазы, так же как и для

процесса выращивания из жидкой фазы, можно ввести понятие о лимитирующей стадии процесса. При выращивании из паровой фазы принято выделять диффузионную и кинетическую области роста. Если лимитирующей стадией процесса является подвод кристаллизуемого материала к поверхности роста (осуществляемый посредством молекулярной или конвективной диффузии, а в вакууме — посредством молекулярного потока), то о таком процессе роста говорят как о идущем в «диффузионной области». Если же лимитирующей стадией являются процессы миграции и встраивания в решетку атомов на растущей поверхности, то процесс роста идет в «кинетической области». Если скорости подвода кристаллизуемого материала и миграционных процессов соизмеримы, то говорят, что процесс протекает в «переходной области».

В случае выращивания кристаллов методами химических реакций и химического транспорта химические процессы, связанные с изменением химического состава и свойств исходного вещества, являются важнейшей стадией технологии получения полупроводниковых материалов наряду с теплои массопередачей. Скорость протекания химических про

цессов определяется законами химической кинетики. В большинстве случаев при анализе химико-технологических процессов выделяют отдельные, наиболее важные стороны процесса и рассматривают их взаимное влияние. В первую очередь выделяют основную химическую реакцию, определяющую выход целевого продукта, и устанавливают особенности ее протекания.

Кратко рассмотрим основные закономерности протекания химических реакций с точки зрения химической технологии.

Химические реакции классифицируют по ряду признаков. Реакции подразделяются на простые и сложные. Для описания простых реакций достаточно одного уравнения. К сложным относятся реакции, состоящие из двух и более взаимосвязанных между собой (параллельных или последовательных) простых реакций. Для описания сложных реакций необходимо несколько уравнений. Разделяют необратимые и обратимые химические реакции. Необратимые реакции протекают лишь в одном направлении. Большинство реакций при соответствующих условиях обратимы, то есть могут протекать в прямом и обратном направлении. На производстве обычно стремятся создать такие условия, чтобы основные химические реакции протекали необратимо. Различают гомогенные реакции, когда реагирующие вещества находятся в одной какой-либо фазе, и гетерогенные реакции, когда реагирующие вещества находятся в разных фазах. Большинство химико-технологических процессов при получении полупроводниковых материалов протекает с участием гетерогенных химических реакций.

Разработка технологического процесса получения целевого продукта требует установления всей совокупности протекающих химических реакций в процессе переработки исходного сырья. Далее определяется вероятность протекания основной реакции, обеспечивающей получение заданного продукта, и рассчитывается максимальный выход целевого продукта (см. ниже) в технологическом процессе.

Вероятность протекания той или иной обратимой реакции определяется по изменению полной энергии Гиббса ∆G, которое рассчитывается с помощью стандартных таблиц или определяется на основе экспериментальных данных. Если ∆G > 0, то наиболее вероятно протекание реакции слева направо; если ∆G of your page —>

КРИСТАЛЛИЗА́ЦИЯ

  • В книжной версии

    Том 16. Москва, 2010, стр. 45

    Скопировать библиографическую ссылку:

    КРИСТАЛЛИЗА́ЦИЯ, об­ра­зо­ва­ние кри­стал­лов из рас­пла­вов, рас­тво­ров, га­зо­вой фа­зы или плаз­мы, а так­же из аморф­ных ве­ществ или кри­стал­лов др. струк­ту­ры. В про­цес­се К. ато­мы, мо­ле­ку­лы или ио­ны ве­ще­ст­ва вы­страи­ва­ют­ся в кри­стал­ли­че­скую ре­шёт­ку . К. яв­ля­ет­ся не­рав­но­вес­ным фа­зо­вым пе­ре­хо­дом 1-го ро­да. Ус­ло­вия рав­но­ве­сия кри­стал­ла со сре­дой (рас­пла­вом, па­ром, рас­тво­ром и др.) оп­ре­де­ля­ют­ся как фа­зо­вое рав­но­ве­сие аг­ре­гат­ных со­стоя­ний ве­ще­ст­ва при фа­зо­вых пе­ре­хо­дах 1-го ро­да: ра­вен­ст­во темп-ры, дав­ле­ния и хи­мич. по­тен­циа­ла. Не­об­хо­ди­мое ус­ло­вие рос­та кри­стал­ла – от­кло­не­ние от рав­но­ве­сия, оп­ре­деля­емое пе­ре­ох­ла­ж­де­ни­ем (от­ли­чи­ем темп-ры от рав­но­вес­ной) и пе­ре­сы­ще­ни­ем (от­ли­чи­ем дав­ле­ния или кон­цен­тра­ции от рав­но­вес­ных зна­че­ний). Тер­мо­ди­на­мич. дви­жу­щая си­ла фа­зо­во­го пе­ре­хо­да тем вы­ше, чем боль­ше от­кло­не­ние от рав­но­ве­сия. Пе­ре­ход ве­ще­ст­ва в кри­стал­лич. фа­зу со­про­во­ж­да­ет­ся вы­де­ле­ни­ем скры­той те­п­ло­ты К., и при не­пол­ном от­во­де этой те­п­ло­ты воз­мож­но умень­ше­ние от­кло­не­ния от рав­но­ве­сия и за­мед­ле­ние про­цес­са. Как фа­зо­вый пе­ре­ход 1-го ро­да К. со­про­во­ж­да­ет­ся скач­ком удель­но­го объ­ё­ма по от­но­ше­нию к ис­ход­ной фа­зе, и это мо­жет при­во­дить к из­ме­не­нию дав­ле­ния в кри­стал­ли­зую­щей­ся сис­те­ме. Та­ким об­ра­зом, К. – это слож­ный про­цесс те­п­ло­мас­со­пе­ре­но­са, ко­то­рый управ­ля­ет­ся тер­мо­ди­на­мич. и ки­не­тич. фак­то­ра­ми. Мно­гие из них труд­но кон­тро­ли­ро­вать. Уро­вень чис­то­ты, темп-ра и кон­цен­тра­ция ком­по­нен­тов в не­по­сред­ст­вен­ной бли­зо­сти к фа­зо­вой гра­ни­це, пе­ре­ме­ши­ва­ние, те­п­ло­об­мен мо­гут быть гл. фак­то­ра­ми, оп­ре­де­ляю­щи­ми раз­мер, чис­ло и фор­му воз­ни­каю­щих кри­стал­лов.

    Кристаллография и кристаллохимия

    Понятие о кристалле и кристаллическом веществе

    Понятие о кристалле и кристаллическом веществе

    Находящиеся в природе вещества встречаются в каком-то одном агрегатном состоянии-либо в газообразном, либо в жидком, либо в твердом.

    Твердое, или иное состояние данного вещества устойчиво при определенных термодинамических условиях.

    Каждое состояние отличается от другого состояния характером взаимного расположения и движением материальных частиц друг относительно друга

    В газах материальные частицы (атомы) находятся на больших расстояниях друг от друга. Они слабо связаны между собой, движутся с большой скоростью, движение хаотично. При взаимном столкновении частицы отталкиваются друг от друга по закону упругих шаров.

    В жидкостях расстояние между частицами значительно сокращены, движение их замедлено, между ними появляются силы притяжения, вследствие чего намечается некоторая временная упорядоченность (ближний порядок) в их расположении.

    В твердых телах входящие в состав частицы не движутся поступательно. Частицы закреплены в отдельных точках пространства и совершают колебательные движения вокруг точек. Различают 2 вида твердого вещества: 1) аморфное и 2) кристаллическое. Определяющим здесь является степень упорядоченности частиц, их взаимная ориентировка.

    Твердые тела, в которых частицы располагаются беспорядочно, называются аморфными. Аморфные тела подобны переохлажденным жидкостям. Примерами их служат стекла, пластмассы, клей и др. Аморфное состояние не является устойчивым и обнаруживает с течением времени тенденцию к кристаллизации. Так, например, стекло «закристаллизовывается», образуя агрегаты мелких кристаллов.

    Кристаллическим веществом являются все твердые тела, в которых слагающие их частицы (атомы, ионы, молекулы) расположены закономерно, образуя упорядоченную трехмерно-периодическую структуру в виде пространственной решетки. Пространственная решетка представляет собой бесконечную закономерную систему узлов (точек), характеризующих общую для всех кристаллов геометрическую особенность их строения. Иными словами, пространственная решетка – это абстрактный геометрический образ, характеризующий наиболее общие закономерности расположения и периодичности повторения систем точек в пространстве.

    В реальных кристаллических структурах на местах узлов пространственной решетки находятся конкретные частицы (атомы, ионы или молекулы). Каждая частица подобной структуры, имея закономерное ближайшее окружение, характеризуется определенным ближним порядком. Кроме того, любая частица, будучи фиксирована в конкретном месте структуры, имеет и определенных дальних соседей, т.е. характеризуется дальним порядком. При нагревании кристаллических тел и увеличении амплитуды тепловых колебаний частиц в структуре наступает такой момент, когда вещество плавится и переходит в жидкое состояние. Исчезает дальний порядок, хотя ближний порядок для частиц сохраняется.

    Существуют вещества, промежуточные по своей структуре между кристаллическими, аморфными и жидкими. Это полиморфные вещества и жидкие кристаллы. Структуры жидких кристаллов образованы устойчивыми атомными группировками-молекулами, имеющими удлиненную форму и ориентирующимися соответствующим образом при упорядочивании.

