Наукова робота. Синтез малахіту в лабораторіїї

Роботу виконала:
Ковальчук Авєліна
учениця 9-Д класу
Скандинавської гімназії,
Дарницького району м. Києва

Педагогічний керівник:
Теребіленко Людмила Володимирівна,
учителька хімії
Скандинавської гімназії,
Дарницького району м. Києва,
лауреатка V Всеукраїнського Інтернет-конкурсу
„УЧИТЕЛЬ РОКУ – 2020” за версією науково-популярного
природничого журналу „КОЛОСОК” у номінації „Хімія”

ВСТУП

З давніх часів людство захоплювалося дорогоцінними каменями, багато володарі світу хотіли володіти ними. Багато конфліктів в Африці та Індокитаї своєю причиною мають перерозподіл сфер контролю над алмазовмісними та іншими покладами дорогоцінних каменів. Зараз більшість видобутих дорогоцінних каменів використовується вже не у вигляді прикрас, не у вигляді ювелірних виробів, а для промислових потреб, для алмазів, наприклад, відсоток використання в промислових потребах становить близько 80%, і тільки близько 20% видобутих алмазів використовується в ювелірній промисловості. У ХІХ столітті перші роботи з отримання синтетичного каміння виконав відомий французький хімік Анрі Муассан, який в побудованих особисто печах при високих температурах провів серію експериментів з одержання синтетичних беріллов й корундів. Муассану вдалося отримати тільки дрібні кристали каменів. Але ці спроби були лише початком. У ХХ столітті вдалося отримати безліч синтетичних каменів і їх кількість тільки зростає.

Мета дослідження: одержання синтетичного малахіту в лабораторії.

Завданням дослідженнябуло: ознайомитися з головними методами одержання синтетичних кристалів, з родовищами малахіту світу та виконати один із способів утворення синтетичного малахіту в лабораторії.Актуальність теми – це коротке обґрунтування необхідності й своєчасності проведеного дослідження, виконання якого зумовлено недостатньою висвітленістю в науковій літературі – добування синтетичного малахіту безпосередньо в природних умовах, старі мідні копалини засипати дешевим вапняком, а також необхідністю його виконання для вирішення певних практичних потреб суспільства.Великі кількості синтетичних ювелірних каменів, а не природних, використовувати в приладобудуванні, точної механіки, при виробництві годинників, у мікроелектроніці.

РОЗДІЛ 1. ЛІТЕРАТУРНИЙ ОГЛЯД

1.1.Виникнення поняття «мінерал»

Сучасне визначення звучить так: мінерал – це тверде тіло природного неорганічного походження, що має кристалічну будову і та певну хімічну формулу. Тобто мінерали – це кристали, їх можна помацати, виміряти, зважити або хоча б побачити, нехай навіть у лупу або мікроскоп. Але з багатьма мінералами маємо справу в повсякденному житті. І буквально кожен день – з самим життєво важливим, незамінним мінералом № 1 – звичайної кухонної (кам’яної) сіллю, галітом. Природні камені, які застосовуються в будівництві, теж складаються з мінералів. Деякі мінерали служать джерелами металів, з яких роблять цвяхи і годинникові механізми, проводи, мікросхеми, комп’ютери і ще безліч потрібних речей.

 Мінеральний вид – це сукупність мінералів, однакових за хімічним складом і кристалічній структурі. Наприклад, галіт – це природні кристали хлориду натрію з кубічною кристалічною решіткою і параметром елементарної комірки a ₀ = 0,564 нм.

Але до простого і чіткого усвідомлення мінералів наукапідібралася зовсім не просто і не відразу. Уявлення про мінерали змінювалися з часом, демонструючи зв’язок з розвитком виробництва та господарських потреб, тобто з самою історією людства.

Та й саме поняття «мінерал» виникло відносно недавно. Зрозуміло, воно було абсолютно незнайоме первісній людині. Нічого не знав він і про хімічних складах і кристалічних структурах. Навколо він бачив просто камені, і йому досить було знати ті їх властивості, що були важливі при виготовленні примітивних знарядь і споруд.

У IV столітті до н.е. Аристотель розчленував навколишній світ на три «царства» – тваринне, рослинне і мінеральне. До мінерального він відніс все, що не потрапляло в перші два, сформулювавши тим самим історично вихідну позицію: мінерали – вся нежива природа. Згодом, у міру накопичення даних і відкриття раніше невідомих мінеральних видів, поняттю мінералу судилося все більш звужуватися.

