Ve skutečnosti můžeme prozkoumat úplně všechno, co nás obklopuje, ale každého přitahuje jeho vlastní oblast výzkumu. Projekty jsou sestavovány na úplně jiná témata a oblasti, ale vybral jsem si podle mě jeden z nejzajímavějších – chemii.
V tomto směru lze uvažovat o spoustě věcí, protože chemie je jedna z nejdůležitějších a nejširších oblastí přírodních věd, nauka o látkách, jejich složení a struktuře, jejich vlastnostech v závislosti na složení a struktuře, jejich přeměny vedoucí ke změnám ve složení – chemických reakcích, jakož i o zákonitostech a zákonitostech, kterým tyto přeměny podléhají. Protože všechny látky se skládají z atomů, které jsou díky chemickým vazbám schopny tvořit molekuly, zabývá se chemie především úvahami o výše uvedených problémech na atomově-molekulární úrovni, tedy na úrovni chemických prvků a jejich sloučenin. Je rozdělena do dvou sekcí (na základě zkoumaných látek): organické a anorganické.
Organická chemie studuje sloučeniny uhlíku, jejich strukturu, vlastnosti a způsoby syntézy. A anorganická chemie studuje strukturu, reaktivitu a vlastnosti všech chemických prvků a jejich anorganických sloučenin. V každé z těchto sekcí je mnoho zajímavých a krásných reakcí, které dokážou upoutat pozornost úplně každého, jak dětí, tak dospělých.
Vybral jsem si ale anorganickou chemii, konkrétně proces pěstování krystalických hydrátů doma. Ale než začnete jednat, musíte pochopit, co to je – krystalické hydráty.
1.2. Co jsou krystalické hydráty?
Krystalické hydráty jsou krystaly obsahující molekuly vody a vznikají, pokud kationty v krystalové mřížce tvoří silnější vazby s molekulami vody než vazba mezi kationty a anionty v krystalu bezvodé soli.
Staří Řekové používali slovo „krystallos“ ve významu led. Byl také nazýván vodoprůhledný křemen (horský křišťál), který byl tehdy mylně považován za „zkamenělý led“. Následně byl tento termín rozšířen na všechna krystalická tělesa.
Krystaly se obvykle nazývají pevné látky, které se tvoří za přirozených nebo laboratorních podmínek a mají formu mnohostěnů, které se podobají nejpřísnějším geometrickým strukturám. Povrch takových obrazců je omezen dokonalými rovinami – hranami protínajícími se podél přímek. Průsečíky hran tvoří vrcholy. Tuto definici nelze nazvat správnou a vyžaduje řadu významných úprav, protože nepokrývá všechny krystalické formace.
Ukazuje se, že krystalické hydráty jsou stejné krystaly, které přitahovaly pozornost lidí již od starověku, protože jsou krásné, jasné a často s nepředstavitelně krásnou duhovostí. Podle vnějších vlastností je lze rozdělit do dvou hlavních typů:
1. Ideální krystaly. Krystaly s dokonale hladkými hranami a úplnou symetrií. Pro vznik dobře broušených krystalů je nutné, aby nic nerušilo jejich volný a všestranný vývoj, netlačilo je a nebránilo jejich růstu.
2. Skutečné krystaly. Krystaly, které z toho či onoho důvodu nevyrostly zvlášť rovnoměrně, nevyhladily a nevytvářely ideální postavu (krychle, obdélník, kosočtverec, kruh), ale mají určité vady, které jim dokonce dodávají krásnější vzhled. Nejčastěji získávají tuto formu kvůli určitým podmínkám prostředí.
Někdy, když přijdeme do klenotnictví, slyšíme slovo jako „drahokam“. Co je to?
Drahokamy (z rus. sam a barva) jsou drahokamy, polodrahokamy a okrasné kameny (minerály a horniny), které se používají jako šperky a okrasné suroviny. Obvykle průhledné nebo průsvitné. Pojem drahokamy má historický a každodenní charakter, nevztahuje se na vědeckou terminologii a není striktní. V různých dobách, v každodenní řeči a řeči různých specialistů, mohl odkazovat na průsvitné nebo neprůhledné kameny nebo být používán k rozdělení do kategorií barevných-bezbarvých, řezných-dekorativních, drahokamů-okrasných kamenů.
Karát je jednotka hmotnosti, která se od starověku používá v obchodu s drahými kameny a ve špercích. Je možné, že samotné slovo „karát“ pochází z místního názvu (kuara) afrického korálového stromu, jehož semena se používala ke vážení zlatého prachu, ale pravděpodobnější je, že pochází z řeckého názvu (keration). rohovníku, rozšířeného ve Středomoří, plodu, který původně sloužil jako „závaží“ při vážení drahých kamenů (hmotnost jednoho takového závaží se v průměru rovná přibližně karátu).