    Жидкие кристаллы текучие как обычные жидкости, но они анизотропны. Они имеют определенный температурный интервал существования, выше которого плавятся в изотропную жидкость и ниже которого кристаллизуются.

    Вещества, способные в определенном температурном интервале выше точки плавления сочетать одновременно свойства жидкостей (текучесть, способность к образованию капель) и свойства кристаллических тел (анизотропию, упорядоченность), стали называть жидкими кристаллами или жидкокристаллическими.

    В виде жидких кристаллов встречаются некоторые органические соединения, которые состоят из молекул достаточно больших размеров и имеющих определенную форму (палочковидную, дисковидную). Эти крупные молекулы имеют тенденцию к упорядоченному расположению в пространстве. В соответствие со способами взаимного расположения молекул выделяют типы жидких кристаллов:

    Нематические жидкие кристаллы («нема» — по-гречески нить) — оптически одноосные жидкие кристаллы, имеют дальний ориентационный порядок, свободны в перемещении. Характеризуются наличием микроструктур в виде нитей, концы которых либо свободны, либо связаны со стенкой ёмкости, в которой находится изучаемое вещество. Ориентация осей молекул в этих кристаллах параллельна, однако они не образуют отдельные слои. Длинные оси молекул лежат вдоль линий, параллельных определённому направлению, а их центры размещены хаотично. Нематические жидкие кристаллы называются также нематиками.

    Смектики — наиболее упорядоченные 2-мерные кристаллы. Имеют слоистую структуру. Бывают нескольких типов:

    · А — с двойными слоями;

    · C — длинные оси молекул, относительно слоя, находятся под неким углом;

    · В — структурными слоями.

    Смектические жидкие кристаллы имеют слоистую структуру, слои могут перемещаться друг относительно друга. Толщина смектического слоя определяется длиной молекул (преимущественно, длиной парафинового «хвоста»), однако вязкость смектиков значительно выше чем у нематиков и плотность по нормали к поверхности слоя может сильно меняться.

    Холестерические жидкие кристаллы (ХЖК, холестерики) — это жидкие кристаллы, обладающие свойством спиральности, то есть в них отсутствует центральная симметрия. Холестерическая фаза существует только у веществ, молекулы которых не обладают зеркальной симметрией. Поэтому холестерик при нагревании или охлаждении не может стать ни нематиком, ни смектиком.

    Кристаллы-все твердые тела, образующиеся в природе в виде многогранников.

    Слово «кристаллос» у древних греков обозначало «лед» или более правильно «застывший на холоде», так же они называли и водяно-прозрачный кварц, считавшийся, по их мнению, окаменевшим льдом.

    Впоследствии этот термин был распространен на все тела, имеющих правильную кристаллическую форму, хотя было бы правильным относить его к конкретным индивидуумам, конечным телам, разделенным граничными поверхностями. В некоторых случаях кристаллы имеют правильную геометрическую форму многогранников, морфологическими элементами которых являются грани, ребра и вершины. Грани – это плоскости, ограничивающие подобные многогранники. Они могут иметь различные размеры и очертания, или, как говорят, различаться по сортам. Бывают многогранники, образованные гранями одного сорта, чаще – гранями нескольких сортов. Плоскости пересекаются по прямым линиям, называемым ребрами. Точки, в которых сходятся ребра, являются вершинами многогранников. В общем случае в многогранниках присутствуют ребра и вершины разного сорта. Число элементов ограничения кристалла связаны между собой следующей зависимостью, найденной Эйлером: p + e = r + 2, где p – число граней; e – число вершин; r – число ребер.

    Кристаллы имеют самые разнообразные размеры от едва видимых под микроскопом до кристаллов-гигантов (В ЛГУ кристалл кварца высотой 2,7м, ширина у основания 1,5м, вес 10 тонн, кристалл берилла длина 5,5м, ширина 1,2м, вес 18 тонн, кристалл слюды площадью 6,7м 2 , кристалл полевого шпата размерами 10х10х10, вес 100 тонн).

    Кристалличными являются металлы, сплавы, горные породы.

    Кристаллы могут и не иметь правильной геометрической формы, а встречаться в виде зерен, имеющих неправильные контуры, но они, так же как и обломки любого кристалла, обладают рядом свойств, позволяющих отличить их от аморфных твердых тел. В большинстве случаев исследователь имеет дело со скоплениями многих кристаллов, каковыми являются природные минералы, горные породы, металлы и сплавы, разнообразные синтетические твердые вещества, применительно к которым используют термин — кристаллический агрегат.

    Читать еще:  Как вы думаете стоит ли выращивать диких птиц в неволе?

    Что такое кристалл?

    Ответ был получен при исследовании вещества рентгеновскими лучами. Все кристаллы построены из материальных частиц геометрически правильно расположенных в пространстве в виде узлов пространственных решеток. В реальных структурах места узлов пространственных решеток могут заниматься отдельными атомами, ионами или группами атомов и ионов.

    Строго говоря с узлами пространственной решетки совмещаются центры тяжести этих частиц или центральные точки их колебательных движений внутри кристалла. Т.о. кристаллами следует называть все твердые тела, в которых частицы расположены закономерно по определенной «решетчатой» системе. Из этого следует, что понятие «кристалл» и «кристаллическое вещество» близки друг к другу и являются синонимами. Кристалл представляет собой физическое тело, имеющее какие-то конечные размеры и поверхности раздела с другими кристаллами, тогда как кристаллическое вещество рассматривается как бесконечное во всех измерениях, и в этом случае речь идет не о кристалле, а, как подчеркивал крупный кристаллохимик Бокий, о кристаллическом пространстве.

    Основные свойства кристаллов:

    1. Одним из основных свойств является анизотропия, т.е. неравносвойственность. Под этим термином понимается изменение свойств в зависимости от направления. Вырезанные из кристаллов различно ориентированные образцы характеризуются разными значениями тех или иных свойств. Все кристаллы в отношении хотя бы некоторых свойств обязательно анизотропны. Ярким примером анизотропии твердости является минерал дистен. Кристаллическая структура связана с анизотропностью свойств.
    2. Однородность проявляется и в одинаковости физических, физико-химических и других свойствах кристалла в любых его участках по параллельным направлениям. В каком бы месте монокристалла мы не вырезали одинаково ориентированный образец некоторой формы и размеров, все его свойства будут идентичными. Понятие однородности дает возможность рассматривать кристаллическое вещество как непрерывную тождественную среду.
    3. Симметрия. Она дает возможность произвести преобразование объекта, совмещающего его с собой поворотами и (или) отражениями. Симметрия проявляется во внешней форме многих кристаллов, которые оказываются образованными повторяющимися равными гранями, ребрами и вершинами, что, в конечном счете, является следствием симметричного трехмерного периодического атомного строения кристаллической среды.
    4. Способность кристалла образовывать плоскостные многогранники или самоограняться. т.е. принимать естественную форму в результате свободного роста в подходящей среде, или же при процессах обратных росту – при растворении или испарении кристаллов. Аморфные тела могут быть однородными и даже анизотропными, но ни при каких условиях они не могут принимать многогранную форму. Выточенный из кристалла шарик в подходящей среде со временем покрывается гранями. В противоположность этому стеклянный шарик такой способностью не обладает.
    5. Кристаллическое вещество обладает минимальной внутренней энергией. Материя, находящаяся а кристаллическом состоянии обладает меньшей энергией, чем в аморфном, жидком или газообразном состоянии. Атомы, ионы, молекулы, образующие кристалл прочно соединяются друг с другом. При этом выделяется теплота, т.е процесс кристаллизации экзотермичен. Процесс разрушения кристаллов-эндотермический процесс

    Предмет кристаллографии.

    Разделение кристаллографии и связь с другими науками.

    Кристаллография-наука о кристаллическом состоянии вещества. Она изучает кристаллические индивидуумы, т.е. отдельные кристаллы, процессы образования и разрушения кристаллов, их состав, строение, химические, физические и физико-химические свойства, а так же закономерности срастания кристаллов.

    В силу того, что кристаллическое вещество имеет упорядоченную атомную структуру, методы кристаллографии резко отличается от методов других наук. Особенностью этих методов является последовательное применение принципа симметрии во всех случаях. Симметрия проявляется во внешней форме кристаллов, в их структуре, в физических явлениях, протекающих в кристаллах, во взаимодействии кристалла с окружающей средой.

    Кристаллография делится на 4 раздела:

    1. геометрическая кристаллография;
    2. кристаллогенезис, т.е. учение о зарождении и росте кристаллов;
    3. химическая кристаллография или кристаллохимия
    4. физическая кристаллография (кристаллофизика)

    Последние 2 раздела могут изучаться не зависимо друг от друга, но все они базируются на геометрической кристаллографии

    Главнейшими наукам, на которые опирается кристаллография и с которыми она тесно связана, являются математика, физика, физическая химия и химия.

    Относительное расположение атомов в кристаллическом веществе зависит от качества самих атомов, от химической природы. В связи с этим атомы образуют различные пространственные постройки. Отсюда возникает тесная связь кристаллографии с химией. Вместе с тем условия кристаллизации и возникновения кристаллов, вопросы перекристаллизации, существования различных веществ определяются физико-химическими процессами окружающей среды, обуславливая взаимосвязь с наукой, изучающей эти процессы, с физической химией.

