Учебно-исследовательская работа "Синтез малахита и азурита в лабораторных условиях"."

I. Введение

        В жизни нас окружают большое количество неорганических и органических веществ.  Многие   из них являются продуктом химического синтеза и  поэтому не имеют своих аналогов в природе.

         Но как многообразен  вокруг нас  мир камней…И мало кто задумывался над тем, каким образом  и как долго их создавала природа. А можно ли ускорить этот процесс и синтезировать  подобные соединения  в лабораторных условиях?

Чтобы найти ответы на эти вопросы мы  решили провести учебно-исследовательскую работу:  «Синтез малахита и азурита в лабораторных условиях».

Так, объектом нашего  исследования  стали малахит и азурит, а предметом исследования – сам  процесс их синтеза в школьной лаборатории.

Гипотеза: вещества, которые  смогла создать природа, можно синтезировать  в лабораторных условиях за более короткий промежуток време

Цель работы:  синтезировать малахит и азурит в лабораторных условиях.

Задачи:

1)собрать информацию о природных минералах - малахите и азурите;

2) изучить гипотезы образования малахита и азурита в естественных условиях;

3) изучить методику синтеза малахита и азурита в лабораторных условиях и осуществить синтез этих соединений;

4) изучить основные области применения малахита и азурита.

С руководителем группы мы определились с выбором конкретных методов исследования  (ведь метод - это способ познания объекта и предмета исследования) и выбрали наиболее приемлемые:

1. Теоретические  методы (анализ, синтез).
2. Эмпирические методы (наблюдение, сравнение, измерение, эксперимент).

Для подтверждения или опровержения  гипотезы исследования мы, совместно с руководителем, составили план своей работы.

Нами была изучена информация о физических свойствах малахита и азурита, гипотезах  образования минералов в естественных условиях и  местах  их  добычи, основных областях применения этих полудрагоценных камней.

Изученная литература и  информация из Интернета  по данной теме  показала, что этому вопросу  очень мало уделяется внимания на уроках химии и географии в школе. Поэтому  мы  решили выполнить учебно - исследовательскую  работу  « Синтез малахита и азурита в лабораторных условиях».

3. Основная часть

1. Общие сведения о малахите и азурите

        Сторонники разных версий происхождения названий  малахита сходятся на том, что происхождение названия этого минерала имеет греческие корни. 
Существуют две гипотезы происхождения названия камня: 
1.Одни считают, что надо рассматривать слово малахи́т (от греч. μολόχη — тополь, мальва)  из-за сходства окраски с ее листьями.
2. Другие полагают, что вернее обратиться к «малакос», означающему «мягкий». Но малахит называли когда-то и по-другому – муррин. Современное наименование предложил в XVIII веке швед Валлериус.

  С  древних времён малахит  был камнем ремесленников: краскотёров и красильщиков, стеклодувов, живописцев, плавильщиков. Иногда его использовали в качестве простых украшений и поделок. Самой ранней малахитовой поделке 10500 лет! Это скромная, простой овальной формы подвеска, найденная в одном из погребений неолитического могильника в долине Шанидар (Северный Ирак). В те времена в нём ценилась скорее не красота, а польза.

Красоту камня разглядели в античную эпоху, и стали ценить его за неповторимость рисунка и своеобразие цвета. В Древнем Египте, Греции и Риме из малахита изготовляли бусы, камеи, амулеты и другие предметы,  и декоративные изделия.  В то время он стал добываться на Синайском полуострове и получил широкое распространение. Им украшали парадные залы внутри и нарядные здания снаружи, использовали для изготовления украшений и предметов интерьера. Измельченный камень и малахитовая пудра применялись в качестве натурального пигмента для рисования и в косметике. Растертый в порошок малахит смешивали с жиром и совмещая искусство макияжа с гигиеническими процедурами. Окрашивая веки такой мазью, они не только подчеркивали выразительность глаз, но и проводили дезинфекцию, поскольку знали о бактерицидных свойствах малахита.

В средние века в период увлечения оккультизмом малахит стали наделять тайным смыслом и использовать в различных обрядах, из него стали изготовлять амулеты и талисманы, а также посуду, кубки и другие предметы культа. Зеленый цвет камня интерпретировали как символ жизни и роста. В те времена кусочек малахита подвешивали к детской кроватки, чтобы он отгонял злых духов, а малыш мог спать всю ночь спокойным сном. С этой же целью на малахите делали гравировку солнца и носили в качестве амулета от колдовских чар.

