Учебная исследовательская работа по химии "Цветные мелки"

Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение  «Средняя школа № 5 с углубленным изучением химии и биологии» Учебная исследовательская работа по химии Тема:  Цветные мелки                                                                          Выполнил:  Злобин Владислав,                                                                          ученик 11 «Е» класса                                                                                                  Руководитель: Григорьева                                                                                          Наталья Геннадьевна,                                                                          учитель химии Старая Русса 2017 Содержание:                         1. План работы                                                  2. Введение 3. Теоретическая часть 3.1. Месторождения мела 3.2. Химический состав 3.3. Краткая геологическая характеристика месторождения 3.4. Сырье 3.5. Приготовление отмученного мела 3.6. Приготовление цветных мелков для различных целей 4. Экспериментальная часть 5. Заключение 6. Список литературы 7. Приложение 3 4 5 5 6 8 9 9 10 12 15 16 17 2 1. План работы   Постановка   цели   исследовательской   работы,   выбор   основных 1.1. этапов. 1.2. 1.3. 1.4.  Подбор теоретического материала.  Изучение учебной и дополнительной литературы по теме.   Ознакомление с практическим применением  цветных мелков в быту и на производстве, а также их изготовлением. 1.5. 1.6. 1.7.  Проведение практической части работы.  Оформление результатов работы в виде реферата и презентации.  Доклад на Научно­практической конференции. 2.  Введение Каждый   день   на   уроках   в   школе   мы   пишем   мелом   на   доске.   И   так делают все школьники на протяжении многих десятков и сотен лет. Причем мел   может   использоваться     белый   или   цветной,   твердый   или   мягкий, 3 пачкающий руки, оставляющий много крошек или нет. От чего же зависит качество   мела?   Каков   его   состав?   Как   мелу   придают   различные   окраски? Можно   ли   изготовить   мел   самому?   На   эти   вопросы   и   ответит   данная исследовательская работа. Цель  данной исследовательской работы: подробно изучить состав различных видов мела и овладеть методикой изготовления белых и цветных мелков. Задачи: 1. Изучить   теоретический   материал   по   теме.   Ознакомиться   с историей использования мела. 2. Практически исследовать качественный и количественный состав различных видов мела. 3. 4. Ознакомиться с методом микрокристаллического исследования. Изготовить   несколько   образцов   белого   и   цветного   мела   в условиях школьной химической лаборатории.  Проанализировать качество изготовленных образцов. 5. Гипотеза:       Поскольку     мелки   состоят   из   химических   соединений,   то,   имея нужные   реагенты,   можно   получить   образцы   мелков   собственного изготовления.  Методы исследования: анализ, сравнение, наблюдение, эксперимент по изготовлению мелков. 3. Теоретическая часть 3.1. Месторождения мела 4 Основной запас мела в России лежит недалеко от Белгородской области или в ней самой. Белгородская область и ее окраины буквально напичканы различного рода карьерами, которые вырабатывают в огромных объемах мел различных сортов и видов, чем могут снабдить страну по всем ее отраслям ближайшие лет на пятьсот. Но поскольку потребление мела идет не только для России, то мел также отправляется в другие страны экспортным путем (причем не только в качестве сырья, но и в качестве уже вполне готовых образцов промышленности), в частности за рубеж попадают бумага, обувь, ткани, косметика и многое другое. Уж не говорится про мелкие изобретения химической промышленности для домашнего хозяйства, такие как чистящие порошки, средства обработки, некоторые пятновыводители. Из меловых приисков в Белгородской области насчитывается не многим меньше   тридцати,   причем   уже   разведанных.   Каждый   из   них   вырабатывает огромное количество разносортного сырья, которое достигает 20­25 млн. тонн ежегодно, в расчете на пару шахт. Это, огромный потенциал, можно даже сказать,   что   практически   неиссякаемый.   