XIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Можно ли вырастить настоящий рубин в домашних условиях

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Дегтярь Э.А. 1

---

1МАОУ "Лицей 97 г. Челябинска"

Саблина А.В. 1

---

1МАОУ "Лицей 97 г. Челябинска"

Работа в формате PDF

3.8 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

ВВЕДЕНИЕ

Меня, как девочку, очень интересуют драгоценные камни, манит их блеск и богатая игра переливов. Я люблю останавливаться у витрин ювелирных отделов и любоваться благородным блеском кристаллов. Особенно манят рубины. Они поразили меня еще в раннем детстве, когда мне прокололи уши и вдели первые сережки с красивыми алыми камнями. Сейчас я увлекаюсь химией, и недавно узнала, что оказывается рубины образуются в природе всего из двух веществ – оксида алюминия и оксида хрома (III) под действием высокой температуры. Как просто! Тогда, опираясь на эти знания, я решила попробовать создать свой настоящий рубин, который был бы ничуть не хуже природного.

Актуальность работы: исследование природных процессов при превращении простых химических веществ в драгоценный камень, по моему убеждению, должно способствовать популяризации науки «Химия» среди школьников.

Цель работы: вырастить настоящий рубин из подручных материалов в домашних условиях.

Для достижения цели я поставила перед собой следующие задачи:

Понять, что такое рубин и как он образуется в природе;

Изучить все известные методы искусственного выращивания рубинов;

Адаптировать один из методов для создания рубина в домашних условиях;

Вырастить минерал самостоятельно;

Доказать, что полученный камень на самом деле является рубином.

Для решения задач я применяю следующие методы исследования: изучение литературных и интернет - источников по исследуемой теме; наблюдение; эксперимент; анализ, обобщение и систематизация полученных данных.

Гипотеза: в домашних условиях можно вырастить самый настоящий рубин.

Что такое рубин

Рубин — это минерал, разновидность корунда, относится к классу оксидов. Красную окраску придаёт содержание примеси хрома Сr3+ (от сотых долей до 2%). Образуется при окислении алюминия Al кислородом О₂ при температуре 2000-2100 ℃ в присутствии хрома по химической формуле

4Al, (1)

Рубин представляет собой прозрачный или полупрозрачный минерал красного цвета различных оттенков, обладает высокой твердостью по шкале Мооса – 9, имеет плотность 3,99-4,1 г/см³, не растворим в кислотах, не плавится под паяльной трубкой, имеет стеклянный блеск, хрупкий из-за несовершенной спайности [4]. Еще одной разновидностью корунда является сапфир, обладающий той же химической формулой (1), но включающий примеси титана и железа. Эти примеси придают сапфиру синие оттенки. Таким образом, рубин и сапфир – «братья» - корунды, отличающиеся лишь цветом, но имеющие схожие свойства.

Образование рубина

2.1 Происхождение в природе

Я выяснила, что самый главный компонент рубина, алюминий – это один из самых распространенных химических элементов земной коры. Встречается повсеместно и входит в состав глины. Но почему же тогда природный рубин – такой редкий самоцвет? Все дело в особых условиях, при которых он образуется в земной коре. Рубины являются типичными гипогенными минералами, т.е. образуются в земной коре на глубине 3500-5000 м путем взаимодействии алюминия, кислорода и небольшого количества хрома при очень высокой температуре 2000-2100 ℃ и давлении в несколько десятков атмосфер. Процесс природного образования кристаллов длится несколько миллионов лет. Это сочетание температуры и давления становится возможным в процессе метаморфизма горных пород, например при движении земной коры [5].

В основном эти алые самоцветы находят в магматических горных породах, но иногда они встречаются и в осадочных (кристаллических мраморизованных известняках), а также россыпях. На сегодняшний день наиболее известны месторождения природных рубинов в Бирме, Индии (Шри-Ланка), Таиланде, Эфиопии, недавно открыто большое месторождение в Гренландии. На Южном Урале рубины встречаются в Ильменских горах (окрестности г. Миасса)(приложение А, рисунок А.1). Рубины образуются в виде отдельных или сросшихся в группы бочонкообразных, дипирамидальных и таблитчатых кристаллов (рис. А.2).

