Всероссийская политехническая олимпиада школьников

ВЫРАЩИВАНИЕ КРИСТАЛЛА МЕДНОГО КУПОРОСА

И ИЗУЧЕНИЕ ЕГО СВОЙСТВ

Российская Федерация, Костромская область, г. Кострома

Автор:

Муниципальное общеобразовательное учреждение лицей №17, 11 «А» класс

Научные руководители:

,

учитель физики МОУ Лицей №17,

,

доцент кафедры общей физики

КГУ им.

Кристаллы используются также в некоторых мазерах для усиления волн СВЧ - диапазона и в лазерах для усиления световых волн. Кристаллы, обладающие пьезоэлектрическими свойствами, применяются в радиоприемниках и радиопередатчиках, в головках звукоснимателей и в гидролокаторах. Некоторые кристаллы модулируют световые пучки, а другие генерируют свет под действием приложенного напряжения (Принцип заложен в основу рубинового лазера рис. 9). Перечень видов применения кристаллов уже достаточно длинен и непрерывно растет.

Искусственные кристаллы.

Многие технологические потребности в кристаллах явились стимулом к исследованию методов выращивания кристаллов с заранее заданными химическими, физическими и электрическими свойствами. Труды исследователей не пропали даром, и были найдены способы выращивания больших кристаллов сотен веществ, многие из которых не имеют природного аналога. В лаборатории кристаллы выращиваются в тщательно контролируемых условиях, обеспечивающих нужные свойства, но в принципе лабораторные кристаллы образуются так же, как и в природе – из раствора, расплава или из паров. Так, пьезоэлектрические кристаллы сегнетовой соли выращиваются из водного раствора при атмосферном давлении. Большие кристаллы оптического кварца выращиваются тоже из раствора, но при температурах 350–450° C и давлении ~140 МПа. Рубины синтезируют при атмосферном давлении из порошка оксида алюминия, расплавляемого при температуре 2050° C. Кристаллы карбида кремния, применяемые в качестве абразива, получают из паров в электропечи.

2.  Выращивание кристалла

График (Рис. 1) показывает растворимость некоторых солей в воде. Как показывает практика, наиболее распространёнными среди них являются: хлорид натрия NaCl, медный купорос CuSO4·5H2O, квасцы (алюмокалиевые KAl(SO4)2·12H2O, хромокалиевые KCr(SO4)2·12H2O). Менее распространены, но также используемы: сегнетова соль KNaC4H4O6·4H2O, бихромат K2Cr2O7 и хромат K2CrO4 калия, сульфат железа (II) FeSO4·7H2O, перхлорат натрия NaClO4, красная кровяная K3[Fe(CN)6] и жёлтая кровяная K4[Fe(CN)6] соли, соединения тяжелых металлов, органические соединения (гидрофталат калия KHC8O4H4, сахар C12H22O11, салициловая кислота C7H6O3, тиомочевина CS(NH2)2, различные соли органических кислот и т. п.). Однако, экспериментировать можно также с любыми другими соединениями и растворителем, заменяя воду на легколетучие спирт и эфир. Но, поскольку, самым распространённым растворителем является вода, в экспериментах будет использоваться она, и разговор будет идти о соединениях в ней растворимых.

Как правило, при выборе материала важны следующие факты:

·  доступность и дешевизна;

·  вещество должно быть стабильным (в частности, к повышению температуры) и химически чистым;

·  способность вещества растворяться в доступном растворителе;

·  должен быть известен характер растворения вещества (иногда приходится наблюдать экзо- или эндотермическое растворение);

·  вещество не должно вступать в химическую реакцию со средой (здесь имеется ввиду и воздух) и растворителем или давать с ним устойчивую систему, несклонную к кристаллизации (попытки кристаллизовать гидроксиды щелочных металлов, сахарные сиропы к успеху не приведут);

·  образующиеся кристаллы должны быть стабильны (на воздухе кристаллы хромокалиевых квасцов, тиосульфата и сульфита натрия выветриваются: теряют кристаллизационную воду, превращаясь в порошок);

Требуемое оборудование:

·  химическая посуда (большие термостойкие плоскодонные стаканы от 0,05 до 3 л (и более, если такое возможно));

