Изучение химического состава минералов и горных пород на территории г. Лысьва. Исследовательская работа за 10 класс. Ковин Никита Михайлович.

Лысьвенский городской округ
Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение
«Лицей «ВЕКТОРиЯ»
Индивидуальный проект
Тема «Изучение химического состава минералов и горных пород на
территории г. Лысьва»
Автор проекта (ФИО)
Класс
Руководитель проекта (ФИО)
Оценка проекта руководителем
(количество баллов, подпись)
Эксперты (ФИО)
Ковин Никита Михайлович
10 «Б»
Белоусова Наталья Алексеевна
Оценка защиты проекта
(количество баллов, подписи
экспертов)
Всего баллов
Итоговая оценка за проект
С итоговой оценкой ознакомлен
(подпись учащегося)
Лысьва, 2020-2021
Оглавление
Введение .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
2
.
.
.
.
.
.
.
3
1.1 Спектральный анализ
.
1.2 Систематический анализ .
1.3 Дробный анализ
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
Глава 2: Организация и методы исследования .
.
.
.
Глава 1: Обзор литературы
2.1 Методы исследования
.
.
.
.
.
.
Глава 3: Результаты исследования .
.
.
.
.
.
Заключение
Список литературы
2
4
11
Введение
Для начала я бы хотел рассказать об объекте, предметной области,
цели, задачах и практической части проекта, а также его составляющей.
Данный проект является исследовательским, но несёт за собой
практическое применение в нахождении совершенно новых, возможно ещё
неизведанных минералов и горных пород разного состава.
Объект: найденные минералы и породы.
Предмет: химический состав.
Цель проекта: исследование химического состава горных пород и
некоторых минералов.
Задачи проекта:
1) Найти и описать морфологически интересные минералы и горные
породы.
2) Изучить и описать методы для анализа.
3) Провести анализ обнаруженного материала для выявления важных
элементов или их соединений и привести результаты в виде таблицы.
4) Дать рекомендации для начинающих в области химического анализа.
5) Сделать вывод о проделанной работе.
3
Глава 1. Обзор литературы
1.1 Метод спектрального анализа
Данный метод изучения химического состава подразумевает собой
окрашивание пламени в различные цвета при помощи ионов металлов в
веществе.
Большинство металлов окрашивают пламя в свой определённый цвет,
на этом и базируется определение того, какой металл присутствует в
веществе.
1.2 Метод систематического анализа
Это метод проведения качественного анализа по схеме, когда
последовательность выполнения операций добавления реактивов строго
определена.
Преимущество данного метода в том, что он лёгок, но в то же время при
использовании неверной схемы может получиться совсем не то, что можно
было ожидать.
1.3 Метод дробного анализа
Это метод анализа, основанный на применении реакций, при помощи
которых можно в любой последовательности обнаружить искомые ионы в
отдельных порциях исходного раствора, т.е. не прибегая к определенной
схеме обнаружения ионов.
Преимущества данного метода закрывают недостатки предыдущего, поэтому
в качественной аналитической химии используют сразу два этих метода.
4
Глава 2. Организация и методы исследования
Исследования были проведены на базе МАОУ «Лицей «ВЕКТОРиЯ» с
октября 2020 года по май 2021 года. Все необходимые реактивы и
оборудование (химическая посуда, инструменты, вытяжка, свободный стол)
были предоставлены в химической лаборатории.
2.1 Методы исследования
Особенности качественного анализа
Аналитическая реакция должна протекать достаточно быстро и полно. При
ее выполнении необходимо соблюдать условия, которые определяются
свойствами получающегося продукта. Несоблюдение этих условий может
привести к неправильным результатам. К этим условиям относится среда, в
которой находятся вещества (температура, кислотность), агрегатное
состояние, концентрация раствора. О последнем: при недостаточной
концентрации
вещества
в
растворе
может
снизиться
порог
чувствительности – это минимальная концентрация вещества, при котором
наблюдается вся полнота реакции. Например, даже нерастворимые в воде
осадки при малой концентрации могут раствориться и поэтому наблюдений
за этим не последует.
