Вирощування кристалів сегнетової солі

Avatar
Автор Атамась Артем
Науковий співробітник НЦ "Мала академія наук України", кандидат технічних наук. Сфера наукових інтересів: розвиток технологій наукової освіти.

Завдання роботи:

отримати зразки монокристалів сегнетової солі.

Обладнання:

– термостат ТС-1/80 СПУ;
– магнітна мішалка ПЕ-6110М;
– кристалізатори;
– порошок сегнетової солі;
– цифровий термометр UT325;
– фільтрувальний папір;
– скляна лійка.

Теоретична частина


Рис. 1. Магнітна мішалка ПЕ-6110М


Рис. 2. Термостат ТС-1/80 СПУ

Кристалами називаються тверді тіла, в яких атоми розташовані закономірно, утворюючи тривимірну періодичну просторову укладку.
Кристали мають природну зовнішню форму багатогранників, що базується на їхній внутрішній структурі, тобто на одному з декількох визначених регулярних розташувань частинок, що складають зазначену речовину (атомів, молекул або іонів).
Кристалічна структура – це розташування часток (атомів, молекул, іонів) у кристалі. Будучи індивідуальною для кожної речовини, кристалічна структура належить до основних фізико-хімічних властивостей цієї речовини. Кристалічну структуру з тривимірною періодичністю називають кристалічною ґраткою.
До речовин, що мають кристалічну будову, належать, наприклад, метали, солі, крига тощо.
Солі існують у формі кристалогідратів – кристалів, що містять у своїй структурі молекули води. Більш звичною формою солей є дрібнокристалічний порошок, наприклад кухонна сіль, цукор, мідний купорос тощо. Але солі можуть існувати також у формі великих монокристалів як природного, так і штучного походження.

Метою цієї роботи є штучне отримання монокристалу на прикладі сегнетової солі.

Сегнетова сіль – це тетрагідрат подвійної натрієво-калієвої солі винної кислоти – KNaC4H4O6•4H2O. У неї вперше були виявлені аномальні діелектричні та п’єзоелектричні властивості. За її назвою отримав назву цілий клас діелектричних речовин – сегнетоелектрики.
Монокристали сегнетової солі раніше досить широко застосовувалися в радіоелектроніці, зокрема у капсулях мікрофонів, ларингофонів та телефонів як п’єзоелементи для перетворення акустичного сигналу на електричний і навпаки. Для цього такі кристали вирощували у промислових масштабах.
Схема кристалу сегнетової солі зображена на рисунку 3.


Рис. 3. Схема монокристалу сегнетової солі

Потенціал використання кристалів сегнетової солі обмежений через високу гігроскопічність, ламкість та невеликі температурні інтервали. Тому згодом сегнетова сіль була витіснена сегнетокерамічними матеріалами на основі титанатів барію та стронцію.

Хід роботи

1. Увімкніть термостат та виставте на ньому температуру 22-24 °С.
2. Налийте до чистого кристалізатора дистильовану воду у кількості приблизно 2/3 від його об’єму.
3. Установіть кристалізатор на магнітну мішалку та увімкніть її до мережі 220 В, 50 Гц.
4. Увімкніть і виставте швидкість обертання магнітного змішувача.
5. Увімкніть нагрів магнітної мішалки.
6. Повільно засипайте порошок сегнетової солі до кристалізатора з водою доти, доки він припинить розчинятися. При цьому шляхом періодичного вимкнення нагріву підтримуйте температуру розчину в кристалізаторі у межах 28-30 °С.
7. Вимкніть магнітну мішалку та відфільтруйте отриманий розчин за допомогою скляної лійки та фільтрувального паперу.
8. Залийте відфільтрований розчин до чистого кристалізатора.
9. Опустіть до розчину декілька дрібних кристалів солі більш-менш правильної форми, поставте кристалізатор до термостату, закрийте дверцята термостату, увімкніть вентиляцію термостату та залиште у ньому кристалізатор на ніч.
10. Наступного дня вийміть кристалізатор із термостату та відфільтруйте розчин, не порушуючи осад на дні кристалізатора. Отриманий чистий розчин помістіть до термостату.
11. З отриманого осаду виберіть декілька кристалів найбільш правильної форми та найбільш прозорих для вирощування з них майбутніх великих кристалів (рис. 4).


Рис. 4. Дрібні кристали сегнетової солі

12. Недовго промийте отримані кристали в дистильованій воді з температурою 22-24 °С.
13. Помістіть отримані дрібні кристали в кристалізатор, розташований у термостаті. В одному кристалізаторі можна розміщувати до трьох дрібних кристалів, залежно від очікуваного розміру майбутніх великих кристалів. Кристали слід розмістити так, щоб відстань між ними та стінками кристалізатора була приблизно однаковою.
14. Кристалізатор для вирощування кристалів залишається у термостаті на 2-3 тижні. Протягом цього часу необхідно періодично виймати кристалізатор, виймати з нього кристали, фільтрувати розчин та недовго промивати кристали в теплій дистильованій воді. Протягом перших 4-5 днів таку процедуру необхідно здійснювати кожного дня. Далі періодичність фільтрування розчину можна збільшити до 1 разу на два дні. Приклад отриманих кристалів зображено на рисунку 5.


Рис. 5. Приклад отриманих кристалів сегнетової солі.

Аналіз даних

1. Керуючись рисунком 3, визначте полярну вісь а отриманих кристалів, вздовж якої спостерігаються аномальні діелектричні властивості сегнетової солі.
2. Визначте грані кристалу, де має спостерігатися п’єзоелектричний ефект. На рисунку 3 це грані, перпендикулярні до осей а та b.