ИЗУЧЕНИЕ ОСНОВ КРИСТАЛЛОГРАФИИ НА ПРИМЕРЕ МЕДНОГО КУПОРОСА

С древнейших времён и до наших дней человек активно использует природный камень. Строительная отрасль является одним из наиболее активных потребителей минерального сырья, но для его эффективного применения необходимо иметь полную информацию о свойствах вещества. Одной из самых важных и любопытных особенностей минералов считается способность их к образованию замкнутых многогранников — кристаллизации. Декоративность, устойчивость к химическому и механическому воздействию и множество других характеристик минерала зависит не только от сочетания химических элементов в его составе, но и от расположения частиц в пространстве. Именно этим объясняется разница в свойствах, например, графита и алмаза (рисунок 1):

Рисунок 1. Кристаллические решётки алмаза (слева) и графита (справа)

  Исследованием свойств кристаллов занимается наука кристаллография. Владея знаниями в этой области, можно наиболее точно идентифицировать минеральные вещества, поэтому при изучении дисциплины «Геология» в учебный план включаются основы кристаллографии. Возможно, для специалиста-строителя вопрос идентификации минералов, обнаруженных в природе, не так актуален. Но строительная отрасль использует огромное количество техногенных минералов (гипс, гранит, пемза), в процессе производства которых невозможно обойтись без знания кристаллографии. Поэтому на специальности «Промышленное и гражданское строительство» я тоже изучал геологию с элементарными основами кристаллографии.

Я узнал, что при благоприятных условиях окружающей среды различные вещества могут образовать замкнутые многогранники — кристаллы (рисунок 2):

Рисунок 2. Кристаллы минералов

Каждое конкретное вещество, обладающее способностью самоограняться, может образовать кристаллы разной формы (рисунок 3):

Рисунок 3. Кристаллы разного облика, сформированные одним минеральным веществом — минералом пиритом

Кристаллы одного минерального вещества могут выглядеть по-разному, но все они подчиняются одному из фундаментальных законов кристаллографии — закону Стено (Николаус Стено, 1638—1686, датский естествоиспытатель). Он гласит: «У всех кристаллов данного вещества при данных температуре и давлении двугранные углы между соответствующими гранями кристаллов (вне зависимости от размеров и формы граней) всегда одинаковы». Таким образом, по осколку кристалла можно идентифицировать минерал, измерив углы между его гранями. Но отсюда вытекает ещё один вывод: даже повреждённый кристалл в благоприятной для роста среде принимает форму, характерную именно для этого минерала.

Данное утверждение вызвало у меня большой интерес. С одной стороны, я не стал бы подвергать сомнению слова великих учёных, работавших над законом постоянства двугранных углов (в том числе М.В. Ломоносова!). Но хотелось самому понаблюдать над этим процессом.

Я поставил перед собой цель: понаблюдать за ростом кристаллов в домашних условиях, и таким образом проиллюстрировать закон Стено. Для достижения этой цели необходимо решить две задачи:

1)  вырастить кристаллы в домашних условиях;

2)  сравнить величину двугранных углов у разных образцов.

Для того, чтобы самостоятельно вырастить кристаллы, следовало выбрать вещество доступное, не опасное в обращении, нетребовательное к условиям работы, образующее крупные кристаллы за короткое время. Веществом, соответствующим всем этим требованиям является серно-медная соль, пентагидрат CuSO₄·5H₂O, более известный как медный купорос:

·     он доступен — продаётся в каждом магазине для садоводов;

·     относится к веществам 4-го класса опасности, то есть малоопасен;

·     для выращивания кристаллов подходят обычные домашние условия;

·     судя по изученным мною источникам, кристаллы величиной в несколько сантиметров можно вырастить за 5—7 дней;

·     кристаллы медного купороса имеют декоративную небесно-синюю окраску и украсят любую коллекцию (рисунок 4):

Рисунок 4. Кристаллы медного купороса

Для выполнения эксперимента мною были использованы: медный купорос, посуда, другое оснащение: стеклянный сосуд, ложечка пластиковая, нож, нить (рисунок 5). Весь ход работы я фиксировал на фотоаппарат.

Рисунок 5. Оснащение для проведения опыта

Весь опыт занял семь дней. В первый день проведения опыта был приготовлен раствор для выращивания кристаллов: в сосуд с горячей дистиллированной водой (200 мл) я засыпал порошок медного купороса (150 г) и тщательно перемешал до получения однородного раствора.

Благодаря высокой концентрации CuSO₄·5H₂O, уже через 8 часов на дне сосуда, помещённого в тёмное тёплое место, образовались кристаллы. Из них были выбраны три образца, привязаны на нитки и помещены в раствор для выращивания (рисунок 6).

Рисунок 6. Кристаллы, выбранные для проведения опыта

При этом образец № 1 и образец № 2 были выбраны по принципу максимального внешнего сходства с идеальным кристаллом данного вещества, образец № 3 — поликристалл.

Ещё через 72 часа образцы были извлечены из раствора (рисунок 7):

Рисунок 7. Кристаллы, выбранные для проведения опыта

После осмотра образцы № 1 (эталонный) и № 3 (поликристалл) вновь были помещены в раствор, а у образца № 2 были предварительно деформированы рёбра и углы — скруглены при помощи ножа (рисунок 8):

Рисунок 8. Опытные образцы № 1, № 2 и № 3 (3 день опыта)

Закреплённые на нитках затравки были помещены в раствор, концентрация которого была увеличена для ускорения хода работы.

Извлечённые из раствора через 7 дней после начала эксперимента образцы явно изменили первоначальный облик. Образец № 1 (эталонный) значительно увеличился в размерах. Образец № 2 (деформированный) приобрёл более чёткие контуры, благодаря восстановлению углов и рёбер. Образец № 3 (поликристалл) значительно увеличился в размерах. На его поверхности хорошо выражены фрагменты отдельных кристаллов. Таким образом, первая задача была успешно выполнена (рисунок 9):

Рисунок 9. Опытные образцы № 1, № 2 и № 3 (5 день опыта)

Вторая задача, которую нужно было решить — сравнение величин двугранных углов. Для их замера используют различные приборы и приспособления, простейшим из которых является прикладной гониометр (рисунок 10):

Рисунок 10. Прикладной гониометр

Известно, что для кристаллов медного купороса, а так же для его природного аналога — минерала халькантита, характерны следующие величины двугранных углов: α=97º44´; β=125º20´; γ=94º19´ (рисунок 11):

Рисунок 11. Двугранные углы кристалла медного купороса

Выборочные замеры показали, что у полученных в результате опыта кристаллов двугранные углы практически соответствуют указанным величинам (рисунок 12, 13).

Рисунок 12 и 13. Двугранные углы кристалла медного купороса образцы 1 и 2

Вывод: поставленная цель была достигнута, на примере самостоятельно выращенных кристаллов медного купороса мне удалось проиллюстрировать закон Стено (закон постоянства двугранных углов).

Список литературы:
1.    Кантор Б.З. Минерал рассказывает о себе. — М.: Недра, 1985. — 135 с., ил. 60.
2.    Лазаренко Е.К. Курс минералогии. Учебник для студентов. — М.: Высшая школа. 1971. — 608 с.
3.    Главнейшие горные породы, применяемые в строительстве URL: http://stroy-server.ru/notes/glavneishie-gornye-porody-primenyaemye-v-stroitelstve (дата обращения 20.04.2014).