Минералы. Можно ли вырастить кристалл?

МАОУ СШ №143 имени

Героя Советского Союза А.В.Тимошенко

Минералы.

Можно ли вырастить кристалл?

Исследовательская работа

г. Красноярск

2019

Содержание

1.Введение

2. Минералы

2.1 Происхождение минералов

2.2 Многообразие минералов. Самые распространенные минералы земли.

2.3. Свойства минералов.

2.4 Минералы вокруг нас.

2.5 Моя коллекция минералов.

3. Практическая работа

4. Заключение

5. Используемая литература

Введение

Тема моей исследовательской работы – «Минералы. Можно ли вырастить кристалл?

Я выбрал эту тему, потому что интерес к камням у меня появился давно. Интересные камни я начал собирать, будучи на берегу Енисея или у моря с каменными пляжами. Чтобы знать больше про камни мама оформила мне подписку на журнал «Минералы - сокровища земли». Каждый новый номер я ждал с нетерпеньем. Затем я стал посещать Школу юного геолога при музее геологии Центральной Сибири (GEOS). Прекрасные педагоги доходчиво рассказывают о сложных структурах минералов и горных пород.

Изучение камней (минералов) меня затянуло, и я старался найти материал на интересующие меня вопросы: Мне было очень интересно, почему все камни разные, не похожи друг на друга? Откуда вообще берутся камни? Где найти настоящий минерал, и можно ли найти его под ногами? Что, если на Земле не будет минералов? А бывают ли съедобные минералы? Сколько всего минералов? Где встречаются? Их происхождение и возраст? Почему имеют разный цвет, блеск, твердость? Можно ли получить минералы путем синтеза?

Целью работы расширение и углубление знаний о минералах, выращивание кристалла в домашних условиях.

Задачи работы:

- изучить литературу о минералах;

- выяснить, как образовались минералы на Земле;

- знать и уметь определять физические свойства минералов;

- знать о роли минералов в жизни человека;

- создать условия для выращивания кристалла.

2. Минералы

2.1 Происхождение минералов

Возраст Земли  составляет около 4,5 миллиардов лет. И все это время в недрах Земли работает природная лаборатория. На протяжении миллиардов лет слои земной коры сдавливаются, сминаются в складки, нагреваются внутренним жаром земли и медленно остывают. В результате природных процессов без какого-либо вмешательства человека образуются минералы – твердые природные соединения, обладающие определенным химическим составом и кристаллической структурой. Химический состав минералов определяется распространенностью химических элементов в земной коре. Наиболее распространены в земной коре 8 химических элементов, на долю которых приходится 98% всего состава земной коры. Это кислород (46,50%), кремний (25,7%), алюминий (7,65%), железо (6,24%), кальций (5,79%), магний (3,23%), натрий (1,81%), калий (1,34%).

Из одного или нескольких минералов образуются горные породы. Все вещество земной коры состоит из минералов и горных пород. Важнейшими горными породами земной коры являются гранит (гранит с латинского «зерно») и базальт (базальт с греческого «основной»).

Минералы, составляющие основную массу горной породы, называют породообразующими.

Одним из основных элементов, входящих в состав гранита, является полевой шпат (доля от общего объема 50-60%), кварц (30%) и слюда.

Гранит формируется на большой глубине около 5-10 километров.

Горная порода базальт - застывшая лава. Главнейшие минералы, слагающие базальт: оливин, роговая обманка, авгит, полевой шпат (плагиоклаз) и пироксен.

2.2 Многообразие минералов. Самые распространенные минералы земли.

Не только в глубинах и на поверхности Земли образуются минералы и горные породы. Некоторые прилетают из космоса. Космические «пришельцы» метеориты - это тела космического происхождения, которые врезаются в атмосферу Земли и падают на ее поверхность. Слышали, наверно, про Челябинский метеорит. Суперболид разрушился в окрестностях Челябинска на высоте 15-25 километров 15 февраля 2013 года. Наиболее крупные фрагменты были подняты со дна озера Чебаркуль. Это был каменный метеорит, в составе которого присутствовали знакомые нам полевые шпаты, оливин, металлическое железо.

Не удивлю вас, если скажу, что в горных породах Луны, единственного естественного спутника Земли, содержится около 90 обычных земных минералов. Это полевые шпаты, оливин, шпинель, самородное железо и другие.

2.3. Свойства минералов.

В мире насчитывается около 4000 минералов. Как же отличить их друг от друга? Для этого необходимо знать свойства минералов.