    Атомы и молекулы в кристаллах, располагаясь в строго определенном порядке, образуют геометрически правильные комплексы. Совокупность их определяет форму кристаллов в виде многогранников. Изучением же различных многогранников и пространственных решеток, из которых построены кристаллы, занимаются геометрия и некоторые другие разделы математики.

    Кристаллография рассматривает главным образом электрические, оптические, механические свойства кристаллов и их симметричные закономерности и непосредственно примыкает к физике твердого тела. В последние годы интенсивно развивается промышленность по производству и использованию монокристаллов с определенными свойствами.

    Очевидна связь кристаллографии и с геологическими дисциплинами, прежде всего с минералогией, петрографией, геохимией и учением о рудных месторождениях. Подавляющее большинство минералов кристалличны и многие из них встречаются в виде хорошо образованных кристаллов. Долгое время природные минералы были единственными объектами кристаллографических исследований, поэтому кристаллография, будучи вполне самостоятельной дисциплиной, рассматривалась как часть минералогии. Внешняя форма кристаллов и их сростков остается и до сих пор важнейшими диагностическими признаками минералов. Кроме того, кристаллохимические исследования атомных структур минералов являются основой их современной систематики.

    Учение о кристаллическом состоянии материи является основополагающим для науки о горных породах, являющихся сочетанием различных минералов – петрографии и науки, изучающей распределение и миграцию химических элементов в земной коре – геохимии. Первая широко пользуется кристаллооптическими методами исследования, вторая исходит из основных законов кристаллохимии.

    Кристаллизация

    Из Википедии — свободной энциклопедии

    Кристаллиза́ция (от греч. κρύσταλλος , первоначально — лёд, в дальнейшем — горный хрусталь, кристалл) — процесс образования кристаллов из газов, растворов, расплавов или стёкол. Кристаллизацией называют также образование кристаллов с данной структурой из кристаллов иной структуры (полиморфные превращения) или процесс перехода из жидкого состояния в твёрдое кристаллическое. Благодаря кристаллизации происходит образование минералов и льда, зубной эмали и костей живых организмов. Одновременный рост большого количества мелких кристаллов (массовая кристаллизация) используется в металлургии и в других отраслях промышленности [1] . В химической промышленности кристаллизация используется для получения веществ в чистом виде.

    1. Процесс кристаллизации начинается только после охлаждения жидкости до определённой температуры.
    2. Во время кристаллизации температура не меняется.
    3. Температура кристаллизации равна температуре плавления.

    При образовании кристаллов происходит фазовый переход, то есть переход вещества из одной термодинамической фазы в другую. Образование кристаллов из газов, растворов, расплавов или стёкол представляет собой фазовый переход первого рода, а кристаллизация при полиморфных превращениях может быть фазовым переходом второго рода [1] .

    Кристаллизация начинается при достижении некоторого предельного условия, например, переохлаждения жидкости или пересыщения пара, когда практически мгновенно возникает множество мелких кристалликов — центров кристаллизации. Кристаллики растут, присоединяя атомы или молекулы из жидкости или пара. Рост граней кристалла происходит послойно, края незавершённых атомных слоев (ступени) при росте движутся вдоль грани. Зависимость скорости роста от условий кристаллизации приводит к разнообразию форм роста и структуры кристаллов (многогранные, пластинчатые, игольчатые, скелетные, дендритные и другие формы, карандашные структуры и т. д.). В процессе кристаллизации неизбежно возникают различные дефекты.

    На число центров кристаллизации и скорость роста значительно влияет степень переохлаждения.

    Степень переохлаждения — уровень охлаждения жидкого металла ниже температуры перехода его в кристаллическую (твёрдую) модификацию. Переохлаждение необходимо для компенсации энергии скрытой теплоты кристаллизации. Первичной кристаллизацией называется образование кристаллов в металлах (сплавах и жидкостях) при переходе из жидкого состояния в твёрдое.

    Кристаллы

    Твердые тела разделяют на аморфные тела и кристаллы. Отличие вторых от первых состоит в том, что атомы кристаллов располагаются согласно некоторому закону, образуя тем самым трехмерную периодическую укладку, что называется – кристаллическая решетка.

    Этимология

    Примечательно, что название кристаллов происходит от греческих слов «застывать» и «холод», и во времена Гомера этим словом называли горный хрусталь, который тогда считался «застывшим льдом». Сперва данным термином называли лишь ограненные прозрачные образования. Но позже, кристаллами стали звать также непрозрачные и не ограненные тела природного происхождения.

    Кристаллическая структура и решетка

    Идеальный кристалл представляется в виде периодически повторяющихся одинаковых структур – так называемых элементарных ячеек кристалла. В общем случае, форма такой ячейки – косоугольный параллелепипед.

    Следует различать такие понятия как кристаллическая решетка и кристаллическая структура. Первая – это математическая абстракция, изображающая регулярное расположение неких точек в пространстве. В то время как кристаллическая структура – это реальный физический объект, кристалл, в котором с каждой точкой кристаллической решетки связана определенная группа атомов или молекул.

    Кристаллическая структура граната — ромб и додекаэдр

    Основным фактором, определяющим электромагнитные и механические свойства кристалла, является строение элементарной ячейки и атомов (молекул), связанных с ней.

    Анизотропия кристаллов

    Главное свойство кристаллов, отличающее их от аморфных тел – это анизотропия. Это означает, что свойства кристалла различны, в зависимости от направления. Так, например, неупругая (необратимая) деформация осуществляется лишь по определенным плоскостям кристалла, и в определенном направлении. В связи с анизотропией кристаллы по-разному реагируют на деформацию в зависимости от ее направления.

    Однако, существуют кристаллы, которые не обладают анизотропией.

    Виды кристаллов

    Сравнение структур монокристаллов и поликристаллов

    Кристаллы разделяют на монокристаллы и поликристаллы. Монокристаллами называют вещества, кристаллическая структура которых распространяется на все тело. Такие тела являются однородными и имеют непрерывную кристаллическую решетку. Обычно, такой кристалл обладает ярко выраженной огранкой. Примерами природного монокристалла являются монокристаллы каменной соли, алмаза и топаза, а также кварца.

    Сульфат алюминия-калия монокристалл

    Немало веществ имеют кристаллическую структуру, хотя обычно не имеют характерной для кристаллов формы. К таким веществам относятся, например, металлы. Исследования показывают, что такие вещества состоят из большого количества очень маленьких монокристаллов — кристаллических зерен или кристаллитов. Вещество, состоящее из множества таких разноориентированных монокристаллов, называется поликристаллическим. Поликристаллы зачастую не имеют огранки, а их свойства зависят от среднего размера кристаллических зерен, их взаимного расположения, а также строения межзеренных границу. К поликристаллам относятся такие вещества как металлы и сплавы, керамики и минералы, а также другие.

    Возможные способы роста и образования

    1. Кристаллизация путем возгонки. Подобный метод кристаллизации подразумевает переход вещества из газообразного состояния к твердому, минуя жидкую фазу. Подобный процесс в природе имеет место в вулканических трещинах или кратерах, когда вещество быстро остывает. Однако простейший пример – образование зимой снежинок из воды.

    Кристалл воды — снежинка

    Монокристалл рубина (корунд)

    Другие факты

    • Имеет место такое явление как прорастание кристаллов. Это означает процесс, когда индивиды взаимно пересекаются и прорастают друг друга.
    • Существуют так называемые ионные кристаллы, которые состоят в основном из ионов, связь которых образуется за счет электростатического притяжения. К таким телам относят фторид калия и натрия, хлорид и бромид калия и др.
    • Существует 47 простых форм, из которых может состоять кристалл. Среди них: призма, пирамида, тетраедр, трапецоедр, ромбоедр и т.п.

    ‘ alt=»yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7 — Кристаллы» title=»Кристаллы»>

    Похожие статьи

    Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!

    Запись опубликована: 07.07.2017
    Автор: Владимир Соловьев

    Как самостоятельно вырастить кристаллы?

    Производители современных игрушек, предназначенных для организации познавательного детского досуга, сегодня часто предлагают готовые наборы для выращивания кристаллов в домашних условиях. Но было бы ошибочно думать, что это занятие является разработкой нашего времени и достижением современной химической промышленности.

    Выращивание кристаллов

    Научившись выращивать кристаллы, с их помощью можно создавать красивые декоративные элементы, которые могут стать оригинальным елочным украшением или частью праздничного декора интерьера.

    Общие правила выращивания кристаллов

    • Перед тем как приступить к практической части, хочется предупредить: выращивание кристаллов не терпит суеты: красота их формы напрямую зависит от условий, в которых находится раствор. Сосуд, где происходит рост кристаллов, необходимо убрать в такое место, где его никто не потревожит и не сможет случайно задеть, толкнуть, опрокинуть. Любое неосторожное движение может привести к тому, что кристалл получится не таким крупным, ровным и красивым, как хотелось бы.
    • Чтобы получить крупные кристаллы, количество воды нужно увеличить: чем больше по размеру должен быть кристалл, тем больше воды необходимо брать для растворения исходного ингредиента. Большинство компонентов чувствительны к качеству воды и могут вступать в реакцию с примесями, входящими в ее состав, поэтому желательно брать фильтрованную или дистиллированную воду.
    • Чем меньше нагревают раствор — тем лучше для кристаллов, т.к. в нагретой и отстоявшейся воде получаются более крупные и более ровные образования. Как только на дне сосуда появляются кристаллы, следует отобрать и вынуть самые мелкие, оставив одни крупные. Оставшиеся кристаллы каждое утро очень осторожно тонкой палочкой переворачивают на другую сторону — так нарастание слоев получается равномерным.

