Исследование минеральных ресурсов района, края, области имеет большое познавательное значение, способствует повышению интереса школьников к углублённому изучению химии и других предметов естественного цикла. Учащиеся под руководством педагога овладевают приёмами практического применения знаний, полученных на уроках химии.
Работа по изучению натуральных объектов, представляющих собой минералы и руды, может быть организована учителем химии в три этапа.
1. Подготовительный этап. Учащиеся (члены кружка) под руководством учителя химии, геолога, студента вуза овладевают методикой определения катионов и анионов, приобретают необходимые знания для работы с оборудованием и реактивами при геолого-химическом анализе.
2. Полевая практика. Организуется в тёплое время года в местах разработок полезных ископаемых, районы естественных обнажений горных пород (овраги, речные долины и т.д.). Здесь производится отбор проб и их экспресс-анализ с целью установления пригодности для последующего изучения.
3. Обработка полученного материала. Проводится в осенне-зимний период. К этой работе могут быть привлечены не только члены кружка, но и все учащиеся.
Далее пойдёт речь об организации полевой практики.
Для определения (диагностики) минералов существует комплекс различных методов, начиная от самых простых, поверхностных, и кончая детальными исследованиями с применением особых приборов. В практике наиболее простым является определение минералов по внешней форме – морфологическим особенностям кристаллов и их агрегатов. Но это возможно лишь в тех редких случаях, когда форма минерала типична и он представлен достаточно крупными кристаллами или однородными мономинеральными агрегатами. Для определения минерала одних морфологических особенностей недостаточно, необходимо применять более сложные методики, например изучения комплекса его физических свойств. Простейшие химические реакции помогают установить наличие или отсутствие в минерале отдельных химических элементов.
В полевых условиях можно сделать предварительный качественный анализ. Для химического анализа часто берут растворы, получаемые после обработки руд и минералов кислотами, и действуют на них также растворами реактивов. Но в полевых условиях дистиллированную воду, необходимую для приготовления растворов, достать невозможно. К тому же опыт показывает, что химические реакции можно проводить и между твёрдыми веществами, если их растереть (метод растирания – один из сухих методов качественного анализа). Ещё в 19 веке профессор Казанского университета Флавицкий Ф.М. очень убедительно доказал, что все реакции, которые до этого проводились в растворах, удаются и при проведении их между твёрдыми веществами. Флавицкий даже изобрёл карманную химическую лабораторию, которой можно было пользоваться при проведении химических реакций. В ней использовались чистые соли. Но выделить из руды или минерала соль какого-либо металла в чистом виде, чтобы провести реакцию между твёрдыми веществами, крайне трудно. А что если проводить реакцию прямо с минералом? Практика подтвердила, что в большинстве случаев это можно делать. Но иногда реакция может и не произойти. Как быть тогда?
Как говорилось выше, для получения растворов на руды и минералы действуют кислотами. А есть ли возможность разложить их без кислот? Оказывается, можно. Как известно, соли аммония при нагревании разлагаются. Например, сульфат аммония разлагается на аммиак, оксид серы (VI) и воду. Хлорид аммония разлагается на аммиак и хлороводород. Благодаря этой особенности солей аммония, их используют для разложения минералов. При нагревании минералов с сульфатом аммония образуются сульфаты тех металлов, которые входили в состав руды. После разложения масса имеет светло-серый цвет. Слишком перегревать массу нельзя, т.к. некоторые сульфаты при сильном нагревании разлагаются до оксидов. При разложении минерала хлоридом аммония образуются хлориды металлов. Но нужно учесть, что некоторые хлориды при сильном нагревании улетучиваются. Это хлорид железа (III), хлорид алюминия, хлорид титана (IV), хлорид сурьмы (V) и некоторые другие. Таким образом, нужно уметь правильно подобрать аммонийную соль, которая была бы пригодна для разложения руд и минералов.
Аналитические реакции можно проводить на поверхности минералов. Для этого отбивают геологическим молотком кусок минерала и проводят реакцию на месте свежего излома. Можно также выбранное место на минерале вначале осторожно зачистить стальным ножом, чтобы снять поверхностный слой, и проводить реакцию на обнажённой поверхности. На зачищенное место или свежий излом помещают немного нужного реактива и растирают его на возможно малой площадке стеклянной палочкой. Важно, чтобы конец стеклянной палочки был не закруглённым, а плоским, но без острых краёв. Если реакция на поверхности не дала ожидаемого результата, то это не значит, что определяемый элемент отсутствует. Тогда проводят реакцию с измельчённым минералом. Небольшую порцию минерала помещают в ступку и растирают пестиком как можно тщательнее. Затем порошок переносят в фарфоровый тигель, добавляют требуемый реактив и смесь осторожно и очень тщательно растирают. Иногда массу нужно увлажнить дыханием. Для этого на тигелёк дышат и отводят его ото рта во время вдоха, чтобы порошкообразные реактивы не попали в дыхательные пути. Увлажнение полезно делать и добавлением в тигель капли дистиллированной воды. Если же реакция с измельчённым минералом не даёт положительного результата, измельчённый образец разлагают нагреванием с сульфатом аммония. Если разложение с первого раза не закончится, то добавляют новую порцию сульфата аммония и нагревание продолжают. Нагревание продолжать до прекращения выделения белого дыма – оксида серы (VI).
