Использование минералов при формировании химических понятий

ВВЕДЕНИЕ

Согласно современным тенденциям развития содержания образования одно из направлений его модернизации - интеграция ряда учебных дисциплин и попытка поиска единства различных компонентов образования. Все отрасли современной науки тесно связаны между собой, поэтому и школьные учебные предметы не могут быть изолированы друг от друга. Связь между ними - это отражение интеграции между соответствующими науками, каждая из которых в своей области изучает единый объективно существующий материальный мир. Взаимосвязь между школьными дисциплинами имеет принципиальное значение и состоит в обеспечении многосторонних контактов между ними с целью гармоничного развития мышления учащихся.

Глава 1. Применение межпредметных связей геологических знаний с другими школьными предметами на уроках географии

Реализация межпредметных связей обеспечивает формирование целостного представления учащихся о явлениях природы, делает их знания более глубокими и действенными. Этим также объясняется внимание к проблеме геологического образования (публикуются статьи по вопросам преподавания геологии, высказываются предложения о введении в школьное образование самостоятельного предмета «геология»). Однако появление нового предмета в перегруженном учебном плане общеобразовательной школы вступает в противоречие с главным требованием Министерства образования и науки РФ о необходимости снижения учебной нагрузки учащихся. Проблема может быть решена путем интеграции естественных, технических и гуманитарных наук, т.е. может быть осуществлена «органичная геологизация» образования. Использование межпредметных связей очень важно и продуктивно с точки зрения экономии учебного времени в рамках учебного плана, исключения перегрузки учащихся, формирования единой картины мира и приближения теоретических знаний к практической жизни.

Особое положение геологии в системе естественных наук позволяет широко реализовывать принцип интеграции школьных дисциплин. Причем, связи геологии со знаниями предметов естественного цикла носят двусторонний характер. Это означает, что не только в изучении геологической составляющей школьной географии можно использовать накопленные учащимися знания, но и геологическая подготовка позволяет лучше усвоить материал других учебных предметов (биологии, физики, химии, истории, обществознания и др.). Кроме того, геологические знания связаны с литературой, историей и мировой художественной культурой.

Межпредметные связи с биологией. Наиболее тесно биология и геология взаимодействуют в вопросах происхождения и развития органической жизни (знания и умения из области исторической геологии). Необходимо учитывать двусторонний характер этих связей. Например, к предшествующим межпредметным связям относятся знания об охране недр, которые опираются на учебный материал о взаимосвязи живых организмов с окружающей средой; к сопутствующим - об органогенных осадочных породах (в курсе биологии изучают формирование торфа и каменного угля); к перспективным - о геологическом времени и геохронологической шкале, который необходимы для понимания эволюционного учения.

Межпредметные связи с физикой. В связи с тем, что физику школьники начинают изучать, имея первичные географические знания, большое значение приобретают перспективные межпредметные связи. Геологические знания могут служить опорой и иллюстрацией процессов и явлений при изучении физики. Например, понятия «мощность» и «работа» начинают формироваться в начальном курсе географии при изучении геологических процессов. С другой стороны, знания физики необходимы при изучении внутреннего строения земного шара, вещественного состава литосферы, геологических процессов.

Межпредметные связи с химией. Знания из курса химии, который учащиеся начинают изучать в восьмом классе, способствуют более глубокому пониманию вещественного состава Земли, свойств минералов и горных пород, использования полезных ископаемых. Кроме того, химические знания необходимы для формирования знаний о геологических процессах и охране недр Земли, об отраслях хозяйства (предшествующие связи). С другой стороны, с некоторыми химическими элементами и веществами учащиеся впервые знакомятся при изучении геологической составляющей школьной географии (перспективные связи).

Межпредметные связи геологической составляющей с математикой. Хорошо известно, что геологические исследования невозможны без знания математики. Так, например, связи с математикой осуществляются при изучении формы и размера Земли, земной коры, геологических процессов, при расчете запасов полезных ископаемых и т.д. В этой связи, для более качественного формирования системы геологических знаний и умений целесообразно привлекать математические знания школьников. С другой стороны, это поможет решению проблемы абстракции учебного математического материала. Это целесообразно осуществлять путем постановки заданий на определение скорости движения литосферных плит, на вычисление падения, расхода реки и ее живой силы, запасов минеральных ресурсов и др.