Спектральный анализ
Обычно такой метод используют только тогда, когда металл в веществе сам
не может окрасить это вещество (в случае с элементами 1 группы), потому
что от его атомов очень редко отражаются световые волны или они их не
испускают. Но если таким веществам дать много энергии, то они сами начнут
испускать свет, например, с помощью открытого пламени. Такой метод
называется спектральным анализом. Этот метод применяется в одноимённом
приборе, который называют спектроанализатор. Обычно для данного вида
анализа используют соли металлов, хорошо растворяющихся в воде,
например, нитраты или хлориды, реже сульфаты.
Ниже будут даны цвета ионов металлов:
Элементы
Литий
Натрий
Калий
Рубидий
Цезий
Бериллий
Магний
Кальций
Стронций
Ион
Li+
Na+
K+
Rb+
Cs+
Be2+
Mg2+
Ca2+
Sr2+
Цвет
Красный
Жёлтый
Фиолетовый
Красный
Голубой
Не окрашивает
Белый
Кирпично-красный
Малиновый
5
Барий
Ba2+
Яблочно-зелёный
В растёртый в порошок образец добавили соляную, либо азотную кислоту.
Либо же, можно пропустить воду сквозь образец, таким образом растворить в
ней соли, поддающиеся к растворению. Получившийся раствор
концентрировали с помощью выпаривания и пипеткой по капле налили на
пламя. Наблюдаем изменение цвета пламени, либо отсутствие изменений.
Систематический анализ
В систематическом анализе существуют понятия аналитических групп.
Аналитическая группа – это группа элементов, имеющих общий групповой
реагент, либо проявляющие особенные для этой группы химические
свойства.
Выделяют несколько аналитических групп, перечисляя их с первой (I) по
шестую (VI):
 I группа: катионы, сульфиды, хлориды и гидроксиды которых
растворимы (Li+, Na+, K+, NH4+), не имеющие группового реагента;
 II группа: катионы, хлориды которых нерастворимы (Ag+, Hg22+, Pb2+),
групповой реагент – соляная кислота (HCl);
 III группа: катионы, сульфаты которых нерастворимы или плохо
растворимы в воде и кислотах (Ca2+, Ba2+, Sr2+), групповой реагент –
серная кислота (H2SO4);
 IV группа: катионы, гидроксиды которых растворимы в избытке
щёлочи, с образованием гидроксо-комплексов, не считая арсениты
(Al3+, Zn2+, Cr3+, Sn2+, Sn4+, As3+, As5+), групповой реагент – избыток
щёлочи (NaOH, либо KOH);
 V группа: катионы, гидроксиды которых нерастворимы в избытке
водного аммиака (Mg2+, Mn2+, Bi3+, Fe2+, Fe3+), групповой реагент –
избыток 25%-го раствора аммиака (NH4OH);
 VI группа: катионы, гидроксиды которых растворимы в избытке
водного аммиака c образованием аммиачных комплексов (Cu2+, Hg2+,
Cd2+, Co2+, Ni2+), групповой реагент – избыток 25%-го раствора
аммиака (NH4OH).
Группа
I
Катионы
Li+, К+, Na+,
NH4+
Групповой
реагент
Получаемое
Групповая
соединение
характеристика
Нет
–
Хлориды,
сульфаты и
гидроксиды,
растворимые в
воде
6
II
Ag+, Рb2+,
Hg22+
HCl
Осадки AgCl,
РbСl2, Hg2Cl2
III
Ва2+, Са2+,
Sr2+
H2SО4
Осадки
Сульфаты,
BaSО4, CaSО4, нерастворимые
SrSО4
или плохо
растворимые в
воде и кислотах
IV
Zn2+, Al3+,
Cr3+, Sn2+,
Sn4+, As3+,
As5+
Избыток
NaOH или
КОН
Растворы
[Zn(OH)4]2–
[A1(ОН)6]3–
[Cr(OH)6]3–
[Sn(OH)4]2–
[Sn(OH)6]2–
AsО33–AsО43–
Гидроксиды,
растворимые в
избытке
щелочей
V
Mg2+, Mn2+,
Bi3+, Sb3+,
Sb5+, Fe2+,
Fe3+
Избыток
Осадки
Mg(OH)2
Mn(OH)2
Bi(OH)3
Fe(OH)2
Fe(OH)3
Sb(OH)3
Sb(OH)5
Гидроксиды,
нерастворимые
в избытке
NH4OH
Cu2+, Hg2+,
Cd2+, Co2+,
Ni2+
Избыток
Растворы
[Cu(NH3)4]2+
[Hg(NH3)4]2+
[Cd(NH3)4]2+
[Co(NH3)4]2+
[Ni(NH3)4]2+
Гидроксиды,
растворимые в
избытке
раствора
NH4OH
VI
25%-ного
NH4OH
25%-ного
NH4OH
Хлориды,
нерастворимые
в воде
Подготовка к анализу (разделение аналитических групп):
В растёртый в порошок образец наливаем щёлочи (KOH или NaOH) с
избытком. Ждём полного растворения (должны выделиться осадки).
