XXVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Исследование минералов Южного Урала

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы

Болдырева Д.Е. 1

---

1МОУ Кременкульская СОШ

Алексеева Н.Г. 1

---

1МОУ Кременкульская СОШ

Работа в формате PDF

118.7 KB

Введение

Южный Урал – минералогический уникальный регион России с богатейшими запасами полезных ископаемых. Его геологическое строение сформировало около 1,5 тысяч минеральных видов. На восточном склоне сосредоточены руды металлов, строительное и облицовочное сырьё, а также самоцветы. Регион является монополистом по добыче графита, магнезита, доломита и талька. Особое значение имеют месторождения высококачественного уральского мрамора. Исторически освоение этих ресурсов превратило Урал в мощный промышленный центр страны.

Цель работы: исследование свойств минералов Южного Урала, в особенности содержащих карбонаты.

Объект исследования: минералы с карбонат-ионами (мрамор, малахит).

Предмет исследования: физико-химические свойства минералов, содержащих карбонаты.

Задачи:

1. Изучить информацию о полезных ископаемых Южного Урала.

2. Описать наиболее характерные минералы региона, их свойства и применение.

3. Показать экономическую значимость данных минералов для региона.

4. Экспериментально исследовать химические свойства мрамора и малахита на наличие карбонат-ионов.

Методы исследования:

• Теоретические: изучение, анализ научной литературы и интернет-источников , предположение, поиск закономерностей.

• Практические: наблюдение, эксперимент, проведение качественных химических реакций на карбонат-ионы.

Гипотеза: Южный Урал богат минералами, содержащими карбонаты, что можно доказать с помощью химических экспериментов.

1. Теоретическая часть

1.1. Горные породы и минералы Южного Урала

Горная порода – это природное геологическое тело в земной коре, состоящее из одного или нескольких минералов. Минералы, входящие в её состав, называются породообразующими. По происхождению горные породы делятся на три основных класса:

Магматические (гранит, базальт) – формируются при остывании магмы.

Осадочные (известняк, каменный уголь) – образуются в результате разрушения и накопления материала.

Метаморфические (мрамор, гнейс) – возникают из ранее существовавших пород под воздействием высоких температур и давления.

Минерал – это однородное природное химическое соединение или элемент, являющийся составной частью горных пород. Южный Урал – один из самых богатых минералами регионов мира. Геологическое изучение его недр началось более 250 лет назад.

Минеральное богатство Южного Урала включает:

• Драгоценные и поделочные камни: малахит, изумруд, аметист, горный хрусталь, топаз.

• Рудные минералы: железные, медные, никелевые, полиметаллические руды.

• Строительные и отделочные материалы: мрамор, гранит, гипс.

• Энергетическое сырьё: уголь, торф.

Уникальная коллекция минералов региона представлена в музее Ильменского государственного заповедника (г. Миасс). С 1920 года там собрано 268 минералов и 70 горных пород; 18 минералов были открыты здесь впервые в мире.

Характеристика ключевых минералов:

1. Самарскит

• Класс: окислы, тантало-ниобат редкоземельных элементов.

• Свойства: смоляно-чёрный цвет, высокая плотность (5,6–5,9 г/см³), твёрдость 5–6 по шкале Мооса, сильная радиоактивность.

• Применение: сырьё для извлечения урана в атомной энергетике.

2. Малахит

• Класс: карбонаты Cu₂(OH)₂CO₃).

• Свойства: все оттенки зелёного, характерный концентрический узор, мягкий (твёрдость 3,5–4), плотность 3,7–4,1 г/см³, растворяется в кислотах.

• Разновидности: лучистый, почковидный, бирюзовый, плисовый.

• Месторождения на Южном Урале: Меднорудянское, Гумёшевское.

• Применение: ювелирное дело, декоративно-прикладное искусство, химическое сырьё. Прославлен в сказах П. П. Бажова. Таким образом, Южный Урал обладает исключительным разнообразием горных пород и минералов, что определяет его высокую геологическую, экономическую и культурную ценность.