    Что нужно знать?

    Выращивание кристаллов — процесс очень интересный, но бывает достаточно длительным. Полезно знать, какие процессы управляют его ростом; почему разные вещества образуют кристаллы различной формы, а некоторые их вовсе не образуют; что надо сделать, чтобы они получились большими и красивыми.

    Если кристаллизация идёт очень медленно, получается один большой кристалл (или монокристалл, например при выращивании искусственных камней), если быстро — то множество мелких (или поликристалл, например металлы).

    Выращивание кристаллов в домашних условиях производят разными способами. Например, охлаждая насыщенный раствор. С понижением температуры растворимость веществ уменьшается (в основном, это касается безводной соли), и они, как говорят, выпадают в осадок. Сначала в растворе и на стенках сосуда появляются крошечные кристаллы-зародыши.

    Когда охлаждение медленное, а в растворе нет твёрдых примесей (скажем, пыли), зародышей образуется немного, и постепенно они превращаются в красивые кристаллики правильной формы. При быстром охлаждении возникает много мелких кристалликов, почти никакой из них не имеет правильную форму, ведь их растёт множество и они мешают друг другу.

    Выращивание кристаллов можно осуществить и другим способом — постепенным удалением воды из насыщенного раствора. И в этом случае чем медленнее удаляется вода, тем лучше получается результат. Оставьте открытым сосуд с раствором при комнатной температуре на длительный срок, накрыв его листом бумаги, — вода при этом будет испаряться медленно, и пыль в раствор попадать не будет.

    Растущий кристаллик можно либо подвесить в насыщенном растворе на тонкой прочной нитке, либо положить на дно сосуда. В последнем случае кристаллик периодически надо поворачивать на другой бок. По мере испарения воды в сосуд следует подливать свежий раствор.

    Выращивание кристаллов — процесс занимательный, но требующий бережного и осторожного отношения к своей работе. Теоретически размер кристалла, который можно вырастить в домашних условиях таким способом, неограничен. Известны случаи, когда энтузиасты получали кристаллы такой величины, что поднять их могли только с помощью товарищей.

    Но, есть некоторые особенности их хранения (конечно каждая соль и вещество имеют свои особенности).
    Например, если кристаллик квасцов оставить открытым в сухом воздухе, он, постепенно теряя содержащуюся в нём воду, превратится в невзрачный серый порошок.

    Как вырастить кристалл?

    Вырастить кристалл можно из разных веществ: например из сахара, даже каменные — искусственное выращивание камней, с соблюдением строгих правил по температуре, давлению, влажности и других факторов (искусственные рубины, аметисты, кварц, цитрины, морионы).

    В домашних условиях, конечно, всего этого у нас не получится, поэтому поступим другим образом. Будем выращивать кристаллы соли. У всех у нас есть дома обычная пищевая соль (как наверное, знаете, что её химическое название хлорид натрия NaCl). Подойдёт и любая другая соль (соль — с химической точки зрения), например, можно получить красивые синие кристаллы из медного купороса или или любого другого купороса (например железного).

    Можно использовать квасцы (двойные соли металлов серной кислоты), тиосульфата натрия (раньше использовался для изготовления фотографий).
    Для всех этих солей (да и вообще для соли) не требуется особых каких-то условий: сделали раствор, опустили туда «зародыш» (всё это подробно описано ниже) и растёт он себе, каждый день прибавляя в росте.

    Да, не следует раскрашивать раствор, где растёт Ваш кристалл, например красками или чем нибудь подобным, — это лишь испортить сам раствор, а кристалл всё же не покрасит!

    Лучший способ получить цветные кристаллы — это подобрать нужную по цвету соль! Но будьте внимательными: например кристаллы жёлтой кровной соли имеют красно-оранжевый цвет — а раствор получается жёлтым. Вот теперь можем приступить!

    Выращивание кристаллов поваренной соли

    Кристаллы поваренной соли — процесс выращивания не требует наличия каких-то особых химических препаратов. У нас всех есть пищевая соль (или поваренная соль), которую мы принимаем в пищу. Её также можно назвать и каменной — всё одно и то же. Кристаллы поваренной соли NaCl представляют собой бесцветные прозрачные кубики.

    Начнём. Разведите раствор поваренной соли следующим образом: налейте воды в ёмкость (например стакан) и поставьте его в кастрюлю с тёплой водой (не более 50°С — 60°С). Конечно, в идеальном варианте, если вода не будет содержать растворённых солей (т.е. дистиллированная), но в нашем случаем можно воспользоваться и водопроводной.

    Насыпьте пищевую соль в стакан и оставьте минут на 5, предварительно помешав. За это время стакан с водой нагреется, а соль растворится. Желательно, чтобы температура воды пока не снижалась. Затем добавьте ещё соль и снова перемешайте. Повторяйте этот этап до тех пор, пока соль уже не будет растворяться и будет оседать на дно стакана.

    Мы получили насыщенный раствор соли. Перелейте его в чистую ёмкость такого же объёма, избавившись при этом от излишек соли на дне.Выберите любой понравившийся более крупный кристаллик поваренной

    соли и положите его на дно стакана с насыщенным раствором. Можно кристаллик привязать за нитку и подвесить, чтобы он не касался стенок стакана.
    Теперь нужно подождать.

    Уже через пару дней можно заметить значительный для кристаллика рост. С каждым днём он будет увеличиваться. А если проделать всё то же ещё раз (приготовить насыщенный раствор соли и опустить в него этот кристаллик), то он будет расти гораздо быстрее (извлеките кристаллик и используйте уже приготовленный раствор, добавляя в него воды и необходимую порцию пищевой соли).

    Для сведений: в 100г воды при температуре 20°С может раствориться приблизительно 35 г поваренной соли. С повышением температуры растворимость соли растёт. Так выращивают кристаллы поваренной соли (или кристаллы соли, форма и цвет которых Вам больше нравится)

    Читать еще:  Какие фрукты и овощи можно выращивать на подоконнике?

    Выращивание кристаллов медного купороса

    Кристаллы медного купороса — выращиваются подобным образом, также, как с поваренной солью: сначала готовится насыщенный раствор соли, затем в этот раствор опускается понравившийся маленький кристаллик соли медного купороса.

    Медный купорос- — химически активная соль! Поэтому для удачности опыта в этом случае воду нужно взять дистиллированную, т.е. не содержащую других растворённых в ней солей. Из под крана воду тоже лучше не брать, так как она во-первых содержит растворённые соли, во-вторых может быть сильно хлорированной. Примеси (особенно карбонаты в жёсткой вроде) вступают в химические реакции с медным купоросом, из-за чего раствор сильно портится

    Если всё в порядке, — продолжим. Если Вы решили не переливать раствор из ёмкости, в которой первоначально рос маленький кристаллик, тогда подвесьте кристаллик, что бы он не касался других кристалликов, оставшихся на дне!

    Выращивание кристаллов производят не только из растворов, но и из расплавов соли. Ярким примером могут служить жёлтые непрозрачные кристаллы серы, имеющие форму ромба или вытянутых призм. Но с серой, особо, работать не советую. Газ, образующийся при её испарении,
    вреден для здоровья.

    Можно избежать роста отдельных граней кристаллика. Для этого эти грани надо нанести раствор вазелина или жира.

    Выращивание кристаллов меди

    Теперь вырастим красные кристаллы меди. Нам необходимы медный купорос, поваренная соль, стальная пластинка по форме сечения ёмкости (немного меньшего периметра. Можно использовать стальную стружки или кнопки), где будут расти кристаллы меди и кружок из промокательной бумаги в форме сечения.

    Итак, положите немного медного купороса на дно пузырька (желательно равномерно по площади). Сверху насыпьте поваренной соли и закройте всё это вырезанным кружком бумаги. На неё положите железную пластинку (или засыпьте стальной стружкой).

    Всё это вместе надо залить насыщенным раствором поваренной соли (такой раствор мы готовили из поваренной соли). Оставьте ёмкость приблизительно на неделю. За это время вырастут иглоугольные красные кристаллы меди.

    Когда идёт процесс роста старайтесь не переносить ёмкость, а также очень нежелательно изымать кристаллики из раствора.

    Можно вырастить кристалл разноцветным и многослойным. Их получают путём приготовления растворов квасцов (двойные соли серной кислоты) и переносят поочерёдно выращиваемый кристаллик из одного раствора в другой.

    Если смешать горячие концентрированные растворы сульфатов алюминия Al2(SO4)3 и калия K2(SO4), а полученный раствор охладить, то из него начнут кристаллизоваться квасцы — двойной сульфат калия и алюминия 2KAl(SO4)2•12Н2О. Квасцы растворяются в воде так: 5,9 г на 100 г воды при 20 °С, но уже 109 г — при 90 °С в пересчёте на безводную соль.

    При хранении на воздухе квасцы выветриваются. При температуре 92,5 °С они плавятся в своей кристаллизационной воде, а при нагревании до 120 °С обезвоживаются, переходя в жжёные квасцы, которые разлагаются лишь при температуре выше 700 °С.

    Кое-что о жидких кристаллах

    Жидкие кристаллы — это вещества, которые ведут себя одновременно как жидкости и как твёрдые тела. Молекулы в жидких кристаллах, с одной стороны, довольно подвижны, с другой — расположены регулярно, образуя подобие кристаллической структуры (одномерной или двумерной).

