Номер 7, страница 68 - гдз по физике 8 класс учебник Пурышева, Важеевская

Глава 2. Механические свойства жидкостей, газов и твёрдых тел. Параграф 17. Свойства твёрдых тел. Темы докладов и проектов - номер 7, страница 68.

Условие.

7. Выращивание кристаллов.

Решение.

Выращивание кристаллов — это процесс формирования твёрдых тел с упорядоченной внутренней структурой (кристаллической решёткой) из раствора, расплава или газовой фазы. Целью является получение монокристаллов (единичных, крупных и однородных кристаллов) или поликристаллических материалов с определёнными свойствами.

Основные принципы и условия кристаллизации

В основе большинства методов выращивания кристаллов из раствора лежит создание пересыщенного состояния. Пересыщенный раствор — это такой раствор, в котором концентрация растворённого вещества превышает его равновесную растворимость при данных условиях (температуре, давлении). Это термодинамически неустойчивое состояние, и система стремится вернуться к равновесию, выделяя «избыток» вещества в виде твёрдой фазы — кристалла.

Процесс кристаллизации включает два основных этапа:

1. Зарождение центров кристаллизации. Ими могут служить мельчайшие частицы примесей (пылинки), дефекты на стенках сосуда или специально внесённый маленький кристаллик того же вещества (затравка).

2. Рост кристалла. После образования зародыша к его граням начинают присоединяться новые молекулы или ионы из пересыщенного раствора, и кристалл увеличивается в размерах, сохраняя свою характерную форму.

Для получения качественных и крупных кристаллов необходимо обеспечивать медленное и контролируемое создание пересыщения, а также поддерживать постоянные условия (температуру, отсутствие вибраций).

Ответ: Основой выращивания кристаллов является создание пересыщенного раствора, в котором избыток растворённого вещества осаждается на центрах кристаллизации, формируя упорядоченную структуру.

Методы выращивания кристаллов

Существует несколько основных методов, которые выбирают в зависимости от свойств вещества и требуемого результата.

1. Медленное охлаждение насыщенного раствора

Этот метод подходит для веществ, растворимость которых значительно увеличивается с ростом температуры (например, медный купорос, алюмокалиевые квасцы, сахар).
Процесс:
- Приготовление насыщенного раствора при высокой температуре путём растворения вещества в горячем растворителе до тех пор, пока оно не перестанет растворяться.
- Фильтрация горячего раствора для удаления примесей.
- Медленное охлаждение раствора. По мере снижения температуры растворимость вещества падает, раствор становится пересыщенным, и начинается кристаллизация. Чем медленнее происходит охлаждение, тем крупнее и правильнее получаются кристаллы.

2. Медленное испарение растворителя

Данный метод используется для веществ, чья растворимость слабо зависит от температуры (например, поваренная соль $NaCl$).
Процесс:
- Приготовление насыщенного или близкого к нему раствора при комнатной температуре.
- Раствор помещается в открытую ёмкость (её можно прикрыть марлей или фильтровальной бумагой для защиты от пыли).
- Растворитель (обычно вода) постепенно испаряется, что приводит к увеличению концентрации растворённого вещества.
- Когда раствор становится пересыщенным, начинается рост кристаллов. Этот процесс обычно занимает больше времени, чем метод охлаждения.

3. Выращивание из расплава

Эти методы широко применяются в промышленности для получения монокристаллов, используемых в электронике и оптике.
- Метод Чохральского: используется для выращивания монокристаллов кремния, германия, сапфира. В тигель с расплавом вещества опускают небольшой затравочный кристалл. Затравку медленно вращают и вытягивают вверх. На ней нарастает большой цилиндрический монокристалл (буля).
- Метод Бриджмена-Стокбаргера: вещество расплавляют в контейнере специальной формы, который затем медленно перемещают из горячей зоны печи в холодную. Кристаллизация начинается на заострённом конце контейнера и постепенно распространяется на весь объём расплава.

4. Кристаллизация из газовой фазы

Этот метод основан на процессе десублимации — прямом переходе вещества из газообразного состояния в твёрдое. Вещество испаряют в одной части герметичной камеры, а его пары конденсируются в виде кристаллов на более холодной поверхности (подложке). Так, например, можно получить кристаллы йода или вырастить тонкие плёнки полупроводников.

Ответ: Основные методы выращивания кристаллов включают охлаждение насыщенного раствора, испарение растворителя, кристаллизацию из расплава (методы Чохральского, Бриджмена) и кристаллизацию из газовой фазы.