Проте до початку XVI століття все ще не знали різниці між мінералами і гірськими породами, скам’янілостями, рудами, а також штучними продуктами. Основна увагаприділялася застосуванню і способам ідентифікації мінеральних речовин, як можна бачити на прикладі зведення, складеного в 1048 р. узбецьким енциклопедистом Біруні. Правда, в середньовічній Європі трактати про камені («лапідарії») як правило були античні тексти зі схоластичними коментарями і неодмінним перерахуванням «таємних» властивостей каменів: «Тим, хто носить агат,він дарує і силу, і фортеця, / / Робить красномовним , приємним і з вигляду квітучим »(Марбод Реннській, 1080 р.).

Сам термін «мінерал», наскільки відомо, вперше вжив вчений чернець XIII ст. Альбертус Магнус (Альберт Великий). На середньовічній латині він означав «те, що з копальні», «копалина». Натяк на практичне ставлення до мінералів був відображенням більш зрілої стадії поділу праці і, відповідно, диференціації знання: з поняття мінералу виключалися штучні тіла. Але до мінералів все ще відносили будь-які копалини: і уламки гірських порід, і скам’янілі рештки тварин і рослин, а також воду, нафту, кам’яне вугілля. Потреба розділити поняття ще не назріла.

В епоху Ренесансу розквіт промислового виробництва і торгівлі збільшив попит на метали, особливо кольорові і благородні. Попит викликав інтенсивне освоєння рудних родовищ, розвиток гірничої справи та металургії. Виникли нові питання до науки, перш за все щодо рудних мінералів та їх супутників в рудних жилах і покладах. З цього почалася мінералогія як наука. Серед вчених-натуралістів, які відмовилися від середньовічної схоластики і присвятили себе прямому вивченню природи, виділяється постать саксонського лікаря, мінералога і колекціонера Георгія Агріколи (Георга Бауера, 1494-1555). «Викопні» Агрікола вивчав не за стародавніми манускриптів, а безпосередньо в гірничих виробках. Він склав описи фізичних властивостей багатьох мінералів, скам’янілостей, різного роду каміння і навіть кам’яних сокир, які приймалися тоді за що впали з неба «громові камені», додавши до всього цього 20 «копалин», відкритих власноруч. Усе ще не роблячи різниці між мінералами та іншими копалинами, Агрікола вважав їх продуктами природних геологічних процесів. Про «надприродних силах» він висловився категорично: «Про таємні сили, приписуваних перськими магами і арабами деяким каменям і самоцвітів, я не скажу нічого. Гідність і пристойності зобов’язують людини науки повністю їх відкинути »(« Про природу копалин », 1546 р.). У міру накопичення нових даних вимальовувалася специфіка власне мінералів.

Допочатку XIX століття знань про скам’янілостях накопичилося достатньо для виникнення окремої науки палеонтології. А починаючи з середини XIX ст. від мінералогії відбрунькувалася петрографія – наука про гірські породи.

До середини XX століття відносини між наукою про мінерали і практикою залишалися досить простими. Мінерали служили головним чином сировиною для докорінної металургійної або хімічної переробки, і науки, відповідно, цікавив в першу чергу їх склад і зміст потрібних хімічних елементів. Так затверджувався «хімічний» погляд на мінерали. Цьому сприяли успіхи хімії, яка робила в той час свої найважливіші відкриття;мінералогія, зі свого боку, забезпечувала її новими даними. На початку минулого століття виникла геохімія – наука про поведінку хімічних елементів у земній корі. Її творці, знамениті мінералоги В.І. Вернадський (1863-1945), В.М. Гольдшмідт (1888-1947), А.Є. Ферсман (1883-1945), бачили в мінералах продукти протікають у земній корі хімічних реакцій: «Мінерал є хімічна сполука хімічних елементів, що утворилося природним шляхом». А оскільки такими сполуками є всі речовини земної кори, мінералами вважали не тільки тверді, а й рідкі та газоподібні навіть природні тіла. В.І. Вернадський, наприклад, відносив до мінералів 1500 «мінеральних видів» природних вод. Мінералогія ставала прикладною наукою – хімією земної кори.

Була, однак, і інша точка зору: мінерал – не просто хімічна речовина, але і фізичне тіло певної форми, розмірів і т.д. У цих тілах – мінеральних індивідах – і конкретизується кожен мінеральний вид. Цього погляду дотримувалися кристалограф Є.С. Федоров (1853-1919), мінералоги Г. Чермак (1836-1927), П. Грот (1843-1928), А.К. Болдирєв (1883-1946) та ін.

