Выращивание и изучение физических свойств кристаллов медного купороса и перманганата

Слайд #1

Выращивание и изучение физических свойств кристаллов медного купороса и перманганата калия Выполнила: Вариксоо Елена Юкувна, ученица МОУ «Изборский лицей» Печорского района, 9 класс. Научный руководитель: учитель физики Кузьминых Олег Иннокентьевич, консультант Кузьмина Галина Ивановна, методист отделения физики ПОЦРОД и Ю Поэзия! Завидуй кристаллографии! Кусай ногти в гневе и бессилии! О.Э.Мандельштам

Слайд #2

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.

Слайд #3

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.

Слайд #4

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.

Слайд #5

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).

Слайд #6

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.

Слайд #7

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»

Слайд #8

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.

Слайд #9

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.

Слайд #10

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.

Слайд #11

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.

Слайд #12

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.

Слайд #13

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.

Слайд #14

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

Слайд #15

Слайд #16

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

Слайд #17

Расчет числа твердости.

Слайд #18

Статистическая погрешность:

Слайд #19

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

Слайд #20

Итоговый результат:

Слайд #21

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:

Слайд #22

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.

Слайд #23

Практическая часть. Исследование электропроводности поликристалла медного купороса

Слайд #24

График изменения электропроводности поликристалла с увеличением температуры.

Слайд #25

Практическая часть. Исследование электропроводности монокристалла медного купороса.

Слайд #26

График изменения электропроводности монокристалла с увеличением температуры

Слайд #27

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

Слайд #28

Электрическое сопротивление

Слайд #29

Сопротивление Красный график – поликристалл Белый график - монокристалл

Слайд #30

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

Слайд #31

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.

Слайд #32

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.

Слайд #33

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.

Слайд #34

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.

Слайд #35

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.

Слайд #36

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.

Слайд #37

Список литературы Боярская Ю.С. Деформирование кристаллов при испытании на микротвердость. –Кишинёв: Штминца,1972 Буховцев О.Ф., Климантович Ю.Л. Физика -9 .– М.,1988 Енохович А.С. Справочник по физике.-М.: Просвещение, 1978 Кабардин О.Ф., Кабардина С.И. и др. Факультативный курс физики. - М.,1974 Ландау Л.Д.и др. Физика для всех. Молекулы.. –М., 1984 Физика твердого тела. Лабораторный практикум (методы получения Твёрдых тел и исследования их структуры) / под ред. Прооф. Хохлова. -М.: Высшая школа, 2001, т.1 Павлов П.В., Хохлов А.Ф. Физика твёрдого тела.- М.: Высшая школа, 2000 Чупрунов Е.В., Хохлов А.Ф., Фадеев М.А. Кристаллография. –М.: Изд-во физ.-мат. литературы, 2000 Штейнберг А.С. Репортаж из мира сплавов. –М., 1989