XXI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Волшебные кристаллы гипса

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Рейм Л.А. 1

---

1МАОУ "Гимназия №17" г. Перми

Новокрещенова Н.В. 1

---

1МАОУ "Гимназия №17" г. Перми

Работа в формате PDF

2.2 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Что мы знаем о гипсе?

Первая ассоциация не самая приятная – перелом. Да, именно с получением серьёзной травмы в первую очередь ассоциируется этот минерал. Помимо травм гипс связан и с приятными эмоциями – я, например, люблю делать различные поделки из гипса. Чем старше мы становимся, тем чаще встречаемся в нашей жизни с гипсом. Поход к ортодонту – слепки челюсти делают из гипса. Ремонт в квартире – штукатурка оказывается тем же самым гипсом. Покупка недорогого, но очень симпатичного украшения из селенита – и оно тоже оказывается гипсом.

Этим летом мне повезло оказаться в очень интересном месте – Долине кристаллов. Она расположена в Ундорском районе Ульяновской области, на берегу Куйбышевского водохранилища. Основной целью посещения Долины кристаллов были поиски палеонтологических образцов. Должен сказать, что нам удалось найти несколько интересных окаменелых аммонитов и белемнитов мезозойской эры. Однако, увидев россыпи искрящихся на солнце «волшебных» кристаллов (Приложение № 1), я сразу забыл про палеонтологию – исследование кристаллического гипса показалось увлекательнее.

«Долина покрыта кристаллическим гипсом, в честь которого геологический разрез, вскрывающий пограничную часть между юрской и меловой системами, и получил название «Долина кристаллов». Сложные процессы окисления пирита, образования насыщенных гипсом растворов и привели к росту друзы. Кристаллический гипс здесь повсюду – стоит лишь копнуть на пять сантиметров вглубь породы. Прозрачные кристаллы красиво переливаются в лучах солнца, но они недолговечны и хрупки»¹.

Каково же было моё удивление, когда я узнал, что эти блестящие, сказочные кристаллы и есть гипс! Как же они превращаются в белую пластичную массу, из которой я люблю делать различные фигурки?

Так родилась идея исследования – преобразовать кристаллы гипса в порошкообразный гипс, и, смешав его с водой, изготовить фигурку динозавра.

Цель:

• изучить возможность преобразования кристаллического гипса в порошкообразный в домашних условиях.

Актуальность:

• понимание сути процессов, происходящих в привычных вещах, приближают нас к познанию законов жизни на нашей планете.

Задачи:

• собрать и изучить информацию о гипсе, его физико-химических свойствах и возможных местах нахождения кристаллического гипса;

• посетить месторождения кристаллического гипса;

• произвести поиск кристаллического гипса;

• изучить свойства найденных образцов;

• провести опыт по трансформации кристаллического гипса в порошкообразный гипс;

• изготовить фигуры из порошкообразного гипса.

Методы:

• Работа с информационными источниками;

• Анализ и обобщение полученной информации об объекте исследования;

• Отбор проб, сбор материала для изучения и исследования;

• Физическое изучение найденных образцов (форма, цвет, размер);

• Проведение серии экспериментов.

Предмет исследования:

• кристаллический гипс.

Гипотеза:

• из кристаллического гипса можно получить гипс порошкообразный и изготовить из него фигуру любой формы.

1. Гипс

Гипс – типичный осадочный минерал. Он присутствует в изобилии в донных отложениях древних морей, а также в прибрежных отложениях современных крупных водоемов. Формы и цвета очень разнообразны и зависят не только от мест залегания, но и от примесей других минералов и окислов металлов.

«Свое название получил от греческого «γύψος» (gypsos). Именно греки одни из первых стали применять гипс. В античности гипс широко использовался в строительстве. Его применяли для получения строительного раствора, в штукатурных работах, а также в литейном деле (при создании форм для литья). Смесь гипса, смолы и свинцовых белил служила как антикоррозийное покрытие. В 1 веке до н.э. прозрачные пластины из кристаллического гипса начали использовать в качестве оконного стекла»².