Доливаем ещё щёлочи и перемешиваем, переливаем раствор в другую посуду
(это IV аналитическая группа). Затем добавляем к осадкам 5М азотной
кислоты (HNO3), получился раствор. В раствор добавили смесь серной и
соляной кислот (H2SO4 и HCl соответственно), если выделился осадок, то
отделяем раствор от осадка с помощью фильтрации. Осадком является часть
образца, принадлежащая к II и III аналитическим группам, в свою очередь,
раствор будет принадлежать к V и VI аналитическим группам.
7
План проведения анализа II-III аналитических групп (см. Схема 1):
Осадок растворяем в гидроксиде натрия (NaOH). Отделяем раствор от
осадка. Если при добавлении в раствор иодида калия (KJ) его цвет меняется
на золотисто-жёлтый, то в данном образце присутствует свинец (Pb).Осадок
растворяем в водном аммиаке. После этого раствор отделить от осадка. В
раствор добавляем иодид калия (KJ). Если цвет раствора изменился на
жёлтый, то это значит, что в данном образце присутствует серебро
(Ag).Растворяем осадок в соляной кислоте (HCl). Должен получиться
раствор. В данный раствор льём дихромат калия (K2Cr2O7). Если при этом
выпадает молочновидный осадок жёлтого цвета, то это означает, что в
образце присутствует барий (Ba). Отделяем раствор от осадка. В раствор
добавляем карбонат натрия (Na2CO3) для нейтрализации дихромат иона и
удаления жёлтого цвета. Получаем осадок. Отделяем осадок от раствора с
помощью фильтрации и растворяем его в уксусной кислоте (CH3COOH). В
раствор наливаем раствор сульфата кальция (CaSO4) – следует его нагреть.
Если при этом образовался белый осадок, заполняющий равномерно всю
смесь, то это означает, что в образце присутствует стронций (Sr). Фильтруем
раствор от осадка. Раствор концентрируем. Наливаем в раствор избыток
серной кислоты. Если выделился белый осадок, значит, в образце
присутствует кальций (Ca).
План проведения анализа IV аналитической группы (см. Схема 2):
К раствору приливаем водный аммиак (NH4OH) с избытком. Если выделился
серо-зелёный осадок, то это свидетельствует о присутствии в образце хрома
(Cr). Фильтруем от осадка. Отливаем немного с основного раствора в другую
посуду, и добавляем туда сульфид натрия (Na2S). Если образовался бурочёрный осадок, то это свидетельствует о присутствии в образце олова (Sn). В
основной раствор добавляем хлорид аммония (NH4Cl). Если выделяется
белый осадок, отделяем его от раствора. Осадок растворяем в избытке
водного аммиака (NH4OH). Если получился раствор, то отделяем его от
нерастворённого (если будет присутствовать) и добавляем в него
гексацианоферрат калия (III) (K3[Fe(CN)6]). Если образовывается белый
осадок и раствор мутнеет, то это свидетельствует о присутствии цинка (Zn) в
образце. В свою очередь осадок, не растворившийся в аммиаке,
свидетельствует о присутствии алюминия (Al) в образце.
