XXIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Исследование физических свойств природных минералов и горных пород

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Мартюшев М.А. 1

---

1МАОУ "Гимназия №4" г. Пермь

Мяснова С.А. 1Мартюшев А.Ю. 2

---

1МАОУ "Гимназия №4" г. Пермь

2АО "ОДК-Авиадвигатель"

Работа в формате PDF

4.5 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителяСвидетельство руководителя

1. Введение

   1. Актуальность темы.

«Какой это камень?» – Подобный вопрос возникает у человека постоянно, поднимает ли он гальку на прогулке, нашёл ли он интересный кристалл в горах, наткнулся ли он на поблёскивающий золотом или серебром осколок в отвале горной породы на руднике, споткнулся о каменный бордюр или засмотрелся на ювелирное украшение.

Каждый раз человеку хочется узнать: что это за минерал, горная порода или драгоценный камень, блестящий так ярко и красочно. Наука геология (которая объединяет целый комплекс наук о Земле, охватывающий многие уровни и типы организации вещества) давно изучает камни и их свойства.

Можно выделить прямую и обратную задачу, которые решает геология. Прямая задача – это описание свойств минерала или горной породы, зная его вид. Обратная задача – определения вида минерала или горной породы по свойствам образца.

Зная различные свойства минералов и агрегатов (скопление и срастание минеральных индивидов (кристаллов и зёрен) одного и того же или разных минералов), их можно применять в разных отраслях хозяйства: для изготовления ювелирных изделий и товаров народного потребления, в строительстве, в промышленном производстве и др.

В своей работе я исследовал некоторые физические свойства образцов, заранее определив, к какому виду минералов и горных пород они относятся.

1. 2. Цель работы.

Научиться исследовать различные физические свойства минералов и горных пород.

1. 3. Задачи работы.

1) Определить виды минералов и горных пород из имеющихся образцов.

2) Исследовать с помощью микроскопа поверхностную структуру образцов минералов и горных пород.

3) Исследовать некоторые физические свойства образцов минералов и горных пород.

4) Описать возможные способы применения минералов и горных пород в отраслях хозяйства.

1. 4. Гипотеза.

Разные природные минералы и горные породы имеют различные физические свойства.

1. 5. Методы исследования.

1) Экспериментальные методы – определить массу образцов минералов и горных пород с помощью весов, определить объем образцов с помощью воды и мерного сосуда, определить цвет, блеск, ферромагнетизм образцов.

2) Метод вычисления – математически рассчитать плотность образцов, зная их массу и объём.

3) Метод наблюдения – с помощью микроскопа рассмотреть поверхностную структуру образцов.

4) Метод сравнения – сравнить поверхностную структуру и различные свойства образцов. Сравнить значение рассчитанной плотности образцов со значением плотности минералов и горных пород из справочника.

1. 6. Этапы работы.

1) Найти, изучить и описать общую информацию о минералах и горных породах.

2) Выбрать образцы минералов и горных пород для исследований.

3) Посетить Пермский государственный научно-исследовательский университет (ПГНИУ) для точного определения вида минералов и горных пород каждого образца (при участии специалистов-преподавателей ПГНИУ).

4) Рассмотреть в электронный микроскоп поверхностную структуру образцов.

5) Определить массу каждого образца с помощью весов.

6) Определить объём каждого образца с помощью воды и мерного сосуда.

7) Рассчитать плотность каждого образца, зная их массу и объём.

8) Определить цвет каждого образца.

9) Определить блеск каждого образца.

10) Определить наличие ферромагнитных свойств у каждого образца.

11) Описать возможные способы применения минералов и горных пород в отраслях хозяйства.

12) Сделать выводы.

1. 7. Практическое применение.

Почти все известные химические элементы в той или иной форме присутствуют в минералах в земной коре и мантии Земли. Современная промышленность имеет определённый интерес к изучению свойств минералов и горных пород.

Проводя геологические разведки, исследуя в экспедициях горные породы и минералы, геологи, зная свойства минералов и горных пород, открывают новые месторождения полезных ископаемых, которые в дальнейшем используются во многих отраслях промышленности и народного хозяйства.

2. Основная часть

Глава I – Теоретическая

1. 1. Минералогия – наука о минералах.

Минералогия (от латинского «minera» – руда + древнегреческого «λόγος» («логос») – учение, наука) – наука о минералах, которая изучает их внешний вид, геометрические формы (кристаллография), физические свойства (кристаллофизика) и химические состав и свойства (кристаллохимия). Современная минералогия изучает особенности структуры минералов, процессы и условия их образования и изменения, закономерности их совместного нахождения в природе, а также условия и методы их синтеза и использования [4.1].

1. 2. Минералы и горные породы.

Минерал – однородная по составу и строению часть горных пород, руд, метеоритов, являющаяся естественным продуктом геологических процессов и представляющая собой химическое соединение или химический элемент.