Особливий інтерес до індивідів і кристалів мінералів виник удругій половині XX століття. У наукових, а потім і в практичних цілях стали все більше використовувати ісландський шпат, оптичний флюорит, п’єзокварц та інші природні кристали. У кристалічному стані знаходиться переважна більшість твердих тіл, що складають земну кору. Від аморфних тіл їх відрізняють не тільки особливі властивості, пов’язані з правильністю внутрішньої будови, але й набагато більша визначеність хімічного складу. До цього часу наука вже освоїла способи «зазирати» в кристалічні структури і навіть розшифровувати їх. Ці способи були засновані на дифракції рентгенівських променів у кристалах, відкритої ще в 1912 р. М. Лауе, П. Кніппінг і В. Фрідріхом. Загалом, все йшло до того, щоб обмежити поняття мінералу тілами кристалічними. І останній крок до сучасного поняття мінералу, нарешті, зроблений.

Добре відомо, що життя, біологічна форма організації матерії, підкоряючись фундаментальним законам фізики та хімії, аж ніяк не зводиться до них. Біологічний вид визначається біологічними, а не фізичними і хімічними ознаками. Мінерал ж, навідміну від живих істот, влаштований начебто зовсім нескладно, вся його суть – у складі і кристалічній структурі. Але ось В.І. Вернадський, наприклад, був іншої думки. «Дати цілком повне визначення цьому поняттю (мінерала. ) ми не можемо, як не можемо такого і для інших об’єктів природи». І справді, якщо б мінерали можна було вичерпно описувати фізичними і хімічними параметрами, то тим самим було б стерто межу між ними та їх штучними аналогами – кристалами, створеними в лабораторіях та на заводах. Що ця грань реально існує, знає кожен, хто вміє відрізняти природний рубін або інший ювелірний камінь від його «синтетичного» аналога. Не так вже простий мінерал!

В будь-якому природному кристалі записана його власна «автобіографія»: коли і де народився, в яких умовах зростав, яким впливам і впливів піддавався, які придбав персональні особливості, як взаємодіяв з сусідами … Мінерал – це організм, що виник і мільйони років існував серед нескінченних змін і катаклізмів, які не могли не залишити на ньому своїх шрамів і відмітин. Це і є те, що відрізняє мінерал від штучного кристала, навіть повністю ідентичного йому за складом та структурою. Далеко не всі ці мітки вдається розшифрувати, хоча мінералоги старанно працюють у цьому напрямку. Більш того, слід, можливо, визнати, що зміст мінералу як організму принципово невичерпний.

 Наявність багатої «біографії» робить мінерали пам’ятниками природи. На жаль, за сучасної технології видобутку корисних копалин майже всі самі значні пам’ятники гинуть; зусиллями вчених і колекціонерів вдається зберегти лише незначну їх частку. Культура і наука майбутнього змушені будуть задовольнятися випадково вцілілими недоїдками від нашої господарської пожадливості. До честі колекціонерського руху, не менше дев’яти десятих від загального числа врятованих пам’яток природи зберігається, за підрахунками французьких вчених, у приватних колекціях.

Як жива істота – це сукупність спадкових і набутих ознак, так і будь-мінеральний індивід – це продукт спільної дії двох факторів: внутрішнього – кристалічної структури і зовнішнього – умов і обставин кристалізації і подальшого існування кристала, в загальному, впливу середовища існування. Хоча мінерали не можуть розмножуватися, кристалічну структуру можна порівняти як «генетичну», видову ознаку, тоді як вплив середовища визначає ознаки «придбані», індивідуальні. Структура – фактор стабільності, консервативності, уніфікації; вплив середовища – фактор мінливості, різноманітності, індивідуальності.

Так серед безлічі ідентичних за складом і кристалічній структурі мінеральних індивідів не існує двох однакових. Природне походження – джерело необмеженого, що вражає уяву різноманітності мінерального царства. Правда, багато мінералів відомі поки лише як поодинокі знахідки. Останнє царство мінералів характеризується різноманіттям форм, помноженим на різноманіття недосконалостей.

Різноманіття кристалічних форм мінералів породжується широким діапазоном фізико-хімічних умов їх утворення, тривалості процесів кристалізації і впливом завжди присутніх сторонніх речовин. На кристалах кальциту виявлено кілька сотень кристалічних форм! Багато з них навіть отримали виразні гірницькі прізвиська – від «собачого ікла» до «крила янгола». Ще більш різноманітні ускладнені індивіди і «колективи» індивідів. Навіть мала частка цього різноманіття абсолютно неможлива в паралельному світі штучних кристалів.Не менш ефективний інший фактор розмаїття – недосконалість кристалів. Ідеальний кристал – один, недосконалих – скільки завгодно. Примітно, що абсолютно досконалих кристалів у природі немає. Афоризм «кристали блищать симетрією», що належить знаменитому російському кристалограф Є.С. Федорову, можна доповнити: «і прекрасні недосконалістю».

