Исследовательские работы учащихся по краеведению

Пример исследовательской работы

Минералы и кристаллы

природные и искусственные

Автор:

ученик МОУ СОШ №3

8 «Д» класса

Стрелин Андрей

Руководитель:

Учитель географии

Ерёмина Светлана Алексеевна

Моя жизнь - это история любви к камню

А.Е.Ферсман

Введение

Год назад вместе с ребятами краеведческого объединения побывал на Государственной выставке самоцветов. Там впервые увидел камни-самоцветы, всех цветов и оттенков, камни, идеально ограненные (приложение №1). С этой поры не давала мне покоя мысль о минералах, об их происхождении. Помимо привлекательности и красоты, они имеют немалый научный интерес. Все характерные особенности и свойства минерала удобнее изучать на кристаллах. Облик кристалла соответствует определенному этапу процесса минералообразования. Он зависит от температуры, давления, насыщенного рудного раствора и других физико-химических условий. Кристаллы называют - геологическими термометрами и барометрами. (Замечательные минералы» В.И. Соболевский)

Кристаллы помогают при изучении месторождений, установлении их генезиса, что имеет решающее практическое значение. Свойства многих из них настолько ценны, что они непосредственно используются в оптике, электротехники, теле и радиовещании. К сожалению, природные кристаллы редки и часто имеют дефекты и поэтому люди учатся выращивать кристаллы, подражая природным минералам. Зачастую значительно улучшая их качества. Поэтому изучая минералы и кристаллы , я определил следующие цели и задачи моей работы.

Цель:

Показать разнообразие минералов в природе, выявить методы выращивания кристаллов в школьной лаборатории.

Задачи:

1. Собрать небольшую коллекцию природных и искусственных минералов.

2. Определить, имеющиеся в коллекции минералы, составить правильное их описание.

2. Изучить кристаллохимическую модель, выявить особенности образования минералов, изучить их основные свойства.

3.Познакомиться с различными методами выращивания кристаллов.

4. Вырастить кристаллы несколькими методами в условиях школьной лаборатории.

5.Научиться проводить опыты и эксперименты в процессе выращивания кристаллов.

6.Создать экспозицию в школьном музее по теме «Природные и искусственные минералы и кристаллы».

Моя работа состоит из двух глав:

В первой главе «Кристаллохимия минералов» рассматриваются следующие вопросы: химические соединения и типы химических связей,

кристаллическая структура и физические свойства минералов, краткое описание минералов, находящихся в моей коллекции.

Вторая глава посвящается практической деятельности и проведению экспериментов по выращиванию кристаллов. В разделе «Заключение» мною были сделаны выводы по результатам первых опытов и экспериментов.

Обзор литературы

Для написания данной работы я изучал научную литературу:

«Основы геологи» И.А. Карлович и «Геология» Д. Палмер из данных источников узнал о происхождении некоторых минералов из моей коллекции. При определении минералов моей коллекции использовал «Минералогическую энциклопедию», «Геологический словарь» и книгу немецкого учённого В. Е. Трёгер « Оптическое определение породообразующих минералов». В книге Н.И. Корнилова «Ювелирные камни» описаны наиболее известные ювелирные камни: алмаз , рубин, горный хрусталь, бирюза. Больше всего мне запомнились главы из книги «Замечательные минералы», которую написал В.И. Соболевский. Из неё узнал, что в настоящее время известно примерно 2.5 тыс. минеральных видов, ежегодно открывается около 30 новых минералов. Автор книги говорит о том, что главный источник образования минералов скрыт от наших глаз. В результате процессов, связанных с внутренним жаром Земли и с громадным давлением, и образуется основная масса минералов.

Место, материал и методика исследования

В школьной лаборатории, дома были заложены несколько экспериментов и опытов по технологии выращивания кристаллов.

Были использованы теоретические методы познания:

метод прогнозирования, обобщение и сравнения, а так же эмпирические методы: постоянное визуальное наблюдение за процессом образования кристаллов, исследование, сравнения, построение графиков, проведение опытов и экспериментов.

