Выращивание и изучение физических свойств кристаллов медного купороса и перманганата

Гипотеза:
В домашних условиях можно вырастить кристаллы из смеси растворов, крупные кристаллы способом затравки и в лабораторных условиях изучить их некоторые физические свойства.
Цель работы:
Вырастить кристаллы медного купороса и перманганата калия, а также смеси растворов данных веществ.
Изучить и рассчитать электропроводность выращенных кристаллов медного купороса. Определить к какому классу электропроводимости относится данное вещество.
Изучить микротвердость и плотность кристаллов медного купороса.

Актуальность работы.
Аналогов этой работы нет. Сведений об микротвердости и электропроводности кристаллов медного купороса нет ни в литературных источниках, ни в Интернете. Сведения об электрическом сопротивлении кристаллов короткие: известно, что оно велико, но нет точных табличных данных.

Объектом исследования
является процесс выращивания и изучения физических свойств кристаллов медного купороса и перманганата калия.
Предмет исследования – расчёт электропроводимости и микротвердости кристаллов медного купороса, выращенных в домашних условиях.

В соответствии с поставленными целями были определены следующие задачи:
Провести анализ научной и научно – популярной литературы по теме исследования и на этом основании:
Вырастить кристаллы медного купороса, перманганата калия и из смеси растворов данных веществ в домашних условиях;
Выявить объективные условия и изменения, происходящие с кристаллами при одинаковых условиях выращивания в зависимости от различного химического состава;
Определить микротвердость выращенных кристаллов.
Определить электропроводность выращенных кристаллов. Для выполнения некоторых частей данной задачи необходимо было создать «таблетку» из мелких кристаллов.
Изучить полученные результаты (сравнить с табличными, если таковые есть).

Для решения поставленных задач были использованы следующие методы исследования:
Теоретический анализ проблемы;
Практические:
выполнение лабораторных работ:
по выращиванию кристаллов медного купороса, перманганата калия и их смеси.
по созданию «таблеток» из мелких кристаллов для дальнейшего изучения их электропроводности.
по измерению плотности и микротвердости.
3. Применение метода компенсации для изучения электропроводности крупных кристаллов и «таблеток» медного купороса.

Базой исследования являлись:
лаборатория физики твёрдого тела физико–математического факультета Псковского педагогического университета имени С.М.Кирова
частный дом в д. Раково Новоизборской волости Печорского района.
кабинет физики МОУ «Изборский лицей»

Содержание теоретической части:
Кристаллы и их виды
Свойства кристаллов
Дефекты в кристаллах.
Применение кристаллов.
Образование и рост кристаллов.
Методы выращивания кристаллов.
Кристаллизация из растворов.
Кристаллы в природе.

Кристаллы и их виды
Кристаллами называют твердые тела, в которых расположение атомов или молекул друг относительно друга периодически повторяется в пространстве при параллельном перемещении. Кристаллические тела делятся на два вида: поликристаллические и монокристаллические.

Свойства кристаллов.
Анизотропия
Теплопроводность.
Плавление
Пластичность
Упругость
Хрупкость
Электропроводность (проводимость), способность веществ проводить электрический ток, обусловленная наличием в них подвижных заряженных частиц (носителей заряда) — электроионов, ионов и др.

Дефекты в кристаллах.
Дефекты в кристаллах – это нарушение строгой периодичности частиц в кристаллической решетки.
Бывают:
точечные дефекты
линейные дефекты
поверхностные или двухмерные дефекты
объемные или трехмерные.

Методы выращивания кристаллов.
Метод Чохральского, разработан в 1918 году;
Метод вертикальной направленной кристаллизации (ВНК) создан в 1924 И. В. Обреимовым и Л. В. Шубниковым;
Метод горизонтальной направленной кристаллизации (ГНК) разработан в Институте кристаллографии АН;
Синтез драгоценных ювелирных и технических камней по способу М. А. Вернейля.
Кристаллизация из растворов.

Использованный метод выращивания.
Простейшим вариантом выращивания является высокий сосуд, в нижней части которого помещается исходное вещество, а в верхней подвешивается затравка. В результате возникает конвекция раствора, обеспечивающая постоянный перенос вещества снизу вверх, в зону роста.

Практическая часть.
Выращивание кристаллов медного купороса методом затравки.
Дневник наблюдений. Мелкие кристаллы со дна емкости также взяты для исследования.

Прерывание эксперимента для дальнейшего исследования кристаллов.

Измерение микротвёрдости кристалла медного купороса.
Расчёт числа твёрдости.
Цель работы: рассчитать число твёрдости исследуемого кристалла медного купороса.
Приборы и материалы: микротвёрдометр ПМТ-3, исследуемый кристалл.
Ход работы:
П.1. произведение 5 уколов в исследуемый кристалл.
П.2. замер диагоналей отпечатков алмазной пирамиды.
П.3. перевод числа деления окуляра в миллиметры.
П.4. расчёт числа твёрдости по формуле: , где H – число
твёрдости, P – нагрузка на пирамиду, выраженная в Ньютонах, d – диагональ отпечатка в мм.
П.5. Расчёт приборной и статистической погрешностей измерений.
Произведённые замеры дали следующие результаты:
1 дел = 0, 000315мм
d1 = 87,5 дел. = 0,0275625 мм, d2 = 84 дел. = 0,02646 мм, d3 = 85,5 дел. = 0,0269325 мм,d4 = 76 дел. = 0,02394 мм,d5 = 77,5 дел. = 0,0244125 мм

Расчет числа твердости.

