I Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

ИЗУЧЕНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ СИНТЕЗИРОВАНИЯ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО ЮВЕЛИРНО-ПОДЕЛОЧНОГО МАЛАХИТА

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Петров И. 1Сарыев Э. 1

---

1

Брилькова Н.И. 1Нелюбина Е.Г. 1

---

1

Работа в формате PDF

384.4 KB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителяСвидетельство руководителя

Введение 3

Глава 1. Теоретический анализ современных способов производства синтетического поликристаллического ювелирно-поделочного малахита 5

1.1. Характеристика природного минерала – малахит 5

1.2. Сравнительный анализ известных способов получения синтетического поликристаллического ювелирно-поделочного малахита 6

Глава 2. Практические аспекты разработки способа получения поликристаллического ювелирно-поделочного малахита 8

2.1. Описание методики проведения эксперимента 8

2.2. Результаты эксперимента, направленного на получение синтетического поликристаллического ювелирно-поделочного малахита 10

Выводы 12

Библиографический список 14

Приложение 1. 15

Приложение 2. 17

Приложение 3. 19

В природе малахит встречается обычно в небольшом количестве в рассеянном состоянии в виде налетов, примазок, небольших скоплений, землистых масс в смеси с другими гипергенными минералами. Лишь изредка встречаются плотные скопления малахита весом до 50 т. Известны крупные месторождения малахита в Заире, на юге Австралии, в Казахстане и в США. Месторождения малахита на Урале - Медноруднянские и Гумешевские рудники, в настоящее время практически полностью выработаны.

В связи с этим возникает актуальная проблема разработки технологий получения синтетического ювелирно-поделочного малахита, аналогичного по своим показателям природному малахиту.

Основная техническая проблема, не разрешенная до настоящего времени, сдерживающая расширение применения малахита в ювелирно-поделочных и декоративно-художественных целях, заключается в том, что известные до настоящего времени способы получения синтетического ювелирно-поделочного малахита не позволяют изготавливать плотный поликристаллический малахит аналогичный по физико-механическим и потребительским свойствам природному ювелирно-поделочного малахиту.

По описанным выше причинам можно сделать вывод, что тема нашего исследования «Изучение возможности синтезирования поликристаллического ювелирно-поделочного малахита» является актуальной для современной науки и промышленности нашей страны.

Целью научно-исследовательской работы является исследование возможности получения синтетического малахита.

Задачи научно-исследовательской работы:

1. Проанализировать свойства природного малахита и известные способы получения синтетического ювелирно-поделочного малахита.

2. Разработать способ синтеза поликристаллического ювелирно-поделочного малахита, характеризующегося чередованием ярких светло-зеленых и темно-зеленых полос с контрастными цветовыми переходами между слоями и не отличающегося по своим физико-механическим и ювелирно-художественным свойствам от лучших сортов ювелирно-поделочных разновидностей природного малахита.

3. Экспериментально проверить эффективность разработанного способа получения синтетического ювелирно-поделочного малахита.

Объект исследования – синтетический поликристаллический ювелирно-поделочный малахит.

Предмет исследования – способ получения синтетического поликристаллического ювелирно-поделочного малахита.

Методы исследования:

1. Теоретические – анализ литературных источников по проблеме исследования, подбор методик.

2. Практические – проведение химического эксперимента, синтез и анализ полученных результатов.

1.  
   1. Характеристика природного минерала – малахит

Малахит, минерал класса карбонатов, Cu₂[CO₃](OH)₂. Часто содержит примеси SiO₂, P₂O₅, CaO и другие. Ярко-зеленый с оттенками. Твердость 3,5-4; плотность 4,0 г/см³. Образуется в зоне окисления медных месторождений. В натечных почковидных агрегатах ценный поделочный камень; землистый малахит сырье для красок («малахитовая зелень»). 8

Формы выделений малахита в природе на редкость разнообразны. Хорошо образованные кристаллы весьма редки и всегда мелки, имеют столбчатый, пластинчатый, игольчатый вид, имеют тенденцию к расщеплению с образованием пучков, пушистых шариков, расщеплённых наподобие розетки «сферокристаллов», сферолитов и их эксцентрических разновидностей — «сфероидолитов» и гроздьевидных «сфероидолитовых дендритов».

Цвет малахита варьирует от сочного темно-зеленого до светлого бирюзово-зеленого. Непрозрачен, в мелких кристаллах просвечивает. Блеск матовый, бархатистый, у плисового - шелковистый.