1.2. Полезные ископаемые Сосновского района

Мрамор на Южном Урале добывают в карьерах, в основном в Челябинской области. Разработка месторождений ведётся с 1924 года, здесь находится крупнейший в России мраморный карьер.

Мрамор – что это? Мрамор – метаморфическая горная порода, состоящая из кальцита  CaCO₃  с примесями других минералов, в переводе с греческого – (marmaros), блестящий, сияющий. При перекристаллизации доломита  CaMg(CO₃)₂  образуются доломитовые мраморы. Образование мрамора – результат так называемого процесса метаморфизма, когда, под воздействием определённых физико-химических условий, структура известняка (осадочная горная порода органического происхождения) существенно изменяется. По сути мрамор – это перекристаллизованный известняк, состоящий в основном из кальцита, в котором могут присутствовать включения доломита. Твёрдость – 2,5-3 по шкале Мооса, плотность – 2,2-2,6 г/см³. Одной из примечательных характеристик мрамора является разнообразие оттенков: белый, серый, кремовый, розовый и другие. Узоры могут варьироваться от простых линий и точек до сложных геометрических и органических фигур. Каждая обработанная плита или слэб – неповторимое произведение природы. Цветовая палитра мрамора напрямую связана с наличием и сочетанием определенных минералов в его составе, что в свою очередь зависит от места добычи камня.

В нашем регионе чаще всего встречается серый и белый мрамор. Серый мрамор добывают на Уфалейском месторождении находится в п. Октябрьский г. Верхний Уфалей, Полевское месторождении названо в честь г. Полевского, располагающегося рядом с карьером. Белый мрамор добывают в: Баландинском месторождении, расположенном в Челябинской области, Сосновского района, Коелгинском месторождении, Полоцком месторождении, которое находится возле Магнитогорска.

Коелгинское месторождение мрамора – самое большое в мире. Здесь добывают самый качественный белый камень, По своим эстетическим свойствам он схож с итальянским Бьянка Карра. Из этого мрамора облицована Академия наук, здание Министерства обороны, мемориальный комплекс на Поклонной горе, храм Христа Спасителя, «Белый дом», знаменитая мечеть Кул-Шариф в Казани, Президентский дворец в Астане, многие станции метро в Москве, Санкт-Петербурге, Казане, Екатеринбурге. Здание областного правительства в Челябинске, драматический театр им. Наума Орлова.

Почему мрамор используют для облицовки зданий и сооружений в различных регионах? Ответ на этот вопрос лежит в характеристиках данной породы: высокая прочность, морозостойкость, камень практически не проводит тепло и является теплоизолирующим материалом, очень низкий коэффициент водопоглощения. При механической обработке материал сохраняет первоначальную структуру: не отслаивается, не разламывается и не образует внутренних трещин.

Мрамор не только износостойкий материал, также он обладает естественной красотой и элегантностью.

Проживая в Сосновском районе, интересно узнать, какие минералы и горные породы можно встретить здесь.

Согласно истории, в начале 19 века в нашем районе добывали золото (с. Долгодеревенское, с. Вознесенское), но в 20 годах прошлого века месторождения данного метала были все выработаны.

В Сосновском районе Челябинской области можно найти следующие полезные ископаемые: пески, глины, железную руду, гранит, медь, цинк, сапропель.

Около с. Кременкуль расположен Кременкульский песчаный карьер, данный карьер действует с 1996 года, добычу ведёт предприятие ООО «Агроснаб». В карьере добывают песок различной фракции: крупнозернистый – фракция 0,5–2 мм; среднезернистый – фракция 0,25-0,5 мм; мелозкернистый – фракция 0,1–0,25 мм; песок для детских площадок – фракция 0,1–1 мм. Песок, добываемый в карьере, используется в различных отраслях строительство и ремонт зданий и сооружений; ландшафтный дизайн и благоустройство территорий; производство строительных материалов, таких как бетон и кирпич; изготовление стекла и керамики; очистка воды и фильтрация.