1.2.Теорії утворення малахіту в природі

Назву мінерал отримав від грец. маляхе – мальва, забарвлення зелені якого схожа на колір малахіту. Виділяли два різновиди малахіту: бірюзовий (найбільш цінний) і плисовий. Бірюзовий малахіт – паралельно-волокнистий з концентрично-зональною “візерунчастою” будовою. Розмір індивідів малахіту не перевищує сотих часток міліметра. Колір цього різновиду – світло, блакитно-смарагдово-зелений і бірюзовий. Будова більш світлих зон кріп-токрісталліческое, а темні складені відносно великими зернами (десяті частки міліметра). Чергуванням плавно згинаються, різних за інтенсивністю забарвлення смуг створюється неповторний малюнок. По конфігурації і крупності деталей малюнка виділяють дрібноузорчатими і стрічковий бірюзовий малахіт. Цінність малахіту зростає при поєднанні цих різновидів. Плисовий малахіт характеризується радіально-променистою будовою, темними тонами забарвлення, шовковистим блиском в зламі. Він дещо гірше полірується і по декоративності також поступається бірюзового.

У природних умовах найбільш поширений бірюзовий малахіт. Зустрічається він у вигляді різних за формою натічних утворень: сталактитів, почко- і гроздевідних утворень, сталактити-сталагмітовий корок і т. д. Плисовий малахіт має менше поширення і форма його виділень відмінна від бірюзового. Він виконує тріщини, складає жили, рідше – порожнечі, утворює ниркоподібні агрегати.

На думку А. Е. Ферсмана, виробний малахіт має гідротермальної походження. Згідно з іншими поглядами його утворення пов’язане з гіпергенними процесами в корі вивітрювання. За даними Г. Н. Вертушкова в зоні окислення первинних сульфідних руд поверхневі води набувають кислотний характер за рахунок сірчаної кислоти, що утворюється в результаті окислення піриту. Ці кислі води витравлюють карбонатні породи, що призводить до утворення контактово-карстових порожнин, в які сходять розчинами переноситься сульфат міді. При підвищенні лужності розчину відкладалися карбонати – малахіт і азурит. Ділянки з виробним малахітом зосереджені в замкнутих камерах, а його збереження від розчинних реагентів обумовлена ​​заповненням камер глинистими утвореннями.

1.3. Родовища малахіту у світі

Малахіт – єдиний в природі зелений візерунчастий мінерал. Це один з найбільш популярних каменів: красивий малюнок, яскрава зелене забарвлення, а також легкість обробки і здатність сприймати полірування найвищого класу зумовили широке використання малахіту в ювелірних виробах і в предметах декоративного та прикладного мистецтва. А. Е. Ферсман писав: «Його роль як орнаментального і виробного каменю відома ще з давніх-давен, коли найдорожчі будови прикрашалися малахітом; так колони храму Діани в Ефесі були облицьовані цим каменеем». У 40-х роках XVIII ст. було відкрито перше родовище малахіту на Уралі – Гумешевського. У 1810-1814 рр. було виявлено унікальне Мідноруднянське родовище, з якого добували вже не «шматки і шматочки ошатного каменю», а величезні брили чудового суцільного малахіту. Маса найбільших монолітів, витягнутих на поверхню, досягала 2 т. У 1835 р. було знайдено гніздо чудового малахіту масою 250 т. Малахіт витягувався попутно при видобутку мідних руд. З Мідноруднянських покладів видобувалося в рік не менше 10-15 т. малахіту, який зустрічався до глибини 208 м. в зоні окислення контактового родовища міді. На горі Високої малахіт відомий з початку експлуатації родовища, найбільша його кількість було видобуто на ділянці Грабен, де розмір окремих шматків досягав 50 кг. Виняткова краса візерунків малахіту, особливо Мідноруднянського, і обсяги видобутку дозволили виготовляти з нього великі художні вироби і навіть застосовувати для облицювання стін (малахітовий зал в Ермітажі і ін.) І колон (Ісаакіївський собор). На території СНД малахіт зустрічається не тільки на Уралі, хоча уральський малахіт дуже відомий в світі. Ще є малахіт на Алтаї, в Казахстані.

Найбільші родовища у світі відомі Шаба, Конго; Уральські гори, Госс; Цумеб, Намібія; Мексика; кілька родовищ в Австралії; кілька родовищ в Англії; США, штат Арізона.

Основне джерело видобутку малахіту в світі – Конго. Саме малахіт знайдений в Конго використовують для ювелірних та оздоблювальних робіт. Його риса – маленькі кільця правильної форми, з контрастним чергуванням світлого і темного.