2.2. Изготовление искусственных рубинов

Синтетический минерал - искусственным образом созданный камень, характеристики которого ничем не отличаются от тех, что присущи настоящему природному минералу. «Искусственный», на сегодняшний день, не значит «поддельный», или «имитация». В лаборатории воссоздают контролируемые сочетания температуры и давления, свойственные природным условиям. В результате получаются почти идеальные кристаллы, имеющие высокую чистоту, прозрачность, более насыщенный цвет. Данные камни полностью признаны ювелирными мастерами и широко используются при создании украшений массового сегмента [3].

Получать драгоценные камни синтетическим (искусственным) путем научились еще в 19 веке. Сегодня распространены три основных метода:

Гидротермальный: тeхнoлoгия пpoизвoдcтвa гидpoтepмaльных камней cocтoит постепенной в кpиcтaллизaции вeщecтвa из водного pacтвopa пpи 650–700 °C и дaвлeнии 1500 aтм. Гидpoтepмaльныe кaмни выращивают в aвтoклaвe (ростовой камере) – cпeциaльнoм cocyдe из выcoкoпpoчнoй нержавеющей cтaли (рис.А.3). Рост кристалла длится примерно 4 недели.

Метод Чохральского: метод выращивания кристаллов путем вытягивания их вверх от свободной поверхности большого объема расплава (рис.А.4). Растущий кристалл (буля) принимает цилиндрическую форму при вращении установки. Процесс роста занимает 3-4 часа. В результате можно получить кристалл диаметром до 30 см и длиной до 2 м.

Метод Вернейля: заключается в выращивании кристалла в виде булипри плавлении мелкодисперсного порошка шихты, которая состоит из смеси оксида алюминия и окиси хрома (III) , в пламени кислородно-водородной горелки при температуре 2050-2100 ℃ (рис.А.5). Первые искусственно синтезированные кристаллы рубина Огюст Вернель продемонстрировал в Париже в 1902 г. Сегодня аппарат Вернейля является наиболее простым и популярным методом выращивания кристаллов рубинов и сапфиров.

Проанализировав данные способы получения кристаллов, я поняла, что в домашних условиях наиболее просто будет воссоздать именно метод Вернейля как наиболее понятный и простой.

Адаптация метода Вернейля для создания настоящего рубина в

домашних условиях

Изготовить самостоятельно аппарат Вернейля в привычном виде в домашних условиях и запустить его в дело было бы проблематично, т.к. в оригинале в аппарат подается одновременно кислород и водород. Из практики известно, что сочетание двух этих химических элементов в газообразном виде образует гремучий газ, способный легко взрываться и обладающий огромной разрушительной силой. Он образуется при смеси водорода и кислорода в соотношении 2:1 по формуле

. (2)

Поэтому, чтобы не рисковать здоровьем себя и близких, от подачи водорода решено было отказаться. Я выяснила, что Вернейль применял водород в сочетании с кислородом для горелки затем, чтобы получить нужную температуру пламени в 2050 ℃. Следовательно, если добиться создания пламени с нужной температурой, то применять водород вовсе не обязательно. Решено было добиться заданной температуры с помощью газового резака, который образует пламя за счет горения пропана. Резак есть у нас на даче.

Я разобралась в устройстве и принципе действия аппарата Вернейля и пришла к заключению, что для выращивания рубина достаточно соблюдения нескольких основных условий:

для придания рубину красного цвета нужно, чтобы в шихте присутствовало не более 2% по массе оксида хрома (III);

необходимо обеспечить бесперебойную равномерную подачу мелкодисперсной шихты в малых количествах к пламени резака;

шихта должна полностью расплавиться в пламени и стечь на огнестойкое основание или затравочный кристалл;

для улучшения прочностных характеристик и прозрачности полученного кристалла нужно обеспечить ему медленное остывание на воздухе.