Тема моей работы актуальна. В современную эпоху люди научились моделировать многие природные процессы. Наши учённые научились выращивать алмаз, изумруд, и т. д. свойства, которых практически полностью соответствуют их природным аналогам. Создают много новых кристаллов, не встречающихся в природе. Потребность в искусственных кристаллах неизменно растет. Поэтому важно знать физические свойства, и минералогические особенности, и разрабатывать методы диагностики, и отличия природных камней от синтетических.

Результаты исследования

Кристаллохимия минералов

Самая верхняя часть литосферы - это земная кора. Вся толща земной коры состоит из разнообразных горных пород. Они отличаются по свойствам, составу и происхождению. Горная порода имеет сложное строение и может включать в свой состав несколько минералов. Состав и свойства горной породы зависят от состава и свойств тех минералов, из которых она состоит. Минералы отличаются твердостью, плотностью, цветом, блеском, температурой плавления и другими свойствами. ( Геология. Д. Палмер)

Минералы - это обособленные, обладающие кристаллической структурой частицы, которыми сложены почти все горные породы. Во многих типах горных пород могут одновременно присутствовать несколько различных минералов, порода может быть целиком образована и одним минералом, как, например известняк или мрамор, состоящая из минерала кальцита. Значения минералов двоякие: во-первых, они позволяют классифицировать горные породы; во-вторых, указывают на условия их формирования. Исходя, из этого можно сделать вывод, минерал - это природное твердое вещество с кристаллической структурой, состоящее либо из одного элемента, либо из закономерного сочетания элементов. Из данного определения минерала у меня возникла необходимость рассмотреть такие вопросы:

1-Химические соединения и типы химических связей;

2-Кристаллическая структура и кристаллы

3-Физические свойства минералов.

Несмотря на большое количество возможных комбинаций химических элементов, для образования минералов, число главных породообразующих минералов невелико («Замечательные минералы» В.И Соболевский). Несколько элементов, таких как золото, серебро, медь, сера, платина, углерод в форме графита и алмаза, могут встречаться в чистом виде, но большинство элементов встречается в виде химических соединений.

необычайность того или иного минерала является совершенство кристаллических форм. Выражением внутренней структуры минерала служит кристалл. Кристаллы представляют собой геометрически правильные твердые тела, ограниченные естественными поверхностями или гранями («Минералогическая энциклопедия»). Расшифровка внутреннего строения минералов стала возможной, после того, как немецкий физик М. Лауэ, его ученики Фридрих и Книппинг доказали, что рентгеновские лучи испытывают дифракцию на атомных решетках кристаллических веществ. Это позволило изучить внутреннее строение практически всех известных минеральных видов. Были научно обоснованы такие свойства кристаллических веществ, как способность самоограняться. Доказано, что подавляющее большинство минералов - кристаллические вещества и их внутреннему строению свойственна пространственная решетка. Она представляет собой бесконечную постройку. Они могут иметь форму гантелей, треугольника, тетраэдра, куба, октаэдра, додекаэдра В природе минералы образуются в результате:

- остывания магмы или аналогичных ей растворов расплавленного вещества на земной поверхности (лавы);

- выделения из глубинных растворов, содержащих горячую воду;

- конденсации горячих паров при образовании минералов вблизи жерл вулканов;

- химических реакций с уже существующими минералами;

- выпаривание водных растворов. ( Геология. Д. Палмер )

Выращивание искусственных кристаллов

В настоящее время в мире искусственно синтезируется большое количество минералов. Основанием для этого явилось, прежде всего, то, что целый ряд богатых природных месторождений уже отработан. Другая причина заключается в том, что качество природных минералов не всегда соответствует техническим требованиям. В некоторых случаях необходимы кристаллы, которые вообще не существуют в природе, и не остается иного пути кроме искусственного их синтеза. Первые попытки искусственно получить кристаллы человек предпринимал с давних пор. Успех пришел лишь тогда, когда был познан процесс образования минералов. В настоящее время существует целый ряд способов выращивания кристаллов. Исходное вещество может быть твёрдым, растворенным или может находиться в газообразном состоянии. Трудности синтеза связаны с необходимостью очень точного соблюдения режима выращивания кристаллов.