В Україні рідкісна малахітова мінералізація виявлена у зв’яз­ку з жильними утвореннями суль­фідів міді в Приазов’ї та Криворіжжі, Волині, мідистих пісковиків і поліметалічних руд Нагольного кряжу Донбасу, колчеданно-поліметалічних руд Чивчинських гір і Рахівщини, зон оки­с­нення сульфідних руд Берегова і Вишківських районів та мідних пісковиків Українських Карпат.

1.4.Основні методи вирощування синтетичних кристалів

Синтетичні – це штучно створені дорогоцінні камені, які ідентичні з природними на вигляд, за властивостям і складом. Синтетичні камені відрізняються від природних лише незначними коливаннями в складі, структурі або кольорі. Це не імітації, а повноцінні замінники дорогоцінних каменів, які так само популярні на ринку і мають досить високу вартість. Сучасні технології створення штучних коштовних каменів розвиваються так нестримно, що за ними ледве встигають методи діагности, які дозволяють відрізнити синтетичний камінь від натурального.

Спроби синтезувати дорогоцінні камені здійснювалися ще в середні віки, проте вони були безуспішні. Лише на рубежі XIX – XX віків стався справжній прорив, коли французький вчений-хімік Огюст Вернейль відкрив метод полум’яного або краплинного плавлення. За цим методом для отримання штучного мінералу потрібна піч особливої конструкції, в якій під дією високої температури (близько 2000 °С) плавиться порошок глинозему (окису алюмінію), а потім застигає, формуючи так звану булю – утворення у формі груші, яке має структуру ідентичну своєму природному мінералу.
За допомогою методу Вернейля першими були отримані штучні рубіни, сапфіри. Незважаючи на відкриття ряду інших способів отримання дорогоцінних каменів, метод Вернейля активно застосовується і у наш час.
Не для всіх синтетичних мінералів вдається досягти абсолютної схожості з їхніми природними аналогами. Так, досі не вдалося отримати шпінель таких самих благородних відтінків, як натуральна. А ось інші синтезовані мінерали, такі як аквамарин,турмалін і аметист навпаки мають дуже схожі з натуральними або ж дуже гарні відтінки.

Деякі синтетичні камені не мають природних аналогів, але, не дивлячись на це, завдяки своїм унікальним оптичним властивостям вважаються ювелірними каменями і використовуються нарівні з ними.

Другий поширений метод вирощування синтетичних кристалів дорогоцінних каменів – спосіб Чохральського. Він полягає в наступному: розплав речовини, з якої передбачається кристалізувати камені, поміщають у вогнетривкий тигель з тугоплавкого металу (платини, родію, іридію) і нагрівають у високочастотному індукторі. У розплав на витяжному валу опускають затравку з матеріалу майбутнього кристала, і на ній нарощується синтетичний матеріал до потрібної товщини. Вал з запалом поступово витягають вгору зі швидкістю 1 – 50 мм / год з одночасним вирощуванням при частоті обертання 30 – 150 об / хв. Обертають вал, щоб вирівняти температуру розплаву і забезпечити рівномірний розподіл домішок. Діаметр кристалів до 50 мм, довжина до 1 м. Методом Чохральського вирощують синтетичний корунд, шпінель, гранати, ніобат літію та інші штучні камені.
Часто застосовується метод кристалізації з розчину в розплаві з використанням флюсів. При цьому камені кристалізуються з змішаного розплаву, що складається з розчину сполуки і флюсів – молибдатов, боратів, фторидів, окису свинцю та інших кристалізують речовини зазвичай в платиновому тиглі при температурі від 600 до 1300 ° С (у залежності від виду кристалів). У розплав опускають приманку, а потім його охолоджують зі швидкістю 0,1 – 1 ° С / на год. На затравки поступово нарощується кристал. Швидкість зростання невелика – за кілька тижнів кристал виростає на 3 – 4 см.

Дуже ефективний гідротермальний спосіб вирощування кристалів дорогоцінних каменів. Процес здійснюється в автоклавах при тиску 7 • 10 ⁷ – 14 • 10 ⁷ Па і температурі 300 – 900 ° С. Автоклав заповнюють розчином відповідного мінералу. У нижній частині автоклава температура більш висока; коли насичений розчин піднімається вгору і потрапляє в умови зі зниженою температурою, речовина осаджується на приманку природного кристала. Нижня і верхня частини автоклава розділені діафрагмою.
Гідротермальних методом синтезують різновиди кварцу і корунду, а методом флюсу – ітрій-алюмінієві гранати, корунд, шпінель.