План проведения анализа V и VI аналитических групп (см. Схема 3):
В раствор, оставленный после анализа прошлых трёх групп, добавляем
раствор, состоящий из водного аммиака и пероксида водорода (NH4OH и
H2O2 соответственно), желательно подогреть раствор. Если выпадает осадок,
отфильтровываем раствор от осадка. Осадок оставляем на дробный анализ. В
раствор добавляем серную кислоту (H2SO4), желательно подогреваем. Затем
добавляем тиосульфат натрия (Na2S2O3). Если выделяется чёрный осадок, то
8
это свидетельствует о присутствии в образце меди (Cu). Отделяем раствор от
осадка. Разделяем раствор на две части. В один раствор добавляем тиоцианат
аммония (NH4NCS), если цвет раствора поменяется на синий, то это
свидетельствует о присутствии в образце кобальта (Co). Во второй добавляем
в раствор карбонат натрия (Na2CO3), если выделился зелёный осадок, то это
свидетельствует о присутствии в образце никеля (Ni).
Дробный анализ
В местах систематического анализа, где затрагиваются плохо анализируемые
вещества, которые скрываются среди реакций других элементов (соединения
магния, лития, калия, натрия, аммиака и т.п.), применяют дробный анализ.
План проведения дробного анализа:
Осадок, оставленный на дробный анализ, делим на пять частей, а затем
смешиваем их с водой.
Определение железа (Fe).
В одну из частей наливаем гексацианоферрат калия (III) (K3[Fe(CN)6]). Если
образовывается тёмно-зелёный осадок, то это свидетельствует о присутствии
в образце железа.
ИЛИ
В одну из частей наливаем тиосульфат калия (KNCS). Если проявляется
кроваво-красный цвет, то это свидетельствует о присутствии в образце
железа.
Определение висмута (Bi).
В одну из частей наливаем иодид калия (KJ). Если образовался чёрный
осадок, то это свидетельствует о присутствии в образце висмута (Bi).
Определение марганца (Mn).
В одну из частей наливаем тиосульфат аммония ((NH4)2S2O3) и соляную
кислоту (HCl). Если раствор окрашивается в фиолетовый, то это
свидетельствует о присутствии в образце марганца (Mn).
Определение магния (Mg).
В одну из частей наливаем иодид калия (KJ). Если выпадает слабо-жёлтый
осадок, то это свидетельствует о присутствии в образце магния (Mg).
Определение аммиака (NH3).
Образец растирают в порошок и прокаливают. Если от образца начнёт резко
пахнуть, то в образце присутствуют соединения аммиака (NH3).
9
Определение ртути (Hg).
Образец растирают в порошок и прокаливают. Если начнёт выделяться
блестящая серебристая жидкость, то в образце присутствует ртуть (Hg).
Данный эксперимент следует проводить под вытяжкой.
Определение в образце элементов, входящих в состав первой
аналитической группы, происходит с помощью спектрального анализа,
за неимением исходных реактивов.
Обнаружение и сбор горных пород было совершено в д. Липовая 1, на пруду
Липовая.
«Морфологически интересные» означает, что горная порода/минерал как-то
отличаются по цвету, цвету черты, структуре, плотности, твёрдости и т.д.
