Kryształy w życiu człowieka

Transkrypt

1 Kryształy w życiu człowieka Aleksandra Grądziel, klasa III gimnazjum Zespół Szkół Ogólnokształcących Sportowych nr 2 w Krakowie gimnazjum im. Trzech Wieszczów nr 46

2 Wykazano, że jony związku jonowego nie są rozrzucone bezładnie w przestrzeni, lecz rozmieszczone w sposób uporządkowany, zgodnie z określonymi prawidłowościami, w równomiernych odstępach. Ten układ nazywa się siecią jonową. Elementami tej sieci są jony dodatnie i ujemne. Sposób rozmieszczenia elementów sieci nazywa się typem sieci. Substancje stałe o budowie sieciowej nazywa się kryształami. Krzyształy mogą mieć różne kształty. Obserwowana zewnętrzna forma krystaliczna zależy od sposobu rozmieszczenia elementów sieci typu sieci. Najważniejszą metodą wyznaczania struktury sieciowej kryształów jest rentgenowska analiza strukturalna. Metoda ta pozwala na wyznaczania promieni atomowych i jonowych. Po raz pierwszy zastosował ją w 1912 roku Max V. Laute i otrzymał za swoja pracę nagrodę Nobla w 1914 roku. Rozróżnia się cztery zasadnicze typy sieci krystalicznych: 1. cząsteczkowa, molekularna (utworzona z cząsteczek polarnych lub niepolarnych, wiązania chemiczne są bezkierunkowe, kryształy o takiej sieci krystalicznej stanowią dobre izolatory),

3 2. atomowa (złożona z atomów, wiązania chemiczne są skierowane przestrzennie, kryształ o takiej sieci krystalicznej jest izolatorem lub półprzewodnikiem) np. w krzemie (Si), 3. jonowa (złożona z różnoimiennie naładowanych jonów, wiązania chemiczne są bezkierunkowe, kryształ o takiej sieci krystalicznej jest w temperaturze pokojowej izolatorem lub półprzewodnikiem, w wysokich temperaturach wykazuje przewodnictwo jonowe) np. w NaCl, 4. metaliczna (złożona z jonów metalu "zanurzonych" w gazie elektronowym, wiązania chemiczne są bezkierunkowe, kryształ o takiej sieci krystalicznej jest dobrym przewodnikiem) np. w metalach.

4 Starożytni mieli teorie powstawania kryształów opartą na hipotezie, że kryształy to w rzeczywistości lód powstały w odległych, bardzo zimnych miejscach. Jak teraz wiadomo, ich rozważania dotyczyły tylko jednego szczególnego minerału kwarcu a przede wszystkim jego przezroczystej i bezbarwnej odmiany, zwanej obecnie kryształem górskim. Kwarc, jeden z najpospolitszych minerałów na Ziemi, to dwutlenek krzemu, który w stanie wolnym i jako składnik krzemianów stanowi niemal 60% skorupy ziemskiej. Wszystkie złote piaszczyste plaże na Ziemi są zasłane nieprzeliczalną masą drobnych ziaren kwarcu, zabawionych na powierzchni żółtą powłoką związków żelaza. Barwa kwarcu zależy od śladowych domieszek różnych pierwiastków, dlatego ma on wiele odmian: ametyst (fioletowy ), kwarc różowy (różowy ), cytryn (żółty), kryształ górski (bezbarwny)

5 KRYSZTAŁY NA PRZESTRZENI WIEKÓW Narzędzia i broń Minerały to katalizatory procesów prowadzących prehistoryczną ludzkość ku cywilizacji. Odkrycie pewnej właściwości kwarcu: zjawiska tak zwanego przełamu muszlowego nie wiemy, czy dokonane przypadkowo, czy na drodze eksperymentalnej doprowadziło do celowego wytwarzania narzędzi i broni, które zastąpiło mozolne poszukiwania odpowiedniego gotowego materiału. Pod wpływem silnego uderzenia kawałki krzemienia rozłupują się, tworząc łukowatą, podobną do brzegu muszli krawędź, ostrą i twardą jak stal.

