Вирощування кристалів та дослідження
їх властивостей (анізотропність)
Мета:
Навчальна: поглибити знання про утворення кристалів та їх ріст, дослідити властивість анізотропії монокристалів та полікристалів.
Розвиваюча: розвивати фізичний стиль мислення, навики самостійної роботи, вміння висловлювати свою точку зору, аналізувати та узагальнювати отриманні знання;
Виховна: виховувати всебічно розвинуту особистість, формувати науковий світогляд.
Тип уроку: узагальнення та систематизація
Метод: проектів
Обладнання: мультимедійне забезпечення, персональні комп’ютери
План уроку
Підготовчий етап (практична частина)
Актуалізація опорних знань
Захист навчальних проектів
Підбиття підсумків та виставлення оцінок
Підготовчий етап (практична частина)
Підготовчий етап до виконання навчального проекту розпочинається за 2-3 тижні до захисту роботи.
Здобувачів освіти заздалегідь об’єднують в підгрупи по 3-5 чоловік. Перед кожною підгрупою ставиться мета та завдання навчального проекту. Обирається речовина з якої потрібно виростити кристали та дослідити властивість анізотропії.
Теоретичні відомості
Існують два простих способи вирощування кристалу з розчину: охолодження теплого насиченого розчину і його випарювання. Першим етапом будь-якого з способів є приготування насиченого розчину. Найбільш доступними речовинами для цієї роботи є залізний чи мідний купорос. Можна використати і деякі інші речовини – червону кров’яну сіль (K3Fe(CN)6), жовту кров’яну сіль (K4Fe(CN)6), хромокислий калій (KCrO4). Нагадаємо, що при роботі з хімічними речовинами необхідно дотримуватись правил техніки безпеки.
Розчинність будь-якої речовини залежить від температури. Звичайно з підвищенням температури розчинність збільшується, а зі зниженням температури – зменшується.
З появою центрів кристалізації надлишок речовини виділяється з розчину і при кожній певній температурі в розчині залишається та кількість речовини, яка відповідає коефіцієнту розчинності при цій температурі. Надлишок речовини з розчину випадає у виді кристалів; кількість кристалів тим більша, чим більше центрів кристалізації в розчині. Центрами кристалізації можуть служити забруднення на стінках посудини з розчином, порошинки, дрібні кристалики розчиненої речовини. Якщо надати можливість кристаликам, що випали, підрости на протязі доби, то серед них можна буде знайти чисті і досконалі за формою екземпляри. Вони будуть служити затравками для вирощування великих кристалів.
Щоб виростити великий кристал, в насичений розчин, ретельно відфільтрований, слід внести кристалик-затравку, заздалегідь прикріплений до волосини чи тонкої капронової нитки. Волосину чи нитку перед прив’язуванням кристалика потрібно протерти спиртом. Можна виростити кристал і без затравки. Для цього волосину чи капронову нитку протирають спиртом і опускають в розчин так, щоб кінець волосини чи нитки вільно висів у розчині. На кінці волосини чи нитки може початись ріст кристалу.
Якщо для вирощування підготовлений великий затравочний кристал, то його краще вносити в трохи підігрітий розчин. Якщо розчин при кімнатній температурі був насиченим, то при температурі на 3-5°С вище кімнатної він стане ненасиченим. При внесенні кристала – затравки в такий розчин кристал почне розчинятись в ньому і при цьому втратить верхні дефектні та забруднені шари. Це приведе до збільшення прозорості майбутнього кристалу. Коли температура знизиться до кімнатної, розчин знову стане насиченим і розчинення затравки припиниться. Якщо посудину з розчином накрити так, щоб вода могла з нього випаровуватись, то через деякий час розчин стане перенасиченим і почнеться ріст кристалу. Під час вирощування кристалу посудину з розчином слід тримати в теплому сухому місці, де температура протягом доби залишається сталою. Щоб виростити великий кристал потрібно від кількох діб до кількох тижнів.
Шкала Мооса була запропонована німецьким мінералогом Фрідріхом Моосом у 1811 році. Цей метод легко застосовується на практиці в багатьох лабораторіях.
Міцність матеріалу за Моосом – це опір, який чиниться його поверхнею при спробі подряпати її іншим матеріалом. Міцність залежить від ступеня зв’язності внутрішньоатомної структури матеріалу.
Шкала Мооса – це умовна шкала еталонних мінералів для оцінки міцності матеріалів шляхом дряпання. Шкала представлена нижче.
Таким чином, мінералогічна шкала Мооса складається з десяти мінералів, кожному з яких присвоєно певний коефіцієнт міцності.
Визначення міцності інших матеріалі, не представлених на цій шкалі, здійснюється за допомогою даного набору матеріалів-еталонів шляхом їх натиску на поверхню досліджуваного матеріалу. Якщо матеріал-еталон залишає подряпину на поверхні досліджуваної речовини, то її відносна міцність нижче, ніж аналогічний показник матеріалу-еталона.
Важливо пам’ятати, що розподіл міцності за шкалою не є лінійним. Тобто алмаз (коефіцієнт 10) не є вдвічі твердішим за апатит (коефіцієнт 5). Ця шкала дозволяє лише розмістити матеріали в порядку зростання міцності.