Межпредметные связи с историей. Кроме предметов математического и естественнонаучного цикла геологическая составляющая связана с предметами образовательной области «обществознание», в частности с историей. В курсе всеобщей истории рассматриваются вопросы происхождения человека и его предков, влияние природных условий на жизнь первобытных людей, происхождение ремесел и искусства. В курс истории России включены знания о древнерусских городах, ремеслах и зодчестве. Так, например, геологическая составляющая связана с темами о строительстве белокаменного и краснокирпичного Кремля, о строительстве русских городов, о развитии ремесел, о возведении новой столицы - Санкт-Петербурга, о развитии камнерезного ремесла и др.

Межпредметные связи с ОБЖ. В настоящее время наиболее полно и целенаправленно вопросы защиты населения в опасных и чрезвычайных ситуациях изложены в специальном курсе «Основы безопасности жизнедеятельности» (ОБЖ). Кроме того, некоторые вопросы сохранения здоровья населения рассматриваются и в географии. Связи геологической составляющей школьной географии и ОБЖ прослеживаются в темах, посвященных изучению землетрясений, вулканизма, оползней, селей, обвалов, лавин и др. В связи с актуальностью проблемы обеспечения безопасности населения, данные связи необходимо усиливать.

Исходя из особенностей межпредметных связей геологической составляющей со знаниями других школьных предметов, наиболее эффективными являются следующие формы реализации данных взаимосвязей:

1. Постановка вопросов, решение задач межпредметного характера. Например, написание реакций выветривания, изучение геологической деятельности рек, составление памятки поведения во время землетрясений.

2. Межпредметные проверочные работы. Например, по темам «Углеводороды в природе» (связи с химией), «Переходные формы как доказательство эволюции» (связи с биологией).

3. Сообщения школьников, подготовленные заранее. Например, темы докладов могут быть следующими «Лечебные свойства минералов» (с химией и биологией), «Происхождение названий минералов» (с литературой и историей), «Экскурсия по белокаменной Москве» (с историей).

4. Комплексные экскурсии в природу и музеи. Например, «Подземные воды нашей местности» (с химией), «Способы поиска полезных ископаемых» (с физикой и химией).

5. Интегрированные уроки, особенно с физикой, химией, биологией. Темами таких уроков могут быть: «Роль воды в природе» (с химией и биологией), «Значение учения В.И. Вернадского» (с биологией), «Геологические силы» (с физикой).

Кроме того, у школьников вызывают большой интерес межпредметные вечера, олимпиады и викторины. Например, КВН «Истории знаменитых бриллиантов», вечер «Искусственные минералы».

Таким образом, система геологических знаний и умений тесно связана с учебным материалом многих школьных предметов, что объясняется положением геологии в системе наук. Межпредметные связи, формируя мировоззрение учащихся и целостную картину мира, способствуют уменьшению отрыва школьных знаний от жизни. Этот аспект тем более важен для географии, так как одной из целей географического образования учащихся в настоящее время является формирование компетентности в применении полученных знаний. Межпредметные связи следует реализовывать в нескольких формах на уроках и во внеурочное время, что обусловлено особенностями геологических знаний.

Глава 2. Использование минералов при формировании химических понятий

Формирование понятий о простых и сложных веществах начинаем с первых уроков химии.

Учащиеся еще до изучения химии знают о свойствах некоторых металлов. Одни из них умеют паять, другие -- делать из металлического листа модели, макеты. Их знания о самородных металлах обычно связаны с встречающимися в литературе или показанными по телевизору сюжетами о золоте, серебре, платине. А встречаются ли в природе самородные медь, железо, алюминий? Об этом учащиеся обычно знают мало.

Многие из тяжелых металлов образуют самородки: золото, платина, серебро. Очень редко можно встретить в природе самородок железа. Бывают даже свинцовые самородки. А самородки меди иногда достигают колоссальных размеров. В Северной Америке был найден один из самых больших ее самородков в мире массой 420 т. Самородная медь может содержать незначительные примеси серебра, висмута, железа, золота [1, 2].