Статистическая погрешность:

Приборная погрешность:
В расчётной формуле измеряется только длина диагоналей, поэтому

Итоговый результат:

Определение плотности кристаллов медного купороса.
Цель работы: определить плотность кристалла медного купороса.
Приборы и материалы: исследуемый кристалл, весы лабораторные с разновесом, штангенциркуль.
Ход работы:
П.1. определение массы кристалла: В ходе проведённого взвешивания было определено, что масса исследуемого кристалла m = 0,065г
П.2. определение объёма кристалла:
Так как кристалл представляет собой прямоугольный параллелепипед, то его объём определяется по формуле: V = a∙b∙c, где а это длина кристалла, b – ширина кристалла, с – толщина кристалла. Измерения были проведены при помощи штангенциркуля с ценой деления 0,05 мм. В ходе измерений были получены следующие результаты:
a = 0,59 см; b = 0,38 см; с = 0,13 см
V = 0,59 см ∙ 0,38 см ∙ 0,13 см = 0,029146 см3 – объём исследуемого кристалла
П.3. определение плотности кристалла:

Определение погрешностей вычислений:
- относительная погрешность
ξ(ρ) = ξ(m) + ξ(V)
ξ(ρ) = 1,5% + 5,9% = 7,4%;
Итоговый результат: ρ = (2230 ±166)кг/м3, при ξ(ρ) = 7,4%
Для сравнения: табличный результат от 2200 до 2300кг/м3.Этот результат подтверждает выдвинутую гипотезу.

Практическая часть.
Исследование электропроводности поликристалла медного купороса

График изменения электропроводности поликристалла с увеличением температуры.

Практическая часть.
Исследование электропроводности монокристалла медного купороса.

График изменения электропроводности монокристалла с увеличением температуры

График зависимости электропроводности от температуры и структуры кристалла.
Красный график – монокристалл
Синий график - поликристалл

Электрическое сопротивление

Сопротивление
Красный график – поликристалл
Белый график - монокристалл

Определение энергии активации
Зная аналитическое выражение соответствующих графиков y=A*x+B
E=0.2*tgf
tgf = -A
Данные:
Монокристалл Поликристалл E1=5145.6 eB E1=4142 eB
E2=907.14 eB E2=709.7 eB

Практическая часть.
Использованный метод изучения электропроводности.
НУЛЕВОЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЙ (компенсационный метод измерений), один из вариантов метода сравнения с мерой, в котором на нулевой прибор воздействует сигнал, пропорциональный разности измеряемой и известной величин, причем эту разность доводят до нуля. Пример: измерение электрических величин (электродвижущей силы, электрического сопротивления, емкости и др.) с применением потенциометров и измерительных мостов.

Применение кристаллов .
Медный купорос.
Кристалл медного купороса наиболее важная соль меди, часто служит исходным сырьём для получения других соединений. Безводный сульфат меди можно использовать как индикатор влажности, с его помощью в лаборатории проводят осушку этанола и некоторых других веществ. Наибольшее количество непосредственно применяемого CuSO4 расходуется на борьбу с вредителями в сельском хозяйстве, в составе с бордосской смеси с известковым молоком – от грибковых заболеваний и виноградной тли, а также для протравливания зерна. В пищевой промышленности изредка используется в качестве консерванта(пищевая добавка Е519). Применяют при получении минеральных красок, при выделке кож, в гальванических элементах.

Применение кристаллов.
Перманганат калия.
ПЕРМАНГАНАТ КАЛИЯ, марганцовокислый калий. КМnО4 - сильный окислитель; при смешении его с концентрированной H2SO4, а также с некоторыми органическими веществами (напр., глицерином) может произойти взрыв. Используется для метода химического титриметрического анализа, основанный на применении растворов перманганата калия (КМnО4) для количественно объёмных определений. В химической практике широко применяют как окислитель; в медицине как дезинфицирующее средство при ожогах и других повреждениях, а также для отбеливания тканей, в фотографии.

Природный «двойник»
Медный купорос
ХАЛЬКАНТИТ – от греческого халькос – медь, антос – цветок. Синтезированные формы: камень галицийский синий, купорос медный, цианозит. Cu[SO4]⋅5H2O.Редкий. Цвет: голубой, синий до зеленовато-синего. Блеск стеклянный. Твердость 2 – 2,5. Плотность 2,2 – 2,3. В воде легко растворяется. Встречается в зоне окисления медных руд или выпадает из водных растворов на медных рудниках. Редок ввиду легкой растворимости.

Кристаллы в природе.
Перманганат калия.
ПИРОЛЮЗИТ (63,2% Mn), минерал подкласса простых оксидов, MnO2. Иногда содержит до несколько % воды. Примеси K и др. Темные, плотные, землистые массы. Твердость от 2 до 6-6,5; плотность около 5,1 г/см3. Важная руда марганца. Чистые пиролюзиты используются в производстве сухих гальванических элементов, химических препаратов, в стеклянном, фарфоровом и других производствах.

Заключение
В результате проведённых исследований мы выяснили, что выдвинутая нами гипотеза полностью подтверждается: нам удалось вырастить кристаллы медного купороса, перманганата калия и из смеси растворов данных веществ, а также определить опытным путём число электропроводности, плотности и микротвердости выращенных кристаллов медного купороса.
В ходе исследований мы выяснили , что кристаллы медного купороса являются полупроводником.
В ходе наблюдений за ростом кристаллов мы выяснили, что кристаллы разных солей растут с разной скоростью. Быстрее всего образовывались кристаллы медного купороса, немного медленнее кристаллы из смеси растворов и самыми медленными в росте оказались кристаллы перманганата калия.
Процесс кристаллизации происходил интенсивно в результате частого перепада температур, так как частный дом, где выращивались кристаллы, без удобств.