 Малахит считается «РУССКИМ КАМНЕМ». 18 век стал переломным в отношении к малахиту, и случилось это в результате открытия крупных месторождений  на Урале. Этот минерал такой же естественный атрибут России, как и русская березка. Сначала из него изготавливали мелкие поделки (броши, запонки, табакерки, чернильницы и прочее), а после крупных находок в начале 19 века стали производить и крупные изделия, и даже использовать в оформлении интерьеров невозможно.

В 19 веке малахит становится эмблемой русских богатств, вызывая изумление и зависть Европы.

• Упомянутый ранее малахитовый зал Эрмитажа – кладезь изделий из малахита. Здесь представлены огромные вазы, чаши, столы и колонны, а также небольшие предметы, требующие более точной обработки. Для отделки этого зала было использовано 200 пудов тагильского малахита. Практически все изделия выполнены в стиле «русской мозаики», поскольку использованные малахитовые почки невелики в диаметре (15-20 см) и еще отделены пустотами, вырезать монолитное крупное изделие из камня было невозможно. А зрительная цельность изделий достигалась исключительно искусной работой мастеров.
• Для облицовки колонн Исаакиевского собора было поставлено 1500 пудов малахита из Меднорудянского рудника.
• В Санкт-Петербурге в музее горного института представлены две малахитовые глыбы. Первая 1,5 тонны, вторая 0,5 тонн. Большая была передана музею Екатериной Второй в 1789 году и является обломком монолита из Гумешевского рудника весом 2,7 тонн. Другой монолит привезен из Южно-Уральского Кыштымского  рудника в 1829 году.
• В 1851 году специально для Лондонской выставки на камнерезной фабрике Демидовых была изготовлена целая коллекция изделий из малахита: двери, большие напольные вазы, маленькие вазы, камин, предметы интерьера (столы, стулья), подставки для часов.
• Во Флоренции во дворце Питти сохранился малахитовый стол, изготовленный из тагильского малахита. Во времена развития рудного дела в России, много изделий увозилось в Европу и использовалось в украшении интерьеров знатных домов.
• Богатыми коллекциями изделий из уральского малахита славятся многие минеральные кабинеты ученых-естествоиспытателей, особенно выделяются кабинеты П. С. Палласа, И. И. Лепехина; крупнейшей коллекцией малахита владел граф Румянцев, её в своё время мечтал вывезти во Францию сам Наполеон.

                В 19 веке коллекционирование малахита и сооружение минеральных кабинетов являлось не столько потребностью, сколько данью моде. Этот камень стал символом богатства и знаком социального отличия. Малахитовое дело России в этот период за кратчайший срок обрело всемирное признание. Россия стала законодательницей мод во всем, что касалось малахита.

               С конца 19 века малахит утрачивает былую славу камня власть имущих. В мелких изделиях он стал доступен среднему сословию, а в монументальных изделиях выступал пусть дорогим, но все же поделочным камнем. Малахит оказался низложен с рынка роскошных вещей.

  Моду на малахит сменяет другая мода - на азурит.

Слово « азурит» произошло от  франц. "azur" « лазурь) и от персидского "lazard" ( голубой).Этот камень также называют медной лазурью и горной синью. В Европе азурит называли - шессилитом, потому что его добывали во французском местечке Шесси.

Натуральный камень азурит редко встречается в природе, поэтому он очень ценится коллекционерами. Их привлекает его четкая форма кристаллов, глубоко-синий цвет и яркий блеск граней. 