Даль в своём словаре даёт такое определение: «ГИПС м. ископаемое: сернокислая известь; пережженная, она рассыпается и, жадно впивая воду, крепнет, стынет или мерзнет с нею весьма быстро; алебастр. В просторечии алебастром зовут ископаемое это в лепном и штукатурном деле, а гипсом, в резном, когда высекают что из целины. Гипсовый шпат, селенит, гипс в волокнистом или гранковом виде. Гипсовый, из гипса сделанный, к нему относящийся».³

1. 1. Распространение гипса в природе

Месторождения гипса распространены по всему миру. «В России мощные гипсоносные толщи пермского возраста распространены по Западному Приуралью, в Башкирии и Татарстане, в Архангельской, Вологодской, Горьковской и других областях. Многочисленные месторождения верхнеюрского возраста устанавливаются на Сев. Кавказе, в Дагестане. Замечательные коллекционные образцы с кристаллами гипса известны из м-ния Гаурдак (Туркмения) и других м-ний Средней Азии (в Таджикистане и Узбекистане), в Среднем Поволжье, в юрских глинах Калужской области. В термальных пещерах Naica Mine, (Мексика) были найдены друзы уникальных по размерам кристаллов гипса длиной до 11 м»⁴. Однако в Ульяновской области, где проводилась часть практической работы, «…гипс не имеет промышленных запасов и добыча его не ведется. Крупные кристаллы гипса, встречающиеся в юрских и нижнемеловых отложениях Ульяновского Поволжья, имеют научное и коллекционное значение».⁵

1. 2. Почему именно в Ульяновской области?

«Гипс – один из самых распространенных минералов в Ульяновской области. Он встречается в юрских и нижнемеловых отложениях в зонах выветривания и отличается широким разнообразием природных форм.

На территории Ульяновской области гипс образовывался как химический осадок на дне древних юрских и нижнемеловых морей в результате гидратации безводного сульфата кальция-ангидрита в осадочных породах, в относительно небольших количествах при выветривании сульфидов. В Ульяновском районе на склонах Торнового оврага в яркий солнечный день можно наблюдать интересное явление: все склоны оврага переливаются в лучах солнца, как будто их кто-то усыпал алмазами. За большое содержание кристаллов гипса этот овраг назвали «Долиной кристаллов».⁵

1. 3. Физико-химические свойства

«Гипс - это сульфат кальция (CaSO4), который может присутствовать в разных модификациях с кристаллической водой (Н2О) (Приложение № 2)

Дигидрат (CaSO4*2 Н2О) → Полугидрат (CaSO4*0,5Н2О) → Ангидрит (CaSO4).

Химический состав чистого гипса:

СаО — 32,6 %;

SO3 — 46,5 %;

Н2О — 20,9 %»⁶

В природе встречается в виде бесцветных или белых кристаллов и их сростков. Характерны так называемые «ласточкины хвосты» – сростки двойники. Одним из самых известных и эффектных соединений кристаллов гипса является, так называемая, «роза пустыни». Такие соединения образуются в слое песка, вбирая при кристаллизации его мельчайшие частицы в себя. Кристаллы гипса срастаются в розетки, напоминая лепестки розы.

Цвет кристаллов белый, серый, иногда красноватый, при наличии примесей имеет серую, желтоватую, розоватую, бурую окраску. Блеск стеклянный или шелковистый у волокнистых разновидностей. Кристаллы гипса с включениями иногда обладают голубовато-белой, желтой или зеленой флуоресценцией.

Обладает растворимостью в воде. Особенностью гипса является то обстоятельство, что растворимость его при повышении температуры достигает максимума при 37-38°, а затем довольно быстро падает.

Если гипс нагреть до 120-140° градусов, он теряет часть кристаллизационной воды и превращается в так называемый полугидрат. Смешанный с водой полугидрат быстро твердеет за счет обратного перехода в гипс.

Гипс – это один из самых мягких минералов, по шкале Мооса имеет твердость 2. (Приложение № 3)

1. 4. Разновидности гипса

      1. «Селенит

Селенит - это волокнистая разность гипса, полупрозрачный минерал, прочнее алебастра. Мягкий, твёрдость 2 по шкале Мооса (легко царапается ногтем). В качестве включений может содержать глину, песок, редко - гематит, серу, органические примеси.

Имеет шелковистый блеск (Приложение № 4). После полировки благодаря параллельно расположенным волокнам имеет красивый переливчатый оптический эффект, аналогичный эффекту кошачьего глаза.