ВИСНОВКИ

Поняття «мінерал» безперервно змінювався відповідно до змін змісту мінералогії. На початковому етапі термін «мінерал» був синонімом терміну «копалина» й охоплював власне мінерали, гірські породи, руди, скам’янілості.

Кожен мінерал – індивід, що виник і мільйони років існував серед нескінченних змін і катаклізмів, які залишили на ньому свої шрами і відмітки.

Зараз корисні копалини гинуть в результаті їх безперервного видобутку.Але за допомогою зусиллям вчених і колекціонерів вдається зберегти лише незначну їх частку.

Малахіт – мінерал класу карбонатів, основний карбонат міді острівної будови.Виділяється два види малахіту за кольором: бірюзовий (найбільш цінний) і плисовий. По конфігурації крупності деталей малюнка виділяють дрібно узорчасті і стрічковий бірюзовий малахіт. Цінність зростає при поєднанні цих різновидів.Найпоширеніший малюнок малахіту створюється завдяки різною інтенсивністю забарвлення смуг.Бірюзовий малахіт зустрічається у вигляді сталактитів, почко– і гроздевідних утворень, сталактити-сталагмітовий корок.Плисовий виконує тріщини, складає жили, порожнечі, утворює ниркоподібні агрегати.

Використовується малахіт в ювелірних виробах, предметах декоративного та прикладного мистецтва. Наприклад: колони храму Діани в Ефесі, зал в Ермітажі, колони Ісааківського собору були облицьовані малахітом.

У 40-х роках XVIII ст. – перше родовище малахіту на Уралі – Гумешевського. У 1810-1814 роках було виявлено Меднорудянське родовище. Маса найбільших монолітів досягала 2 тонни. У 1835 р. знайдено гніздо малахіту масою 250 тонн. На ділянці Грабен окремі шматки малахіту досягали 50 кг.Найбільші родовища у світі відомі Шаба, Конго; Уральські гори, Госс; Цумеб, Намібія; Мексика; кілька родовищ в Австралії; кілька родовищ в Англії; США, штат Арізона. Основне джерело малахіту в світі – Конго.

В Україні рідкісна малахітова мінералізація виявлена у зв’яз­ку з жильними утвореннями суль­фідів міді в Приазов’ї та Криворіжжі, Волині, мідистих пісковиків і поліметалічних руд Нагольного кряжу Донбасу, колчеданно-поліметалічних руд Чивчинських гір і Рахівщини, зон оки­с­нення сульфідних руд Берегова і Вишківських районів та мідних пісковиків Українських Карпат.

Синтетичні – це штучно створені дорогоцінні камені, які ідентичні з природними на вигляд, за властивостям і складом. Синтетичні камені відрізняються від природних лише незначними коливаннями в складі, структурі або кольорі.

Французький вчений-хімік Огюст Вернейль відкрив метод полум’яного або краплинного плавлення.За допомогою методу Вернейля першими були отримані штучні рубіни, сапфіри.

Спосіб Чохральськогополягає в наступному: розплав речовини, з якої передбачається кристалізувати камені. Методом Чохральського вирощують синтетичний корунд, шпінель, гранати, ніобат літію та інші штучні камені.
Часто застосовується метод кристалізації з розчину в розплаві з використанням флюсів.

Дуже ефективний гідротермальний спосіб вирощування кристалів дорогоцінних каменів. Процес здійснюється в автоклавах при тиску 7 • 10 ⁷ – 14 • 10 ⁷ Па і температурі 300 – 900 ° С.Цим методом синтезують різновиди кварцу і корунду, а методом флюсу – ітрій-алюмінієві гранати, корунд, шпінель.

РОЗДІЛ 2. ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНА ЧАСТИНА

2.1. Методика синтезу

Прилади: фарфорова ступка – 1, термічний стакан – 250 мл, штатив, скляна паличка – 2, фільтрувальний папір,паливо .

Хід роботи.

1.В фарфоровій ступці змішали 25 г. тонко перетерту суху сіль CuSO4*5H₂O с гідрокарбонатом натрію 16,8 г.( – рис. 1,2,3,4 Д.)

2.Нагріли до кипіння 168,2 мл. води. Для приготування 20% розчину.

3.Суміш насипали невеликими порціями в укріп, швидко перемішуючи. При цьому спостерігається спінювання. Наступну порцію суміші вносили після припинення спінювання. (– рис.5,6,7,8 Д.)