В 2018 годы было открыто крупное месторождение облицовочного и строительного камня (Южно-Султаевского гранита) - территорию с полезными ископаемыми обнаружили в 1,4 км юго-восточнее поселка Саккулово. Его балансовые запасы по облицовочному камню составляют свыше 24 миллионов кубометров, а по строительному – свыше 21 миллиона, поэтому данное месторождение можно считать крупным. Добычу камня ведёт компания АО «Промсинтез».

В 2020 году начал свою работу Томинский обогатительный комбинат. Но месторождение было открыто в далеком 1957 году. Томинское месторождение медных руд расположено в Сосновском районе Челябинской области в окрестностях посёлка Томинский. Это одно из крупнейших медных месторождений России, оно входит в топ-50 крупнейших медных месторождений мира.

На территории Томинского обогатительного комбината ведётся разработка двух карьеров – Томинского и Калиновского, расположенных на расстоянии 4,5 км друг от друга.

1.3. Использование полезных ископаемых Южного Урала

Добыча минеральных ресурсов на Южном Урале имеет социально-экономические и культурные аспекты. Регион богат минеральными ресурсами: в недрах открыто почти 790 минеральных видов, есть месторождения медных руд, железных руд, строительных материалов, золота, полудрагоценных и поделочных камней.

1. Экономические аспекты

Освоение минеральных ресурсов способствовало возникновению многих крупных промышленных центров, составными элементами которых являются предприятия горнопромышленного профиля, развивается строительная отрасль. В нашем регионе на сегодняшний день действуют такие гиганты: Томинский горно-обогатительный комбинат, Михеевский горно-обогатительный комбинат, Кичигинский горно-обогатительный комбинат «Кварц», Горно-обогатительный комбинат «Курасан», ЗАО «Коелгамрамор»

Развитие отрасли способствует развитию региона: улучшению инфраструктуры, строительству новых транспортных артерий, появлению новых видов услуг,

При создании производственных площадок появляются рабочие места. предприятия являются основными налогоплательщиками, что позволяет развивать здравоохранение, образование и культурную жизнь.

2. Социальное значение

Предприятия обеспечивают местное население стабильной работой, а значит стабильным заработком, что позволяет улучшать качество жизни.

Возникает потребность в строительстве жилого фонда для работников. Промышленные предприятия становятся центром социально-экономической и культурной жизни территории, на которой они находятся. С практическим применением строительных и красивых облицовочных материалов строятся детские сады, школы, больницы, досуговые центры. Привлекаются молодые специалисты, которые необходимы для развития производства. Тем самым формируется местная интеллигенция. Школьники и студенты ведут совместную научную деятельность.

Предприятия активно участвуют в различных формах благотворительности. Реализуют социальные программы, направленные на развитие местных сообществ, творческих коллективов, спортивных объединений.

3. Экологические аспекты

Воздействие на окружающую среду: добыча полезных ископаемых негативно влияет на окружающую среду, что требует внедрение новых технологий и устойчивых практик для минимизации потерь и вреда. Для этого предприятиям важно учитывать экологические риски и постоянно разрабатывать и применять программы для восстановления и поддержания окружающей среды. Предприятия реализуют комплексные программы экологической безопасности: рекультивация отвалов начинается уже на ранних стадиях разработки; взрывные работы проводятся малыми порциями; замкнутый цикл водоснабжения полностью исключает сброс промышленных стоков в природные водоёмы.

Природные ресурсы Южного Урала имеют огромное значение в экономическом, социальном, культурном развитие региона. Правильное управление позволит стабильно и устойчиво развивать добывающие отрасли, сохраняя экологический баланс, создавая экономическую и социальную стабильность для населения.

2. Практическая часть

2.1. Качественная реакция на карбонат – ионы мрамора

Качественная реакция на карбонат – ионы – выделение углекислого газа при действии на карбонаты соляной кислоты, в том числе на мрамор (карбонат кальция). В результате реакции обмена между сильной соляной кислотой и солью слабой угольной кислоты, угольная кислота сразу распадается на воду и углекислый газ.