Цветовая гамма представлена розовыми, голубыми, желтыми и красновато-перламутровыми оттенками. Можно встретить и кристально-белый селенит.

Применяется как поделочный камень для изготовления бижутерии, фигурок, резных художественно-бытовых изделий. Легко шлифуется наждачной бумагой и хорошо полируется. Изделия из селенита легко затираются и теряют полировку из-за малой твёрдости и после эксплуатации требуют повторной обработки.

1. 1. 2. Алебастр

Название "alabastrites", появилось от названия города Алебастрон в Египте, где камень добывался. Алебастр высоко ценился и использовался для изготовления маленьких сосудов для парфюмерных изделий и ваз для мазей. Нарезанный тонкими листами, алебастр достаточно прозрачен, поэтому использовался для "остекления" окон.

Сегодня алебастр это основное сырье для производства гипса - порошкообразного вяжущего материала, получаемого путём термической обработки природного двухводного гипса CaSO4 • 2pO при температуре от 100°C и выше.

Алебастр - наиболее чистый тонкозернистый гипс, напоминающий по внешнему виду мрамор, белого цвета или светлоокрашенный (Приложение № 5).

1. 1. 3. Ангидрит

Ангидрит (от др.-греч. "лишённый воды") - безводный сульфат кальция. Ангидрит может быть белым, голубоватым, сероватым, реже красноватым (Приложение № 6).

При добавлении воды увеличивается в объёме примерно на 30 % и постепенно превращается в двуводный гипс.

Отложения ангидрита образуются в осадочных толщах главным образом в результате обезвоживания отложений гипса.

Ангидрит иногда используется как дешёвый декоративно-поделочный камень, по твёрдости занимающий промежуточное положение между яшмой, нефритом и агатом, с одной стороны, и мягким селенитом и кальцитом - с другой.

В наши дни применяется для производства безобжиговых и высокообжиговых гипсовых вяжущих веществ, а также в качестве добавки для производства цемента».⁷

1. 5. Применение

Гипс нашёл применение в различных сферах нашей жизни:

• В строительстве для производства:

• • гипсокартона

  • сухой штукатурки

  • перегородочных панелей

• В химической промышленности в качестве наполнителя:

  • пластмасс

  • резины

  • красок

• В медицине

  • в травматологии, ортопедии и хирургии при фиксации переломов, вывихов и растяжений

  • в ортопедических отделениях для изготовления слепков конечностей

  • в зуботехническом производстве

• в сельском хозяйстве: для получения азотных удобрений

• в искусстве:

• • камнерезном

  • ваяние скульптур.

2. Практическая часть.

Первая задача, которую требовалось решить для достижения поставленной цели: «собрать и изучить информацию о гипсе», легла в основу теоретической части работы. Решение остальных задач легли в основу практической части.

1. 1. Посещение месторождения кристаллического гипса

С решением этой задачи нам помогли сотрудники Ундоровского палеонтологического музея им. С.Е. Бирюкова, которые активно развивают палеотуризм в своём регионе. Экскурсия, участниками которой мы стали, так и называется – Долина кристаллов. Вот какая информация про неё содержится на официальном сайте музея: «Маршрут средней сложности. Отлично подойдет для тех, кто любит погулять по лесным тропам и не боится спускаться по осыпям склонов. Привлекателен для любителей геологии, ведь участников всегда ждут сверкающие друзы кристаллов. Возрастная категория: 10+. Категория сложности: сложный». Маршрут действительно непростой, ведь нам пришлось спускаться по довольно крутым склонам, параллельно проводя поиск.

1. 2. Проведение поиска кристаллического гипса

Решение этой задачи было самым простым, ведь на склоне, куда нас привёл экскурсовод, этих кристаллов очень много. Причём большинство из найденных нами кристаллов лежали прямо на поверхности. Каких только кристаллов там не было!

Поиском этот процесс назвать сложно, так как это скорее был сбор образцов. Единственной сложностью было то, что склон достаточно крутой и порода периодически осыпалась. Благодаря инструкциям, полученным от экскурсовода, и соблюдая правила безопасности, мы смогли собрать достаточное количество образцов кристаллического гипса (Приложение № 7).