Одно   только   Шебекинское месторождение   способно   снабжать   один   завод   по   переработке   мела   с мощностью   производства  350  тысяч   тонн   в   течение   70  лет,  как   минимум. Лебединские и Стойленское месторождения, относятся к наиболее крупным, поскольку Шебекинское идет за ними. Оба этих месторождения снабжают Россию мелом в объемах немногим меньших 900 млн. тонн в год (совместно). Самое   крупное   на   территории   Российской   Федерации   Акбулакское месторождение мела   находится в Оренбургской области, в 11 км к северо­ востоку   от   райцентра   и   железнодорожной   станции   Акбулак,   на железнодорожной магистрали Москва – Ташкент. (Приложение рис. 1)  Общие   разведанные   запасы   мела   восточной   части   Акбулакского месторождения   на   площади   95   га   (форма   5ГР),   согласно   лицензии   ЗАО «Акмел» на право пользования недрами серии ОРБ №00806 ТЭ, составляет:   категория С1 – 20450 тысяч тонн; категория С2 – 12843 тысяч тонн. 5 Общие   разведанные   запасы   Акбулакского   месторождения   мела составляют – 83 млн. тонн.   Помимо   всех   вышеперечисленных   месторождений   мела,   есть   еще несколько   крупных,   находящихся   на   одном   уровне   с   Шебекинским   – Петропавловское, Белгородское, Волоконовское, Чернянское, Фироновское, Чураевское. Эти месторождения разведаны уже давно и из них теперь полным ходом идет выработка. В большинстве случаев, эти месторождения работают каждое на свой один комбинат по переработке мела. Кроме   этих   высококачественных   пород   мела,   есть   и   менее качественные,   которые   вырабатываются   также   в   Белгородской   области   на следующих месторождениях: Валуйское, Заслоновское, Знаменское, Казацкие бугры   и   Корочанское.   Здесь   низкое   качество   мела   отмечено   различными помесями,   которые   находятся   в   его   составе.   Такой   мел,   в   основном, используется для нужд сельского хозяйства. 3.2.  Химический состав Химический     Акбулакского   месторождения характеризуется большим содержанием CaCO3 + MgCO3, в пределах 93­98%.  состав   мела Качественная характеристика полезного ископаемого: Оценка   качества   мела   производилась   на   основании   лабораторных исследований, технологических и заводских испытаний, проведенных в 1941, 1948, 1955, 1975 и 1998 годах.   Результаты испытаний определили широкие возможности   использования   мела   Акбулакского   месторождения   для производства:   портланд­цемента марок «400», «500», «550», «600»; комбикорма и минеральной добавки для подкормки животных и птиц.  В сельском хозяйстве из блоков особо чистого мела категорий А и В:  строительной   воздушной   маломагнезиальной   извести   первого сорта и производства силикатного кирпича; 6  сепарированного   тонкодисперсного   мела   с   получением обогащенных   фракций   различной   тонины   помола,   минералогического   и химического   состава,   что   значительно   расширяет   использование   мела   в кабельной,   резиновой,   полимерной,   лакокрасочной,   стекольной,   бумажной, медицинской отраслях, а также для очистки свекловичного сока в сахарной промышленности. Химический состав:      Химический состав мела находится в зависимости от минерального состава и инфильтрационных процессов.  Компонентный состав природного мела:    углекислый кальций от 88,23 до 98,66%, углекислый магний от 0,0 до 1,6%; белизна — коэффициент отражения от 81, до 99,38. Содержание оксидов:          оксид кремния ­  от 0,96 до 8,44%; оксид железа ­ от 0,09 до 2,8%; оксид алюминия ­ от 0,11 до 3,58%;  оксид кальция ­ от 49,38 до 54,62 %; оксид магния ­ от 0,16 до 1,31%;  оксид серы ­ от 0,0 до 0,09 %; оксид натрия ­ до 0, 076%;  оксид калия ­ от 0,13 до 1,0%; оксид фосфора ­ до 0,09 %;  Содержание влаги ­ от 0,12 до 1,66%; Содержание полуторных окислов (железо + алюминий) ­  от 0,35 до 1,6%;  Остаток нерастворимый в соляной кислоте ­ от 0,12 до 9,17%; Содержание вредных примесей:  металлы ­ медь до 0,003%; свинец до 0,004%; барий от 0,02 до 0,1%; 7  металлоиды  ­  мышьяк   от   0,0007  до  0,004%;   фтор   от   0,0  до 0,1%; 3.3. Краткая геологическая характеристика месторождения Район   месторождения   относится   к   зоне   Предуральского   краевого прогиба, к его платформенному склону. Само месторождение приурочено к Покровской   дизъюнктивной   мульде, антиклиналь.   