Метеоритное железо, в отличие от теллурического земного, можно определить по наличию фигур Видманштедта. В природе в самородном состоянии может встречаться даже алюминий, но только в базальтах.

Работу с учащимися по поиску интересных фактов в литературе, исследованию свойств минералов и горных пород проводят студенты. Особенно увлекает учащихся краеведческий материал. Алмаз «Санси» одна из наиболее известных мировых драгоценностей -- принадлежал и королям, и уральскому заводчику Демидову, подарившему его своей молодой жене Авроре Карловне в день свадьбы. Полны легенд и загадок «биографии» алмазов ¦Шах», «Кохинур», «Орлов» и др. Наряду с химическими учащиеся получают дополнительные знания по истории, физике, географии и другим школьным дисциплинам.

Простое вещество сера встречается на Урале как вторичный продукт окисления сульфидов, сероводорода. Последний в лечебных целях широко применяется на Урале. О лечебных свойствах минеральных источников и грязей можно узнать из литературных источников [8].

Понятия «простое вещество» и «химический элемент» формируем параллельно. Без раздаточного материала в виде минералов их часто с трудом понимают учащиеся. Намного легче эти понятия осмысливаются при работе каждого учащегося с коллекциями, в которых представлены простое вещество сера, сульфиды (пирит, халькопирит, халькозин и др.), сульфаты (гипс, барит). Собрать на отвалах уральских рудников и изготовить соответствующие коллекции не составляет для учащихся никакого труда.

Понятие о смеси веществ формируется обычно на примере воздуха. Добавляется экспериментально разделению с помощью магнита магнитной руды от пустой породы или отделению с помощью иголки пластинок слюды в граните от кварца и полевого шпата, что обогащает понятие конкретным практическим содержанием.

Строение вещества просто и наглядно можно объяснять при изучении кристаллов. Природный галит имеет кубическую кристаллическую решетку, кубики пирита также хорошо знакомы учащимся.

При работе с минералами учащиеся знакомятся с разными формами кристаллов и более глубоко изучают причины и условия процесса кристаллизации. У них появляется желание самим вырастить кристаллы, а сообщение о существовании в природе гигантских кристаллов диаметром до 120 см и длиной до 15 м помогает им лучше понять процессы растворения и роста кристаллов [9].

Усвоение системы понятий, связанных с химическим элементом, облегчается при ознакомлении с минералами. Если на каждом столе есть несколько минералов, в которых один элемент находится в разных степенях окисления, то учащиеся запоминают цвет, формы выделения и другие внешние признаки и понимают причины различия свойств.

Розовый родохрозит не похож на черный пиролюзит и отличается по цвету от родонита, хотя все эти минералы содержат элемент марганец, степени окисления которого в них разные. Красный куприт и черный тенорит содержат медь в разных степенях окисления.

При изучении периодического закона и Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева учащиеся узнают о причинах сходства и отличия элементов и их соединений. На Урале встречаются почти все элементы Периодической системы. В каждой школе полезно иметь коллекцию минералов. К каждому образцу в ней необходимо пояснение, включающее название минерала, его формулу, основные месторождения, важнейшие области применения. В состав коллекции необходимо включить следующие группы минералов:

простые вещества (графит, сера, медь);

сульфиды (пирит, халькопирит, галенит, сфалерит, халькозин);

галогениды (галит, сильвин, карналлит, флюорит, криолит);

оксиды (магнетит, гематит, лимонит, куприт, корунд, пиролюзит, кварц и его разновидности);

сульфаты (гипс, ангидрит, барит);

карбонаты (кальцит, магнезит, малахит, сидерит, доломит);

фосфаты (апатит);

силикаты (уваровит, топаз, шерл, роговая обманка, родонит, тальк, слюда, хризо-колла).