  2.2.Физические свойства природных минералов:

• Физические свойства малахита (дигидроксокарбонат меди (II)-

Cu ₂CO₃ (ОН)₂
 Цвет: варьирует от сочного темно-зеленого до светлого бирюзово - зеленого. Непрозрачен, в мелких кристаллах просвечивает. В плотных почковидных агрегатах окраска обычно распределяется ритмично, с чередованием темных и светлых зон. Тонкоигольчатый (плисовый) и порошковатый агрегаты окрашены равномерно. Более или менее одноцветные куски встречаются редко. Обычно кристаллы малахита очень тонкие — от сотых до десятых долей миллиметра, а в длину имеют до 10 мм, и только изредка, в благоприятных условиях, могут образоваться огромные многотонные натеки плотного вещества, состоящего из массы как бы слипшихся кристалликов. Именно такие натеки и образуют ювелирный малахит, который встречается очень редко.
Твердость:  3,5 – 4  по  шкале твердости (шкале Мооса); 
Удельный вес: 3,9 - 4, г;
Плотность: 3,75 - 3,95 1 г/см;
Излом: раковистый;
Хрупкость: да;
Блеск: матовый, бархатистый,  плисового - шелковистый. Плотные лучистые агрегаты имеют красивый шелковистый блеск. Необработанному малахиту присущ слабый стеклянный блеск, но на свежем изломе и в прожилках блеск у него часто шелковистый.

• Физические свойства азурита Cu₃(СО₃)₂(ОН)₂  или

(CuСО₃)₂  ∙Cu(ОН)₂ 

Цвет: голубой, синий, фиолетовый. Кристаллы - игольчатые, тонкие.

Твердость: 4 по шкале  твердости (шкале Мооса);

Плотность: 3,5-4 г на см³ ;

Излом: раковистый;

Хрупкость: да;

Блеск: плотные лучистые агрегаты имеют красивый шелковистый блеск.

2.3.Образование  малахита и азурита в естественных условиях

Природный малахит всегда образуется там, где есть залежи медных руд (например, Сu₂ S), если эти руды залегают в карбонатных породах — известняках  (СaCO₃ ), доломитах ( CaCO₃ ∙MgCO₃ ) и др. При выветривании медной руды, под действием подземных вод, в которых растворены кислород и углекислый газ, медь переходит в раствор. Это раствор, содержащий ионы меди, медленно просачивается через пористый известняк и реагирует с ним с образованием основного карбоната меди — малахита. Именно присутствием ионов меди объясняется окраска камня. 

 Малахиту в природе часто сопутствует синий минерал азурит — медная лазурь. Это тоже основный карбонат меди, но другого состава. Он образуется, если соединения меди просачивается через толстый слой известняка. Но азурит менее устойчив, чем малахит,  и во влажном воздухе постепенно зеленеет, превращаясь в него.  

Азурит и малахит нередко находят вместе; их полосчатые срастания называют азуромалахитом.

           Азурит                           Промежуточная форма                 Малахит

                                                            (азуромалахит)

Достаточно крупными месторождениями малахита  в настоящее время считаются выработки в Африке (Конго, Заир, Намибия). Также добывают минерал в Европе, Казахстане и на Алтае. Самые ценные уральские малахиты сегодня уже выработаны.

Больше всего азурита  добывают в таких странах, как Австралия, Мексика, США, Италия, Франция, Казахстан. В Намибии был найден чистый кристалл азурита приблизительным размером 25 см. Чистые кристаллы также добывают в Марокко. На Южном Урале сегодня добывают небольшие кристаллы, которые отличаются своим живописным видом.

2.4.Синтеза малахита и азурита в лабораторных условиях

          Раньше считалось, что получить  искусственный малахит  невозможно.  Этого  не могли сделать  в течение многих десятилетий, даже после успешного  синтеза алмаза. Непросто получить даже соединение  того же состава, что и малахит.

          Сейчас существую несколько методик синтеза малахита. Мы в своей работе  использовали ту, которая наиболее приемлема для работы в школьной химической лаборатории.

Ход работы

             В фарфоровой ступке смешали   11 г. тонко стертого безводного сульфата меди (II) CuSO₄  с гидрокарбонатом натрия NaHCO₃  массой 8,13 г. (см. Приложение№1).  В стакане нагрели  до кипения 200 мл. дистиллированной воды. Смесь высыпали, небольшими порциями в  кипящую воду,  быстро перемешивая. Наблюдали обильное вспенивание, т.к. происходило выделение углекислого газа. Следующие  порции вносили  только после прекращения выделения углекислого газа.

            Содержимое стакана прокипятили  15 минут, пока весь углекислый газ не выделился  из раствора (см. Приложение №2). В результате реакции  образовался малахит - порошок светло-зеленого цвета.