Mezi fyzikálními vlastnostmi drahých kamenů hrají dominantní roli optické vlastnosti, které určují jejich barvu a brilanci, jiskru („oheň“) a luminiscenci, asterismus, iridiscenci a další světelné efekty. Při testování a identifikaci drahých kamenů nabývají stále většího významu také optické jevy.
Je snazší pochopit, co to je, pokud jsou uvedeny takzvané „příklady ze života“. Kde v životě najdeme krystalické hydráty?
Jednak je to diamant, který zná úplně každý – nejtvrdší mezi minerály, ale zároveň nejkřehčí, s vysokou tepelnou vodivostí. Je to vlastně vzácný, ale rozšířený krystal.
Safír je minerál, jehož výchozí surovinou je korund (Al 2 O 3 ). Má krásné barvy od tmavě modré po světle modrou. Barva závisí na příměsi železa nebo titanu.
Rubín je minerál červeného spektra, protože má mnoho odstínů červené, od fialově červené až po krvavě červenou. Barva závisí na příměsi chrómu.
Ametyst je modrá, modrorůžová nebo červenofialová odrůda křemene. Výchozím materiálem je oxid křemičitý. Barva se získává díky nečistotám železa. Mám doma velmi malý ametyst. V životě vypadá stejně krásně jako na fotkách.
Uvarovit je minerál, křemičitan vápenato-chromový, druh smaragdově zeleného granátu. Pojmenován na počest jednoho z prezidentů Ruské akademie věd, hraběte S.S. Uvarova. Vzorec látky: Ca 3 Cr 2 (SiO 4 ) 3 .
Dalo by se napsat téměř celý seznam krystalů, ale zaměřme se na tyto příklady.
1.4. Aplikace v životě.
Ve skutečnosti se krystaly v životě používají velmi široce, ale pro ilustraci uvedu jen několik obecných a několik konkrétních příkladů.
Použití krystalů ve vědě a technice je tak četné a rozmanité, že je obtížné je vyjmenovat. Nejtvrdším a nejvzácnějším přírodním minerálem je diamant. Diamant je dnes především pracovní kámen, nikoli dekorační kámen. Díky své výjimečné tvrdosti hraje diamant obrovskou roli v technologii. Diamantové pily se používají k řezání kamenů. Diamantová pila je velký (až 2 metry v průměru) rotující ocelový kotouč, na jehož okrajích jsou vytvořeny zářezy nebo zářezy. Do těchto řezů se vtírá jemný diamantový prášek smíchaný s trochou lepidla. Takový disk, rotující vysokou rychlostí, rychle rozřeže jakýkoli kámen. Diamant má obrovský význam při vrtání hornin a při těžebních operacích. Diamantové hroty se vkládají do rycích nástrojů, dělicích strojů, přístrojů na zkoušení tvrdosti a vrtáků do kamene a kovu. Diamantový prášek se používá k broušení a leštění tvrdých kamenů, kalené oceli, tvrdých a supertvrdých slitin. Diamant samotný lze brousit, leštit a gravírovat pouze diamantem. Nejkritičtější části motorů v automobilové a letecké výrobě jsou zpracovávány diamantovými frézami a vrtáky.
Rubín a safír patří k nejkrásnějším a nejdražším z drahých kamenů. Všechny tyto kameny mají jiné kvality, skromnější, ale užitečné. Krvavě červený rubín a azurově modrý safír jsou sourozenci, obecně se jedná o stejný minerál – korund, oxid hlinitý A1 2 O 3. Rozdíl v barvě vznikl v důsledku velmi malých nečistot v oxidu hlinitém: nepatrný přídavek chrómu promění bezbarvý korund na krvavě červený rubín, oxid titaničitý na safír. Existují korundy jiných barev. Mají také velmi skromného, nepopsatelného bratra: hnědý, neprůhledný, jemný korund – smirek, který se používá k čištění kovu, ze kterého se vyrábí smirková tkanina. Korund se všemi jeho odrůdami je jedním z nejtvrdších kamenů na Zemi, po diamantu nejtvrdším. Korund lze použít k vrtání, broušení, leštění, ostření kamene a kovu. Brusné kotouče, brousky a brusné prášky jsou vyrobeny z korundu a smirku.
Celý hodinářský průmysl běží na umělých rubínech. V polovodičových továrnách se nejjemnější obvody kreslí rubínovými jehlami. V textilním a chemickém průmyslu natahují vodítka rubínových nití nitě z umělých vláken, nylonu a nylonu.