Исходя из списка минеральных ресурсов, встречающихся на территории Архангельской области (таблица 1), рекомендован следующий состав полевой геохимической лаборатории:
1. Основные реактивы (твёрдые)
1.1. Ализарин или алюминон – для определения алюминия
1.2. Диметилглиоксим – для определения никеля
2. Основные реактивы (растворы)
2.1. Соляная кислота – для открытия карбонат-иона
2.2. Магнезон (щелочной раствор) – для открытия магния
3. Вспомогательные реактивы
3.1. Щавелевая кислота (лимонная кислота, винная кислота) - для маскировки мешающих ионов
3.2. Сульфат аммония – для разложения минералов
4. Оборудование
4.1. Фарфоровые ступки
4.2. Фарфоровые пестики
4.3. Фарфоровые тигли
4.4. Тигельные щипцы
4.5. Стеклянные палочки
4.6. Шпатель
4.7. Нож
4.8. Скальпель
4.9. Лупа
4.10. Пинцет
4.11. Ложечка
4.12. Пипетки-капельницы
4.13. Молоток
4.14. Неглазурованная фарфоровая пластинка
4.15. Сухое горючее и спички
Для исследования мы рекомендуем 13 минералов, встречающихся на территории Архангельской области. Из них 7 минералов образуют месторождения, пригодные для разработки в промышленных масштабах, а 6 минералов образуют рудопроявления, не пригодные для промышленной разработки.
Химический состав минералов можно исследовать сухими и мокрыми методами. Из 13 минералов 1 исследуется только сухим методом; 8 минералов – только мокрым методом; 4 минерала – и сухим, и мокрым.
Таблица 1.
Качественный анализ минералов и горных пород Архангельской области
|
Минералы |
Химическая формула |
Компоненты, которые обнаруживаются |
|
сухим методом |
мокрым методом |
|||
1 |
Ангидрит |
CaSO4 |
|
Ca2+, SO42- |
2 |
Антимонит |
Sb2S3 |
Sb3+ |
Sb3+, S2- |
3 |
Боксит |
Al2O3 |
Al3+ |
|
4 |
Галенит |
PbS |
Pb2+ |
Pb2+, S2- |
5 |
Гипс |
CaSO4 |
|
Ca2+, SO42- |
6 |
Доломит |
CaMg(CO3)2 |
|
Ca2+, Mg2+, СO32- |
7 |
Известняк |
CaCO3 |
|
Ca2+, CO32- |
8 |
Куприт |
Cu2O |
|
Cu в виде Cu2+ |
9 |
Малахит |
(CuOH)2CO3 |
Cu2+, OH-, CO32- |
Cu2+ |
10 |
Медно-никелевая руда |
(Fe,Ni)9S8; FeS; CuFeS2 |
Ni2+, Fe2+,Fe3+ |
S2-, Ni2+, Fe2+, Fe3+, Cu2+ |
11 |
Селенит |
CaSO4 |
|
Ca2+, SO42- |
12 |
Флюорит |
CaF2 |
|
Ca2+, F- |
13 |
Целестин |
SrSO4 |
|
Sr2+, SO42- |
Физические свойства минералов приведены в приложении 1.
Далее в качестве примера приведен алгоритм проведения сухого химического анализа минерала примере боксита.
Боксит – гидратированный оксид алюминия Al2O3 
nH2O. Минерал содержит значительные примеси гидратированного оксида железа (III) Fe2O3 nH2O. Для обнаружения алюминия используется реакция с алюминоном, аналитический эффект – коричнево-красное окрашивание.
Методика выполнения анализа.
Измельченную пробу минерала смешать в тигле с 5-6-кратным количеством сульфата аммония и массу нагревать до прекращения выделения паров оксида серы(VI). После разложения масса должна иметь белый или серый цвет. Немного разложенной массы поместить в чистый тигель, добавить немного порошка винной или лимонной кислоты (для устранения влияния железа), несколько кристалликов алюминона и растереть стеклянной палочкой.
Аналитический эффект усиливается при добавлении капли дистиллированной воды.
Комментарии к методике.
(NH4)2SO4
NH3
+ SO3 + H2O – разложение сульфата аммония при нагревании.
