Качественный химический анализ как один из методов диагностики минералов



Большинство минералов — это соли различных металлов и кислот. Это позволяет рассмотреть минералы с точки зрения аналитической химии, которая предполагает проведение исследований с целью установления химического состава вещества.

Целью работы является демонстрация того, что с помощью качественных реакций можно отнести минерал к одному из классов в зависимости от кислотного остатка, входящего в его состав, различить схожие по физическим признакам минералы, но отличающиеся по химическому составу, провести более точную диагностику минерального образца.

Объект исследования — минералы, с помощью которых можно продемонстрировать некоторые качественные реакции.

Предмет исследования — качественные реакции на ионы, входящие в состав минерала.

Методы: аналитический, экспериментальный. Прием: проведение качественного химического анализа минералов.

Эксперименты позволили подтвердить на практике, что возможно использование качественных реакций для различения минералов, отнесению их к определённому классу, а также для более точного определения минерального образца.

Изучение качественных реакций минералов может применяться в работе геологических кружков, на уроках химии, для подготовки к профильным олимпиадам.

Ключевые слова : минералы, диагностика, качественный химический анализ, химические реакции, физические свойства, эксперимент, класс минералов.

Земная кора сложена множество различных горных пород, которые состоят из минералов. Сам минерал — это химическое вещество, которое сформировалось в природе.

Существует множество способов классификации минералов, но чаще всего применяется классификация по химическому составу, а точнее по анионам в их составе [1,2].

Большинство минералов, кроме оксидов, гидроксидов и самородных элементов — это соли различных металлов и кислот. Это позволяет нам рассмотреть минералы с точки зрения аналитической химии, которая предполагает проведение исследований с целью установления химического состава вещества [3,4]. Это даёт нам возможность, основываясь на том, какие ионы входят в состав вещества, рассматривать соответствующие этим веществам свойства как один из способов диагностики минерала и отнесению его к одному из классов, что подводит нас к качественным химическим реакциям.

Была выдвинута следующая гипотеза: применение качественных реакций можно рассматривать как метод диагностики минералов, отнесения их к определённому классу и различения схожих по физическим свойствам минералов, которые могут иметь отличный друг от друга химический состав. В этом состоит актуальность работы.

В качестве объекта исследования были взяты минералы, с помощью которых можно продемонстрировать некоторые качественные реакции.

Предмет исследования — качественные реакции на ионы, входящие в состав минерала.

Цель работы — демонстрация того, что с помощью качественных реакций можно отнести минерал к одному из классов в зависимости от кислотного остатка, входящего в его состав, различить схожие по физическим признакам минералы, но отличающиеся по химическому составу, провести более точную диагностику минерального образца.

Для этого были выполнены следующие задачи:

– изучен материал по теме;

– подобраны образцы минералов для экспериментов;

– проведены химические эксперименты с минералами.

Проведенные эксперименты доказали, что качественные реакции могут быть использованы для различения схожих минералов и разделению их по химической классификации минералов.

Для изучения минералов в минералогии существуют методы диагностики, которые позволяют описать минерал, определить, какой это именно минерал, и получить представления о местонахождении [2,5,6] Для этого был выделен ряд диагностических признаков (свойств) — признаки, способствующие распознанию минералов и отнесению к определённому классу. Они делятся на морфологические, физические и химические [5].

В современной геологии определение минерала трактуется как химическое соединение или самородный элемент, образовавшийся благодаря природной физико-химической реакции [5]. Из данного определения можно сделать вывод, что сам минерал — это ещё и неорганическое химическое соединение, которое будет иметь определённые химические свойства, которые позволяют его диагностировать.

В то же время в аналитической химии применяются качественные реакции, которые применяются для определения, какие анионы и катионы входят в состав соли, или для обнаружения вещества в среде [4,7].

Иногда при определении минерала возникают проблемы из-за того, что его физические и морфологические признаки трудно диагностировать в виду его низкого качества, что требует более точного анализа, в том числе и химического. Возможны также и ситуации, в результате которых при транспортировке или хранении образцов их свойства начинают искажаться из-за внешнего воздействия среды. Также ранее в работе упоминалось, что важно определить класс минерала при диагностировании образца.