Nový život rubínu je laser nebo, jak se tomu ve vědě říká, optický kvantový generátor (OQG), úžasné zařízení našich dnů. V roce 1960 Byl vytvořen první rubínový laser. Ukázalo se, že rubínový krystal zesiluje světlo. Laser svítí jasněji než tisíc sluncí. Výkonný laserový paprsek s obrovským výkonem. Snadno propálí plech, svaří kovové dráty, propálí kovové trubky a vyvrtá ty nejtenčí otvory do tvrdých slitin a diamantu. Tyto funkce plní pevný laser využívající rubín, granát a neodit. V oční chirurgii se nejčastěji používají neodynové lasery a rubínové lasery. Pozemní systémy krátkého dosahu často používají lasery s vstřikováním arsenidu galia.
Objevily se také nové laserové krystaly: fluorit, granáty, arsenid galia atd.
Safír je průhledný, proto se z něj vyrábí destičky pro optické přístroje.
Většina safírových krystalů jde do polovodičového průmyslu.
Pazourek, ametyst, jaspis, opál, chalcedon jsou všechny odrůdy křemene. Malá zrnka křemene tvoří písek. A nejkrásnější, nejúžasnější odrůda křemene je horský křišťál, tedy průhledné křemenné krystaly. Čočky, hranoly a další části optických přístrojů se proto vyrábí z průhledného křemene. Elektrické vlastnosti křemene jsou obzvláště úžasné. Pokud stlačíte nebo roztáhnete křemenný krystal, objeví se na jeho hranách elektrické náboje. Toto je piezoelektrický jev v krystalech. V dnešní době se jako piezoelektrika používá nejen křemen, ale i mnoho dalších, převážně uměle syntetizovaných látek: modrá sůl, titaničitan barnatý, dihydrogenfosforečnany draselné a amonné a mnoho dalších.
Piezoelektrické krystaly jsou široce používány k reprodukci, záznamu a přenosu zvuku.
Existují také piezoelektrické metody měření krevního tlaku v lidských cévách a tlaku šťáv ve stoncích a kmenech rostlin. Piezoelektrické destičky měří například tlak v hlavni dělostřeleckého děla při výstřelu, tlak v okamžiku výbuchu bomby, okamžitý tlak ve válcích motoru, když v nich explodují horké plyny.
Elektrooptický průmysl je průmysl krystalů, které nemají střed symetrie. Toto odvětví je velmi velké a rozmanité, jeho továrny pěstují a zpracovávají stovky typů krystalů pro použití v optice, akustice, radioelektronice a laserové technologii.
Své využití v technologii našel i polykrystalický materiál Polaroid.
Polaroid je tenký průhledný film, zcela vyplněný drobnými průhlednými jehličkovitými krystaly látky, která dvojlomy a polarizuje světlo. Všechny krystaly jsou umístěny paralelně k sobě, takže všechny stejně polarizují světlo procházející filmem.
Polaroidní fólie se používají v polaroidových brýlích. Polaroidy ruší odlesky odraženého světla a umožňují průchod všemu ostatnímu světlu. Jsou nepostradatelné pro polárníky, kteří se musí neustále dívat na oslnivý odraz slunečních paprsků z ledového sněhového pole.
Polaroidové brýle pomohou předcházet kolizím s protijedoucími auty, ke kterým velmi často dochází tím, že světla protijedoucího auta oslepují řidiče, a ten toto auto nevidí. Pokud jsou čelní skla automobilů a skla světlometů vyrobena z polaroidu a oba polaroidy jsou natočeny tak, že jejich optické osy jsou posunuty, pak čelní sklo nepropustí světlo světlometů protijedoucího auta a „zhasne“ to”.
Krystaly hrály důležitou roli v mnoha technických inovacích 20. století. Některé krystaly při deformaci generují elektrický náboj. Jejich první významnou aplikací byla výroba vysokofrekvenčních oscilátorů stabilizovaných křemennými krystaly. Tím, že je křemenná deska nucena vibrovat v elektrickém poli vysokofrekvenčního oscilačního obvodu, lze tak stabilizovat přijímací frekvenci.
Polovodičová zařízení, která způsobila revoluci v elektronice, se vyrábějí z krystalických látek, především křemíku a germania. V tomto případě hrají důležitou roli legující nečistoty, které jsou zavedeny do krystalové mřížky. Polovodičové diody se používají v počítačích a komunikačních systémech, tranzistory nahradily elektronky v radiotechnice a solární panely umístěné na vnějším povrchu kosmické lodi přeměňují sluneční energii na elektrickou energii. Krystaly se také používají v některých maserech k zesílení mikrovlnných vln a v laserech k zesílení světelných vln. Krystaly s piezoelektrickými vlastnostmi se používají v rádiových přijímačích a vysílačích, ve snímacích hlavách a v sonarech. Některé krystaly modulují světelné paprsky, zatímco jiné generují světlo pod vlivem aplikovaného napětí. Seznam použití krystalů je již poměrně dlouhý a neustále se rozrůstá.