Всего найдено 10 образцов горных пород:
№ Цвет
Цвет черты
1 Розовый, оранжевый, Светло-бежевый
пурпурный
2
Белый
Белый
3
Чёрный
Чёрный
4
Серый, чёрный
Светло-серый
5
Тёмно-изумрудный
Ярко-зелёный
6
Белый, серый,
чёрный
Сизый
Белый
7
Сизый
Зелёный
Ярко-зёленый
Салатовый,
Бледно-жёлтый
изумрудный
10 Чёрный, фиолетовый, Буро-фиолетовый
сизо-синий
8
9
10
Краткое описание
Лёгкий, пёстрый и
неоднородный,
пористый
Лёгкий, с маленькими
чёрными и ржавооранжевыми
вкраплениями
Тяжёлый, твёрдый,
неоднородный и
зернистый, пористый
Пористый, с чёрными
вкраплениями
Гладкий, стекловидный,
почти прозрачный,
твёрдый
Хрупкий, твёрдый,
однородный
Гладкий, стекловидный
Разноцветный,
однородный
Твёрдый, блестящий,
переливающийся
Глава 3. Результаты исследования
№
1
Методы
Систематический,
дробный,
спектральный
анализы
Уравнение реакции
-
Al3++3NaOH=
=3Na++Al(OH)3↓
Ba2++K2Cr2O7=
=2K++BaCr2O7↓
2
Систематический,
спектральный
анализы
-
3
Систематический,
дробный,
спектральный
анализы
Систематический,
дробный анализы
3Fe2++[Fe(CN)6]3+=
=Fe3[Fe(CN)6]2↓
4
3Fe2++[Fe(CN)6]3+=
=Fe3[Fe(CN)6]2↓
Ba2++K2Cr2O7=
=2K++BaCr2O7↓
5
Систематический,
дробный,
спектральный
анализы
-
Al3++3NaOH=
=3Na++Al(OH)3↓
Ba2++K2Cr2O7=
=2K++BaCr2O7↓
11
Наблюдения
Изменение
цвета пламени
на кирпичнокрасный
Образование
белого
студенистого
осадка, не
растворяющи
йся в водном
аммиаке
Образование
жёлтого
осадка
Изменение
цвета пламени
на кирпичнокрасный
Образование
тёмно-синего
осадка
Элементы
Ca
Образование
тёмно-синего
осадка
Образование
жёлтого
осадка
Изменение
цвета пламени
на кирпичнокрасный
Образование
белого
студенистого
осадка, не
растворяющи
йся в водном
аммиаке
Образование
жёлтого
Fe
Al
Ba
Ca
Fe
Ba
Ca
Al
Ba
6
Систематический,
дробный анализы
-
Ba2++K2Cr2O7=
=2K++BaCr2O7↓
Al3++3NaOH=
=3Na++Al(OH)3↓
3Fe2++[Fe(CN)6]3+=
=Fe3[Fe(CN)6]2↓
7
Систематический,
дробный анализы
Al3++3NaOH=
=3Na++Al(OH)3↓
8
Систематический,
дробный анализы
Ba2++K2Cr2O7=
=2K++BaCr2O7↓
Al3++3NaOH=
=3Na++Al(OH)3↓
3Fe2++[Fe(CN)6]3+=
=Fe3[Fe(CN)6]2↓
9
Систематический,
дробный анализы
Ba2++K2Cr2O7=
=2K++BaCr2O7↓
Al3++3NaOH=
=3Na++Al(OH)3↓
12
осадка
Изменение
цвета пламени
на кирпичнокрасный
Образование
жёлтого
осадка
Образование
белого
студенистого
осадка, не
растворяющи
йся в водном
аммиаке
Образование
тёмно-синего
осадка
Образование
белого
студенистого
осадка
Образование
жёлтого
осадка
Образование
белого
студенистого
осадка, не
растворяющи
йся в водном
аммиаке
Образование
тёмно-синего
осадка
Образование
жёлтого
осадка
Образование
белого
студенистого
осадка, не
растворяющи
Ca
Ba
Al
Fe
Al
Ba
Al
Fe
Ba
Al
3Fe2++[Fe(CN)6]3+=
=Fe3[Fe(CN)6]2↓
Mg2++2KJ=
=2K++MgJ2↓
10
Систематический,
дробный анализы
Ba2++K2Cr2O7=
=2K++BaCr2O7↓
3Fe2++[Fe(CN)6]3+=
=Fe3[Fe(CN)6]2↓
Mg2++2KJ=
=2K++MgJ2↓
йся в водном
аммиаке
Образование
тёмно-синего
осадка
Образование
слабо-жёлтого
молочновидно
го осадка
Образование
жёлтого
осадка
Образование
тёмно-синего
осадка
Образование
слабо-жёлтого
осадка
Fe
Mg
Ba
Fe
Mg
Продукт: см. отдел Приложение
Схемы это продукт, который может помочь начинающим в области
химического качественного анализа.
13
Заключение
Во время исследований я узнал много нового о химическом анализе, а также
провёл своё собственное исследование и сделал из них много следующих
выводов.