    Часто уже при небольшом нагревании правильное расположение молекул нарушается, и жидкий кристалл становится обычной жидкостью. Напротив, при достаточно низких температурах они замерзают, превращаясь в твёрдые тела.

    Регулярное расположение молекул в жидких кристаллах обусловливает их особые оптические свойства. Их свойствами можно управлять, подвергая действию магнитного или электрического поля. Это используется в жидкокристаллических индикаторах часов, калькуляторов, компьютеров и последних моделей телевизоров.

    Итак, процесс выращивание кристаллов в домашних условиях разделим на основные этапы:

    1. Растворить соль, из которой будет расти кристалл, в подогретой воде (подогтерть нужно для того, чтобы соль растворилось немного больше, чем может раствориться при комнатной температуре). Растворять соль до тех пор, пока будете уверены, что соль уже больше не растворяется (раствор насыщен!). Рекомендую использовать дистиллированную воду (т.е. не содержащую примесей других солей)
    2. Насыщенный раствор перелить в другую ёмкость, где можно производить выращивание кристаллов (с учётом того, что он будет увеличиваться). На этом этапе следите, чтобы раствор не особо остывал.
    3. Привяжите на нитку кристаллик соли, нитку привяжите например к спичке и положите спичку на края стакана (ёмкости), где налит насыщенный раствор (этап 3). Кристаллик опустите в насыщенные раствор.
    4. Перенесите ёмкость с насыщенным раствором и кристалликом в место, где нет сквозняков, вибрации и сильного света (выращивание кристаллов требует соблюдение этих условий).
    5. Накройте чем-нибудь сверху ёмкость с кристалликом (например бумагой) от попадания пыли и мусора. Оставьте раствор на пару дней.

    Важно:

    • кристаллик нельзя при росте без особой причины вынимать из раствора
    • не допускать попадание мусора в насыщенные раствор, наиболее предпочтительно использовать дистиллированную воду
    • следить за уровнем насыщенного раствора, периодически (раз в неделю или две) обновлять при испарении раствор

    Из каких агрегатных состояний выращивают кристаллы

    Кристаллы играли и играют до сих пор немаловажную роль в жизни человека. Кристаллы широко применяются в науке, промышленности, оптике, электронике. Кристаллы получают в лаборатории, но бывают они и в природе. Например, снежинки, морозные узоры на стеклах окон и иней, украшающий зимой голые ветки деревьев. Кроме этого, выращивание кристаллов – увлекательное занятие и, пожалуй, самое простое, доступное и недорогое для большинства юных химиков, максимально безопасное. Меня очень заинтересовала эта тема, и я решил попробовать вырастить кристаллы солей.

    Тема нашей работы: Выращивание кристаллов

    Цель работы: провести исследование по выращиванию кристаллов из различных химических веществ.

    1) узнать, что такое кристалл;

    2) провести анкетирование среди учащихся 3 классов «Что я знаю о кристаллах»;

    3) выяснить, какие условия нужно создать для роста кристаллов;

    4) выполнить опытно-экспериментальную работу по выращиванию кристаллов;

    5) поделиться полученной информацией на классном часе.

    1) Накопление теоретического материала.

    2) Проведение опытно-экспериментальной деятельности с целью получения кристаллов

    3) Анализ полученных результатов исследования.

    Объектом исследования являются кристаллы.

    Предметом исследования – процесс кристаллизации.

    Гипотеза исследования: Мы исходим из предположения, что все соли, могут образовывать кристаллы из их водных растворов.

    Практическое значение исследования состоит в том, что оно может быть использовано на уроках окружающего мира, во внеклассных мероприятиях, занятиях кружка «Юный химик».

    Основные сведения о кристаллах и их свойствах

    История получения искусственных кристаллов

    Прежде чем провести свои практические исследования, я должен был узнать, что из себя представляют кристаллы, какие у них свойства. Поэтому я обратился к теоретическим источникам в этой области. Для этого я использовал ресурсы Интернета и книги.

    Первую попытку получения искусственных кристаллов можно отнести к Средневековью, к периоду расцвета алхимии. И хотя конечной целью опытов алхимиков было получение золота из простых веществ, можно предположить, что они пытались вырастить кристаллы драгоценных камней.

    Что же такое кристаллы? Кристаллы, в переводе с греческого языка, (krystallos) «лёд». По данным энциклопедии, кристалл – это твердое тело. Кристаллики растут, присоединяя частицы вещества из жидкости или пара. Кристаллы бывают естественного происхождения и искусственного, выращенные в специально-созданных условиях. И каждый человек, при желании может легко вырастить кристаллы у себя дома. Но для того, чтобы результат получился действительно красивым необходимо аккуратно выполнять все действия.

    Кристаллы обладают особыми свойствами. Кристаллические твердые вещества встречаются в виде отдельных одиночных кристаллов – монокристаллов – и в виде поликристаллов, представляющих собой скопление мелких кристалликов. Кристаллы бывают разной формы. Иногда образуются дендриты – это кристаллы, похожие на веточки дерева; очень хрупкие, но очень красивые. Кристаллы бывают различными по размерам. Многие из них можно увидеть только в микроскоп. Но встречаются гигантские кристаллы массой в несколько тонн.

    Способы выращивания кристаллов

    Кристаллизацию можно вести разными способами:

    1 способ: Охлаждение насыщенного горячего раствора или расплава.

    Именно из-за охлаждения миллионы лет назад на Земле появились многие минералы. «Раствором» для этого «опыта» служила магма – расплавленная масса горных пород в недрах Земли. Поднимаясь к поверхности из раскалённой глубины, магма охлаждалась. И в результате этого охлаждения образовались те самые минералы, по которым мы ходим. Процесс этот очень длительный.

    2 способ: Постепенное удаление воды из насыщенного раствора.

    При испарении («высыхании») вода превращается в пар и улетучивается. Но растворённые в воде химические вещества не могут испариться вместе с ней и оседают в виде кристаллов. Самый простой пример – соль, которая образовывается при испарении воды из соляного раствора. И в этом случае, чем медленнее испаряется вода, тем лучше получаются кристаллы. Именно по такому способу я выращивал свой кристалл.

    3 способ: При конденсации паров.

    Кристаллы могут также расти при конденсации паров – так получаются снежинки и узоры на холодном стекле.

    При использовании всех способов наилучшие результаты получаются, если используется затравка – небольшой кристалл правильной формы или камни. Таким способом получают, например, кристаллы рубина. Выращивание кристаллов драгоценных камней проводят очень медленно, иногда годами. Если же ускорить кристаллизацию, то вместо одного кристалла получится масса мелких.

    В Интернете можно найти много инструкций по поводу того, как выращивать кристаллы из различных химических веществ. Мы решили проверить все самостоятельно, и в качестве основы взяли обычную поваренную соль, медный купорос, алюмокалиевые квасцы, соли кремниевой кислоты.

    Проанализировав текстовый материал и определив методы исследования, провели экспериментальную работу по выращиванию кристаллов.

    Я понял, что выращивание кристаллов – это искусство, поэтому немного настойчивости, упорства, аккуратности, и можно стать обладателем красивых кристаллов, но нужно обязательно соблюдать правила техники безопасности. Именно поэтому я обратился к учителю химии.

    Опыт № 1. Выращивание кристаллов из поваренной соли

    Берём соль, разводим раствор в ёмкости и ставим её в кастрюлю с тёплой водой, пока не раствориться. Добавляем ещё соль и снова перемешиваем. Повторяем этот этап до тех пор, пока соль не будет растворяться, и станет оседать на дно стакана. Мы получили насыщенный раствор соли. Переливаем его в чистую ёмкость. Выбираем любой понравившийся более крупный кристаллик поваренной соли, привязываем за нитку и подвешиваем, чтобы он не касался стенок стакана. Уже через пару дней можно заметить значительный для кристаллика рост. С каждым днём он будет увеличиваться (рис. 1).

    Результат: мы получили кристалл поваренной соли.

    1. Поваренная соль состоит из кристаллов.

    2. При соприкосновении кристаллов соли с водой, они растворяются.

    3. Быстрее всего кристаллы соли могут образовываться в насыщенном растворе поваренной соли.

    4. По мере того как вода испаряется, соль снова образует кристаллы.

    5. Можно вырастить кристаллы при необходимых условиях: наличие насыщенного солевого раствора и ниточки с затравкой.

    Опыт № 2. Выращивание кристаллов из медного купороса

    Берем банку с водой, добавляем медный купорос, тщательно перемешиваем до тех пор, пока он будет растворяться. Ёмкость с водой лучше всего постепенно подогревать для более быстрого растворения химиката. В процессе вода начнет менять цвет – от голубого до тёмно синего. После этого в стеклянную банку опускаем «затравку». Это обычная ниточка, привязанная на карандаш. И уже через пару дней мы видим, что на ниточку наросло множество маленьких кристалликов синего цвета. Продолжаем выращивание до тех пор, пока вода не станет светлого цвета, а кристаллы не перестанут расти (рис. 3).

    Результат: мы получили кристалл медного купороса. Выращенные кристаллы небольшой формы можно использовать в качестве украшения, например, рамки для фотографий или других предметов.

    Опыт № 3. Выращивание кристаллов из алюмокалиевых квасцов

    Насыпать 4 чайные ложки порошка алюминиевых квасцов в половину чашки горячей воды. Помешивать для лучшего растворения. Через некоторое время порошок весь растворится, и раствор станет прозрачным.