Итак, пока это только теоретические выкладки, но получится ли вырастить настоящий рубин на практике?

Подготовка исходных элементов

Для изготовления рубина мне необходимы следующие элементы:

химические реактивы: порошок оксида алюминия и порошок оксида хрома(III) ;

дозирующее устройство, которое должно подавать шихту к пламени в малых количествах, при этом постоянно встряхивая ее, чтобы предотвратить слёживание;

аппарат газовой резки, защитные перчатки и очки;

огнестойкое инертное основание, лучше всего подошел графитовый тигель;

теплоизолированная камера для медленного остывания кристалла (термос) (прил. Б, рис. Б.1).

Если с последними тремя элементами проблем не возникло, то с дозирующим устройством и с оксидом хрома все было не так просто. Оксид алюминия я приобрела без проблем в магазине химических реактивов, но вот просто так купить оксид хрома (III) не получилось, так как в малых количествах он не продается, и приобрести его можно только в мешках по 5 кг и более. Тогда я подумала, что если окись хрома нельзя купить, то надо ее получить!

4.1 Получение оксида хрома (III)

Читая [6], я узнала, что можно выделить самостоятельно, применив широко известную в кругах химиков реакцию Бёттгера (вулкан Бёттгера). Этот опыт нравится всем детям. Смысл его таков: если взять кристаллический порошок дихромата аммония и раскалить или поджечь его, то начнется самоподдерживаемая экзотермическая реакция. В результате дихромат аммония разложится на три вещества – оксид хрома (III) , газообразный азот и водяной пар

(3)

Дихромат аммония входит в состав детских наборов для химических экспериментов, и купить его не составило труда. Я проделала этот весёлый зрелищный опыт вместе с моей младшей сестрой, она была в полном восторге. В результате реакции (3) получилось много темно-зелёного порошка (рис.Б.2), а азот и водяной пар улетучились в воздух.

Итак, теперь у меня есть окись хрома, значит, я стала еще на 1 шаг ближе к получению рубина.

4.2 Изготовление дозирующего устройства

Основной задачей дозирующего устройства является дозирование и встряхивание шихты. Мы с папой придумали взять большой шприц объемом 10 мл без поршня, он будет служить емкостью для шихты, к тому же у него есть малое выходное отверстие, удобное для высыпания небольшой порции смеси. Вместо иглы к шприцу прикрепили тонкую стальную трубочку, чтобы подводить шихту близко к пламени резака. Для встряхивания смеси к шприцу приклеили два вибромоторчика, которые работают от батареек на 1,5 вольта (рис. Б.3).

4.3 Приготовление шихты

Так как по рекомендации Вернейля для получения красной окраски кристалла в смеси реагентов должно быть не более 2% примеси по массе, то для приготовления шихты можно взять, например, 50 г окиси алюминия и чуть меньше 1г окиси хрома. Смесь реагентов надо хорошо перемешать до получения равномерно окрашенного в бледно-зелёный цвет порошка. Я так и сделала, но оказалось, что частички оксида хрома крупнее порошка окиси алюминия, и однородная смесь не получалась. Пришлось растереть их в ступке. В итоге я добилась однородной бледно-зеленой шихты (рис. Б.4).

Итак, подготовительная работа завершена, можно приступать к выращиванию рубина!