4.Вміст стакану кипятили 10-15 хвилин для видалення з розчину СО₂.У результаті реакції утворюється гідроксокарбонат купруму:

2CuSO₄ •5H₂O+4NaHCO₃ = CuCO₃ •Cu(OH)₂v+2Na₂SO₄ + 3CO₂^+ 12H₂O

5.Осаду дали відстоятися, потім проводили декантацію гарячою водою, відмиваючивідйона SO4^2- .(– рис.9, 10 Д.) Na₂SO₄ + BaCl₂ → 2NaCl + BaSO_4(↓)

6.Після кожної декантації брали пробу на повноту промивання: для цього в пробірку наливали невелику кількістьцього розчинута наливалидекілька крапель хлориду барію. Спочатку в пробірці спостерігали утворення білого осаду (BaSO₄), але після чотирьох послідовних декантацій осад припинив утворюватися .( – рис.10,11 Д.)

7.Продукт реакції поставили у витяжну шафута тримали п’ять діб.(– рис. 11Д.)

2.2. Розрахунки:

2CuSO₄х5Н₂О + 4NaHCO₃ = (CuOH)₂CO₃ v+ 2Na ₂SO₄ + 3CO₂ ^+12 H₂O

Приготуємо 20% розчин – це 41,8 г( 25+16,8) на 168,2мл води розчину

m(CuSO •5H2O) = 25 г, m(NaHCO₃) = 16,8 г

1. M(CuSO₄•5H2O) = 250 г/моль
2. н(CuSO₄•5H2O) =25/250 = 0,1 моль

4.M (NaHCO₃) = 84 г/моль

5. н(NaHCO₃) = 0,2 моль

m(NaHCO₃) =0,2 моль х 84=16,8 г.

6. н(CuSO₄•5H2O) : н(NaHCO₃) = 1 : 2
7. M((CuOH)₂CO3) = 222 г/моль
8. m(теор)((CuOH)₂CO3) = 0,05• 222 = 11,1 г

2.3. Хімічні докази утворення малахіту

Для доказу добування саме основний карбонат купруму (ІІ) було проведено реакції розкладу та реакція з HCl.

В пробірку поклали невелику кількість одержаної солі та закрили її пробкою з газовідвідною трубкою. Другий кінець трубки помістили в пробірку з розчином Ca(OH)₂ . Пробірку з сіллю нагріли . Через деякий часрозчин Ca(OH)₂ став каламутним, що свідчить про вуглекислий газ (утворилася нерозчинна сіль CaCO₃ , осад білого кольору). На стінках пробірки осіли крапельки води. Сіль, яка була спочаткусвітло-зеленого кольору, почорніла (утворився CuO).(CuOH)₂CO₃ = 2CuO+ Н₂O + CO₂↑.(– рис. 13,14,15,16,Д.)

 СO₂ + Са(ОН)₂ = CaCO₃↓ + Н₂O 

* При взаємодії з розбавленою хлоридною кислотою миттєво відбувається виділення газу (CO₂) та розчинення малахіту з утворенням хлоридукупруму(CuCl₂).(СuОН)₂СО₃ + 4HCl = 2CuCl₂ + CO₂ +3H₂O. (– рис.17 Д.)

2.4 . Обчислення практичного виходу

Виходячи із кількості вихідних речовин, за реакцією отримати повинні були основний карбонат купруму (ІІ) масою 11, 1 г. Але в ході експерименту отримано сіль масою- 9,47 (–12 рис. Д.) . Вихід продукту склав 85,3%. Втрати замовленні осіданням частини розчину на стінках стакану, також використовуючи метод декантації, можливі втрати частини осаду.

ВИСНОВКИ

1. Природні камені – творіння природи, число їх обмежено, виявити і добути – важко. Тому дорогоцінний камінь у десятки, а іноді і в сотні разів дорожче своїх синтетичних аналогів, незважаючи на те, що синтетичні камені за якістю і кольоровими характеристиками часто значно перевершують природні камені.
2. Кожен природний мінерал – це творіння природи і тому рекомендую використовувати синтетичні ювелірні камені не в ювелірній промисловості, а в приладобудуванні, точної механіки, при виробництві годинників, у мікроелектроніці.
3. З кожним роком методи синтезу синтетичних каменів удосконалюються, але малахіт – це той мінерал, який складно створити, щоб синтетичний був кращий від природного з відтворенням всіх текстурних різновидів. Крім хімічної формули, до складу природного малахіту входять включення азуриту, магнетиту, оксидів мангану, сполуки кобальту, а також гідроксиди феруму.
4. 4.Синтетичний малахіт можна отримувати в природних умовах. Підземні відпрацьовані мідні копальні засипати дешевим вапняком. Для прискорення процесу до копалин підвести воду. Лабораторні дослідження вчених показали, що малахіт зростає зі швидкістю 10 мкм за добу. При благо приємних умовах такий кристал за тридцять років виростає до десяти сантиметрів.
5. Знайдено декілька методик виконання синтезу. Обрано найоптимальніший.
6. Після проведення синтезу отримано малахіт світлозеленого кольору у вигляді порошку. Маса продукту – 9.47 г. Вихід продукту становить 85,3%.
7. Скануючий електронний мікроскоп довів наявність нанокристалів.