Чтобы доказать наличие карбонат-ионов в мраморе, можно провести несколько опытов

Необходимые материалы для проведения опытов: кусочки мрамора, газовый прибор, пробирка, соляная кислота – HCl (разбавленная), известковая вода, лакмус.

Опыт 1. С лакмусом.

Порядок проведения.

1. Поместили кусочки мрамора в газовый прибор.

2. Добавили небольшое количество соляной кислоты.

CaCO3​+2HCl→CaCl2​+H2​O+CO2​↑

Наблюдали, что при воздействии соляной кислоты на мрамор, выделяется углекислый газ. При взаимодействии воды с углекислым газом, образуется слабая угольная кислота и лакмус краснеет.

Опыт 2. С известковой водой.

Порядок проведения такой же. К кусочкам мрамора приливается соляная кислота.

Ca(OH)₂ +CO2→CaCO3​+H2​O

Углекислый газ пропускаем через известковую воду и наблюдаем её помутнение, что доказывает наличие карбоната кальция, который образует осадок

Опыт 3. С лучинкой.

Выделяющийся углекислый газ собираем в пустую пробирку и плотно закрываем. После этого опускаем в пробирку горящую лучинку, она сразу же гаснет. Это ещё раз подтверждает выделение углекислого газа.

2.2. Доказательство подлинности малахита и наличия в нем карбонат-ионов.

Для того, чтобы определить содержание карбонат – ионов в малахите, следует провести некоторые реакции.

Опыт 1. Реакция с кислотой.

Добавим к малахиту соляную кислоту, наблюдаем характерное «вскипание» – выделение углекислого газа. Это происходит потому, что карбонат-ионы при взаимодействии с кислотой образуют неустойчивую угольную кислоту, которая разлагается с выделением углекислого газа. Раствор приобретает ярко-зеленый цвет.

Cu₂(OH)₂CO₃+2HCl = 2CuCl₂ +CO₂↑ +3H₂O

Ещё одна проблема заключается в том, что в наше время очень часто используют фальшивый малахит, для изготовления украшений, предметов декора. И для того, чтобы отличить подделку от натурального малахита нужно проделать следующие опыты.

Опыт 2. Реакция с уксусной кислотой.

Cu₂(OH)₂CO₃+4CH₃COOH→2Cu(CH₃COOH)₂+CO₂+3H₂O

При добавлении уксусной кислоты, минерал постепенно растворяется, а раствор приобретает синий цвет.

Опыт 3. Реакция с нагреванием

Cu₂(OH)₂СO₃=2CuO+CO₂+H₂O

При этом минерал меняет цвет с зелёного на чёрный. Наблюдаем образование оксида меди чёрного цвета и выделение углекислого газа.

Опыт 4. Реакция с карбонатом натрия.

Cu₂(OH)₂CO₃+Na₂CO₃=Na₂[Cu(CO₃)₂]+ Cu(OH)₂

При этой реакции появляется бледно-синяя окраска.

Опыт 5. Реакция с аммиаком.

Cu(OH)2​CO3​+4NH4​OH→[Cu(NH3​)4​](OH)2​+CO2​+3H2​O

При реакции малахита с аммиаком наблюдаем образование красивого тёмно-синего цвета.

Все эти реакции подтвердили подлинность минерала. Подделка окрас менять не будет.

Заключение

В ходе выполнения данного исследовательского проекта была достигнута поставленная цель: проведено комплексное исследование свойств минералов Южного Урала, в частности, минералов, содержащих карбонат-ионы.

Теоретическое изучение подтвердило, что Южный Урал является уникальным минералогическим регионом, богатым разнообразными горными породами и полезными ископаемыми. В ходе исследования были описаны характерные для региона минералы (малахит, мрамор, самарскит, монацит), изучена их классификация, свойства и экономическая значимость для области и страны в целом. Особое внимание уделено полезным ископаемым Сосновского района, что позволило оценить минерально-сырьевой потенциал родного края.