    Накрыть банку специальной крышкой, чтобы защитить от пыли. Через 1 день появляются красивые кристаллы.

    Результат: мы получили кристаллы из алюмокалиевых квасцов.

    Опыт № 4. Выращивание кристаллов из солей кремниевой кислоты

    Налили в химический стакан силикатный клей (водный раствор силиката натрия) и дистиллированную воду в соотношении 1:1. В стакан насыпали кристаллики солей разных цветов: кальция, никеля, меди, кобальта, железа, бария, цинка, хрома и марганца. Через 15–20 минут в стакане появились «заросли», напоминающие деревья или водоросли.

    Результат: в химическом стакане появились «заросли водорослей», образованных кристаллами солей кремниевой кислоты.

    Опыт № 5. Выращивание сталактитов и сталагмитов

    Из плотной бумаги делается каркас будущей «пещеры». Замешивается немного алебастра с небольшим количеством воды до получения вязкой однородной массы. Пока алебастр не застыл, обмазывают им все стороны «пещеры» снаружи и изнутри. Спустя несколько часов алебастр окончательно затвердевает.

    Затем мы приступили к выращиванию в «пещере» «сталактитов» и «сталагмитов». В подходящем сосуде приготовили смесь силикатного клея (жидкого стекла) и воды в соотношении 1:1 по объему. Поместили «пещеру» в сосуд так, чтобы уровень жидкости не доходил до ее верхнего свода. К своду «пещеры» должен быть свободный доступ. С помощью шпателя внесли в «пещеру» сульфат магния и высыпали кристаллики в раствор. Таким же образом в раствор внесли кристаллический хлорид кальция. Через несколько минут наблюдали рост «сталагмитов» (время их роста зависит от объема сосуда).

    Затем осторожно вынули «пещеру» из раствора, повернули ее на 180 градусов и снова опустили в раствор. Опять внесли в «пещеру» соли сульфата магния и хлорид кальция. Снова наблюдали появление в «пещере» причудливых наростов. Вынули «пещеру» из сосуда, осторожно промыли водой и оставили сушиться (рис. 4).

    Результат: на сводах пещеры образовались причудливые наросты кристаллов.

    В результате проведенных исследований гипотеза полностью подтверждается: нам удалось вырастить кристаллы поваренной соли, сахара и медного купороса.

    Заинтересовавшись выращиванием кристаллов из различных химических веществ, я решил узнать у одноклассников: «Знают ли они, что такое кристаллы? Как их получают? И где они применяются?» С этой целью было проведено анкетирование среди учащихся параллели 3-х классов. Учащимся были предложены следующие вопросы:

    1. Что такое кристаллы:

    2. Выберите среди предложенных предметов кристаллы (ответов несколько):

    3. Какими способами выращивают кристаллы (ответов несколько):

    г) конденсация паров

    Результат: анкета показала, что не все учащиеся знают, что такое кристаллы, как их получают и где они применяются. Все ответы сведены в диаграммы (рис. 5–7) поэтому на классном часе я познакомил ребят с результатами своей работы.

    Я узнал, что многие видные ученые начинали свои первые опыты именно с выращивания кристаллов. Помимо чисто внешних эффектов, эти опыты заставляют задумываться над тем, как устроены кристаллы и как они образуются, почему разные вещества дают кристаллы разной формы, а некоторые вовсе не образуют кристаллов, что надо сделать, чтобы кристаллы получились большими и красивыми.

    Гипотеза исследования полностью подтвердилась: кристаллы соли могут появляться при создании определенных условий и если изменять условия кристаллизации и растворять различные вещества, то можно получать кристаллы разной формы, цвета и в разные сроки.

    Я учился работать с источниками информации.

    Узнал что такое кристаллы, какие они могут быть, почему они растут и зачем они нужны.

    Освоил некоторые способы выращивания кристаллов разных веществ.

    Наблюдал рост кристалла в разных условиях.

    Провел изучение растворимости медного купороса в воде при разных температурах.

    Узнал, что у веществ разного химического состава кристаллы имеют разную форму и отличаются по таким свойствам, как симметрия.

    Таким образом, после проведения исследования могу сделать следующие выводы:

    1) при благоприятных условиях поваренная соль, медный купорос, алюмокалиевые квасцы, соли кремниевой кислоты принимают форму кристаллов;

    2) кристаллы различных веществ имеют разную форму;

    3) на форму кристаллов оказывает влияние температура;

    4) кристаллы различных веществ имеют различные свойства (одни кристаллы окрашиваются, другие – бесцветны; одни кристаллы растут хорошо, другие – плохо).

    5) быстрее и легче кристалл растёт тогда, когда в насыщенный раствор помещается кристалл – «затравка».

    Выращивание кристаллов: подробное описание для новичков

    Итак. Всем привет. После вчерашнего поста, много кто в комментах просил рассказать как это все делается, так что вот, приятного чтения) Как пример, я буду использовать алюмо-калиевые квасцы(сульфат алюминия-калия). Кристаллы из него получаются прозрачные и красивой формы(октаэдр). Этим же способом можно вырастить кристаллы из абсолютно разных солей, но я решил взять что-то не совсем заезженное, как медный или железный купорос.
    Естественно нужно придерживаться техники безопасности: растворы не пить, не нюхать, голыми руками не болтать и кристаллы не брать(пока они без лака, или чем вы там собираетесь их покрывать). Такие соли как сульфат магния или натрия при попадании в организм(сульфат магния даже в медицине используется) фатально навредить не сможет(небольшое отравление). Но при попадании солей тяжелых металлов, производных хрома(хроматы, дихроматы, хромиты) или к примеру красной кровяной соли, то даже малые дозы могут привести к летальному исходу.

    Начнем с теории. Все вещества, насколько хорошо они бы не были растворимы у воде, имеют ограниченную растворимость. Обычно, при повышении температуры растворимость увеличивается, а при понижении соответственно уменьшается(есть специальные графики растворимости). Поэтому зачастую концентрированные растворы лучше готовить в горячей воде(только тех солей, растворимость которых существенно зависит от температуры, например для хлорида натрия это бесполезно, поскольку с ростом температуры его растворимость остаётся прежней, или солей которые разлагаются в горячей воде, например ацетат никеля), и с остыванием вся лишняя соль(растворимость уменьшается, а объем раствора нет, поэтому веществу некуда деваться, и образуются мелкие кристаллики, центры кристаллизации, которые обрастают и образуют более крупные агломераты) выпадает в осадок. Также потом при стоянии вода из раствора испаряется, и веществу тоже некуда деваться, поэтому она тоже кристаллизуется. Из этого осадка выбираем самый красивый и целостный кристалл, и на нитке помещаем его в этот же(концентрированный, отфильтрованный от осадка) раствор, то есть создаём искусственно этот центр кристаллизации, и теперь только наблюдаем и иногда меняем/доливаем/фильтрует этот раствор ради чистоты конечного продукта.

    А теперь приступим к практике
    Если нету весов и не хотите парится с расчетами, не беда. Можно тупо сыпать соль в горячий раствор пока она не перестанет растворятся. Что я собственно и сделал. Обязательное условие для этой соли — раствор должен быть горячий, иначе, в противном случае, вы будете ждать затравку неделю и больше.

    Как видно из фотографий, в не очень хорошем качестве(а вот тут сорян), раствор мутноватый, поэтому фильтруем его от мути и лишней соли через лабораторный либо кофейный фильтр, ну а на крайняк можно вообще через салфетки, ну от подобного сверх высокой чистоты, очевидно, ожидать не стоит.

    Читать еще:  Какие сорта огурцов можно выращивать в один стебель?

    И теперь оставляем его в таком бумажном теплоизоляте(чем дольше раствор будет остывать, тем больше будет затравка(кристалл помещаемый в раствор для его роста)) на несколько дней. Эффективнее будет сделать подобный термоизолят из фольги, но это так, на заметку.

    Итак, спустя 1,5 сутки, вот что вышло.

    Выбираем из этого всего самого достойного кандидата. Они синеватого цвета через грязи которая не отфильтровалась, и теперь села в осадок, но сами кристаллы сами по себе, после 3 секундной промывки водой, довольно прозрачны.

    Привязываем на нитку, или ещё лучше, если у вас получится, на леску. Над этим надо немного попотеть, они довольно скользкие, поэтому нормально их зафиксировать получится ,скорее всего, не с первого раза.

    И теперь на картонной самодельной конструкции оставляем его на некоторое время. Лично у меня он очень медленно рос, видимо в комнате была повышенная влажность.

    А на следующем фото он 3 недели спустя

    Где-то через неделю, он уже начнет обретать форму. А вот фото в каком состоянии он сейчас, при условии, что я его ничем не покрывал, так как эта соль довольно неплохо сохраняет себя и в чистом виде, но все же чем то его покрыть я бы все таки рекомендовал.

    В конце данного длиннопоста хочу добавить чтобы при выращивании вы старались избегать резких перепадов температуры, в противном случае, кристалл будет растворятся и приобретать некрасивую форму. А на этом все, всем хорошего дня.

    Урок 15 Бесплатно Кристаллическое состояние веществ

    Понятие о кристаллической структуре

    Вы уже знакомы с разным агрегатным состоянием веществ: газообразным, жидким, твердым, а также переходами их из одного состояния в другое.

    В твердом состоянии большинство веществ имеют кристаллическую структуру.