На всех этапах формирования химических понятий могут быть полезны коллекции «Строительные и поделочные камни» (гипс, мрамор, гранит, малахит, родонит, яшма и др.), «Цветные камни Урала» (агат, авантюрин, лиственит, змеевик, нефрит, порфир, селенит и др.), «Нерудные ископаемые» (асбест, корунд, гранат, слюда, тальк, доломит, каолин и др.).

При изучении строения атома учащиеся узнают, что у некоторых элементов формируются не внешние, а более глубокие электронные оболочки. Электроны внутренних уровней могут перескочить на внешние под действием света. Элементы, способные избирательно поглощать энергию падающего света, называют хромофорами. Из кристалла выходит не полный спектр лучей, а лишь оставшаяся непоглощенной часть: она-то и окрашивает минерал. К хромофорам относятся титан, ванадий, хром, марганец, железо, кобальт, никель, медь, редкоземельные элементы, уран [10].

Хромофоры окрашивают минералы в разные цвета. Оранжевый крокоит, зеленый уваровит, красный рубин, синий сапфир, розовый родохрозит, фиолетовый аметист и множество других цветных минералов даже после одного наблюдения заставляют учащихся размышлять, сравнивать, искать причину. А при формировании понятий это один из этапов познавательного процесса.

Формирование понятия «химическая реакция» начинается с первых уроков в 8-м классе. Очень важно, чтобы учащиеся понимали, что химические реакции происходят не только во время школьного химического эксперимента и на промышленных предприятиях, но и в природе. Во время экскурсий они могут наблюдать образование серы на камнях, траве, кустах около сероводородных источников; мартиты и полумартиты как разные стадии окисления железной руды; появление зеленых корочек на медных рудах и многое другое.

Процессы окисления и восстановления один из важнейших разделов школьного курса химии. На примере образования природных сульфидов, превращения их в сульфаты у учащихся формируется понятие об окислительно-восстановительных реакциях в природе.

Под действием кислорода, воды, углекислого газа, кислот минералы химически изменяются. Например, магнитный железняк в условиях обилия кислорода и воды подвергается окислению и гидратации. Образуется новое химически устойчивое в данных условиях соединение -- бурый железняк.

Одни из самых красивых дендритов в мире находятся на Урале, в районе Турьинских рудников. В старых, заброшенных шахтах самородная медь нарастает на ржавых железных болтах, скрепляющих полусгнившие бревна. Кое-где медная, зеленая от малахита «трава» пробивается прямо из бревен, а то и сами бревна постепенно замещаются самородной медью: здесь медь восстанавливается органическим веществом [1].

При формировании понятий о химическом производстве минералы необходимы для изучения сырья. Железные и марганцевые руды на Урале встречаются довольно часто, есть и руды цветных металлов. При обжиге известняка получается известь. Дуниты и кварциты служат сырьем в производстве огнеупоров.

При изучении химических производств полезны так называемые производственные коллекции. Бурый, магнитный, красный железняк, сидерит, титаномагнетит вместе с агломератом, коксом, известняком составляют коллекцию сырья для получения чугуна. Халькопирит, борнит, халькозин и черновая медь помещаются вместе с рафинированной медью. Известняк, глина, речной песок после смешивания и обжига дают цемент.

В различных производствах часто бывают нужны флюсы или добавки для уменьшения температуры плавления основного сырья или быстрого образования шлака. Флюорит, известняк, криолит применяют при получении металлов и сплавов. Из известняка в известковообжигательных печах получают негашеную известь, также необходимую в металлургическом производстве.

Использование минералов при формировании основных понятий помогает учащимся увидеть вещества и их превращения,познать причину их разного строения, окраски. У них появляется желание больше узнать о природных минеральных богатствахсвоего края и необходимости химических знаний для их освоения.

Глава 3. Методические разработки по теме «минералы»

Тема: Вода - растворитель. Растворимые и нерастворимые в воде вещества.

Методические цели:

1. Ознакомить учащихся с понятием растворимые и нерастворимые вещества.

2. Обеспечить на практике усвоение этих понятий.

3. Научить использовать опыты в качестве элемента поиска правильного ответа.

Развивающие цели:

1. Сформировать навыки в постановке опытов.