Чтобы продемонстрировать возможность использования качественных реакций при возникновении подобных ситуаций, проведены опыты с азуритом (Cu ₃ (СО ₃ ) ₂ (ОН) ₂ ) (рисунок 1), галитом (NaCl) (рисунок 2) и сильвином (KCl) (рисунок 3). Также на выставке «Каменный цветок», проводившейся в Апатитах был приобретён образец, найденный в районе Печенгского месторождения (рисунок 4). Продавец счёл его малахитом низкого качества, но подозревал, что это может быть и хризоколла. Мы решили определить, чем является данный образец — малахитом или хризоколлой.

Рис.1. Азурит

Рис.2. Галит

Рис. 3. Сильвин

Рис. 4. Образец

Мы подобрали реактивы к минералам в соответствии с их анионами. Ведь именно анионы определяют класс минерала. Так для азурита, содержащего анион CO ₃ ^2– , мы взяли соляную кислоту (рисунок 5), так как она содержит катион H ⁺ , который вступает в реакцию с CO ₃ ^2– образуя угольную кислоту (H ₂ CO ₃ ), которая немедленно распадается на воду и углекислый газ (так называемая, реакция вскипания) [7].

Рис.5. Соляная кислота

Рис.6. Нитрат серебра

Для сильвина и галита, содержащих анион Cl ^– , мы взяли нитрат серебра (рисунок 6), в котором есть катион Ag ⁺ . Так Cl ^– и Ag ⁺ , вступая в реакцию, образуют хлорид серебра (AgCl) — нерастворимый в азотной кислоте, белый, творожистый осадок [7].

Реакция с ионом H ⁺ в соляной кислоте также бы определила, чем является образец — малахитом или хризоколлой. Так, если бы образец оказался малахитом Cu ₂ CO ₃ (OH) ₂ , то реакция оказалась бы идентична реакции с азуритом. Однако если образец окажется хризоколлой ((Cu,Al) ₂ H ₂ Si ₂ O ₅ (OH) ₄ *nH ₂ O), то один из его анионов SiO ₂ ^2– при реакции с катионом H ⁺ образует студенистый осадок, который со временем желтеет, — кремневую кислоту (H ₂ SiO ₂ ) [7].

Также были подобраны две пары минералов, очень схожих по физическим признакам, но имеющих разный химический состав. В данном случае мы демонстрируем уже использование качественных реакций для отличия двух минералов путём проведения с ними одного и того же опыта.

Рис. 7. Церуссит

Рис. 8. Англезит в породе

Первая пара (см. таблицу 3) имеет общий катион Pb ²⁺ , но они имеют разные анионы. Это церуссит (PbCO ₃ ) (см. рисунок 7) и англезит (PbSO ₄ ) (см. рисунок 8) [2]. И как уже упоминалось, ионы CO ₃ ^- будут взаимодействовать с соляной кислотой, и продуктами такой реакции будет вода, углекислый газ.

Вторая пара (см. таблицу 2) имеет полностью разный химический состав, но их физические свойства достаточно близки. Это графит (C) и молибденит (MoS ₂ ) [2]. По таблице качественных реакций можно узнать, что диагностировать атомы углерода можно при их нагревании, которое приводит к окислению углерода кислородом воздуха, что приводит к образованию углекислого газа [7]. Этот процесс сопровождается искрением. Молибденит окрашивает пламя в салатовый цвет.

Рис. 9. Графит

Рис. 10. Молибденит

Их физические свойства близки, для сравнения приведём две таблицы (таблицы 2 и 3), где были сопоставлены диагностические свойства минералов используемых в опытах.

Распределение минералов по классам

Ход анализа (см. таблицу 1).