В современном мире все шире применяются искусственные минералы. В заводских лабораториях и цехах происходит рождение новых минералов. Знание законов строения и образования минералов помогает создать новые кристаллы.

Опыт№1 Выращивание кристаллов методом перепада температуры.

Образование кристаллов в природе за счет снижения температуры кристаллообразующей среды. На снижении (перепаде) температуры основан также один из наиболее распространенных методов выращивания кристаллов для технических и ювелирных целей. Рост кристаллов, как известно, происходит из пересыщенных растворов. Пересыщение задается естественным охлаждением раствора, исходно насыщенного на температуру Т1. до комнатной температуры Т2. Массу кристаллов, образующихся при переохлаждении Т1 - Т2, можно определить по графику. (Приложение 5)

Опыт№2 Выращивание кристалла из медного купороса.

1. Вначале я приготовил раствор для получения затравки. Для этого в чистом химическом стакане нагрел дистиллированную воду до 50.*С, и растворил медный купорос до насыщения раствора.

2.Полученный раствор профильтровал в тщательно вымытый стакан и опустил в него нить, накрыл стакан фильтровальной бумагой и оставил его на сутки.

3.Через сутки на нити образовались мелкие кристаллы, из них я выбрал затравку, которая является центром кристаллизации. Я выбрал сразу несколько кристалликов. Закрепил их на нитях и опустил в насыщенный ратвор при 30-40. С раствор.

4. Через сутки размер кристалла достиг 2мм.

5 Ежедневно нить обрастает кристалликами, поэтому я каждый день счищал их и оставлял одну затравку.

6 Регулярно через каждые два дня я насыщал раствор. Для этого вынимал нить с кристаллом, раствор нагревал на 10 - 20. С выше комнатной температуры и добавлял соль до насыщения раствора. С одним из кристаллов, который был 8 мм, я решил поэкспериментировать. Нагрел раствор до температуры 50. С и опустил в него кристалл. Через 2 минуты кристалл разрушился. Это позволило сделать вывод о том, что температура раствора не должна превышать 40 С.

6. Оставшиеся кристаллы через неделю достигли 8-10 мм. Одновременно я растил несколько кристаллов.

Опыт№3 Скорости кристаллизации.

Этот опыт помог мне ответить на вопрос. Растут ли кристаллы миллионы лет или это может происходить стремительно? Скорость роста кристаллов можно проверить по методике Пелиго. Если в сильно переохлажденную воду (из морозильной камеры) бросить несколько крупинок соли, то мгновенно образуются игольчатые кристаллы льда.

Опыт наглядно показывают, что высокие скорости роста кристаллов обусловлены сильным пресыщением. Процесс образования кристаллов может протекать стремительно. Это подтвердил проведённый опыт.

Опыт№4 Изменение минералов и горных пород при участии других растворов.

Изменение минералов и горных пород при участии растворов называется метасоматическим замещением (по Т. Г. Петрову). В желтый раствор хромата калия K2CrO4 я опускал синий кристалл CuSO4 *5H2O, то в результате получилась псевдоморфоза, сложенная из мелких кристалликов хромата меди CuCrO4* 2 H2O точно повторяющая форму первичного кристалла. Примером метасоматических процессов является следующий опыт. В водный раствор силиката натрия Na2SiO3 поместил кристаллики водорастворимых солей различных металлов (нитрат кальция, сульфат меди, сульфат железа и др.). За несколько дней вырос причудливый разноцветный «лес» - сросток мельчайших кристалликов нерастворимых силикатов различных металлов. Форма, толщина и окраска зависят от свойств исходного кристалла (например, его размера, состава, растворимости).

Опыт№5 Эпитаксиальный рост.

Эпитаксия - это явление нарастания одного кристалла на другой.

На слюду я капнул насыщенный раствор иодида калия. Вода испаряется, а на слюде остаются тетраэдрические кристаллы иодида калия - основания тетраэдров параллельны поверхности слюды, а их ребра параллельны друг другу.

Опыт№6 Рост кристаллов при химических реакциях.