         2CuSO₄ + 4NaHCO₃ = (СuОН)₂СО₃+ 2Na₂SO₄+3CO₂↑ + H₂O.
 

           В течение недели дали отстояться осадку. Затем несколько раз промыли  его горячей дистиллированной водой, отмывая от сульфат  - иона (SO₄ ^2- ) . Каждый раз при этом   проводили качественную реакцию с помощью ионов бария (Ва²⁺).

Na₂SO₄ + BaCl₂= BaSO₄ ↓ + H₂O

Параллельно с получением малахита, мы синтезировали   азурит. Методика его получения отличается лишь тем, что гидрокарбонат натрия (питьевая сода) добавляется  в избытке до тех пор, пока перестанет выделяться углекислый газ.

Малахит, полученный в лабораторных условиях, является порошкообразным веществом зеленого цвета. Получить малахит в виде кристаллов нам не удалось. Даже в  природных условиях малахит  может  встречаться только в виде мелких кристаллов, которые в течение миллионов лет спрессовывались, а  крупные кристаллы встречаются очень редко.

 Азурит  также получился в виде порошка ярко-голубого цвета (см.Приложение №3).

       3CuSO₄ +  6NaHCO₃ = Cu₃(СО₃)₂(ОН)₂   + 3 Na₂SO₄+4 CO₂↑ + 2 H₂O.
 

2.5.Отличие натурального малахита от подделки

Малахит - полудрагоценный камень.  И поэтому очень часто можно встретить его подделки.  Как же отличить натуральный камень от стекла или пластмассы?

Цвет. Наличие коричневато-зеленой прослойки говорит о том, что камень выращен искусственно. Поделки из стекла имеют прозрачные включения, которые хорошо просматриваются через лупу.

Температура. Изделие из пластмассы легко распознать, коснувшись его тыльной стороной ладони: пластмассовая подделка станет теплой, а натуральный камень - холодным.

Нашатырный спирт. Если капнуть этой жидкости на натуральный камень, он побелеет, а жидкость приобретёт синий оттенок. Подделка сохранит изначальный цвет.

2.6.Магические и лечебные свойства малахита и азурита

 Считается, что малахит связан с магическими силами Земли, поэтому считается сильным талисманом. Особенно часто его используют в качестве детского амулета, призванного защитить ребенка от опасностей и ненужных страхов, охранять его сон от злых духов.

 Также камень подходит людям искусства: художникам, литераторам, артистам.

 Со времен средневековья малахит использовали в различных обрядах, которые и сейчас упоминаются в гадальных книгах. Так, с помощью камня можно привлечь любовь и усилить способность любить. А если разложить кусочки малахита в торговом зале, банке или кассовом столе, у вас всегда будут клиенты. А если взять его с собой на деловую встречу или выставку, он поможет усилить торговые качества переговорщика.

Народные целители называют малахит камнем здоровья. Малахит прекрасно справляется с болезнями кожи, для снятия аллергической реакции нужно носить малахитовые браслеты. А бусы из малахита способствуют укреплению и росту волос. Литотерапевты  также полагают, что он полезен при астме.

Американские исследователи говорят о высоких противорадиационных свойствах малахита. Чем светлее оттенок камня, тем он более ценен в лечебном качестве.

Ш. Заключение

  В ходе учебно-исследовательской работы  мы узнали, что малахит и азурит:

• являются модификациями основного карбоната меди (II);
•  образуются в естественных условиях  в присутствии медьсодержащих горных пород  и известняка.

Мы выдвинули  гипотезу о том, что если вещество формируется  в  естественных условиях, то его можно синтезировать в лабораторных условиях  за более короткий промежуток времени. В ходе работы наша гипотеза подтвердилась.  Нам удалось  синтезировать малахит и азурит в  порошкообразном виде, хотя в природе минералы  могут   встречаться в виде небольших кристаллов.

В марте 2016 г. на Неделе показа моды в Париже наш русский дизайнер Валентин Юдашкин  представил новую коллекцию одежды « Осень-зима 2016» , в которой трендовым цветом стал цвет малахита

(см.Приложение №4).Это еще одна причина, по которой нам захотелось узнать о малахите и азурите   как можно больше.