1. Образец азурита измельчили до состояния мелких крупиц, затем на крупицы капнули раствор соляной кислоты. В ходе реакции ионного обмена между соляной кислотой и азуритом, который представляет из себя соль дигидроксодикарбонат меди II, образовался зелёный хлорид меди II, а также соль слабой двухосновной угольной кислоты, которая сразу диссоциирует на воду и углекислый газ. Данная реакция именуется реакцией вскипания и позволяет определять карбонаты в полевых условиях.
2. Образец сильвина измельчили до состояния мелких крупиц и растворили в воде. К розовому раствору сильвина (хлорид калия) прилили раствор нитрата серебра. В результате реакции ионного обмена образовался белый творожистый осадок хлорида серебра и раствор нитрата калия. Это реакция позволяет отличать хлориды от остальных галогенидов.
3. Образец галита измельчили до состояния мелких крупиц и растворили в воде. К раствору галита (хлорид натрия) прилили раствор нитрата серебра. В результате реакции ионного обмена образовался белый творожистый осадок хлорида серебра и раствор нитрата калия. Это реакция позволяет отличать хлориды от остальных галогенидов.
4. Приобретённый на выставке образец измельчили до состояния мелких крупиц и засыпали в пробирку. В эту пробирку прилили раствор соляной кислоты. В результате реакции ионного обмена раствор позеленел за счёт хлорида меди II, начал выделяться углекислый газ, что свидетельствует об образовании угольной кислоты, из чего следует, что образец является карбонатом, а его зеленый цвет говорит о том, что это действительно малахит.

Таблица 1

Реакции для классификации

	Минерал	Реактив	Уравнение реакции	Класс минерала
1	Азурит Cu 3 (СО 3 ) 2 (ОН) 2	Соляная кислота HCl	Cu 3 (OH) 2 (CO 3 ) 2 + 6HCl→ →3CuCl 2 + 4H 2 O + + 2CO 2 ↑	Карбонат
2	Сильвин KCl	Нитрат серебра AgNO 3	KCl + AgNO 3 → → KNO 3 + AgCl↓	Хлорид
3	Галит NaCl	Нитрат серебра AgNO 3	NaCl + AgNO 3 → → NaNO 3 + AgCl↓	Хлорид
4	Неопределённый образец Cu2CO3(OH)2	Соляная Кислота HCl	Cu 2 CO 3 (OH) 2 + 4HCl → →2CuCl 2 + CO 2 + 3H 2 O	Карбонат

Различение минералов

Таблица 2

Диагностические свойства графита и молибденита [2, 8]

Минерал	графит	молибденит
Сингония	гексагональная	гексагональная
Твёрдость по шкале Мооса	1–1,5	1–2
Спайность	совершенная	совершенная
Излом	занозистый	неровный
Цвет	чёрный	чёрный, свинцовый
Цвет черты	тёмно-серый	зеленовато-серый
Блеск	алмазный	металлический
Плотность	2,25	4,5

Таблица 3

Диагностические свойства англезита и церуссита. [2,8]

Минерал	англезит	церуссит
Сингония	ромбическая	ромбическая
Твёрдость по шкале Мооса	3	3–3,5
Спайность	несовершенная	несовершенная
Излом	раковистый	раковистый
Цвет	бесцветный	бесцветный
Цвет черты	белый	белый
Блеск	алмазный	алмазный
Плотность	6,3	6,5

После сопоставления физических признаков этих пар минералов мы приступили к экспериментам. Результаты этих опытов представлены в таблице 4.

Таблица 4

Различение схожих минералов

Минералы	Реактив	Наблюдения	Уравнение
Церуссит PbCO 3	HCl	Произошла реакция «вскипания», которая протекала не так активно, как в случае с азуритом. Но выделение CO 2 было заметно	PbCO 3 + 2HCl → →PbCl 2 +H 2 O+ CO 2 ↓
Англезит PbSO 4		Реакция начала протекать только при нагревании, однако выделение газа шло не так активно, так как в случае угольной кислоты, которая мгновенно распадается на воду и углекислый газ, образовалась серная кислота.	PbSO 4 + 2HCl → →PbCl 2 ↓ + H 2 SO 4
Графит C	O 2 горение	Графит при занесении в пламя начинал через некоторое время трескаться, вспыхивать, искриться. Это свидетельствует о том, что внутри образовался газ, который начинает разрывать его на куски. А при горении углерода он начинает искриться.	t⁰ C + O 2 → CO 2 ↑
Молибденит MoS 2		Ожидалась окраска пламени в салатовый цвет, вместо этого кусочек молибденита практически не окрашивал пламя, но началось выделение газа с запахом загорающейся спички — сернистого газа.	2MoS 2 +7O 2 → → 2MoO 3 + 4SO 2 ↑

Нам удалось отличить церуссит от англезита путём реакции вскипания, которая свойственна карбонатам при взаимодействии с соляной кислотой. Таким образом, продемонстрировано и подтверждено, что карбонаты от других минералов можно отличить по реакции с соляной кислотой.