В плотных почковидных агрегатах окраска обычно распределяется ритмично, с чередованием темных и светлых зон. Плотные лучистые агрегаты имеют красивый шелковистый блеск. Тонкоигольчатый (плисовый) и порошковатый агрегаты окрашены равномерно.

Более или менее одноцветные куски встречаются редко. Необработанному малахиту присущ слабый стеклянный блеск, но на свежем изломе и в прожилках блеск у него часто шелковистый. 9

Твердость 3,5 - 4; удельный вес 3,9 - 4,1; плотность 3,75 - 3,95. 1

В природе малахит встречается в приповерхностной зоне окисления сульфидных медных руд. Большие скопления плотного малахита очень редки и образуются путем замещения известняков сульфатными растворами меди в зоне окисления крупных месторождений меди, чем объясняется наличие в природном малахите примесей в виде CaO, Fe₂O₃, SiO₂. [1, с. 276].

Плотный, зонально-концентрический натечный малахит в виде достаточно крупных масс представляет большую ценность как красивый поделочный камень, употребляющийся для ювелирных и декоративно-художественных изделий (вставки, бусы, столешницы, вазы, облицовка колонн и др.). Известны крупные месторождения малахита в Заире, на юге Австралии, в Казахстане и в США. Месторождения малахита на Урале (Медноруднянские и Гумешевские рудники) в настоящее время практически полностью выработаны. 1

В связи с этим возникает актуальная проблема разработки технологий получения синтетического ювелирно-поделочного малахита, аналогичного по своим показателям природному малахиту.

1.  
   1. Сравнительный анализ известных способов получения синтетического поликристаллического ювелирно-поделочного малахита

Известны способы получения синтетических ювелирно-поделочных материалов, заключающиеся в кристаллизации из расплавов солей или из высокотемпературных водных растворов. [2] Однако для получения малахита данные методы непригодны, поскольку малахит разлагается при температуре 100-110^oC без плавления, а в воде практически не растворим.

Известны способы получения монокристаллов малахита в условиях низкотемпературного гидротермального синтеза [7, с. 155-156].

Известен способ изготовления синтетического малахита в виде отдельных частиц и их соосаждения с небольшим количеством однородно рассеянного висмута, используемых в качестве ядер для последующего выращивания при повышенных температурах и последующего конвертирования в медный ацетиленовый комплекс, используемый как катализатор этилинирования [4].

Известны агломераты кристаллов малахита и их получение, содержащие 1-7% (BiO)₂CuCO₃ и 0,5-3,5% SiO₂, имеющие средний размер 15 мкм, используемый в качестве катализаторов в химических производствах [5].

Известен способ производства малахита или малахитоподобных изделий, включающий перемалывание природного малахита до частиц 10-100 микрон, распределение пудры в прозрачном лаке, окраске им изготовляемых предметов, высушивания и нанесения на поверхность узоров или масок, воспроизводящих текстуру природного малахита [3].

Данными способами не удается получить малахит, пригодный для использования в качестве ювелирно-поделочного материала.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому при использовании техническому результату является способ получения поликристаллического малахита, заключающийся в растворении углекислой меди в водном растворе карбоната аммония, содержащем равные мольные доли аммония и карбонат-иона с последующим выпариванием раствора при нагревании, в результате чего получается рыхлый осадок поликристаллического малахита [6].

Недостатком данного способа, а также всех других известных способов является невозможность получения плотного материала, аналогичного по своим показателям природному малахиту и пригодного для использования в ювелирно-поделочных целях.

В частности, недостатками описанных способов являются слабое срастание между отдельными кристаллами и сферолитами в образующемся поликристаллическом осадке малахита, его высокая пористость и низкая механическая прочность (после высыхания осадок легко растирается пальцами), что делает его непригодным для ювелирно-поделочных целей.

Другим недостатком известных способов является однотонность получающегося осадка, имеющего бледно-зеленый цвет, в отличие от плотного поликристаллического агрегата природного малахита, ювелирно-поделочные разновидности которого характеризуются наличием чередующихся ярких светло-зеленых и темно-зеленых полос или слоев.

Основная техническая проблема, не разрешенная до настоящего времени, сдерживающая расширение применения малахита в ювелирно-поделочных и декоративно-художественных целях, заключается в том, что известные до настоящего времени способы не позволяют изготавливать синтетический плотный поликристаллический малахит аналогичный по физико-механическим и потребительским свойствам природному ювелирно-поделочного малахиту.