6 Z krzemieniem związane jest też zjawisko zwane piezoelektrycznością polegające na powstawaniu potencjału elektrycznego wewnątrz pewnych kryształów wraz ze zmianami ich naprężeń. Bodziec mechaniczny generuje powstanie ładunków elektrycznych i iskry, która może rozniecić ogień. Na tym samym mechanizmie opiera się konstrukcja współczesnych zapalniczek. Kilka tysięcy lat po odkryciu ognia, który ogrzewał, żywił i bronił, ludzie posłużyli się piezoelektrycznością do stworzenia broni masowej zagłady. Gdy bomby zrzucane z samolotów w drugiej wojnie światowej uderzały o ziemię, dzięki kryształom piezoelektrycznym umieszczonym w ich czubkach, bodziec mechaniczny przekładał się na ładunek elektryczny, potrzebny do zdetonowania konstrukcji.

7 Obecnie bardzo rozpowszechnione są czujniki z sensorami piezoelektrycznymi. Są one mało podatne na zmiany związane z ich starzeniem się, a fakt, że bezpośrednio przetwarzają ciśnienie na napięcie sprawia, że są bardzo precyzyjne, a jednocześnie łatwe w aplikacji. Są także najszybszymi z dostępnych obecnie na rynku czujników tego typu. W praktyce czujniki ciśnienia stosuje się w pomiarach w procesach przemysłowych, pomiarach akustycznych, zliczaniu przejeżdżających przez autostradę samochodów, badaniach eksplozji bomb, a nawet podczas prób z silnikami rakietowymi!

8 Biżuteria Dzięki swemu pięknu klejnoty i kamienie ozdobne przez tysiące lat służyły różnym cywilizacjom do celów dekoracyjnych. W większości społeczeństw biżuteria była oznaką przynależności do określonej klasy społecznej. W drugiej połowie XVIII w. biżuteria straciła większość swojej magicznej mocy. Od tamtej pory jest ceniona za walory dekoracyjne i finansowe.

9 Diament minerał z gromady pierwiastków rodzimych. Nazwa pochodzi od starogreckiego adamas = "niepokonany, niezniszczalny" i nawiązuje do wyjątkowej twardości tego minerału. Jest najtwardszą znaną substancją z występujących w przyrodzie. To jedyny wśród kamieni szlachetnych, zbudowany z jednego pierwiastka - czterowartościowego węgla (C). Od zwykłego węgla i grafitu różni się tylko nadzwyczaj zwartym, regularnym układem przestrzennym atomów C, co w efekcie daje niesamowite efekty załamywania się światła. Dlatego właśnie diamenty mają żywy blask i dużą siłę iskrzenia. Jednak w takiej formie nie występują w naturze. Aby uzyskać efekt świetlny tak zwanej brylacji diament poddawany jest misternej obróbce. W naszej kulturze istnieje określenie nieoszlifowany diament odnoszące się zazwyczaj do kogoś, kto posiada pewien potencjał (np. wybitne cechy charakteru, umiejętności, etc.), które wymagają odkrycia, ujawnienia, ociosania. Powiedzenie to wynika bezpośrednio z wyglądu diamentu w naturze, który prawie nie różni się od zwykłego krzemienia, jest niekształtny i chropowaty. Zanim zamieni się w brylant może stracić ok. 50% swojej masy.

10 Zastosowanie diamentu: w jubilerstwie, w technice do szlifowania i polerowania drogich kamieni i ciecia szkła, w górnictwie jako nasadki wierteł, świdrów, do wyrobu twardościomierzy i igieł fonograficznych, jako elementy w aparaturze naukowej i medycznej. Urządzenie do cięcia szkła Twardościomierz służący do pomiaru twardości metali metodą Vickersa, w którym wykorzystuje się czworoboczny foremny ostrosłup diamentowy. Diamenty nie mające szczególnej wartości rozdrabnia się i używa jako końcówki do skalpeli i wierteł chirurgicznych.

11 Kryształ górski (greckie Krystallos - lód) bezbarwny, przezroczysty minerał. Znane są kryształy górskie o masie wielu ton, lecz kamienie warte oszlifowania zdarzają się dość rzadko. Właściwości: Nieskazitelna czystość, silny połysk sprawiły, że był on często utożsamiany z diamentem; stąd wiele nazw nieprawidłowych jak: diament alaskański, bohemiński, islandzki, meksykański lub marmora. Jest minerałem nadzwyczaj odpornym na działanie kwasów i zasad. Rozpuszcza się jedynie w kwasie fluorowodorowym. Niekiedy występują w kryształach inkluzje obcych minerałów: goethytu (kwarc gwiaździsty), złota, pirytu, rutylu, turmalinu. Sławne są małe, przezroczyste jak woda kryształy z marmurów Carrary (Włochy) i tzw. diamenty z Herkimer (okręg Herkimer w stanie Nowy Jork USA) jego średnica nie przekracza 1 cm.