Практическая часть проекта экспериментально доказала выдвинутую гипотезу. С помощью качественных химических реакций (взаимодействие с соляной кислотой, уксусной кислотой, нагревание) было подтверждено наличие карбонат-ионов (CO₃²⁻) в образцах мрамора и малахита. Опыты наглядно продемонстрировали характерные для карбонатов свойства: выделение углекислого газа при реакции с кислотой и изменение окраски растворов. Кроме того, описанные химические реакции могут служить надежным методом для определения подлинности натурального малахита и отличия его от подделок.

Социально-экономический анализ показал, что добыча и переработка минеральных ресурсов (особенно медных руд, мрамора, гранита) служат основой промышленного развития Южного Урала, обеспечивая региону экономическую стабильность, создание рабочих мест и развитие инфраструктуры. Вместе с тем, подчеркнута необходимость внедрения современных экологических стандартов и технологий для минимизации воздействия горнодобывающей деятельности на окружающую среду.

Таким образом, проведенное исследование позволило не только расширить знания о геологическом богатстве Южного Урала и химических свойствах его минералов, но и на практике применить методы химического анализа для изучения природных объектов. Работа имеет познавательную и практическую ценность, а ее результаты могут быть использованы на уроках географии, химии и краеведения.

Выводы

1) Урал богат минералами, горными породами и полезными ископаемыми.

2) На Урале и в Челябинской области есть драгоценные, полудрагоценные и поделочные камни, которые используются в строительстве, облицовке зданий, керамике, украшениях. 3) Проведенные качественные реакции на карбонат-ионы доказали наличие карбонатов в образцах мрамора и малахита.

4) Подтверждена подлинность изделия из малахита. Более простой, удобный и безопасный способ это реакция с водным раствором аммиака с образованием синего окрашивания.

5) Знакомство с минералами, помогло получить опыт исследования состава и свойств минералов для поиска областей применения полезных ископаемых.

Библиографический список

1.Андреевна М. А, Макарова. А. С; География Челябинская область: Учеб. Пособие для учащихся 7–9 классов основной школы. – Челябинск: Юж. – кн. Изд-во, 2002 год.

2.Левит. А. И., Южный Урал: География, экология, природопользование. Учебное пособие. – Челябинск: Юж. Урал. Кн. Изд-во, 2011 год.

3.Латюшкова.В.В., Челябинская области. Атлас. Челябинск: АБРИС, 2002

4. Матвеев. А.К. Вершины каменного пояса; Название гор Урала – 2-е издательство: Юж. – Урал книжное издательство. Средне – Уральское книжное издательство, 1984 год.

5. Никитина И.М. Химия. Челябинская область.

5.Питис М., Познай свой край Челябинская область краткий справочник: издательство <<Уральский перекрёсток>>, 2011 год.

6. Пяткова. О.Б., Уткина. Т.В. Химия. Челябинская область.8-9 классы: методическое пособие для учителя-Челябинск: ЧИППКРИО,2016 год

7.Швеммер. В.Г., Люби и знай свой край “Атлас Челябинской области изд. Роскартография, 2002год.

Интернет – ресурсы:

8. Горная порода https://cyclowiki.org/

9. В Челябинской области открыто новое месторождение полезных ископаемых / Деловой квартал/ https://chel.dk.ru/news/v-chelyabinskoy-oblasti-otkryto-novoe-mestorozhdenie-poleznyh-iskopaemyh-237099090

10. Новое крупное месторождение строительного камня открыли в Челябинской области, ЮжныйУралсоСВОими,09.08.2018г. https://cheltoday.ru/articles/sobytiya/novoe-krupnoe-mestorozhdenie-stroitelnogo-kamnya-otkryli-v-chelyabinskoy-oblasti/

11. Недра и ресурсы. https://up74.ru/chel-oblast/nedra-i-resursy/

12.Музей Ильменского заповедника в Миассе. https://uraloved.ru/muzej-ilmenskogo-zapovednika

13. Сосновская нива https://sosnovosti.ru/80937-blesk-i-nishheta-samorodkov-kak-v-sosnovskom-rajone-iskali-zoloto/

14.Хрустальный край. Какие богатства спрятаны на Южном Урале. https://up74.ru/articles/obshchestvo/141890/