На примере двух образцов минералов (слюда и кварц), я определил их свойства.

1. Цвет минерала. Определил визуально. Слюда –серый, кварц –белый.

2. Цвет черты. Использовал матовую поверхность фарфоровой пластинки («бисквит»). По ней надо провести образцом. Если образец более твердый (твердость выше 6), чем бисквит, остается царапина, то есть черты не оставляет. Слюда –белый или серый, кварц – нет черты, так как он твердый.

3. Блеск может быть: алмазный, стеклянный, жирный, восковой, перламутровый, металлический, матовый. Слюда – стеклянный, кварц стеклянный.

4. Прозрачность. Минерал может быть прозрачным. Свет проходит хорошо через образец, просвечивается. Полупрозрачным. Свет проходит через образец не полностью. Непрозрачный –свет не проходит. Слюда – в пластинах полупрозрачная, кварц тоже полупрозрачный.

5. Твердость минерала. Для определения относительной твердости минералов использовал Шкалу Мооса (предложенную в 1811 году немецким минералогом Фридрихом Моосом) методом царапания. Значения шкалы от 1 до 10 соответствуют 10 эталонным минералам, расположенных в порядке возрастающей твёрдости, от талька до алмаза. Шкала Мооса основана на том, что более твердый минерал оставляет царапины на более мягком. То есть, тот минерал который мягче крошится или царапается.

Аналогами эталонов может быть человеческий ноготь. Тальк (1) и гипс (2) царапается ногтем (2,5). Кальцит (3) царапается медью или монеткой. Флюорит (4) легко царапается ножом, оконным стеклом (5). Апатит (5) с усилием царапается ножом, оконным стеклом, гвоздем. Ортоклаз, полевые шпаты (6) царапает стекло, обрабатывается напильником. Кварц (7) царапает стекло, поддается обработке алмазом. Топаз (8), корунд (9) царапает стекло, поддается обработке алмазом. Алмаз (10).

Слюда – 2,5-3, кварц - 7 (эталонный минерал).

6. Излом- форма поверхности куска минерала, образующаяся при его раскалывании. Излом может быть ровный, ступенчатый, неровный, занозистый, землистый, зернистый, раковистый.

Слюда – ровный, кварц- раковистый.

7. Спайность- способность кристаллов минерала раскалываться вдоль определенных направлений. По степени совершенства спайность бывает весьма совершенная (идеально ровные сколы, зачастую расколоть кристалл можно просто руками); совершенная (довольно ровные сколы, раскалывать образец приходится молотком); средняя и несовершенная видны только под микроскопом; весьма несовершенная аналог выражения «спайности нет». Слюда – весьма совершенная, кварц- весьма несовершенная («спайности нет»).

Изучает минералы древнейшая из наук - минералогия.

Полезные минералы и горные породы извлекают из недр земли, поэтому их называют ископаемыми. Часто синонимом полезные ископаемые выступает термин «минеральные ресурсы». Минеральные ресурсы - вещества и соединения, находящиеся в земной коре в виде горных пород и минералов, используемых в народном хозяйстве. Минеральные ресурсы служат минерально-сырьевой базой хозяйства страны. В настоящее время в экономике используются более 200 видов минеральных ресурсов.

2.4 Минералы вокруг нас.

Минералы и горные породы находят применение во всех областях деятельности человека. В том или ином виде они встречаются нам везде: дома, в школе, на улице. Наиболее чистые и прозрачные разновидности минералов с достаточной твердостью и красивой окраской называют самоцветы или драгоценные, ювелирные камни. Природные самоцветы –крупная и важная группа полезных ископаемых. Они относятся к категории редких образований и считаются аристократией среди минералов. Это алмаз (алмаз называют царём камней), изумруд, рубин, сапфир, янтарь, аметист, нефрит, жадеит, малахит, яшма, лазурит, бирюза, кварц и другие. Таких минералов выделяют около 70. Из этой группы минералов изготавливают разнообразные ювелирные украшения, поделки. Так, халькопирит применяются для производства руды на медь, сфалерит – на цинк, галенит на свинец, молибденит на молибден, барит на барий, магнетит и гематит на железо.

Гипс применяется в медицине, строительстве, химической промышленности.