2. Развивать логику мышления при формулировке выводов по уроку.

3. Дать учащимся знания о соленых растворах в природе, о солености Мирового океана, о легендах, связанных с соленостью океана.

4. Продолжать формирование навыков работы с дополнительной литературой по теме.

Воспитательные цели:

Воспитывать умение доводить начатое до конца.

Развитие творческого подхода к исполнению работы.

Формировать коммуникативные умения, а именно: работать в группе, осуществлять руководство группой.

Средства обучения:

Учебник “Естествознание” под ред. Хрипковой, физическая карта полушарий, энциклопедия по географии.

Видео-фрагмент “Мертвое море”.

Оборудование для лабораторной работы:

Химические стаканы, фильтры, инструктивные карточки - задания.

Вещества: соль, сахар, сода, песок, окрашенный раствор, растительное масло.

Таблички с указанием веществ.

Ход урока

I. Организационный момент: объявление темы, цели урока, распределение учащихся по лабораториям (перед уроком).

II. Изучение нового материала. Эвристическая беседа.

Где встречается вода в природе?

Какой бывает вода в природе: пресной или соленой?

В каких водоемах пресная вода, а в каких соленая?

Показ на карте полушарий океанов.

Легенды о солености морей. Выступления учащихся с дополнительными заданиями - сообщениями.

Видео - демонстрация: “Мертвое море”.

III. Практическая часть - лабораторная работа “Определение свойства воды как растворителя”.

Для проведения работы учащиеся разделены на произвольные группы - лаборатории по 4 - 5 учащихся (4 - 5 групп). Выбирается начальник лаборатории, который руководит экспериментом, следит за правильностью выполнения опытов, проверяет запись выводов и заполнение таблицы.

Проверка растворимости твердых веществ.

Задание: проверьте растворимость данных вам веществ. Для этого в стакан с водой положите небольшое количество вещества, которое исследуется, и перемешайте. Наблюдайте, что происходит с веществом (1 карточка).

Сделайте рисунок и запишите выводы по каждому веществу в отдельности.

Доказательство растворимости вещества.

Задание: сделайте фильтр из бумаги и пропустите через него получившуюся смесь. Какие изменения произошли с водой после фильтрования? (2 карточка)

Кратко запишите свои наблюдения в тетрадь.

Проверка растворимости жидкости в воде.

Задание: смешайте воду с подкрашенной жидкостью. Что вы наблюдаете? (3 карточка).

Зарисуйте.

Демонстрация учителем растворимости раствора в воде.

Опыт: добавим в воду еще одну жидкость - растительное масло. Что мы наблюдаем в результате?

Вывод: не все жидкости растворяются в воде, масло и жиры нерастворимы.

Зарисуйте, что вы наблюдали.

Растворимость газов в воде.

Вопрос: растворяются ли газы в воде? Чем дышат в воде рыбы? Какой газ растворен в воде и для жизни кого он необходим?

IV. Используя наблюдения в ходе лабораторной работы, данные заносятся в таблицу:

Вещество растворимое нерастворимое

V. Проверка записи выводов. Объявление результатов.

VI. Вопросы для закрепления.

Люди, которые отправляются в длительные путешествия по морю, берут с собой запас пресной воды. Используя знания о воде как растворителе, объясните это.

Смесь сахара и соли высыпали в сосуд с водой. Можно ли фильтрованием разделить эти вещества? Ответ обоснуйте.

Вода - хороший растворитель. Почему же речная и озерная вода бывают мутной?

VII. Итог урока. Оценки за работу выставляет руководитель лаборатории. Учитель собирает тетради и проверяет правильность формулировки выводов.

Урок №1: “Развитие географических знаний о земле”

Цели и задачи урока

Познакомить учащихся с историей развития географических знаний о Земле; показать, как с течением времени расширялся географический кругозор человечества, и менялось его представление об Ойкумене; познакомить учащихся с некоторыми выдающимися путешественниками и учеными-географами; объяснить значение современных географических исследований, продолжить формирование навыков в работе с компьютерными программами.