·  фильтровальная бумага (промокашка, салфетка);

·  дополнительные мелочи, которые требуются при выполнении, будут указаны далее в тексте (воронки (это м. б. срезанное горлышко пластмассовой бутылки), вата, стеклянные палочки и т. п.);

Для опытов был выбран медный купорос. Используя таблицу растворимости легко увидеть, что для получения 1л. насыщенного раствора при комнатной температуре необходимо примерно 200г. медного купороса. Но я при выращивании кристалла использовал для приготовления раствора теплую воду (40с° – 50с°), так как при этом раствор после остывания получается более насыщенным, что позволяет сократить время роста кристалла. Брать более горячую воду не желательно, так как при этом может произойти гидролизация медного купороса. После того, как раствор приготовлен его следует поместить в такое место, где сохраняется постоянная температура. Это позволит получить более правильные и чистые кристаллы. Через некоторое время (от 1 до нескольких недель) на стенках и дне посуды образовываются маленькие кристаллы. Из них следует выбрать те, которые имеют наиболее правильную форму, размер особого значения не играет. После этого надо приготовить свежий раствор купороса и поместить в него закваску (маленький кристалл который мы выбрали). Теперь начнется рост нашего кристалла. Я оставил посуду открытой, так как при этом происходит испарение воды и концентрация постоянно поддерживается на высоком уровне. Кристалл вырос за 1 неделю.

Хочу заметить, что при приготовлении насыщенного раствора в нем появлялась примесь в виде белой взвеси, которая в последствии осаживалась на дно. Для ее удаления я аккуратно переливал раствор в чистую посуду, таким образом, взвесь оставалась на дне пустой посуды и раствор получался более чистым.

Также для приготовления закваски или небольших кристаллов можно использовать более мелкую посуду. Например, в моем случае это была прямоугольная пластмассовая формочка с крышкой, размерами 10х2х2 см. В ней рост происходил немного быстрее из-за того, что вода практически полностью испарялась в течение короткого времени, и раствор получался очень насыщенным (около 3 – х дней).

1)  Закон Брюстера.

Естественный свет – это электромагнитная волна, в которой плоскости колебания векторов E и H (В литературе иногда вместо вектора H называется вектор магнитной индукции B, причем B=m*m0*H) расположены хаотично по всем произвольным направлениям в пространстве. Так как регистрирующие приборы (фото элементы, человеческий глаз) регистрируют только электрическую составляющую волны, то в дальнейшем мы будем говорить только о плоскости поляризации вектора E. Плоскость, в которой колеблется вектор E, называется плоскостью поляризации.

Поляризованным светом называется свет, в котором колебания вектора E, каким то образом упорядочены. Если вектор E колеблется в одной плоскости, то свет называют плоскостным или линейно поляризованным.

Явление поляризации света, т. е. выделение световых волн с определенной ориентацией электрического (и магнитного) вектора, имеет место при отражении или преломлении света на границе двух изотропных диэлектриков. Этот способ был открыт Малюсом, который случайно заметил, что при поворачивании кристалла вокруг луча, отраженного от стекла интенсивность света периодически возрастает и убывает, т. е. отражение от стекла действует на свет подобно прохождению через турмалин. Правда при этом не происходило полного погасания света при некоторых определенных положениях кристалла, а наблюдалось лишь его усиление и ослабление.

Закон Брюстера говорит о том, что величина угла полной поляризации света зависит от относительного показателя преломления n и определяется соотношением: tg a = n.

При изучении оптических свойств кристалла мы провели опыт по нахождению угла Брюстера. Для этого мы использовали установку, показанную на рис. 3.Свет исходил от лампы в кожухе (1), далее он проходил через диафрагму (2) с диаметром отверстия 1 см. Потом свет собирался в пучок с помощью линзы (3). Кристалл (4) устанавливался на подставку с градусной шкалой (6), таким образом чтобы он находился в фокусе линзы. Далее я добивался того, что бы отраженный свет падал обратно, т. е. угол отражения составлял бы 0°. На градусной шкале выставлялось значение 0°. После этого я поворачивал кристалл, увеличивая, таким образом, угол отражения. Отраженный свет падал на белую пластину, установленную на подставке. Перед пластиной устанавливалась линза анализатор, так чтобы весь отраженный свет проходил через нее.