Простота і доступність даного методу полягає в тому, що для визначення твердості досліджуваного матеріалу можна застосовувати будь-які підручні засоби, такі як ніготь (міцність за шкалою Мооса 2,5), ніж (5,5) або скло (5,5).
Хід роботи
1. Ретельно вимийте дві склянки і лійку.
2. Налийте в одну склянку теплої (40-50°С) дистильованої води (приблизно половину склянки). Якщо дистильованої води немає, то двічі прокип’ятіть воду і дайте їй відстоятись. Насипте у воду сіль і помішуйте до повного розчинення солі. На кожні 100 г води слід взяти близько 30-40 г мідного чи залізного купоросу, або 40 г кухонної солі. Для інших речовин рекомендації можна взяти з таблиці 1.
3. Профільтруйте одержаний розчин в іншу склянку через ватний фільтр. Ватний фільтр перед фільтруванням опустіть в посудину з дистильованою водою, а потім витисніть з нього воду.
4. Склянку з теплим розчином прикрийте зверху (не щільно) листом цупкого паперу чи кришкою і залиште на добу. При охолодженні в розчині почнуть випадати кристали.
5. Злийте розчин зі склянки і виберіть серед кристаликів, що випали, декілька найбільших і правильної форми. Злитий розчин поверніть назад в склянку.
6. Протріть спиртом тонку капронову нитку (можна використати рибальську волосінь діаметром близько 0,1 мм) і прив’яжіть до неї кристалик-затравку. Розчин в склянці підігрійте так, щоб кристалики, які залишились, розчинились. Опустіть затравку в розчин. Можна також просто покласти затравку на дно склянки. Момент опускання затравки слід вибирати так, щоб розчин був близький до насичення. Якщо розчин буде ненасиченим , то затравка почне розчинятись і може зникнути. З цієї причини заздалегідь готують декілька затравок.
7. Поставте склянку в тепле чисте місце. Протягом декількох діб (чи тижнів) не торкайтесь кристалу і не переставляйте склянку
8. В кінці терміну вирощування витягніть кристал з розчину, ретельно обсушіть його паперовою серветкою і покладіть в спеціальну коробочку. Руками кристал не беріть, інакше він втратить прозорість.
9. За шкалою Мосса визначте відносну-твердість кожного кристалу. Замість загальноприйнятих мінерал-еталонів використайте альтернативні підручні засобами (Таб.2).
Проведіть мінерал-еталоном по кристалу якщо на ньому залишився слід то це свідчить про те, що відносна-твердість кристалів менша ніж твердість мінерал-еталоном за шкалою Мосса. Та з’ясуйте чи монокристали в непаралельних напрямках мають різну твердість, тобто чи є вони анізотропними.
Табл. 1
Речовина і хімічна формула | Форма і колір кристалів | Маса речовини в г на 100 мл води |
Хлористий натрій (кухонна сіль) NaCl | Дрібні білі снігоподібні або кубічні кристали | 39 |
Алюмокалієвий галун KAl(SO4)2·12H2O | Октаедричні кристали білого і ніжно-сріблястого кольору | 30-40 |
Сірчанокислий нікель NiSO4∙7H2O | Кристали у вигляді голок яскраво ізумрудного кольору | 110 |
Двохромистий калій (біхромат калію) K2Cr2O7 | Триклинні оранжево-червоні голки або пластинки | 50 |
Залізосиньородистий калій (червона кровۥяна сіль) K3Fe(CN)6 | Рубінові кристали | 90 |
Залізистосиньородистий калій (жовта кровۥяна сіль) K4Fe(CN)6 | Світло-жовті прозорі кристали | 40 |
Мідний купорос CuSO4∙5H2O | Триклинні яскраво-сині кристали | 30-40 |
Хромокислий калій KCrO4 | Ромбічні кристали жовто-лимонного кольору | 75 |
Актуалізація опорних знань
Для актуалізації опорних знань учні займають місця за комп’ютерами та виконують вправи створені за допомогою Learningapps.org
Захист навчальних проектів
Рекомендації при підготовці до захисту навчального проекту
При підготовці звіту по виконанню навчального проекту використовують середовище Microsoft Office PowerPoint. Фон слайдів потрібно обрати таким чином щоб він не відволікав увагу від самої доповіді оратора. Доповідь повинна бути змістовна та цікава, розрахована 5-7 хв. Об’єм презентації 10-15 слайдів.
На першому слайді повинна міститися тема навчального проекту та автор роботи. Другий слайд зазвичай містить мету та завдання які поставлені перед підгрупою. Наступні слайди повинен містити фото звіту поетапного виконання роботи та коротких теоретичних тез.
В кінці доповіді необхідно зробити висновок в якому підведемо підсумки роботи й продемонструвати результат проекту. На завершення подякувати за увагу й дати відповідь на запитання.
Підбиття підсумків та виставлення оцінок
На останньому етапі уроку здобувачам освіти повинні заповнити ментальну карту та озвучити її.