Учебно-наглядный комплекс

Карта полушарий, глобусы, портреты путешественников, картины, космические снимки Земли, атласы и контурные карты, ПК, программа “Путешествие Колумба”

Формы проведения уроков

Составление таблицы “Великие путешественники”. Работа с картой - изучение маршрутов экспедиций. Работа учащихся с компьютерной программой.

Термины и понятия

Часть света, путешествие.

Имена

Аристотель, Эратосфен, Кратес, Птолемей, Бехайм, Марко Поло, Афанасий Никитин, Христофор Колумб, Фернан Магеллан, Васко да Гама, Джеймс Кук, Фаддей Фаддеевич Беллинсгаузен, Михаил Петрович Лазарев, Николай Михайлович Пржевальский.

Тесты и задания для проверки (можно использовать компьютер)

Первые точные измерения размеров Земли осуществил:

а) Аристотель;

б) Эрастосфен;

в) Птолемей;

г) Кратес.

Первый глобус изготовил:

а) Бехайм;

б) Эратосфен;

в) Кратес;

г) Фалес.

Первым европейцем, достигшим Китая, был:

а) М. Поло;

б) А. Никитин;

в) Х. Колумб;

г) Ф. Магеллан.

Первое кругосветное плавание совершил:

а) Н.М. Пржевальский;

б) Дж. Кук;

в) В. да Гама;

г) Ф. Магеллан.

Антарктиду открыли мореплаватели:

а) России;

б) Голландии;

в) Португалии;

г) Испании.

В честь Х. Колумба назван:

а) материк;

б) страна;

в) океан;

г) море.

Работа с ПК

Вход в программу.

Изучение справочного материала по теме “Путешествие Колумба”

Запись основных данных.

Работа с компьютерной картой по изучению маршрута экспедиции Колумба.

Выход из программы.

Урок : “Породы, слагающие земную кору”

Цели и задачи урока

Познакомить учащихся с новыми и вспомнить уже известные понятия; дать учащимся представление об основных видах горных пород, слагающих земную кору; начать формирование у учащихся умения различать по внешним признакам осадочные и магматические породы; привести примеры использования горных пород и минералов человеком. В ходе работы с компьютерной программой показать образование базальтов, гранита, габбро.

Учебно - наглядный комплекс

Коллекция минералов и горных пород, набор раздаточных образцов.

Формы проведения урока

Знакомство с новыми понятиями и определениями; работа с образцами горных пород и минералов; составление таблицы “Минералы и горные породы и способы их образования”; составление таблицы “Минералы и горные породы и способы их использования”, компьютерная программа “Образование горных пород”.

Термины и понятия

Минералы, горные породы, магма, магматические горные породы, глубинные магматические породы, излившиеся магматические породы, осадочные горные породы, неорганические горные породы, обломочные породы, химические породы, органические осадочные породы, метаморфические породы.

Минералы и горные породы

Гранит, базальт, пемза, галька, гравий, песок, глина, соли, гипс, уголь, торф, сланец, мел, песчаник, известняк, мрамор, кварцит, гнейс.

Тесты и задания для проверки

Определите способ образования горных пород и минералов.

Известняк.

Мрамор.

Поваренная соль.

Гранит.

Кварцит.

Базальт.

Песчаник.

Торф.

Пемза.

Уголь.

Гнейс.

Гипс.

а) магматические;

б) осадочные;

в) метаморфические.

Работа с ПК

Вход в программу.

Просмотр процесса образования глубинных и изверженных горных пород: габбро, базальта, гранита.

Зарисовка схем образования в тетради, запись основных понятий, примеров.

Выход из программы.

Урок «Малахит и его химическая природа»

В школьных учебниках описывается разложение малахита как пример реакции разложения (рис.).Обоснование состава малахита вытекает из его количественного анализа:

(Сu) = 57,48%, (Н) = 0,91%, (С) = 5,43%, (О) = 36,18%.

CuxHyCzOk = ?

Исходя из закона постоянства состава веществ и понятия «массовая доля», имеем:



Рис. Демонстрация разложения малахита и доказательство образования продуктов разложения

63,55х : 1у : 12z : 16k = 57,48 : 0,91 : 5,43 : 36,18.