Минерал может находиться в любом агрегатном состоянии, при этом большинство минералов — твёрдые тела. Минералы подразделяют на:

- имеющие кристаллическую структуру,

- аморфные, например, опал,

- метамиктные минералы, имеющие внешнюю форму кристаллов, но находящиеся в аморфном состоянии.

Минералами считаются также некоторые природные вещества, представляющие собой в атмосферных условиях жидкости (например, самородная ртуть, которая приходит к кристаллическому состоянию при более низкой температуре). Воду, напротив, к минералам не относят, рассматривая её как жидкое состояние (расплав) минерала лёд. Некоторые минералы находятся в аморфном состоянии и не имеют кристаллической структуры. Это относится главным образом к так называемым метамиктным минералам, имеющим внешнюю форму кристаллов, но находящимся в аморфном, стеклоподобном состоянии [4.2].

Горную породу можно описать как крупные геологические массивы, сложенные из множества частиц (кристаллов и зёрен) одного или нескольких различных минералов. Так, например, мрамор состоит из множества зёрен исключительно кальцита. Гранит же, напротив, состоит из трёх видов минералов: полевого шпата, кварца и слюды [4.15].

Горная порода может состоять из нескольких породообразующих минералов разного вида (полиминеральная порода), или из единственного породообразующего минерала (мономинеральная порода) [4.2].

1. 3. Свойства минералов и горных пород.

Чтобы уметь распознавать минералы, нужно знать их свойства. Каждый минерал обладает рядом свойств, общая комбинация которых уникальна и характерна только для него. Следовательно, чтобы точно определить минерал, нужно проверить максимально большое количество его свойств. Некоторые свойства, например, твёрдость или цвет черты, можно легко определить простыми, легкодоступными средствами. Для проверки других свойств, например, химического состава, необходимы точные измерения с помощью профессионального оборудования, что простому человеку обычно бывает недоступно.

Плотность (или удельный вес) – это вес единицы объёма минерала, рассчитываемый в граммах на кубический сантиметр. Точно измерить плотность непросто, для этого нужны точные приборы. Тем не менее, плотность тоже можно использовать как опознавательный признак. Можно рассчитать плотность и не очень точно, измерив объём образца минерала (методом погружения его в воду в мерном сосуде) и его массу (методом взвешивания на бытовых весах).

Цвет минерала. На первый взгляд, цвет минерала кажется его самой явной характерной и «полезной» особенностью. К сожалению, это не так. Есть минералы с очень характерным цветом, например, зелёный малахит или синий азурит. Но большая часть минералов бывает не одного цвета, а самых разных оттенков. Так, кварц бывает бесцветным, розовым, фиолетовым, коричневым, чёрным или жёлтым. Алмаз бывает белым, жёлтым, зелёным, коричневым, голубым и чёрным. Кроме того, на некоторых минералах на воздухе появляется налёт другого цвета. Например, борнит на совсем свежем сколе имеет металлически-розовую окраску, но через несколько часов его поверхность покрывается переливающимся красно-зелёно-голубым оксидным слоем. Поэтому цвет минерала всегда надо проверять на свежем сколе.

Блеск минерала. Каждый необработанный минерал имеет совершенно определённый, именно для него характерный блеск. Но этот параметр измерить сложно. Его можно описать, только сравнивая с какими-то предметами повседневного обихода.

Ферромагнетизм (магнитные свойства) минерала зависит от содержания в нём главным образом двухвалентного железа и обнаруживается при помощи обычного магнита.

Глава II – Практическая

1. 4. Выбор образцов и определение вида минералов или горной породы каждого образца.

Для своих исследований я отобрал 14 образцов. Для определения вида минерала или горной породы каждого образца я обратился в Геологический факультет Пермского государственного научно-исследовательского университета (ПГНИУ) на кафедру динамической геологии и гидрогеологии (рисунки 1-3).

Виды минералов и горных пород были определены при участии старшего преподавателя кафедры Ждакаева Вячеслава Игоревича. Результаты определения представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Виды минералов и горных пород, определённые из образцов

1. 5. Поверхностная структура образцов минералов.

В качестве средства для исследования поверхностной структуры минералов использован портативный цифровой USB-микроскоп (рисунок 18) с увеличением от 50 до 1000 раз.

Рисунок 18 – USB-микроскоп

Результаты исследования поверхностной структуры представлены на рисунках 19-32

1. 6. Определение массы каждого образца с помощью весов.

В качестве средства измерения массы образцов использованы бытовые весы Rolsen KS-2907 (рисунок 33-34) с точностью измерения 1 грамм.

Результаты измерения массы образцов представлены в таблице 2.

Таблица 2 – Измеренная масса образцов

1. 7. Определение объёма каждого образца с помощью воды и мерного сосуда.