2. Chemický pokus: „Vypěstování krystalu z roztoku síranu měďnatého doma.“
2.1. Trochu informací o pěstování krystalů doma.
Příroda se sama postarala o to, aby minerály rostly v určitém prostředí a dostávaly určitý tvar, takže doma si krystal z roztoku síranu měďnatého vypěstujete téměř bez větší námahy. Tento proces je ale bohužel značně zdlouhavý. Proto bereme síran měďnatý, protože z něj můžeme vyrobit krystalický hydrát rychleji a méně problematicky.
2.2. Budeme to potřebovat.
Pro pěstování potřebujeme:
1. Sklenice nebo zavařovací sklenice. Vezmu zavařovací sklenici, protože je objemově větší než sklenice, takže mohu získat větší krystal.
2. Talíř nebo talířek.
3. Síran měďnatý (Síran měďnatý – CuSO 4 (práškový)).
4. Voda. Je lepší použít destilovanou vodu, kterou lze zakoupit v každém obchodě s autodíly.
5. Závit, na kterém vyroste náš krystal.
6. Rukavice. Protože byste neměli dovolit, aby se vám roztok dostal do rukou. Roztok by se také neměl pít.
7. Tužka, na kterou navážeme nit, jelikož se krystal nemůže dotýkat stěn nebo dna naší nádoby.
8. List papíru, kterým zakryjeme vršek konstrukce, aby se tam nedostal prach a nečistoty.
9. Kapesník nebo gáza na filtraci roztoku.
A nyní můžeme začít s pěstováním samotného krystalu.
2.3. První fáze pěstování krystalu.
Nejprve připravte roztok. Nalijte asi 200 ml destilované vody do sklenice nebo sklenice, ale pokud ji nemáte, přefiltrujte vodu z kohoutku přes filtr nebo přidejte převařenou vodu. Použiji destilovanou vodu z autoservisu.
Začneme přidávat síran měďnatý. Přidejte lžíci a promíchejte. Vitriol se velmi rychle rozpustí. Přidejte další lžíci a znovu promíchejte. To děláme, dokud se sůl nezačne usazovat na dně. Takto připravíme primární roztok, který bude základem našeho krystalu.
Další věcí je přefiltrovat roztok přes kapesník nebo gázu. Přefiltruji přes kapesník. A nechte den (možná méně) někde, kde do roztoku nespadnou nečistoty a prach. Abychom tomu zabránili, zakryjeme naše řešení něčím a umístíme jej daleko od rodinných příslušníků. Za den můžeme začít s druhou fází naší kultivace.
2.4. Druhá fáze růstu krystalů.
Vezmu svou nádobu a prozkoumám ji: na dně se začaly tvořit krystaly, všechny různých tvarů. Některé krystaly jsou malé, ale jsou umístěny ve shlucích, zatímco jiné (ve tvaru kosočtverce) jsou větší a jsou umístěny samostatně, což je přesně to, co potřebujeme. Tyto krystaly vybereme (roztok přelijeme do jiné zavařovací sklenice a vybereme hmotu vzniklou na dně).
Opatrně vezmeme největší z monokrystalů a přivážeme ho na nit, kterou přivážeme k tužce (aby se náš krystal po spuštění do dózy nedotýkal dne a stěn). Zakryjte listem papíru (chráňte před prachem) a přeneste na tmavé místo, chráněné před průvanem (pěstování krystalů vyžaduje zvláštní podmínky). A nyní necháme náš budoucí krystal několik týdnů na tmavém místě.
2.5. Důležité si pamatovat!
V žádném případě bychom neměli zapomínat, že:
A) Křišťál nelze vyndat jen proto, abychom ho obdivovali, protože to naruší jeho růst. Budeme ji obdivovat, až si ji vypěstujeme a dáme do poličky.
B) Ujistěte se, že aktualizujete roztok, protože se trochu odpařuje, takže je méně nasycený. To je také špatné pro pěstování krystalů.
C) Dobře ji uzavřete, aby se do ní nedostal prach a nečistoty.
D) Nádobí netřeste a nevibrujte.
2.6 Konečná fáze růstu krystalů.
O měsíc později se již náš krystal ukázal jako dobrý a nyní vypadá skvěle. Pokus zakončeme tak, že jej vyjmeme z nádoby, opláchneme a krystal zakryjeme bezbarvým lakem, aby se zachoval.
Pěstování krystalů není jen krásný chemický experiment, ale celé umění, takže se nebuďte naštvaní, pokud to napoprvé nevyjde. Pro začátečníky existují speciální pěstební sady. Hlavní je vytrvalost, trocha touhy, píle, přesnost a jen trochu dodržování pěstebního schématu, pak se určitě vše podaří.
Veškerý materiál o krystalických hydrátech byl převzat z Wikipedie a pozorování z našich vlastních experimentů.