Освобождаемся от коэффициентов при неизвестных:

х : у : z : k = 57,48/63,55 : 0,91/1 : 5,43/12 : 36,18/16 = 0,9045 : 0,91 : 0,4525 : 2,2613.

Делим отношение данных чисел на меньшее из них - находим простейшие мольные отношения как отношения целых чисел:

х : у : z : k = 0,9045/0,9045 : 0,91/0,9045 : 0,4525/0,9045 : 2,2613/0,9045 1 : 1 : 0,5 : 2,5 = 2 : 2 : 1 : 5.

Состав вещества отвечает формуле Cu2H2CO5. Всесторонние исследование привели к более содержательной формуле: Сu2(СО3)(ОН)2. С учетом современных знаний о составе ионных кристаллов мы можем записать формулу малахита:

Состав малахита различные авторы выражают идентично (имея в виду ионный состав кристалла):

У Н.С.Ахметова - СuСО3*3Сu(ОН)2, у Д.И.Менделеева - СuO2H2CuCO3, что ближе соответствует формуле 4.На мой взгляд, если иметь в виду кристаллическую структуру малахита, состав ионного кристалла наиболее полно и наиболее содержательно отражает такая запись:

где n = f(mкрист).

Количество вещества монолитного кристаллического образования - от микроскопической частицы до крупного монокристалла - характеризуется такими параметрами: твердость = 3,5-4,0 (в среднем около 3,8), плотность = 3,9-4,1 г/см3.У малахита - моноклинная система кристаллов, игольчатых или призматического вида, обычно сросшихся. Малахит как самоцвет (уральские самоцветы известны с 1635 г.) имеет натечное строение, разные образцы могут иметь различную текстуру. Цвет - преимущественно зеленый. Отсюда и название malachite (франц.), но первоисточник - греческое слово - мальва, по сходству с цветом листьев ярко-зеленого оттенка. Правда, у малахита он менее выраженный, более землистый.С учетом электронно-ионных представлений формулу малахита можно представить таким образом:

На схеме мы четко видим, что малахит - основный карбонат меди(II) (когда-то он так и назывался - основная углекислая медь). Данная запись отражает ионные взаимодействия.

В реальном кристалле имеют место другие типы взаимодействий - водородная связь между гидроксильными ионами и донорно-акцепторное взаимодействие между ионом меди и кислородом гидроксила:

За счет этого достигается и плотная упаковка, и достаточно высокая механическая прочность, и твердость.

На уровне ионно-структурных представлений химическое строение малахита (для структурных частиц - химическое строение, для твердого тела - строение ионного кристалла) можно отразить следующим образом:

Следовательно, запись (CuOH)2CO3 - основная соль, дигидроксикарбонат меди(II) - наиболее полно отражает состав малахита.Рассмотренная выше реакция разложения малахита в зависимости от этапа изучения химии может быть описана:

а)

б) на ионно-структурном уровне:

в) на электронно-ионном уровне:

Знание свойств карбонатов и нерастворимых в воде оснований позволяет утверждать, что малахит будет растворяться в кислотах:



Примечание. Ион Н+ присоединяется к кислороду в составе гидроксид- и карбонат-ионов по донорно-акцепторному механизму:

Малахит можно рассматривать как производное гидроксида меди(II), в котором часть гидроксильных ионов замещена на карбонат-ионы (таково, собственно, определение понятия «основная соль»). Кроме реакции с кислотами при определенных условиях он может реагировать с кислотными оксидами. Мысль совершенно невероятная, учитывая нерастворимость малахита в воде - главнейшее условие взаимодействия кислотных оксидов с основаниями, точнее со щелочами. Однако имеет место реакция:

«Химические события» соответствуют такому механизму:



Малахит, как известно, не растворяется в воде, но может подвергаться гидролизу (из-за гидролиза, собственно, невозможно получить осадок среднего карбоната меди):

Из-за способности ионов меди образовывать комплексные ионы малахит растворяется, в частности, в карбонатах щелочных металлов:

Теоретическим обоснованием этому может служить запись:



Исходя из изложенного в этой статье и знаний школьного уровня, можно предложить схему генетических связей между веществами на основе малахита, меди и ее соединений.