Мы предлагаем методику изготовления изготовлению искусственно выращенных камней, пригодных для ювелирной промышленности, декоративно-прикладного искусства и химической промышленности. В результате эксперимента мы планируем получение поликристаллического малахита, не отличающегося по своим свойствам от лучших сортов природного малахита. Мы несколько изменим методику проведения традиционного подхода к синтезу малахита, приготовив смесь, для работы добавив аммиак, увеличив тем самым концентрацию его в реакционной смеси.

Поставленная задача перед экспериментом будет достигаться, что синтетический малахит, представляющий собой поликристаллический агрегат, содержащий основную углекислую медь Cu₂[CO₃](OH)₂.

Традиционный метод.

Измельчают 2,5 г медного купороса и смешивают с карбонатом натрия. Карбонат берут с 10% избытком по сравнению с рассчитанным по уравнению реакции:

CuSO₄ + Na₂CO₃ + H₂O = Cu₂[CO₃](OH)₂ + Na₂SO₄ + CO₂↑

Полученную смесь медленно при непрерывном помешивании вносят в горячую воду, которую берут из расчета 2 л воды на 1 моль сульфата меди. После добавления последний порции смеси суспензию перемешивают 10-15 минут. Полученный осадок отфильтровывают, промывают водой, высушивают и взвешивают.

Экспериментальный метод.

При изготовлении синтетического малахита используем порошкообразную основную углекислую медь Cu₂[CO₃](OH)₂ из предыдущего опыта, карбонат аммония (NH₄₎₂CO₃ и 25%-ный водный раствор аммиака NH₄OH.

Основную углекислую медь Cu₂[CO₃](OH)₂ 1 г измельчаем и смешиваем с карбонатом аммония (NH₄₎₂CO₃ с 10% избытком. Смесь перемешиваем и растворяем в горячей воде, который берем из расчета 2 л воды на 1 моль углекислой меди, до полного растворения соли. Полученный раствор выпариваем при температуре от 40^oC до 95⁰С, преимущественно при температуре 60-80⁰С, при чем, данный процесс проводят с переменной скоростью, а именно уменьшают нагрев путем добавления водного раствора аммиака примерно по 1-2мл при достижении температуры максимального показателя. Процесс выпаривания продолжаем, примерно в течение 1 часа, до прекращения выделения паров аммиака. Прекращение выделения паров аммиака свидетельствует о полном разложении меднокарбонатноаммиачных комплексов, образующихся в процессе растворения основной углекислой меди в растворе карбоната аммония, что должно приводить к образованию плотного поликристаллического агрегата основной углекислой меди, представляющего собой ювелирно-поделочный синтетический малахит. После окончания процесса выпарки оставшуюся водную часть отделяли от синтетического малахита путем фильтрации.

При этом синтетический малахит должен содержать чередующиеся светло-зеленые и темно-зеленые слои, а его поверхность в отраженном свете проявляет «плисовый» эффект.

Экспериментальная работа, направленная на получение синтетического малахита, была проведена на базе Центра технического и гуманитарного развития «Постижение» структурного подразделения «Поиск» ГБОУ СОШ №2 п.г.т. Суходол.

В начале эксперимента мы произвели расчеты для традиционного метода.

2CuSO₄ + 2Na₂CO₃ + H₂O = Cu₂[CO₃] (OH)₂ + 2Na₂SO₄ + CO₂↑

m (CuSO₄) = 2,5 г

m 2,5

n (CuSO₄) =  =  = 0,015625 моль

M 160

m (Na₂CO₃) = M ∙ n = 0,015625 ∙ 106 = 1,65625 г

1,65625 г составляет 100%

х составляет 110%

следовательно х = (1,65625 ∙ 110) : 100 = 1,8218 г

для 1 моль CuSO₄ необходимо 2 л воды

для 0,015625 моль CuSO₄ необходимо у л воды

V (Н₂О) = (0,015625 ∙ 2) : 1 = 0,03125 л или 31,25 мл

После подсчетов, мы провели синтез малахита по традиционному способу и получили мелкие зеленого цвета кристаллы (приложение 2), масса которых составила – 1,813г.

Для дальнейшей работы мы использовали малахит, полученный традиционным способом, взвесили навеску массой 1г и провели дополнительный синтез по описанной выше экспериментальной методике.

Мы получили синтетический малахит массой 0,733 г (приложение 3).