осложняющей   Акбулакскую В   геологическом   строении   месторождения   принимают   участие отложения меловой, палеогеновой, неогеновой и четвертичной систем. Акбулакское месторождение сложено морскими осадочными породами, залегающими в виде пластов, собранных в пологую синклинальную складку. По возрасту эти отложения кампанского и маастрихтского веков позднего мела и палеогенового периода. Компанский   ярус   сложен   довольно   мощной   толщей   серых   с зеленоватым оттенком алевристых плотных опоковидных глин, разделенных тремя   пластами   полимиктовых   глинистых   алевролитов.   Выше   залегают согласно   с   постепенной   сменой   состава   отложения   маастрихтского   яруса, меловые отложения которого и являются полезным ископаемым.          Полезное ископаемое представлено толщей белого писчего мела однородного   состава.   Мощность   маастрихтских   отложений   в   пределах разведанного участка варьирует от 0,0 (южная окраина месторождения) до 50 м. Верхняя часть мела на глубину до 2­3 м, редко до 5 м, представлена сильно трещиноватым   выветренным   мелом.   На   контакте   мела   с   отложениями кампанского яруса повсеместно залегает глинистый мел мощностью от 0,8 до 7,7 м. Выше   мела   залегают   отложения   палеогеновой   системы   (толща трепеловидных   пород   и   опок).   Залежь   трепела   является   полезным 8 ископаемым. Мощность залежи ­ 0,01 ­ 39,0 м. Залежь трепела залегает только в северной части месторождения. Отложения неогеновой системы представлены глинами с линзами песка и песками, локально сохранившимися от размыва только в северной части площади. Мощность ­ до 10 метров.           Отложения четвертичной системы представлены   суглинками   с   включением   обломков   опоки,   трепела   и   мела. Мощность в основном 0,0 ­ 0,4 м на севере участка (в лощинах) ­ до 3­4 м.          Общая мощность вскрышных пород колеблется от 0,0 до 10 м, в контуре подсчета запасов ­ от 0,0 до 7 м, в среднем составляя около 1 метра. 3.4. Сырье Сырьём   для   производства   мела   и   извести   является   природный   мел собственных карьеров, расположенных в живописных  местах правобережья реки Дон. Химический состав мела наших карьеров представлен в таблице, данные которой получены в лаборатории фирмы «Фельс­Верке ГмбХ» в Германии. (Приложение таблица 1) 3.5.  Приготовление отмученного мела Для   лучших   сортов   различных   мелков   применяется   так   называемый отмученный   мел   (в   торговле   он   называется   плавленый   мел).   Для приготовления   применяют   природный   мел.   Его   разбивают   на   куски, сортируют,   отбрасывают   все   примеси   и   затем   растирают   с   водой   на мельничных   жерновах.   Полученная   масса   отстаивается,   причем   тяжелые примеси   (песок,   камни)   осаждаются   на   дно.   Жидкость,   содержащую   уже более чистый материал, пропускают во второй чан, затем в третий, пока все посторонние примеси не осядут на дно и не будут удалены. Затем дают массе довольно долго отстаиваться в емкости, вода сливается, а оставшаяся масса 9 перекладывается   в   ящики   с   дырчатыми   стенками,   обтянутыми   полотном. Далее массу сушат на решетах, причем если после высушивания мел очень рассыпается, то добавляют немного раствора декстрина или клея.  Приготовление цветных мелков для различных целей 3.6.     Мел для письма, а также мел для дерева и кожи получают формовкой белого отмученного (молотого) мела со связующим веществом. Мелки, кроме красивого   цвета,   должны   обладать   определенной   твердостью,   то   есть   не должны   быть   слишком   твердыми   или   слишком   мягкими.   Порошок   мела смешивают   с   соответствующим   количеством   минеральных   красок   для получения любого оттенка и замешивают в водном растворе столярного клея, гуммиарабика или декстрина, минеральную краску можно применять любую, но нужно заметить, что смешивание с мелом портит цвет берлинской лазури, бакана и хромовой желтой. В качестве наполнителя для белых мелков можно применять гипс, алебастр, а также и свинцовые белила, но эти материалы, в общем, слишком   дороги. Для придания мелку мягкости можно прибавить мыла (в виде мыльной воды), масла или воска. Готовые высушенные мелки погружают в масло, что улучшает их цвет и делает более мягкими. В   качестве   связующего   вещества   для   цветных   мелков   применяются также пивные дрожжи, клей, гуммиарабик, а также клейстер из овсяной муки. Приготовление   ведется   следующим   образом:   тщательно   замешанные мел, красящее вещество и связующее вещество выкладывают на стол или на доски, которые предварительно покрываются 5 ­ б листами использованной бумаги.   