Выращивание рубина

Попытка №1: мы настроили газовый резак на малое пламя, опустили горелку в тигель и стали потихоньку сыпать шихту в пламя. Большая часть шихты разлеталась мимо из-за высокой скорости газа, но малая часть порошка все же начала плавиться в пламени, и через некоторое время на дне тигля образовался небольшой черный кристаллик. Когда образец остыл, он приобрел ярко алый цвет. Значит мы на верном пути! Я продолжала сыпать порошок дальше, смесь сплавлялась, минерал рос, но смотреть на него было невозможно, так как он стал очень яркий из-за высокой температуры (около 2000 ℃). Надо отметить, что процесс плавки очень медленный! Спустя 3 часа получился сплав, по цвету и блеску похожий на алый рубин, но совершенно непрозрачный (прил. В, рис. В.1). Я обрадовалась, но когда сплав окончательно остыл, то распался на части (рис. В.2). Оказалось, что шихта сплавилась только сверху, внутри она осталась порошком. Попутно в тигле образовалось еще несколько более мелких камней алого цвета, но внутри они тоже не сплавились. Вывод: значит, температура пламени оказалась недостаточно высока, и для полного сплавления шихты нужно увеличить время нагрева и повысить температуру пламени.

Попытка№2: мы собраличасти распавшегося камня, а также остальные сплавленные кусочки. Папа настроил пламя на более высокую температуру, и мы снова начали нагревать сплав. Это долгий и утомительно скучный процесс. В тигель невозможно было заглянуть, так как нагретый сплав светил очень ярко, гораздо ярче, чем в первый раз. Не спасали даже защитные очки. Процесс шел почти вслепую. Спустя 2 часа нагрев прекратили. В результате получилось несколько оплавленных камней. Они стали более стекловидными, плотными, более прозрачными, сильно уменьшились в размере, так как из них вышли газовые примеси (рис. В.3).

Далее мы прогревали каждый образец отдельно и давали им всем очень медленно остывать. Вывод: в результате получились красивые камни с глянцевым стекловидным блеском, полупрозрачные, их оттенки варьировались от алого до бледно-розового (рис. В.4). Но можно ли назвать их рубинами?

Идентификация образцов

В источниках [1,2] описаны основные признаки рубинов:

Химический состав: высокотемпературный сплав и ;

Цвет: от коричнево-красного до бледно-розовового с сиреневым отливом;

Блеск: глянцевый, стекловидный;

Прозрачность: абсолютно прозрачным настоящий рубин быть не может из-за большого числа включений. Чаще замутнен. Пропускает свет, при этом светится оттенками розового и красного. Идеально прозрачными могут быть только очень редкие природные образцы, которых единицы в мире, а также лабораторные кристаллы;

Наличие включений (трещины, газовые пузырьки): присутствуют всегда. Отсутствуют только у подделок и лабораторных кристаллов;

Теплопроводность (способность проводить тепловую энергию): низкая (медленно нагревается и медленно остывает);

Твердость по шкале Мооса: 9 – способен легко царапать стекло и топаз (твердость по Моосу – 8);

Способность светиться в УФ-лучах: яркое малиновое свечение. Основной признак!

Я выбрала среди камней 5 самых удачных образцов и проанализировала их согласно вышеприведенным признакам, и могу сделать вывод, что все мои камни соответствуют понятию «рубин». Результат идентификации признаков выполнен в табличной форме и представлен в приложении Г.

Но домашней идентификации образцов мне показалось мало, я решила обратиться к специалисту по минералам за профессиональным мнением. Я встретилась с заведующей учебным геологическим музеем, кандидатом геолого-минералогических наук, доцентом кафедры «Строительные материалы» Южно-Уральского университета, геологом с огромным опытом, Татьяной Ивановной Тараниной. Она исследовала кристаллы под 10-кратным увеличительным стеклом, замерила их плотность и температуропроводность на профессиональном оборудовании и пришла к заключению, что все кристаллы являются искусственно созданными корундами с окраской и свойствами, присущими рубинам (рис. Г.2).

Вывод: это просто удивительно! Мне действительно удалось самой вырастить настоящий искусственный рубин в домашних условиях с помощью доступных средств!

Я решила, что такая красота не должна пропадать зря, поэтому мы с папой выбрали самый большой рубин весом 1 ct и отнесли его в ювелирную мастерскую, где на его основе изготовили ювелирный подвес из серебра. Получился отличный подарок для мамы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Итак, завершив исследовательскую работу по созданию настоящего рубина в домашних условиях, я могу сделать следующие выводы:

Подтверждена гипотеза о том, что в домашних условиях из вполне доступных средств можно вырастить настоящий рубин. Причем, немного меняя количество оксида хрома (III) в шихте, можно варьировать цвет рубина от сиренево-розового до насыщенного красного.