    Для них характерна плотная упаковка их частиц в кристалле, эти частицы упорядочены.

    Структура кристаллов разнообразна, но все они геометрически правильной формы.

    Например, кристаллы поваренной соли имеют форму куба, горного хрусталя – форму тетраэдра, калийной селитры – призмы.

    При определённых условиях из таких веществ можно получить монокристалл. Это кристалл гораздо большего размера, чем мы привыкли видеть, и самое главное, он представляет собой не множество кристаллов, спрессованных в один объём (такой кристалл называют «поликристаллом»), а тело с непрерывной кристаллической решёткой.

    Кристаллами называют твердые тела с закономерным расположением в них частиц: атомов, молекул, ионов.

    Внутреннее строение кристаллов характеризует их кристаллическая решетка – взаимное расположение атомов.

    Кристаллическая решетка – это модель кристалла, его внутренний каркас.

    Пересекающиеся прямые линии обозначают грани кристалла, а точки их пересечения – центры частиц, которые называются узлами кристаллической решетки.

    В узлах расположены атомы, молекулы или ионы, стянутые в кристалл химическими связями.

    Силы притяжения частиц в кристалле характеризуют энергию кристаллической решетки (обычно её измеряют в кДж/моль).

    Любая кристаллическая решетка построена из повторяющихся одинаковых структурных единиц, индивидуальных для каждого кристалла.

    Таковые называются элементарными ячейками.

    Например, в кристалле хлорида натрия каждый ион окружен шестью ионами противоположного знака.

    Элементарная ячейка – это предел делимости кристалла, наименьший его объем, при котором он сохраняет форму и свойства.

    Пройти тест и получить оценку можно после входа или регистрации

    Типы кристаллических решеток

    Кристаллические решётки бывают:

    • молекулярные
    • атомные (атомно- ковалентные)
    • ионные
    • металлические (атомно- металлические)

    Остановимся на характеристике основных типов кристаллических решеток и установим зависимость от них свойств веществ.

    Молекулярные кристаллические решетки– это решетки, в узлах которых расположены молекулы, связанные между собой слабыми силами межмолекулярного взаимодействия.

    Примером вещества с молекулярной кристаллической решеткой может служить кристаллический оксид углерода (IV) CO2 – «сухой лед».

    С помощь сухого льда кулинары делают забавные представления, ведь он совершенно безопасен для здоровья!

    Рассмотрим модель его кристаллической решетки.

    В ее узлах находятся молекулы.

    Многие вещества в твердом состоянии имеют молекулярную кристаллическую решетку, особенно органические (например, белки, углеводы, полимеры).

    Атомы в их молекулах связаны прочными ковалентными связями.

    Молекулы же в кристаллах стянуты слабыми межмолекулярными силами, которые легко разорвать.

    Поэтому кристаллы с молекулярной решеткой обладают малой твердостью, легкоплавкие, летучие.

    Молекулярные вещества легко переходят из одного агрегатного состояния в другое.

    Примером может служить сублимация йода.

    Сублимация – возгонка, переход из твердого состояния не в жидкое, а сразу в газообразное.

    Йод – это твёрдый (при нормальных условиях) неметалл темно-фиолетового цвета.

    При нагревании йод не плавится, а возгоняется: сразу переходит в газообразное состояние.

    У меня есть дополнительная информация к этой части урока!

    Тот же эффект можно наблюдать и с сухим льдом. Если положить на стол кусочек сухого льда, то он не плавится, а сразу же испаряется (то есть переходит в газообразное состояние).

    Интересно то, что он при этом начинает бегать по поверхности. Происходит это потому, что между кристаллом и столом образуется слой углекислого газа, который и толкает этот кристалл в разные стороны.

    Если ненадолго взять его в руку, мы почувствуем небольшой холод, но жидкости не будет. Именно поэтому это вещество и назвали «сухой лёд».

    Однако получить эти вещества в жидком виде всё же возможно. Эти жидкости существуют при повышенном давлении. Хотя термин «повышенное давление» в данном случае понятие весьма растяжимое и вовсе не означает большущие гидравлические прессы размером со шкаф. Например, жидкий йод можно легко получить в пробирке, нагревая его кристаллы, но при этом охлаждая горлышко пробирки. В таком случае пары йода не будут выходить из пробирки, а будут опять оседать на ней в виде кристаллов, и в итоге в пробирке образуется повышенное давление паров йода.

    Атомные кристаллические решетки – решетки, в которых расположены атомы, стянутые в кристалле прочными ковалентными связями.

    Атомных кристаллов сравнительно немного.

    Примерами таких твердых веществ служат как простые вещества: алмаз, кремний; так и сложные вещества: карбид кальция, сульфид цинка, диоксид кремния и др.

    Так, например, кристалл алмаза имеет форму тетраэдра.

    Следовательно, структурную его единицу представляет тетраэдр.

    В центре его ячейки расположен атом углерода, прочно связанный с четырьмя другими атомами углерода с помощью электронных пар.

    Все связи одинаковы, как и углы, образующиеся между атомами.

    Именно благодаря ковалентным связям атомные кристаллы имеют высокую твёрдость и температуру плавления.

    Именно тот факт, что в алмазе каждый атом связан четырьмя ковалентными связями, и объясняет столь высокую его твёрдость.

    Ионные кристаллические решетки – это решетки, в узлах которых расположены ионы с противоположными зарядами.

    Связь между ионами осуществляется за счет электростатических сил притяжения.

    Типичный представитель веществ с такой решеткой – поваренная соль (схематичное изображение решетки поваренной соли есть выше в этом уроке).

    Ионные кристаллические решетки характерны для многих соединений с ионной связью. Это соли щелочных и щелочно-земельных металлов, щёлочи.

    Ионные кристаллы отличаются высокой твердостью и температурой плавления, малой летучестью. По физическим свойствам они сходны с атомными кристаллами.

    Металлические кристаллические решетки присущи простым веществам – металлам. Подробно они будут рассмотрены позже.

    Многие простые и сложные вещества имеют кристаллическую структуру.

    Для них характерны закономерное расположение частиц в трехмерном пространстве и строгая правильная геометрическая форма кристаллов. Свойства таких веществ зависят не только от строения образующих их атомов и характера их химической связи, но и от кристаллической структуры веществ.

    Определить тип кристаллической решетки вещества поможет таблица:

    Тип кристаллической решетки

    Свойства веществ с этим типом кристаллической решетки

    1, 2, 3 гр главных п/г

    не 1, 2, 3 гр главных п/г

    С (алмаз и графит)

    Р (черный фосфор)

    Атомная

    Твердые, тугоплавкие, нерастворимые или слаборастворимые.

    Диэлектрики или полупроводники

    Металлическая

    Твердые, пластичные, нерастворимые.

    Молекулярная

    Непрочные, летучие, жидкие и твердые, растворимые в большинстве.

    Атомная

    Твердые, тугоплавкие, нерастворимые или слаборастворимые.

    Диэлектрики или полупроводники

    Ионная

    Твердые, тугоплавкие, растворимые.

    Проводники или полупроводники

    1. Если вещество состоит из одного металла, то решетка металлическая.
    2. Если в составе вещества нет металла, либо оно органическое, то решетка молекулярная. Исключение составляют С (алмаз и графит) и Р (черный фосфор), имеющие атомную решетку.
    3. Если в составе вещества есть металл 1, 2, 3 групп главных подгрупп, то решетка ионная.
    4. Если в составе вещества есть металл не из 1, 2, 3 групп главных подгрупп, то решетка атомная. Так же атомную решетку имеют простые вещества С (алмаз и графит) и Р (черный фосфор).

    Исходя из сказанного выше составим обобщающую таблицу:

    Металлическая

    Атомная

    Ионная

    Молекулярная

    Состав узла решетки

    Атом металла и электрон

    Атомы, связанные ковалентной полярной и неполярной связью

    Как выращивают кристаллы

    Методы выращивания кристаллов – технологическая реализация процесса кристаллизации с целью получения монокристаллов и пленок различных веществ. В промышленности и исследовательских лабораториях кристаллы выращивают из паров, растворов, расплавов, из твердой фазы и другими способами. Основными методами получения совершенных кристаллов большого диаметра являются методы выращивания из расплава, из растворов и из паровой (газовой) фазы. Выращивание монокристаллов из расплава наиболее распространенные способы выращивания монокристаллов. В настоящее время более половины технически важных кристаллов выращивают из расплава. Этими методами выращивают элементарные полупроводники и металлы, оксиды и другие вещества. В ряде случаев из расплава выращиваются монокристаллы, в состав которых входит пять и более компонентов. Наличие альтернативных методов выращивания кристаллов из расплава позволяет на основании сравнительного анализа их основных технологических характеристик правильно выбрать тот или иной метод получения кристаллов с различными свойствами.

    Веществами, наиболее подходящими для выращивания из расплава, являются те, которые плавятся без разложения. Один из наиболее широко используемых промышленных методов получения монокристаллов это метод Чохральского, разработан в 1918 году.

    Наиболее существенным недостатком метода Чохральского является значительная химическая неоднородность выращиваемых кристаллов, выражающаяся в монотонном изменении состава последовательных слоев кристалла вдоль направления роста.