12 Polak Jan Czochralski w 1916 r. został autorem genialnego odkrycia sposobu hodowania dużych monokryształów metali. Współcześnie metodą Czochralskiego hoduje się monokryształy krzemu. Ta metoda znalazła swoje rewelacyjne zastosowanie dopiero w 50-tych latach, po skonstruowaniu tranzystora i wprowadzeniu półprzewodników do elektroniki. Więcej, bez metody Czochralskiego nie byłoby dzisiaj elektroniki tak wszechobecnej w naszym życiu. Tą właśnie metodą otrzymywane są monokryształy krzemu dla układów scalonych, będących sercem wszelkich współczesnych urządzeń elektronicznych: komputerów, telefonów komórkowych, cyfrowych aparatów fotograficznych, chipowych kart bankomatowych i wielu urządzeń codziennego użytku, o których nawet nie wiemy, że w środku mają nowoczesny układ scalony na krzemie wyhodowanym metodą Czochralskiego. Nie bez powodu nazywa się twórcę metody ojcem elektroniki.

13 Ciekłe kryształy nazwa fazy pośredniej między ciekłym i krystalicznym stanem skupienia materii, którą charakteryzuje zdolność do płynięcia, charakterystyczna dla cieczy i jednocześnie dalekozasięgowe uporządkowanie tworzących ją cząsteczek, podobnie jak to ma miejsce w kryształach. W fazie krystalicznej wszystkie cząsteczki są ściśle uporządkowane i nie mają w ogóle swobody ruchu. W fazie ciekłej jest odwrotnie cząsteczki mają pełną swobodę przemieszczania się w obrębie objętości cieczy i jednocześnie nie są w żaden sposób dalekozasięgowo uporządkowane. Natomiast w fazie ciekłokrystalicznej sytuacja jest pośrednia cząsteczki mają częściową swobodę ruchu i jednocześnie są częściowo uporządkowane.

14 W latach siedemdziesiątych ubiegłego stulecia nastąpił burzliwy rozwój badań nad tymi substancjami chemicznymi, związany z ich różnorodnymi zastosowaniami. Medycyna - termografia ciekłokrystaliczna Zastosowanie związków ciekłokrysta licznych w medycynie polega na zobrazo waniu pola temperatury na powierzchni skóry pacjenta. Umożliwia to wykrywanie ewentualnych procesów patologicznych, które z reguły powodują zaburzenia roz kładu temperatury. Obecnie wiele opraco wanych metod stosuje się do lokalizacji i diagnostyki nowotworów złośliwych i nie złośliwych oraz ognisk ropno-zapalnych.

15 Wyświetlacz ciekłokrystaliczny Żaluzje ciekłokrystaliczne Płaskie monitory ciekłokrystaliczne Ekrany ciekłokrystaliczne stały się popularnym elementem wyposażenia na szych mieszkań. Zajmują mało miejsca, w dodatku mają bardzo przyjemny dla oka, stabilny i kontrastowy obraz. Ważny jest również aspekt zdrowotny w przeciwieństwie do monitorów tradycyjnych, monitory ciekłokrystaliczne praktycznie nie emitują szkodliwego promieniowa nia elektromagnetycznego. Papier elektroniczny

16 SAMODZIELNA KRYSTALIZACJA OCTANU SODU Rozpuszczanie kryształów octanu sodu w gorącej wodzie (zgodnie z krzywą rozpuszczalności w podwyższonej temperaturze można rozpuścić więcej badanej substancji). Krystalizacja, czyli wydzielanie się z roztworu nasyconego, nadmiaru octanu sodu po obniżeniu temperatury.

17 Bibliografia 1. Pajdowski L., Chemia ogólna cz. 2, Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa Dobrosz-Teperek K., Dasiewicz B., Natura i zastosowanie związków ciekłokrystalicznych, Nauka i Technika 5/ Hassa R., Mrzigod J., Nowakowski J., Podręczny słownik chemiczny Wyd. I. Katowice: Videograf II, 2004 Dziękuję za uwagę