Вследствие   поглощения   бумагой   значительной   части   влаги   масса приобретает густую консистенцию. Когда масса станет достаточно густой, и ее можно брать в руки, не опасаясь прилипания, берут кусок величиной в орех, скатывают в шарик, а затем раскатывают ладонью в цилиндрик. После этого   цилиндрик   прокатывают   при   помощи   гладкой   дощечки,   чтобы   он 10 получил   ровную   и   гладкую   поверхность.   Отформованные   таким   образом мелки помещают на доски, покрывают бумагой и сушат в тени. Ниже приводим несколько рецептов масс для цветных мелков, которые могут применяться также и для цветных карандашей. Синие мелки.  Парижская синь дает темные оттенки. Чтобы мелки не были   слишком   твердыми,   применяют   следующий   метод.   Парижскую   синь, тонко   измельченную,   обрабатывают   концентрированной   серной   кислотой, которая ее обесцвечивает. Последующая промывка водой восстанавливает ее цвет и сопровождается выпадением тонкого осадка, который смешивают с равным количеством мела и замешивают водой с прибавлением небольшого количества мыла или декстрина. Красные мелки.  Изготовляют из краппа, бакана, замешивая последние с   пивными   дрожжами,   овсяной   мукой,   молоком   или   гуммиарабиком. Смешивают   4   вес.   ч.   мела,   1   вес.   ч.   известкового   мергеля   и   окрашивают отваром   кошенили   с   квасцами.   Очень   красивые   мелки   можно   получить смешивая 2 вес. ч. красной охры, 1 вес. ч. кармина, замешанных с молоком, отваром овсяной муки или раствором гуммиарабика. Обыкновенные   мелки   изготовляются   из   красного   мела,   красного болюса, колькотара. Желтые мелки. Получаются  из  желтой  охры или хромовой  желтой, которую применяют в чистом виде или растертую с медом и замешанную с раствором гуммиарабика или пивными дрожжами. Зеленые мелки. Изготавливают из горной зелени, в смеси с мелом и пивными   дрожжами,   из   смеси   берлинской   лазури   с   хромовой   желтой   или, наконец,   из   желтого   бакана   в   смеси   с   зеленым   ультрамарином   или швейфуртской зеленью (ядовита!). 11 Черные мелки.  Изготовляются из ивового угля или ламповой сажи с прибавлением   небольшого   количества   парижской   сини   и   склеивающих веществ.   Дешевые   мелки.  Более   дешевые   мелки   можно   приготовить размешиванием  в воде смеси из светлой глины хорошего качества  и мела. Получают   таким   образом   кашеобразную   массу,   к   которой   прибавляют ультрамарин для синих мелков, охру ­ для желтых, мумию и киноварь ­ для   Равномерно   перемешанную   массу   формуют   в красных,   и   т.д. соответствующих   формах   из   дерева   или   метала.   Формы   предварительно смазывают каким­либо жиром. После формовки куски оставляют медленно сохнуть на воздухе или в слабо отапливаемых помещениях. После просушки они готовы к употреблению. Можно также мелки изготавливать растиранием 1 вес. ч. отмученного мела с 1 вес. ч. пережженного гипса (потерявшего способность схватываться) и 0,25 вес. ч. стеатита. К смеси прибавляется в соответствующем количестве минеральная   краска   любого   цвета.   Полученную   смесь   замешивают   с   очень слабым раствором декстрина в густую кашу, которую помещают на цедильные полотна, чтобы дать стечь излишней воде. Подсушенную   массу   нарезают   на   призмы   желаемой   величины   и оставляют   на   гипсовых   пластинах   для   просушки.   Время   от   времени поворачивают с бока на бок. 4. Экспериментальная часть 1. Качественный состав мела. Опыт 1.           Исследование образцов мела на содержание ионов Ca  2+ пробой на окраску пламени.  Вывод:  все виды мела содержат ионы Са2+ 12 Опыт 2.  Испытание на ионы СО3 2­ (действие соляной кислотой)  2Н+ + СО3 2­ = СО2 + Н2О Вывод:  все виды мела содержат ионы СО3 2­. Опыт   3.  Испытание   на   ионы   SО4 2­  .   После   реакции   с   НCl профильтровали раствор и подействовали раствором хлорида бария. Ba2+ + SО4 2­ = BaSО4 Вывод:  В   качестве   связующего   материала   некоторые   виды   мела содержат гипс. Опыт 4. Подтверждение содержания гипса в составе мела. Суспензию мела   профильтровали   и   исследовали   каплю   раствора   под   микроскопом, добавив   каплю   азотной   кислоты.   