Al2O3 + 3 SO3 Al2(SO4)3
Fe2O3 + 3 SO3 Fe2(SO4)3 – взаимодействие компонентов боксита с оксидом серы (VI). Окраска меняется с коричневой на светло-серую.
Fe2(SO4)3 + лимонная кислота комплексное соединение – устранение влияния железа.
Al2(SO4)3 + алюминон в порошке окрашивание – обнаружение алюминия.
Подробная методика исследования химического состава минералов и горных пород Архангельской области приведена в приложении 2.
Рекомендуемые маршруты геолого-химических экспедиций по территории Архангельской области приведены в таблице 2.
Таблица 2.
Маршруты геолого-химических экспедиций по территории Архангельской обл
Район |
Населённый пункт |
Минералы и горные породы |
Названия месторождений |
Плесецкий |
станция Емца |
известняк и доломит |
Емецкое |
Плесецкий |
станция Обозерская |
известнняк |
Обозерское, Швакинское |
Плесецкий |
п. Североонежск |
боксит |
Иксинское |
Плесецкий |
п. Сеза |
рудопроявления никеля |
Сезское |
Холмогорский |
д. Орлецы |
известняк |
Орлецкое |
Холмогорский |
д. Звоз |
гипс и ангидрит |
Звозское |
Данные экспедиции можно использовать самостоятельно или в составе комплексной экспедиции.
Если у кого-либо возникнет желание организовать подобную экспедицию в другом регионе, мы приведём советы по комплектованию своей геохимической лаборатории и работы с ней.
Для изготовления лаборатории нужно, прежде всего, составить список предметов, которые должны содержаться в лаборатории:
1) коробка металлическая или сделанная из фанеры;
2) горелка для горючего;
3) пинцет;
4) кусок неглазурованной фарфоровой пластинки;
5) стеклянные палочки для растирания твёрдых веществ;
6) совочек из гусиного или стального пера;
7) пипетки глазные;
8) фарфоровые тигли;
9) ёмкость для реактивов;
10) ступки с пестиками;
11) фильтровальная бумага.
Когда список составлен, нужно решить, на какую группу металлов нужно рассчитать походную лабораторию. От этого зависит, какие реактивы нужно будет взять с собой в поле.
Нужно предусмотреть, что такие реактивы, как соли аммония, соляная кислота, будут расходоваться больше других реактивов. Поэтому, кроме основной лаборатории, нужно ещё иметь запасной ящик, в котором должны помещаться запасные реактивы и запасное оборудование. Можно также в полевую лабораторию взять больше веществ, которые расходуются в большем количестве.
Для лаборатории можно взять металлическую коробку, либо отслуживший свой срок дипломат. Внутри необходимо сделать перегородки из фанеры или твёрдого картона. Надо предусмотреть отделения для реактивов и оборудования.
В качестве ёмкости для реактивов удобно использовать футляры из-под фотоплёнки. Они химически и механически устойчивы, герметичны и очень доступны.
Воду и растворы из ёмкости нужно брать глазными пипетками, с которых снят резиновый баллончик. Чтобы набрать в пипетку воды или раствора кислоты, флакон осторожно открывают, аккуратно опускают в него (без стука о дно) глазную пипетку, дают ей наполниться жидкостью. Затем указательным пальцем прижимают отверстие пипетки и осторожно вынимают её из флакончика. Чтобы выпустить из пипетки жидкость, нужно только немного ослабить нажим пальца. Жидкость начнёт вытекать каплями. Отсчитав нужное количество капель, палец снова крепко прижимают к отверстию пипетки, а неизрасходованную жидкость выливают в тот флакончик, из которого она была взята. Флакончик хорошо закрывают пробкой, чтобы жидкость не загрязнилась.
Стеклянных палочек рекомендуется взять 3 шт. Диаметр палочки 3-4 мм, длина 40-50 мм. Их применяют для растирания реактивов с проверяемыми минералами. Нужно следить, чтобы палочки всегда были чистыми. После проведения реакций палочки нужно обмыть водой, а после мытья обтереть кусочком фильтровальной бумаги, немного увлажнённой дистиллированной водой. Чистота палочки важна потому, что на ней могут остаться вещества, применявшиеся для проведения предыдущей реакции. Если они попадут в те вещества, которые будут применены для проведения новой реакции, можно получить другой результат и допустить ошибку.
Для лаборатории нужно изготовить совочек для твёрдых реактивов. Его можно сделать из гусиного пера, или из стального пера. После каждого использования совочек нужно мыть так же, как и стеклянные палочки.