Мы продемонстрировали, как можно различить графит и молибденит. Также реакция обжигания молибденита показывает, что образование сернистого газа (который можно определить по запаху, как при зажжении спички), может быть признаком, по которому минерал можно отнести к классу сульфидов (однако также с выделением сернистого газа окисляться при горении могут и сульфаты).

Вывод. Данные эксперименты позволили нам подтвердить на практике, что возможно использование качественных реакций для различения минералов, отнесению их к определённому классу, а также для более точного определения минерального образца.

Методы диагностики минералов, свойства, которые позволяют распознавать минералы, крайне важны для описания и определения минералов. И зачастую в диагностике доминируют физические и морфологические признаки, так как их легче всего распознать в полевых условиях.

В то же время иногда возникают ситуации, из-за которых распознать минерал точно затруднительно, в основном из-за его нахождения в виде агрегата или другой форме срастания. Или же из-за трудностей в опознании физических признаков. Это подводит нас к тому, что следует обратить внимание на химические свойства минерала, на его химический состав. И определить химический состав можно в данном случае благодаря качественным химическим реакциям. Их использование позволило нам указать на анионы в составе минералов, и уже по ним отнести эти минералы к различным классам.

Различие реакций двух разных минералов на одно и то же вещество также даёт нам возможность их различить, что было и продемонстрировано опытом с церусситом и англезитом. Это подтверждает нашу гипотезу о том, что качественные реакции могут быть использованы для различения схожих минералов и разделению их по химической классификации минералов. Цель исследования достигнута. Работа выполнена полностью.

Таким образом, качественные реакции могут быть использованы геологическими кружками для определения химического состава минерала, отнесения его к одному из классов и правильного его определения. Также проведение качественного химического анализа минералов может применяться на уроках химии, для подготовки к профильным олимпиадам.

Мы выражаем благодарность за консультативную помощь Горбунову Илье Александровичу, младшему научному сотруднику ГИ КНЦ РАН, Кунаккузину Евгению Леонидовичу, младшему научному сотруднику ГИ КНЦ РАН, Дякиной Татьяне Александровне, кандидату химических наук, профессору кафедры химии Мурманского государственного технического университета.

Литература:

1. Кривцова Л. Д. Учебно-методическое пособие по геологии (для студентов-географов) [Текст]: / Л. Д. Кривцова. — Рязань: ГОУВПО Рязанский Государственный университет имени С. Есенина, 2010. — [Электронный ресурс]. URL: https://www.rsu.edu.ru/wp-content/uploads/e-learning/Krivcova_L_D_Posobie_po_geologii/soderyanie.htm (дата обращения 10.12.19)
2. Минералы и самоцветы [Текст]: справочник/ пер. с ит. Н. П. Григорьева. — М.: АСТ: Астрель, 2006. — 320 с.
3. Лакиза, Н. В. Аналитическая химия [Текст]:учеб.-метод. пособие / Н. В. Лакиза, С. А. Штин; М-во науки и высш. образования Рос. Федерации, Урал. федер. ун-т. — Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2019. — 139 с.
4. Семенова Г. В. Аналитическая химия. [Текст]: уч.-мет. пособие/ сост. Семенова Г. В., Бабушкина Е. В., Сушкова Т. П., Семенов В. Н. — Воронеж: Воронежский государственный университет. — 2011. — 36 с.
5. Семенкин А. И. Геология с основами гидрологии [Текст]: учеб. пособие / А. И. Семенкин, В. Е. Кушнаренко. — Омск: Изд-во ФГОУ ВПО ОмГАУ, 2009. — 216 с.
6. Сучкова А. П. Первые шаги в геологию [Текст]:./ Сучкова А. П., Питолина Т. П. — 2- е изд., доп. — М.: Роснедра, РосГео, Экост, 2005. — 116 с.
7. Качественные реакции на неорганические вещества и ионы// Фоксфорд. Учебник. — [Электронный ресурс]. URL: https://foxford.ru/wiki/himiya/kachestvennye-reaktsii-na-neorganicheskie-veschestva-i-iony (дата обращения: 03.01.20)
8. Азизов З. К., С. А. Пьянков. Определитель минералов [Текст]: Учебное пособие/ З. К. Азизов, С. А. Пьянков. — Ульяновск: Ульяновский техн. ун-т, 2006. — 53 с.