Гипс   дает   характерные   игольчатые кристаллы.   Опыт 5. Испытание на содержание крахмала (действие раствором  йода). I2 + (C6H10O5)n     I2  (C6H10O5)n Вывод:      В   качестве   связующего   материала   некоторые   виды   мела содержат крахмал. (Приложение таблица 2) II. Количественный состав мела. Опыт 1.   До и после реакции взвесили стаканчик с соляной кислотой. Взвесили   кусочек   мела,   опустили   его   в   раствор   соляной   кислоты.   По окончании   реакции   определить   уменьшение   реакционной   массы.   По уравнению   реакции   рассчитали   массу   и   процентное   содержание   карбоната кальция. Вычисление массовой доли карбоната кальция: Масса стаканчика с раствором соляной кислоты  до реакции:      m1=134,7г Масса кусочка мела:  m2 =  1.5г Масса стаканчика с содержимым после реакции: m3 = 135,8г Уменьшение реакционной массы: Δ m = 0,4 г 13 1. Расчет массовой доли карбоната кальция:  + H↑ CaCO3 + 2HCl = CaCl2 + CO2  2O  (COν 2) =  m M   =  0,4г 44г/моль  = 0,009 моль По уравнению реакции: ν (CaCO3) = ν (CO2) = 0,009 моль m (CaCO3) = ν ∙ M = 0,009 моль ∙ 100 г/моль = 0,9 г  (Сω aCO3) =   0,9г 1,5г ∙ 100 % = 60 % Опыт 2.  Профильтровали полученный раствор, отделили гипс. Затем высушили его и взвесили. Нашли его массовую  долю. Вычисление массовой доли гипса: Масса высушенного осадка:  m = 0,51 г ω  (гипса) =   0,51г 1,5г  ∙ 100 % = 34% III. Изготовление мелков. Опыт   1.  Навески   гипса   и   карбоната   кальция   перетерли   в   ступке, добавили   немного   крахмала,   небольшими   порциями   влили   воду   до консистенции густой сметаны. Сформовали мелок, высушили его в теплом месте. Опыт   2.        В   смесь   для   изготовления   мела   добавили   красители: Cu2(OH)2CО3  ­   малахит,   Fе4[Fe(CN)6]   –   берлинская   лазурь,   Fe2O3  ­   сурик, K2Cr2O7 ­ дихромат калия, Cr2O3 ­ оксид хрома(III), глет ­ PbO, сажу. Сформовали мелки и высушили.  14 5. Заключение           В   результате   этой   исследовательской   работы   мы   подробно ознакомились   с   составом   различных   сортов   мела,   изучили   теоретический материал   по   свойствам,   характеристикам   и   применению   мела   различных месторождений. количественный состав мела разных марок.   Экспериментально   исследовали   качественный   и     Самостоятельно в лаборатории изготовили несколько видов белых и цветных мелков. Результаты   деятельности  представлены в данной работе. Проводить эксперимент   было достаточно увлекательно. Это исследование повысило мой интерес к изучению химии. 15 6. Список литературы 1.  Глинка Н.Л. Общая химия. М., Л., «Химия», 1976. 2.  Журналы «Химия и жизнь» 1972 – 1979 гг. 3.  Зданчук Г.А. Химический кружок. М., «Учпедгиз», 1970. 4.   Технология   производства   природных   железоокисных   пигментов. [Электронный   ресурс]   /   Справочник   химика   21.   –   http://chem21.info/info/1745984/   Режим   доступа: 5. Химическая энциклопедия в пяти томах. Под ред.И.Л.Кнунянца. Том 3. М., «Советская энциклопедия», 1988. 6.  Химия в быту. Смоленск, «Русич», 1990. 7.   Юдин   А.М.,   Сучков   В.Н.,   Ю.А.Коростелин.   Химия   для   вас.   М., «Химия», 1984. 16 7. Приложения  Выработка мела на  Акбулакском горном месторождении. Рис. 1 Таблица 1 «Химический состав мела  карьеров правобережья реки Дона по данным лаборатории «Фельс­Верке ГмбХ»»   CaCO3 MgCO3 CaO (Ca, Mg)CO3 MgO SiO2 17 98,9% 0,23%                    55,4% 99,1% 0,11% 0,64% Fe2O3 Al2O3 K2O BaO SrO Mn2O3 Na2O SO3 CO2 связанная H2O (влажность) Сумма СаО несвязанный Цветовой тон по норме Ц. 0,09% 0,22% 0,04% 0,0% 0,08% 0,0% 0,01% 0,02% 42,5% 0,43% 99,5% 0,0% 91,3% Таблица 2 «Качественный  состав  мела» Действие Сорта мела на пламя HCl BaCl2 микрокристаллическое определение Кусковой мел Оранжевый Выделение газа Небольшое помутнение Промышленны й пиленый мел Формованный цилиндрическ Оранжевый Выделение Белый осадок газа Выделение 18 Мелкие кристаллы Много мелких кристаллов I2 ­ + ий мел Оранжевый газа ­ ­ Красно­ Выделение оранжевый газа Белый осадок Мелкие кристаллы Оранжевый ­ Белый осадок Множество игольчатых кристаллов Школьный мелок (ООО «Пегас») Time Fun (china) ­ ­ + 19