Работа носит практический характер, так как я доказала на деле, что выплавить камень можно проще, чем это делал Вернейль. К тому же мой метод более безопасный, ведь создать высокую температуру плавления шихты можно с помощью газового резака, а не опасной водородной горелки.

Выращенный рубин можно вставить в ювелирное изделие и подарить любимым людям. Это будет бесценный и незабываемый подарок, сделанный своими руками.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Демидов М. Как отличить натуральный рубин от искусственного и подделки: ювелирный блог / М. Демидов // «Ювелирный дом Максима Демидова. Как отличить натуральный рубин». - https://maxim-demidov.ru/blog/kak-otlichit-naturalnyj-rubin;

Кедрова В.А. Как отличить рубин от подделки: методы определения подлинности камня. / В.А. Кедрова // «Как отличить натуральный рубин от искусственного?» . - https://jgems.ru/interesnoe/kak-otlichit-rubin;

Лагутенков А.А. Большая энциклопедия драгоценных камней/ А.А. Лагутенков. – М.: Издательство АСТ, 2018. – 224 с.: илл.;

Рубин – Википедия // «Рубин». - https://ru.wikipedia.org/wiki/Рубин;

Энциклопедия для детей. Том 4. Геология. /Глав. ред. С.Т. Измаилова. – М.: Аванта+, 1995. – 624 с.: илл.;

Энциклопедия для детей. Том 17. Химия. /Глав. ред. В.А. Володин. – М.: Аванта+, 2000. – 640 с.: илл.

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение А. Происхождение рубинов

Рисунок А.1 Карта добычи рубинов в мире

в)

б)

а)

Рисунок А.2 Виды кристаллов рубина в природе:

а) бочонкообразный б) дипирамидальный в) таблитчатый

Рисунок А.3 Гидротермальный метод выращивания рубина

Рисунок А.4 Метод Чохральского Рисунок А.5 Метод Вернейля

Приложение Б. Подготовка исходных материалов для создания рубина

Рисунок Б.1 Исходные материалы для выращивания рубина

Рисунок Б.2 Вулкан Бёттгера и оксид хрома (III)

б)

а)

в)

Рисунок Б.4 Приготовление шихты:

в)

Рисунок Б.3 Изготовление дозирующего устройства:

а) исходные детали б) изготовление в) готовое устройство

ПРИЛОЖЕНИЕ В. Выращивание рубина

а) б) в)

Рисунок В.1 Выращивание рубина. Попытка №1

а) плавление шихты в пламени б) сплав в тигле в) получившийся образец

Рисунок В.4

Окончательный вид образцов после прогрева каждого камня отдельно

Рисунок В.3 Попытка №2.

Сплавленные кусочки

распавшегося ранее камня

Рисунок В.5

Самый крупный и красивый камень весом 1 ct

ПРИЛОЖЕНИЕ Г. Идентификация образцов

Рисунок Д.4

Засыпаем известь

Рисунок Д.5

Заливаем воду

Рисунок Г.1 Рубины и другие природные кристаллы в УФ-лампе.

На рисунке Г.1 показаны различные природные минералы (слева) и выплавленные рубины (справа), помещенные в УФ-лампу. При включении УФ-лампы рубины приобретают красивое яркое малиновое свечение, а остальные камни – нет.

Рисунок Г.2 Татьяна Ивановна Таранина, заведующая учебным геологическим музеем, кандидат геолого-минералогических наук, доцент кафедры «Строительные материалы и изделия» Южно-Уральского государственного университета

Рисунок Г.3 Заключение о соответствии выращенных образцов искусственным рубинам

Рисунок Г.4

Ювелирный подвес из самого крупного рубина