Порода и минералы нашего города может состоять из разнообразных
химических веществ.
Любое тело, состоящее из химических веществ, можно исследовать на
предмет того, из каких элементов оно состоит.
Если не будет достаточно одних реактивов, то можно воспользоваться
другими или использовать другие методы.
На примере
эксперимент.
обыкновенной
схемы
14
можно
очень
просто
провести
Список литературы:
Воронкова, Н. А. Качественные реакции в химии [Электронный ресурс]:
практикум / Н. А. Воронкова, Л. В. Новгородцева, А. А. Мирошниченко –
Омск : Изд-во ОмГТУ, 2019. – 1,98 Мб.
Воронаев, И. Г. Химический анализ объектов окружающей среды / Воронаев,
И. Г. – СПб., 2015. – 109 с.
ChemiDay.com, Большая таблица растворимости,
WEB:(https://chemiday.com/ru/table-solubility)
Пакшина, С.М. Атлас минералов и горных пород: Учебное пособие./ С.М.
Пакшина – Брянск: Издательство Брянской ГСХА, 2012. – 96 с.
Шуман, В. Мир камня. В 2-х т. Т. 1. Горные породы и минералы: Пер. с нем.
/Предисл. Е. Я. Киевленко. – М.: Мир, 1986. – 215 с., ил.
15
Приложение
Схема 1
Образец в виде порошка
+NaOH(p)
Подготовленная к анализу смесь веществ
+H2SO4(p)+HCl(p)
фильтрация
Осадок
Раствор (для анализа V, VI
групп)
+NaOH, to
Осадки
Раствор
Раствор
+KJ(p)
Золотисто-жёлтый осадок
иодида свинца (PbJ2)
+KJ(p)
Перекрашивание
раствора в жёлтый
цвет из-за
присутствия иодида
серебра (AgJ)
+NH4OH(р)
Осадок
Раствор
Жёлтый осадок
дихромата
бария (BaCr2O7)
+CH3COOH(р)
Раствор
+H2SO4(p)
Белый осадок (возможно в
виде игольчатых кристаллов)
сульфата кальция (CaSO4)
+K2Cr2O7(p)
Раствор
Осадок
+CaSO4(р), to
Раствор
16
Мутный белый осадок
сульфата стронция
(SrSO4)
Схема 2
Образец в виде порошка
+NaOH(p)
Подготовленная к анализу смесь веществ
+NaOH(p)
Серо-зелёный
(серофиолетовый)
осадок
гидроксида
хрома (Cr(OH)3)
Раствор
+ NH4OH(р)
Раствор
+Na2S(p)
+NH4Cl(р)
Бурочёрный
осадок
сульфида
олова (SnS)
Осадок
+ NH4OH(р)
Нерастворимый в
водном аммиаке
осадок гидроксида
алюминия (Al(OH)3)
Раствор
+K2[Fe(CN)6](p)
Белый осадок двойной соли
гексацианоферрата цинка
калия (K2Zn3[Fe(CN)6]2)
17
Схема 3
Образец в виде порошка
+NaOH(p)
Подготовленная к анализу смесь веществ
+H2SO4(p)+HCl(p)
фильтрация
Осадки (для анализа II, III
групп)
Раствор
+NH4OH + H2O2, to
Раствор
Осадок + HCl
Железо (Fe):
+K3[Fe(CN)6] → тёмносиний осадок
ИЛИ
+KNCS → кровавокрасный раствор
Магний (Mg):
+KJ → слабо-жёлтый
осадок
Марганец (Mn):
+ (NH4)2S2O3 + HCl →
фиолетовый раствор
+H2SO4(p)
Раствор
Чёрный осадок
сульфида меди
(CuS)
+NH4NCS(p)
Висмут (Bi):
+ KJ → чёрный осадок
Перекрашивание раствора в синий
цвет из-за присутствия
тетратиоцианокобальтата аммония
((NH4)2[Co(NCS)4])
+Na2S2O3(p)
Раствор
+Na2CO3(p)
18
Зелёный осадок карбоната
никеля (NiCO3)