Для измерения объёма образцов был использован бытовой мерный сосуд. Для измерения объёма образца фиксировался первоначальный объём воды в мерном сосуде (рисунок 35) и объём, занимаемый после погружения в сосуд образца (рисунок 36). Разность двух объёмов (после и до погружения образца в сосуд) и составляет объём образца минерала или горной породы. Следует учесть, что 1 миллилитр воды занимает объём 1 см³.

Результаты измерения объёма образцов представлены в таблице 3.

Таблица 3 – Измеренный объём образцов

1. 8. Расчёт плотности образцов.

Плотность любого вещества можно рассчитать, зная массу и объём образца. Плотность вещества (ρ) рассчитывается как масса (m), разделённая на объём (V):

.

Измеряется плотность в граммах на сантиметр кубический г/см³ (килограммах на метр кубический, кг/м³).

Результаты расчёта плотности образцов представлены в таблице 4. Также в таблице 4 представлена справочная плотность образцов. Несоответствие рассчитанной плотности справочной можно объяснить тем, что образцы состоят не из чистых минералов, а являются агрегатами, состоящими из нескольких минералов. Также несоответствие рассчитанной плотности справочной можно объяснить неточностью измерения объёма образцов.

Таблица 4 – Расчётная и справочная плотность образцов

* Справочная плотность по справочнику [4.15].

1. 9. Определение цвета образцов.

Цвет образцов минералов и горных пород указан в таблице 5.

Таблица 5 – Цвет образцов

1. 10. Определение блеска образцов.

Описание различных видов блеска представлено в таблице 6.

Таблица 6 – Виды блеска минералов и горных пород по справочнику [4.15]

Блеск образцов минералов и горных пород указан в таблице 7.

Таблица 7 – Блеск образцов

1. 11. Определение магнитных свойств образцов.

При определении магнитных свойств образцов с помощью магнита, минералы и горные породы, обладающие ферромагнитными свойствами, не выявлены.

3. Заключение

   1. В ходе исследовательской работы:

- рассмотрены 14 образцов минералов и горных пород,

- определены виды минералов и горных пород,

- рассмотрены некоторые физические свойства, характеризующие минералы и горные породы,

- описаны природа возникновения и структура каждого образца,

- рассмотрена поверхностная структура образцов,

- измерена масса каждого образца,

- измерен объём каждого образца,

- рассчитана плотность каждого образца на основе данных о его массе и объёме,

- определены цвета образцов,

- определён блеск образцов по классификации,

- определено отсутствие ферромагнитных свойств у всех образцов.

1. 2. Выводы:

- некоторые физические свойства образцов минералов и горных пород, такие как плотность, цвет, магнитные свойства, можно определить простыми, легкодоступными способами,

- вычислить плотность образцов можно измерив его массу с помощью бытовых весов и его объем с помощью бытового мерного сосуда. При этом вычисленная плотность может существенно отличаться от справочного значения, ввиду того, что образцы состоят не из чистых минералов, а являются агрегатами (состоящими из нескольких минералов), а также ввиду неточностью измерения объёма образцов,

- некоторые другие свойства образцов минералов и горных пород, например, блеск – измерить сложно. Блеск образцов можно описать, только сравнивая его с какими-то предметами повседневного обихода,

- изучив различные свойства образца, можно определить принадлежность образца к тому или иному виду минерала, агрегата или горной породы,

- в ходе работы подтверждена гипотеза, что различные природные минералы и горные породы имеют различные физические свойства, что позволяет использовать их во многих отраслях промышленности и народного хозяйства.

4. Список использованных источников и литературы

   1. Википедия. https://ru.wikipedia.org/wiki/Минералогия.

   2. Википедия. https://ru.wikipedia.org/wiki/Минерал.

   3. Википедия. https://ru.wikipedia.org/wiki/Кальцит.

   4. Википедия. https://ru.wikipedia.org/wiki/Мусковит.

   5. Википедия. https://ru.wikipedia.org/wiki/Песчаник.

   6. Википедия. https://ru.wikipedia.org/wiki/Агат.

   7. Википедия. https://ru.wikipedia.org/wiki/Гранит.

   8. Википедия. https://ru.wikipedia.org/wiki/Гнейс.

   9. Википедия. https://ru.wikipedia.org/wiki/Висмутин.

   10. Википедия. https://ru.wikipedia.org/wiki/Серпентин.

   11. Википедия. https://ru.wikipedia.org/wiki/Эпидот.

   12. Википедия. https://ru.wikipedia.org/wiki/Сильвин.

   13. Википедия. https://ru.wikipedia.org/wiki/Сера.

   14. Википедия. https://ru.wikipedia.org/wiki/Актинолит.

   15. Хёхляйтнер Руперт. Камни и минералы (перевод с немецкого В.В. Демина). Москва: Эксмо, 2022. – 256 с.: ил. – (Атласы и энциклопедии. Иллюстрированный справочник).