Галит –в пищевой и химической промышленности. Галит- единственный в природе съедобный минерал, который необходим людям ежедневно. Галит еще называют каменной или поваренной солью. Соленый вкус-уникальное свойство этого минерала. Соль- не только ежедневная приправа, но и лекарство. В соляных пещерах размещаются лечебные кабинеты, где можно подышать целебным воздухом, насыщенным частицами каменной соли. Этот метод называется галотерапией.

Тальк- в медицине, текстильной, бумажной и химической промышленностях.

Каждый из нас пользуется простыми карандашами, стержни из графита и мелом – разновидностью известняка, который состоит из мельчайших раковин одноклеточных организмов.

Сера применяется для производства серной кислоты, пороха, спичек.

Песок из кварца используют для работы очищающих водных фильтров, применяют в изготовлении стекла, фаянса и фарфора, стекловолокна, эмали, лакокрасочных изделий, в литейной промышленности, в создании электрических предохранителей.

Кремний для зажигалок используется уже очень давно. Еще в древности люди использовали кремень для получения искры при розжиге огня. Также кремний используется в электронике, производстве компьютеров, телефонов.

Пластины слюды или мусковита с древних времен вставляли в окошки изб, использовали при изготовлении фонарей и даже очков. В настоящее время слюда используется как изолятор, который не пропускает электрический ток и тепло, ее применяют в радиодеталях и микроскопах.

Особое значение имеет самородный минерал –золото. Это основа золотого фонда России. Золото широко используется в качестве украшений и предметов роскоши. В медицине и химии. Также минерал используется в реактивных двигателях, ракетах, космических аппаратах, спутниках, ядерных реакторах, сверхзвуковых самолетах, в электронной промышленности и радиотехнике.

В украшении Московского метро использовано более 100 минералов и горных пород. В картинах, панно и мозаиках, колоннах и стенах можно рассмотреть гранит и яшму, синий лазурит и амазонит, зеленый серпентин, нефрит, жадеит, розовый мрамор и родонит, редкий флюорит.

Вместе с тем, масштабы добычи полезных ископаемых велики – в расчете на одного жителя Земли в год добывается до 20 тонн сырья, из которых менее 10% переходит в конечный продукт, а остальные 90% – отходы. К примеру, необходимо добыть и переработать тонну золотоносной руды, чтобы получить, в среднем, 5 грамм золота. Добыча сырья значительно истощает земную кору, с каждым годом уменьшаются запасы минералов, рудники медленно опустошаются, происходит загрязнение окружающей среды, нарушаются естественные процессы в природе. Все это приводит к серьезным экологическим проблемам.

Некоторые из минералов, такие как нефть, уголь невозновимы. При текущей ситуации минеральных запасов хватит на 25-30 лет. Считаю решением экологической катастрофы является сокращение добычи и создание искусственных аналогов природных материалов.

С конца прошлого столетия начали проводиться исследования по синтезу минералов.

Во многих странах созданы специализированные предприятия по синтезу рубина, кварца, алмаза, малахита, изумруда и других минералов. Такие камни обладают такими же свойствами, что и натуральные, и поэтому считаются не имитациями, а синтетическими аналогами минералов. Научные и технологические исследования в области синтеза минералов позволили вырастить кристаллические материалы, не имеющие природных аналогов.

Так, исследователям израильского университета Технион впервые в мире удалось вырастить искусственные монокристаллы золота в лабораторных условиях. Золото обладает повышенной механической прочностью, устойчивостью к высоким температурам, а также повышенной проводимостью электричества и тепла.

Многие минералы получены в лабораторных условиях в виде мелких кристаллов или поликристаллических агрегатов, однако в промышленных масштабах производится лишь небольшое количество минеральных соединений.

Выращивают кристаллы разными методами. Наиболее распространённый процесс промышленного выращивания- кристаллизация из расплава, из насыщенных растворов в широком диапазоне температур от 30 до 1400° С и давления от 30 до 200 Мпа (мегапаскаль). Синтез осуществляется в автоклавах из жаропрочных сталей.

Синтетические кристаллы необходимы в качестве расходных материалов в технике и различных исследованиях, поэтому интерес к синтезу постоянно растет.

Кристаллы можно вырастить в домашних условиях – это уникальная возможность понаблюдать за процессом происхождения подобных явлений в природе, а также шанс получить весьма необычную и удивительно красивую поделку. Вырастить кристалл можно за несколько дней, или недель. Процесс совершенно безопасен, не требует особых знаний в области химии, не предусматривает использование вредных реактивов. Сегодня в магазинах большой выбор наборов для творчества. В наборах имеется подробная инструкция. У меня вот что получилось. Кроме того, в интернете можно найти информацию. Предлагаю попробовать.