На предметное стекло помещаю капли насыщенных растворов солей хлорида кальция и сульфата меди, а между ними каплю воды, чтобы замедлить реакцию. Соединяю капли тонким «каналом» при помощи стеклянной палочки. Встречная диффузия приводит к кристаллизации гипса. Аналогичные реакции широко распространены в природе. Гипсовые слои образуются в местах соприкосновения грунтовых вод, несущих сульфатные ионы, с размываемыми ими известковыми толщами.

Опыт№7 Кристаллизация из газовой фазы.

В природе в зонах активного вулканизма из газовой фазы кристаллизуются многие минералы. Одним из самых характерных примеров роста кристаллов из пара является образование морозного узора на стеклах. В лаборатории я получал кристаллы из паров йода (по методике Шубникова А. В.). При нагревании йод быстро возгоняется, т. е. переходит в газообразное состояние, минуя жидкую фазу. На пути фиолетового дыма, я ставил предметное стекло. При соприкосновении горячего пара с холодным стеклом, происходит процесс обратный возгонке - сублимация. Образуются при этом непрозрачные кристаллы йода ромбовидной формы.

Таким образом я моделировал процессы, которые происходят в природе .

Все опыты проводились в школьной лаборатории, где сложно соблюдать необходимые технологические условия, и кристаллы получились небольших размеров . Однако даже на примере этих кристаллов можно увидеть разнообразие форм , цветов и восхититься их совершенным строением.

Заключение

Изучив специальную литературу, произвёл описание, имеющихся в моей коллекции минералов. Провёл опыты по выращиванию кристаллов различными методами. Научился проводить опыты, выявлять признаки, по которым даётся описание природных минералов. Собрал небольшую коллекцию природных и искусственных кристаллов и сделал выставку коллекции в школьном музее. В результате работы я сделал следующие выводы:

1.« Замечательность» того или иного минерала является совершенство кристаллических форм. Для того чтобы минерал образовал хороший кристалл, ему необходимы условия для роста, свободное пространство. 2.Большинству минералов их внутреннему строению свойственна пространственная решетка.

3.Образование правильных многогранников в процессе роста обусловлено наличием кристаллической решетки, благодаря которой присоединение строительных частиц к растущему кристаллу из раствора происходит в строго определённых местах.

4.В природе не все кристаллы растут очень медленно. Скорость роста зависит от внешних условий.

5.Знание законов строения и образования минералов помогает создать новые кристаллы.

6.При искусственном выращивании кристаллов создаются условия, которые характерны для природных процессов.

7.Трудности синтеза связаны с необходимостью очень точного соблюдения режима выращивания кристаллов.

8.В результате проведённого опыта «Выращивание кристаллов методом перепада температуры» выявил свойство кристаллов к самоогранению.

9.Условия роста (температура, переохлаждение, примеси) часто оказывают существенное влияние на облик кристалла. Незначительные отклонения от условий проведения опыта приводят к разнообразным результатам.

Проведено много интересных опытов по выращиванию кристаллов

В перспективе хочу продолжить исследования по выбранной теме. Выявить новые методы выращивания кристаллов. Провести экскурсию в школьном музее по данной тематике. Посетить предприятие, специализирующееся по выращиванию кристаллов в г. Ставрополе.

Литература. Источники.

1.Геологический словарь Москва, Недра 1978

2.Зубов В.И. Минералого-петрографические и кристаллохимические особенности литосферы Земли. Москва 2006.

3.Карлович И.А Основы геологи. М., ЗАО « Геоинформмарк»,2002.

4.Н.И. Корнилов Ювелирные камни. Москва, Недра, 1986.

5.Д. Палмер Геология. М., «Мир»,1984.

6.В.И.Соболевский Замечательные минералы. М., Просвещение,1983.

7.Леммлейн Г. Г. Морфология и генезис кристаллов. М., Наука, 1973.

8.Минералогическая энциклопедия под. ред. К. Фрея, Л., Недра 1985

9.Петров Т. Г. Трейвус Е. Б., Пунин Ю.О., Касаткин А. П. Выращивание кристаллов из растворов. Л: Недра, 1983.

10.Справочник химика. М.; Л.: Химия, 1965. Т 3.

11.В.Е.Трёгер « Оптическое определение породообразующих минералов».

12.Шубников А. В.Зарождение и рост кристаллов, М.; Наука 1969.