Далее поворачивая линзу-анализатор вокруг оси, я наблюдал, как сильно изменяется интенсивность света падающего на пластину. Когда свет почти перестал проходить через линзу, я перестал поворачивать кристалл. Угол, при котором наблюдалась почти полная поляризация света, и, следовательно, почти полное поглощение света при повороте линзы анализатора, составил примерно 57°. Для стекла этот угол составляет примерно 56 градусов. Погрешность измерений угла составляла 57.0° ± 0.5°, тогда n = 1,54 ± 0.03.

2)  Определение эффективного сечения взаимодействия фотонов с молекулами медного купороса.

Явление фотоэффекта, опыт Боте, явление комптоновского рассеяния фотонов доказывают, что свет при взаимодействии с веществом обладает свойствами потока частиц. Частицы света называют фотонами.

Важнейшей характеристикой процессов взаимодействия любых частиц является эффективное сечение взаимодействия. Физический смысл понятия полного эффективного сечения взаимодействия фотона света с атомом или молекулой вещества можно пояснить следующим образом.

Представим себе мысленный эксперимент. Пусть параллельный поток одинаковых фотонов, испущенных источником света A <рис.4>, проходит через отверстие в непрозрачном экране B и регистрируются детектором C. Пусть площадь отверстия в экране В равна Sо и в произвольном месте этого отверстия находится один атом вещества Д. Если фотоны света пролетают через различные места отверстия В с одинаковой вероятностью, то какая-то часть из них будет попадать в атом Д и взаимодействовать с ним или рассеиваться. И в том, и в другом случае фотон будет выбиваться из параллельного пучка света и не попадать на детектор С.

Если из N0 фотонов, пролетевших через отверстие площадью So, на которой находится один атом вещества, взаимодействие с ним испытали N1 фотонов, то величину:

(1)

Называют полным эффективным сечением взаимодействия фотонов с атомами данного вещества.

Если рассматривать атом как шарик с площадью поперечного сечения S1 , то отношение числа фотонов взаимодействующих с ним а общему числу фотонов, пролетевших через отверстие, должно быть равно отношению площади поперечного сечения атома S1 к площади отверстия S0:

(2)

отсюда

(3)

Сравнивая выражения (1) и (3), мы приходим к выводу, что геометрический смысл понятия полного преломления полного эффективного сечения взаимодействия фотона с атомом вещества можно истолковать как площадь поперечного сечения атома. Работа по определению полных эффективных сечений взаимодействия фотонов с молекулами медного купороса, растворенными в прозрачной жидкости (воде), велась на установке схематически изображенной на рис. 5.

На пути параллельного пучка света, идущего от электрической лампы 1 к фотоэлементу 2, соединенному с гальванометром 3 (вместо этого можно также использовать люксметр), поставим светофильтр 4, выделяющий узкую полосу спектра, и кювету 5, заполненную дистиллированной водой. Теперь запишем показания люксметра в графу для воды. Далее не изменяя взаимного расположения элементов сменим кювету с водой на такою же кювету, но с раствором медного купороса (в нашем случае были использованы два раствора медного купороса в воде, с концентрациями 12٪ и 6٪). Полученные показания люксметра записываем в соответствующие графы таблицы. Проделываем тоже самое для всех областей спектра, меняя светофильтры.

Формула для нахождения эффективного сечения взаимодействия.

M(CuSo4)= 159*10-3 кг/моль.

Возьмем массу 1 м3 она равна 1000 кг. Тогда масса Cu2So4 равна 120 кг

1/(n*d) = 2,2 *10٪ раствор)

1/(n*d) = 4,4 *10-25 (6٪ раствор)

Найдем n для 6 и 12 процентных растворов, используя формулу:

Таблица 1

Для измерения сопротивления был использован мегомметр. При подключении кристалла он показал значение сопротивления в районе 10^12 Ом. По данному параметру кристалл медного купороса является типичным диэлектриком. Из-за столь высокого сопротивления опыты по изучению электрических свойств кристалла провести не удалось.