На одном из занятий в Школе юного геолога мы выращивали кристаллы из алюмоаммониевых квасцов. Есть такие природные минералы. Создали перенасыщенный раствор и поместили в него привязанный к нитке кристалл затравку. Вот что из этого получилось.

С 6 лет я коллекционирую минералы. На сегодня у меня около 100 образцов. Два раза в году, весной и осенью, в Красноярске проходят выставки-продажи самоцветов. На них не только любуюсь камнями, но и что-то приобретаю. Некоторые камни были собраны мною на геологической практике в Хакасии, где мы ходили по разным маршрутам. Знакомились с коренными отложениями осадочных пород (доломит, известняк). Были на Сундуках и Алексеевском месторождении.

Летом 2016 года мы отбирали шлиховые пробы на Енисее, в районе острова Татышев. Пробы отбирали лопатой и затем промывали в лотках.

Шлих – концентрат минералов, остающихся после промывки в воде рыхлых природных отложений или раздробленных горных пород. Какую же красоту мы увидели под микроскопом. Калейдоскоп разноцветных минералов: кварц, гранат, даже были песчинки золота!

Собирать минералы интересно еще и потому, что одни встречаются везде и часто (кварц, слюда, полевой шпат в горных породах), другие очень редки. Так, например, сиреневый минерал чароит встречается только у нас в России, к северу от озера Байкал, около реки Чары. Бабушка привезла мне гипсовую розу (роза пустыни) с Туниса. Они встречаются только в Африке (пустыня Сахара). А лунный минерал ceлeнит в Poccии добывают, в основном, в Пермском крае. Кладовой России, где много самоцветов, золота и руд считаются Уральские горы. Помните, ребята сказки Павла Петровича Бажова. В сказе "Серебряное копытце" упоминается писателем известный на Урале камень – зеленый хризолит. В "Малахитовой шкатулке" Бажовым упоминаются два характерных для Урала камня – родонит (орлец, уникальная окраска с переливами розового и малинового цвета и необычной текстурой из тонких черных прожилков марганца) и яшма. Хозяйку Медной горы в волшебной сказке с таким названием он сделал хранительницей драгоценных камней и пород, иногда предстающей перед людьми прекрасной женщиной, а иногда – в виде диковинной ящерицы в короне. Здесь упоминаются изумруд и малахит. Благодаря сказам Бажова малахит является главным символом Урала. Очень хочу попасть на Урал.

Теперь вы знаете насколько многообразны минералы, рожденные в недрах нашей планеты.

Кроме этого, минералы являются важным сырьем для многих видов промышленности: металлургическая, нефтяная, пищевая, топливная, легкая…

Значение минералов для человека огромное, они практически незаменимы для хозяйственной деятельности человека.

Поэтому изучение состава, свойств минералов является важным направлением в науке минералогии и геологии в целом.

Необходимы новые научные исследования, направленные на разработку новых технологий, позволяющих снижать воздействие на окружающую среду, более эффективно расходовать минеральные ресурсы.В идеале человечество должно научиться получать нужные продукты безвредным для окружающей среды путём.

Заключение

Проведя свое исследование,  установил, что:

- из минералов, как из кирпичиков, состоит окружающий нас мир неживой природы;

- известно около 3500 видов минералов;

- процесс образования минералов происходит глубоко в недрах Земли;

- единственный минерал, который можно употреблять в пищу – галит, или поваренная соль;

- кристалл (минерал ) можно вырастить в домашних условиях;

- минералы широко применяются в строительстве и промышленности;

- на Урале можно найти практически все известные минералы;

- искать минералы для коллекции можно везде!

На основе полученных нами данных можно сделать вывод, что наша жизнь без минералов была бы значительно сложнее, мир минералов не исследован до конца и таит в себе много загадок, прямо под ногами можно найти как известные науке минералы, так и открыть новые.

Я очень хочу побывать в Уральских горах, Ильменских горах, Кунгурских пещерах. Свою работу буду продолжать по изучению материалов и пополнению коллекции  минералов.

Используемая литература:

1. Планета Земля. Энциклопедия. – М.: Издательский дом «РОСМЭН», 1997.

2. Должанская Т.Ю. Минералы. Москва ЗАО «РОСНЭН» 2015 95 стр.

3. Журналы «Минералы- сокровища земли» 2014