    Метод вертикальной направленной кристаллизации (ВНК) создан в 1924 И. В. Обреимовым и Л. В. Шубниковым. Выращивание монокристаллов осуществляется в вертикальном неподвижном трубчатом контейнере цилиндрической формы, охлаждаемом снизу струей сжатого воздуха

    В 1925 году американский исследователь П. Бриджмен внес существенные конструктивные изменения в описанный выше метод ВНК. Вместо струи сжатого воздуха используется иная система охлаждения цилиндрического контейнера с расплавом. В вертикальном варианте метода Бриджмена контейнер подвижен: по мере роста кристалла контейнер опускается вниз и постепенно выходит наружу из нагретой печи, охлаждаясь окружающим воздухом (без принудительного обдува).

    Д. Стогбаргер в 1937 внес новые конструктивные изменения в процесс ВНК: в методе Стокбаргера единый спиралеобразный нагреватель разделен на две отдельные секции, питаемые автономно и позволяющие обеспечивать заданный температурный профиль в печи. Между этими секциями помещается специальная кольцеобразная диафрагма, предназначенная для обеспечения резкого перепада температур в зоне кристаллизации.

    Метод горизонтальной направленной кристаллизации (ГНК) разработан в Институте кристаллографии АН. Благодаря своим достоинствам метод ГНК получил широкое распространение при получении тугоплавких монокристаллических материалов, применяемых не только в радиоэлектронике и электронной технике, но и в акустоэлектронике и в ювелирной промышленности. К достоинствам этого метода можно отнести его относительную техническую и технологическую простоту. Этот метод обеспечивает возможность выращивать монокристаллы большого сечения.

    Особенностью метода ГНК является также возможность проведения многократной предростовой перекристаллизации материала, что способствует глубокой очистке кристаллизуемого вещества и позволяет значительно снизить требования к чистоте исходных шихтовых материалов. Наличие открытой поверхности расплава позволяет вводить в него активирующую примесь на любом этапе выращивания кристалла.

    Синтез драгоценных ювелирных и технических камней по способу М. А. Вернейля считается классическим и является первым промышленным методом выращивания кристаллов корунда, шпинели и других синтетических кристаллов. Этим же методом выращивают синтетический рутил и титанат стронция шпинель, гранаты, ниобат лития и другие искусственные камни.

    Кристаллизация из растворов

    Под кристаллизацией из растворов подразумевается рост кристалла из соединения, химический состав которого заметно отличается от химического состава исходной жидкой фазы. Растворителями могут быть вода, многокомпонентные водные и неводные растворы, расплавы каких-либо химических соединений. В зависимости от температуры процесса и химической природы растворителя различают процессы выращивания из низкотемпературных водных растворов (при температурах не выше 80-90оС), перегретых водных растворов (гидротермальный метод, температуры до 800оС), солевых расплавов (методы кристаллизации из раствора в расплаве, температуры кристаллизации до 1500оС). Кристаллизацию из растворов применяют при выращивании веществ, разлагающихся при температурах ниже температуры плавления или имеющих несколько полиморфных модификаций.

    Рост кристаллов осуществляется при температурах ниже температуры плавления, поэтому в выращенных такими методами кристаллах отсутствуют дефекты, характерные для кристаллов, выращенных из расплава. При выращивании кристаллов из растворов движущей силой процесса является пересыщение. Кристаллизацию из растворов можно осуществлять за счет изменения температуры раствора, за счет изменения состава раствора, а также использовать кристаллизацию при химической реакции. При выращивании кристаллов из низкотемпературных водных растворов проводят кристаллизацию путем изменения температуры раствора, пересыщение создается за счет снижения температуры в зоне растущего кристалла. Достигнуть этого можно либо, постепенно понижая температуру во всем объеме кристаллизатора, либо создав в кристаллизаторе две зоны с различными температурами.

    В данной работе использован метод самокристаллизации, то есть образование кристаллов из перенасыщенного раствора, за счёт изменения температуры самого раствора вследствие изменения температуры окружающей среды. Рост кристаллов длился 10 дней.

    Кристаллы в природе

    Многие минералы и горные породы образовались при охлаждении земной коры. Магма, вещество земной коры, представляет собой сложный расплав различных веществ, насыщенный различными горячими газами и парами. При охлаждении магмы сначала в ней образовались того вещества, температура кристаллизации которого самая высокая. По мере дальнейшего охлаждения в ней происходила кристаллизация других минералов, обладающих меньшой температурой кристаллизации, и так до тех пор, пока вся магма не затвердела. Так в частности, могли образовываться такие распространенные породы, как граниты. Мелкозернистые минералы образовывались при более быстром охлаждении. А при очень быстром охлаждении, образовывались еще более мелкие кристаллы.

    При затвердевании объем земной коры уменьшался, и в ней появлялись трещины и пустоты. В таких пустотах рост кристаллов происходит беспрепятственно. Многие минералы возникли из пересыщенных водных растворов. Например, каменная соль. На стенках кратеров «курящихся» вулканов постоянно образуются кристаллы серы, хлористого аммония, каменной соли и других веществ, достигающих поверхности Земли в виде паров. Многие кристаллы являются продуктами жизнедеятельности организмов. Например, жемчуг, углекислый кальций, мрамор, известняк.

    Из каких агрегатных состояний выращивают кристаллы

    15. Выращивание кристаллов

    Промышленность и наука часто нуждаются в более или менее крупных одиночных кристаллах. Колоссальное значение для техники имеют кристаллы сегнетовой соли и кварца, обладающие замечательным свойством преобразовывать механические действия (например, давление) в электрическое напряжение (стр. 48).

    Оптическая промышленность нуждается в крупных кристаллах кальцита, каменной соли, флюорита и др.

    Для часовой промышленности очень важны кристаллы рубинов, сапфиров и некоторых других драгоценных камней. Дело в том, что отдельные подвижные части обыкновенных карманных часов делают в час до 20 000 колебаний. Такая большая скорость предъявляет исключительно серьёзные требования к кончикам осей и к подшипникам. Истирание будет наименьшим, когда подшипником для кончика оси диаметром 0,07–0,15 мм служит рубин или сапфир. Искусственные кристаллы этих веществ обладают очень большой прочностью и очень малым трением по отношению к стали. Замечательно, что искусственные камни оказываются при этом лучше таких же, находимых в природе.

    Для изучения свойств металлов важно располагать одиночными крупными кристаллами железа, меди и др.

    Итак, надо научиться выращивать кристаллы всех этих веществ до нужного размера. Для этой цели существует ряд способов. Можно растить кристаллы и из расплава и из раствора. Основная трудность состоит в том, что, не принимая специальных мер, мы вместо крупного кристалла получим из расплава мелкокристаллическое твёрдое тело, а из раствора – мелкокристаллический осадок на дне сосуда.

    Мы уже говорили, что кристаллы начинают расти из раствора тогда, когда он пересыщен растворяемым веществом. А для разных температур количество вещества, насыщающего раствор, различно. Поэтому выращивание из раствора крупных, хорошо огранённых кристаллов возможно лишь в том случае, если температура раствора поддерживается постоянной при помощи термостата. Без этого прибора температура на протяжении суток колебалась бы, во всяком случае, на 3–4°; при таких условиях кристалл не может расти достаточно «аккуратно».

    Термостат – это большая ванна, окутанная войлоком, хорошо закрытая и залитая водой. Внутрь термостата ставится сосуд с раствором. Температура поддерживается на нужном уровне при помощи электрической печи. Автоматический регулятор выключает печь, когда температура слишком повышается, и включает её вновь, когда температура падает. Регулировать температуру при помощи этих приборов можно с точностью до 0,01°.

    По мере роста кристалла температуру раствора постепенно снижают. Это надо делать для того, чтобы раствор всё время оставался немного пересыщенным, несмотря на непрерывное выделение из него вещества. Опыты показывают, что большие кристаллы удаётся вырастить только при очень медленном охлаждении раствора, примерно на 0,1° в один-два дня. Рост крупных кристаллов продолжается много недель.

    Ценнейший вклад в разработку способов выращивания кристаллов сделан русским кристаллографом Г.В. Вульфом.

    Очень трудно выращивать крупные кристаллы и из расплавов. Здесь помогает одно своеобразное явление: при определённых условиях из возникших на стенке сосуда зародышей «выживает» только один, развиваясь за счёт своих менее «удачливых» соседей.

    Одиночные кристаллы легкоплавких металлов получают обычно следующим способом (см. рис. 39). Металл расплавляют в стеклянной пробирке А с оттянутым концом. Пробирка подвешена на нити внутри вертикальной цилиндрической печи Б. При помощи нити пробирку медленно опускают вниз. Оттянутый конец постепенно выходит из печи, и металл начинает застывать. При этом из всех кристалликов выживает один; по мере опускания пробирки он продолжает расти вдоль её оси. В конце концов весь металл застывает в виде одиночного кристалла.

    Рис. 39. Получение одиночных кристаллов из расплава.

    А вот каким образом выращивают тугоплавкие кристаллы рубина лауреаты Сталинской премии чл.-корр. АН А.В. Шубников и С.К. Попов. Мелкий порошок вещества сыплется струёй через пламя. Порошинки плавятся: крошечные капли падают на тугоплавкую подставку. Здесь начинается кристаллизация, и опять-таки из множества кристалликов вырастает лишь один. Наши учёные нашли способ получения длинных кристаллических стержней драгоценного камня, столь необходимого для производства часов и других точных механизмов.

    голоса
    Рейтинг статьи
    Ссылка на основную публикацию
    ВсеИнструменты
    Adblock
    detector