Номер 7, страница 176 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

7. Какова роль кристаллов в живых организмах?

Какими способами получают искусственные кристаллы?

Искусственные кристаллы, которые находят широкое применение в науке и технике (от ювелирных изделий до лазеров и микроэлектроники), получают несколькими основными способами. Выбор метода зависит от химических и физических свойств вещества, а также от требований к размеру, чистоте и совершенству кристаллической структуры.

1. Кристаллизация из раствора. Это наиболее распространенный и интуитивно понятный метод. Готовят пересыщенный раствор вещества, из которого при изменении условий начинают расти кристаллы. Пересыщение можно создать:
- медленным охлаждением горячего насыщенного раствора;
- постепенным испарением растворителя при постоянной температуре;
- изменением состава растворителя для уменьшения растворимости вещества.
Этот метод используется для выращивания кристаллов сахара, поваренной соли ($NaCl$), медного купороса ($CuSO_4 \cdot 5H_2O$) и многих других.

2. Кристаллизация из расплава. Данный метод подходит для веществ, которые плавятся без разложения. Он включает в себя несколько техник:
- Метод Чохральского: В расплав опускают небольшой затравочный кристалл, который затем медленно вытягивают вверх, одновременно вращая. Расплав кристаллизуется на затравке, образуя большой цилиндрический монокристалл (булю). Этим методом в промышленных масштабах получают монокристаллы кремния и германия для полупроводниковой промышленности.
- Метод Бриджмена-Стокбаргера: Вещество расплавляют в контейнере специальной формы, который затем медленно перемещают через зону с градиентом температур. Кристаллизация начинается с заостренного холодного конца контейнера и постепенно распространяется на весь объем расплава.
- Метод Вернейля: Мелкодисперсный порошок вещества подается через пламя (например, кислородно-водородное), где он плавится. Капли расплава падают на подложку, постепенно наращивая монокристалл. Исторически этот метод был разработан для получения искусственных рубинов и сапфиров.

3. Кристаллизация из газовой фазы. Вещество переводят в газообразное состояние (испаряют), а затем его пары конденсируются на более холодной поверхности (подложке) в виде кристаллов. Этот метод позволяет получать материалы высокой чистоты и совершенства, а также наносить тонкие кристаллические пленки. Так выращивают, например, кристаллы карбида кремния ($SiC$).

4. Гидротермальный синтез. Этот метод имитирует природные процессы образования минералов в земной коре. Кристаллизация происходит из водных растворов при высоких температурах (сотни градусов Цельсия) и давлениях (сотни атмосфер) в герметичных стальных сосудах — автоклавах. Основное промышленное применение — выращивание монокристаллов кварца ($SiO_2$) для радиотехники и часовой промышленности.

Ответ: Искусственные кристаллы получают различными методами, основными из которых являются: кристаллизация из раствора (охлаждением или испарением), кристаллизация из расплава (методы Чохральского, Бриджмена, Вернейля), кристаллизация из газовой фазы и гидротермальный синтез в автоклавах.

Какова роль кристаллов в живых организмах?

Кристаллы, образующиеся в живых организмах в процессе биоминерализации, играют множество важнейших ролей, от создания опорных структур до участия в сенсорных и метаболических процессах.

1. Опорная и защитная функция. Это наиболее очевидная роль биокристаллов.
- Скелет позвоночных: Кости и зубы на 60-70% состоят из минерала гидроксиапатита ($Ca_{10}(PO_4)_6(OH)_2$), кристаллы которого образуют прочный каркас, армированный белковыми волокнами (коллагеном). Зубная эмаль — самое твердое вещество в теле человека — почти на 97% состоит из кристаллов гидроксиапатита.
- Защитные покровы: Раковины моллюсков, панцири ракообразных и скорлупа птичьих яиц состоят из кристаллов карбоната кальция ($CaCO_3$) в форме кальцита или арагонита, которые обеспечивают механическую защиту.
- Скелеты простейших: Экзоскелеты одноклеточных организмов, таких как диатомовые водоросли и радиолярии, построены из аморфного кремнезема ($SiO_2 \cdot nH_2O$).

2. Сенсорная функция. Микроскопические кристаллы участвуют в восприятии окружающей среды.
- Равновесие и слух: Во внутреннем ухе позвоночных (включая человека) находятся отолиты — микрокристаллы карбоната кальция. Их смещение под действием силы тяжести и ускорений позволяет вестибулярному аппарату определять положение тела в пространстве.
- Магниторецепция: В клетках некоторых бактерий, перелетных птиц и рыб обнаружены наноразмерные кристаллы магнетита ($Fe_3O_4$). Считается, что они действуют как стрелка компаса, позволяя организмам ощущать магнитное поле Земли и использовать его для навигации.

3. Метаболическая функция и хранение веществ.
- Хранение железа: В клетках практически всех живых организмов железо хранится в составе белка ферритина. Внутри его белковой оболочки находится ядро из кристаллов минерала ферригидрита. Это позволяет безопасно хранить токсичные в свободном виде ионы железа.
- Регуляция и защита у растений: Во многих растениях (щавель, бегония) в клетках образуются кристаллы оксалата кальция ($CaC_2O_4$). Они могут выполнять несколько функций: служить формой хранения кальция, связывать и выводить избыток щавелевой кислоты, а их острые игольчатые формы (рафиды) защищают растение от поедания травоядными животными.

4. Патологические образования. Иногда образование кристаллов в организме не несет полезной функции, а является причиной заболеваний. Примерами могут служить камни в почках или желчном пузыре (часто состоят из оксалатов или фосфатов кальция) и отложение кристаллов уратов (солей мочевой кислоты) в суставах при подагре.

Ответ: В живых организмах кристаллы выполняют опорную и защитную функции (кости, раковины), сенсорную (отолиты для равновесия, магнетит для навигации), а также метаболическую, являясь формой хранения и регуляции веществ (железо в ферритине, кальций в растениях). Их неконтролируемое образование может приводить к заболеваниям (подагра, камни в почках).