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

1. Вовк ВалентинМихайлович.Геологічний словник : для студентів вищих навчальних закладів / Валентин Вовк. – Кіровоград : КОД, 2012. – 503 с.
2. Губарець Василь Васильович.-З чарівних комор підземелля [Текст] : Світ корисних копалин України / Василь Губарець, Іван Падалка,. – К. : Техніка, 2003. – 254с.
3. Кантор Борис Зиновьевич. Минерал рассказывает о себе / Борис Кантор,. – М. : Недра, 1985. – 135 с.
4. Куликов Борис Федорович. Словарь камней-самоцветов [Текст] : словник / Борис Куликов, Владимир Буканов,. – 2-е изд., перераб. и доп. – Л. : Недра. Ленингр. отд-ние, 1988. – 167,[1] с. : [8] л. цв. ил. – Библиогр.: с.166-168.
5. Павлишин Володимир Іванович. Ч.1 Мінералогія : Вступ до мінералогії. Кристалохімія, морфологія і анатомія мінералів. Мікромінералогія і наномінералогія : підручник / Володимир Павлишин, Станіслав Довгий ; М-во освіти і науки України, Київський нац. ун-т ім. Т. Г. Шевченка, НАНУ [та ін.]. – К. : КНТ, 2008. – 534 с. : портр., табл., іл., 13 л. кол. іл. – Бібліогр. с. 446-459.
6. Павлишин Володимир Іванович. Ч.2Мінералогія : підручник / Володимир Павлишин ; Станіслав Довгий ; Київський націонал. ун-т ім.Т.Г.Шевченка, Ін-т телекомунікацій і глобального інформ. простору України. – К. : КНТ : Властивості мінералів. Генезис мінералів. Прикладна мінералогія. Діагностичні таблиці мінералів. – 2013. – 527 с.
7. Поваренных Александр Сергеевич.- Минералогия: прошлое, настоящее, будущее [Текст] / А. С. Поваренных, В. И. Оноприенко. – К. : Наук.думка, 1985. – 160 с. : ил ; 20 см. – (Сер. “Научно-популярная литература”). – Библиогр.: с. 158-159.
8. Р.Ф. Сіменс; Породи і мінерали Пер. з англ. В.Сільчука ; Літ. ред. О.Козакевич. – Львів : Арт-Медіа, 1997. – 63,[1] с. : іл. – (Сер. “Дивлюсь. Дивуюсь. Дізнаюсь”). – Алф. покажч.: с.64. – Пер. изд. : Eyewitness guides
9. СребродольскийБорис Иванович. Загадки минералогии / Б. И. Сребродольский ; Отв. ред. Н. А. Созинов; АН СССР. – М. : Наука, 1987. – 157,[2] с., [2] л. ил. ; 20 см. – (Сер. “Научно-популярная литература”). – Библиогр.: с. 155-158
10. 10. http://www.geograf.com.ua/glossary/minerals/malakhit

11.https://milady-24.ru/info/malahit.html

12. https://studfile.net/preview/5318994/page:4/
13. https://studfiles.net/preview/5563299/page:2/
14. http://compnano.kpi.ua/uk/component/content/article.html?id=id=320
15. 15. http://ua-referat.com/%D0%97%D0%B0%D0%B3%D0%B0%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D1%96_ %D0%B2%D1%96%D0%B4%D0%BE%D0%BC%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%96_%D0%BF%D1%80%D0%BE_%D0%BC%D1%96%D0%BD%D0%B5%D1%80%D0%B0%D0%BB%D0%B8
16. https://catalogmineralov.ru/mineral/malachite.html
17. https://collectedpapers.com.ua/soil_science/utvorennya-vlastivosti-ta-klasifikaciya-mineraliv

ДОДАТКИ

Рис. 1

Рис. 2

Рис. 3

Рис. 4

Рис. 5

Рис. 6

Рис. 7

Рис. 8

Рис. 9

Рис. 10

Рис. 10

Рис. 11

Рис. 12

Рис. 13

Рис. 14

Рис. 15

Рис. 16

Рис. 17

Кристали отриманого малахіту під скануючим електронним мікроскопом :

(збільшення в 1000,2000,10000, 15000, 20 000 раз)