1. 3. Проведение опыта по трансформации кристаллического гипса в порошкообразный гипс

Здесь мне на помощь пришла мама, так как она запрещает мне пользоваться духовым шкафом из соображений безопасности (моей и окружающих).

Так как информация о температуре получения полугидрата из дигидрата сульфата кальция в разных источниках отличается достаточно сильно, нам пришлось идти эмпирическим путём. Поместив несколько кристаллов разной величины в духовой шкаф, мы начали эксперимент. После каждого этапа я проводил визуальный осмотр на предмет изменения цвета кристаллов и прозрачности, а также пробовал кристаллы различного размера на прочность с помощью ступки и пестика. Результаты эксперимента представлены в таблице (Приложение № 8), ход эксперимента – на фотографиях (Приложение № 9). После температурной обработки все кристаллы потеряли прозрачность и приобрели белый, в некоторых случаях с примесями, цвет. В дальнейшем они без особого труда поддавались измельчению в порошок.

1. 4. Изготовление фигуры из порошкообразного гипса

Итак, у нас есть порошок белого, иногда с включениями серого, цвета. Для получения пластичной массы, пригодной для лепки, я воспользовался инструкцией к набору по изготовлению магнитов из гипса: «Смешать три части гипса и две части воды, нагретой до температуры 38℃. Гипс плавно всыпать в воду, постоянно помешивая». Дальше процесс уже не отличался от обычного отлива фигуры в форму (Приложение № 10).

Заключение

В заключение работы я хотел бы отметить, что нас окружают удивительные вещи, о происхождении которых мы чаще всего не догадываемся. Все мы знаем, что бумагу делают из дерева. А вы знали, что стекло делают из кварцевого песка? А что жевательную резинку и конструкторы Lego делают из нефти? Или что нефть, газ и другие полезные ископаемые – это остатки организмов, живших сотни миллионов лет назад?

Сейчас я знаю, что много вещей, которые окружают нас в повседневной жизни, это гипс. Что гипс в природе бывает в форме очень красивых, порой сказочных, кристаллов. Что для того, чтобы превратить кристаллический гипс в массу, пригодную для лепки, совсем не обязательно быть учащимся Хогвартса и знать заклинания. Достаточно просто понять суть процессов, происходящих во время преобразования кристаллического гипса в порошкообразный. В конечном итоге, понимание сути процессов, происходящих в привычных вещах, приближают нас к познанию законов жизни на нашей планете.

Цель работы достигнута – изучена возможность превращения кристаллического гипса в порошкообразный в домашних условиях.

Гипотеза подтверждена – из кристаллического гипса действительно можно получить гипс порошкообразный и изготовить из него фигуру любой формы.

Литература.

1. Геопарк «Ундория» [Электронный ресурс]. URL: https://undoria-geopark.ru/place/dolina-kristallov/. (Дата обращения 16.08.2023).

2. Гипс. Материал из Википедии – свободной энциклопедии. [Электронный ресурс]. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Гипс. (Дата обращения 10.09.2023).

3. Гипс. Толковый словарь Даля Онлайн. [Электронный ресурс]. URL: https://slovardalja.net/word.php?wordid=5709. (Дата обращения 10.09.2023).

4. Гипс. Всё о геологии. [Электронный ресурс]. URL: https://wiki.web.ru/ wiki/Гипс. (Дата обращения 17.09.2023).

5. Минералы и горные породы Ульяновской области. В.А. Кривошеев. Изд. АО «Областная типография «Печатный двор», Ульяновск. 2022.

6. Гипс как сырьё. Кнауф. [Электронный ресурс]. URL: https://www.knauf.ru/academy/gips-kak-syr-e/. (Дата обращения 24.09.2023).

7. Гипс. Дом Что Надо. [Электронный ресурс]. URL: https://domchtonado. ru/gips.html. (Дата обращения 24.09.2023).

Приложения.

Приложение № 1 «Кристаллы Ундории»

Приложение № 2 «Молекула гипса»

Приложение № 3 «Шкала Мооса»

Приложение № 4 «Селенит»

Приложение № 5 «Алебастр»

Приложение № 6 «Ангидрит»

Приложение № 7 «Инструктаж»

Приложение № 8 «Результаты эксперимента»

Приложение № 9 «Ход эксперимента»

Приложение № 10 «Изготовление фигуры из порошкообразного гипса»