Проведя визуальный анализ полученного образца можно сделать вывод о том, что результат показывает наличие небольшого минерала, по внешним признакам похожего на синтетический ювелирно-поделочный малахит, однако нами не изучены физико-химические свойства данного минерала. Мы считаем, что данная работа должна быть продолжена в научной физико-химической лаборатории.

Подводя итоги проведённого исследования можно сформулировать следующие выводы:

1. Проанализированы свойства природного малахита и известные способы получения синтетического ювелирно-поделочного малахита.

2. Предложена экспериментальная методика синтеза поликристаллического ювелирно-поделочного малахита.

3. Экспериментально проверена эффективность разработанной методики получения синтетического малахита.

Синтетический ювелирно-поделочный малахит, представляет собой поликристаллический агрегат, содержащий основную углекислую медь Cu₂[CO₃](OH)₂ и примеси, при следующем соотношении компонентов, вес.%: Cu₂[CO₃](OH)₂ - 99,99 - 99,5 и примеси Fe₂O₃ и Na₂O - 0,01 - 0,50.

Основная техническая проблема, не разрешенная до настоящего времени, сдерживающая расширение применения малахита в ювелирно-поделочных и декоративно-художественных целях, заключается в том, что известные до настоящего времени способы получения синтетического ювелирно-поделочного малахита не позволяют изготавливать плотный поликристаллический малахит.

Нами в рамках проведения научного исследования был предложен экспериментальный метод синтеза поликристаллического ювелирно-поделочного малахита. Способ получения синтетического ювелирно-поделочного малахита характеризуется тем, что, включает в себя растворение основной углекислой меди в водном растворе карбоната аммония и последующее выпаривание раствора с образованием поликристаллического агрегата синтетического малахита, отличающийся тем, что растворение основной углекислой меди в водном растворе карбоната аммония проводят при избыточном мольном содержании аммиака по отношению к мольному содержанию углекислоты.

Полученный нами минерал, мы предполагаем, что будет, является синтетическим малахитом, отличающийся тем, что поверхность в отраженном свете проявляет плисовый муаровый эффект, характеризующийся чередованием ярких светло-зеленых и темно-зеленых полос с контрастными цветовыми переходами между слоями.

Однако нами не изучены физико-химические свойства данного минерала. Мы считаем, что данная работа должна быть продолжена в научной физико-химической лаборатории. Эту работа предполагается нами провести на следующем этапе нашего исследования.

1. Большая советская энциклопедия (БСЭ), с. 276// http://bse.chemport.ru/

2. Корнилов Н.И., Солодова Ю.П. Ювелирные камни. - М.: "Недра", 1987, с. 259-276.

3. Патент EP N 0856363, B 05 D 5/05, B 44 F 9/04, 1998-08-05.

4. Патент США N 4107082, B 01 J 27/20, 15.08.78.

5. Патент США N 4536491, В 01 J 21/20, C 04 C 33/04, 20.08.85.

6. Чирвинский П.Н. Искусственное получение минералов в XIX столетии. - Киев. Университет, 1903-1906.

7. Ruszala P., Kostiner E. The hydrothermal synthesis of single crystals of ozurite and malachite. J. Cryst Growth. 1974/ 26. N 1, s. 155-156.

8. http://c-cafe.ru/words/6/543.php

9. http://www.ntpo.com/izobreteniya-rossiyskoy-federacii/hudozhestvenno-dekorativnoe-proizvodstvo/7790-sinteticheskiy-yuvelirno-podelochnyy-malahit-i-sposob-ego-polucheniya.html#sthash.T7RuCOUh.dpuf

Рисунок 1. Внешний вид природного минерала малахита.

Рисунок 2. образец малахита из Конго.

Характерной особенностью африканского малахита являются более крупные, по сравнению с уральским, правильные концентрические кольца (в отличие от колец неправильной формы у уральского малахита) с более контрастным чередованием светлых и тёмных зон).

Рисунок 3. Характерный узор малахита уральского на полированном срезе.

Традиционный способ получения синтетического малахита

Рисунок 4. Предварительный этап – взвешивание веществ.

Рисунок 5. Синтез малахита по традиционному способу.

Рисунок 6. Синтез малахита по традиционному способу.

Рисунок 7. Внешний вид синтезированного малахита по традиционному способу.

Рисунок 8. Синтез малахита по экспериментальному способу.

Рисунок 9. Синтез малахита по экспериментальному способу.

Рисунок 10. Синтез малахита по экспериментальному способу.

Рисунок 11. Внешний вид синтезированного малахита по экспериментальному способу.

20