В комплект обязательно должна входить неглазурованная фарфоровая пластинка. Её делают из осколка фарфоровой посуды путём удаления гладкого слоя глазури с помощью наждачной бумаги или наждачного круга. На наждачную бумагу положить кусок тарелки и вращательными движениями с лёгким нажимом обрабатывать до тех пор, пока вся глазурь не сойдёт. Обработать осколок нужно с двух сторон. Приготовленную пластинку нужно вымыть водой так, чтобы она была белой, а затем высушить. После проведения пробы на цвет черты пластинку нужно снова очистить резинкой для карандаша. Если это не поможет, черту смыть каплей соляной кислоты, а затем промыть водой и высушить так, чтобы она была белой. Если поверхность всё же будет окрашенной, потереть наждачной бумагой.
На внутреннюю сторону крышки коробки необходимо приклеить список реактивов по порядку номеров. Полезно выписать в небольшую записную книжку или тетрадь порядок проведения реакций на ионы тех элементов, которые представляют предмет поиска, и что должно получиться. Это будет своего рода инструкция.
Итак, полевая лаборатория позволяет открывать элемент в минерале "не отходя от скалы или камня".
Прежде всего, необходимо отобрать пробы интересующих пород. Вначале в записной книжке нужно описать результаты первого ознакомления с пробой: вид пробы, цвет, блеск; если заметна спайность, то отметить её; сделать пробу на черту, испытать на твёрдость по шкале Мооса. Ввиду того, что плотность минерала определить в поле трудно, можно ограничиться замечанием "тяжёлый", "лёгкий" и т.п. Так создаётся первое представление о минерале.
Предварительные испытания физических свойств минерала подскажут, присутствие каких элементов можно ожидать в нём. Теперь уже можно сделать и качественный анализ.
Геологическим молотком отбивают небольшой кусок минерала и вначале проделывают нужную реакцию на месте свежего излома, выбирая ровное место, т.к. на нём легче проводить операции. Ведь если реактив попадёт в углубление, то при растирании он не будет принимать участие в реакции и проба может оказаться отрицательной.
Прежде чем проделывать реакцию, посмотрите в книжку, где выписаны все нужные реакции, и строго придерживайтесь всех указаний. Выньте из коробки нужные реактивы, поместите их в том порядке, в каком нужно их добавлять (этикеткой к себе). Приготовьте совочек и стеклянную палочку для растирания.
Когда все нужные реактивы будут положены на минерал или в тигелёк, возьмите стеклянную палочку в правую руку, а минерал или тигелёк в левую. Осторожно поставьте палочку на минерал и осторожно вращайте её вокруг оси. Через некоторое время посмотрите, не появляется ли нужная окраска. Посмотрите на пятно через лупу. Попробуйте подышать на то место, на котором проводится реакция. Не забудьте при вдохе то отодвигать минерал ото рта, иначе реактивы в виде пыли попадут в дыхательные пути. Если при этом интенсивность окраски пятна не изменилась, то на него нужно капнуть каплю дистиллированной воды.
Если реакция на поверхности покажется сомнительной, минерал следует измельчить. Измельчённый минерал поместить с помощью совочка в фарфоровый тигель, добавить нужные реактивы и реакцию повторить.
Если и на этот раз результат будет неясным, то измельчённый минерал разложить сульфатом аммония. Остаток после разложения поместить в фарфоровый тигель и снова провести испытание реактивами.
Когда все испытания будут закончены, записать в блокнот результаты, описать ход проведения испытания. Записи делать аккуратно, т.к. они будут использованы для составления отчёта по экспедиции в целом.
Работа в поле требует большого внимания. Не нужно торопиться при выполнении операций. Особенно нельзя спешить при проведении аналитических химических реакций. Окраски могут оказаться не точно такими, какие ожидаются. Учитывайте окраску минерала, с которым проводится химическая реакция. Вспомните, какие цвета получаются при смешивании веществ с различной окраской: красный и синий цвета дают фиолетовый, жёлтый и синий – зелёный и т.п.
Список литературы
- Дьякович С.В. Методика факультативных занятий. М.:П,1985-175с.
- Воскресенский П.И., Неймарк А.М. Основы химического анализа. М.:П,1971-192с.
- Воскресенский П.И. Химия-помощница юного геолога. М.:П,1966-78с.
- География Архангельской области (физическая география),8 кл. Под ред. Бызовой Н.М. Архангельск: Изд-во ПМПУ,1995-237с.
- Данилов М.А. Богатства северных недр. Архангельск: Северо-Западное книжное издательство,1977-119с.
- Добровольский В.В. Химия Земли. М.:П,1988-176с.
- Астафуров В.И. Основы химического анализа. М.:П,1977-160с.
- Каденская М.И. Руководство к практическим занятиям по минералогии и петрографии. М.:П,1976-240с.
- Общая геология. Под ред. Ажгирей Г.Д. М.:П,1974-480с.
- Попов В.А., Семёнов А.С. Как организовать геохимические исследования.// Химия в школе- 1990- №1- С.63-64.