Схема генетических связей: образование и свойства малахита

1. Разложение малахита.2. Растворение малахита в азотной кислоте.3. Гидролиз малахита.4. Реакция с углекислым газом.5. Коррозия меди на воздухе (образование зеленого налета на медных предметах во влажном воздухе):



6. Растворение меди в азотной кислоте.7. Прокаливание меди на воздухе.8. Взаимодействие твердого тела карбоната меди(II) c крепким раствором азотной кислоты.9. Восстановление меди из ее соли более активным металлом или в результате электролиза. 10. Восстановление меди из ее оксида водородом или другим удобным восстановителем (монооксид углерода, древесный уголь).11. Нагревание твердого тела нитрата меди(II) до полного разложения.12. Растворение оксида CuO в достаточно крепкой азотной кислоте.13. Нейтрализация основания Cu(OH)2 азотной кислотой.14. Взаимодействие нитрата меди(II) с раствором щелочи.15. Образование малахита в природных условиях. В самых общих чертах генезис сложных геохимических процессов можно представить так:

Примечание. В природном минерале (малахит) есть примеси других ионов, особенно цинка, который изоморфно замещает медь, а также Ca2+, Fe2+. Присутствуют и некоторые неметаллы, в первую очередь фосфор.16. Нагревание твердого вещества Cu(ОН)2 (несильно, чтобы не перевести оксид CuO в оксид Cu2O) до полного разложения.17. Нагревание CuCO3 до полного разложения на CuO и СО2. 18. Гидролиз карбоната меди(II).

19. Получение порошкообразного малахита в лабораторных условиях. Формально химизм образования дисперсного малахита можно выразить следующими уравнениями:



Однако это именно тот случай, когда «гладко пишутся бумаги, а кругом одни овраги».

Химизм образования малахита, если рассматривать его по стадиям, не может быть однозначно представленным, здесь допускается вариативность мышления. Последовательность превращений для уравнения (I):

Последовательность ионных превращений для уравнения (II):



Этим и объясняется слоистая структура минерала. Концентрация ионов(СuОН)+, (FеОН)+, (ZnОН)+, Са2+, , при совместном присутствии в растворах минералов непостоянная. Поэтому испарение воды ведет к образованию своеобразного рисунка и различной величины кристаллов в географически разных местах формирования: Россия (Урал, район Нижнего Тагила), США (Невада, Юта), Африка (Конго) и др. К сожалению, технология выращивания кристаллов малахита в промышленных масштабах засекречена...20. Взаимодействие сульфата меди(II) со щелочью аналогично п. 14. 21. Медную стружку обрабатывают концентрированной серной кислотой при несильном нагревании. Образовавшийся раствор упаривают до начала кристаллизации. 22. Восстановление меди из сульфата меди(II) аналогично п. 9.23. К раствору сульфата меди(II), который образуется при растворении в воде медного купороса, приливают раствор нитрата бария.Над образующимся осадком сульфата бария будет находиться раствор нитрата меди, который можно или декантировать, или отделить фильтрованием.24. Если прогревать медный купорос в фарфоровой чашке, то постепенно будет происходить не только обезвоживание кристаллогидрата, но и разложение сульфата до оксида меди, сернистого газа и кислорода.25. Знак (пустое множество) обозначает, что данную реакцию осуществить невозможно.Механизм образования малахита в близком к истине приближении видится таким (исходные и включающиеся в процесс вещества взяты в рамки):

Образование малахита из азурита поддается объяснению, если учесть, что нерастворимые ионные кристаллы не абсолютно нерастворимы:

ЛИТЕРАТУРА

Артамонов Б. История бриллианта «Санси» // Наука и жизнь. - 1997. -- № 11. -- С. 129-133.

Бескроаык» В., Ботвин В., Никитин В. Загадка гравировки алмаза «Шах» // Наука и жизнь. -- 1997. -- №7. - С. 100-103.

Гигантские кристаллы // Наука и жизнь. -- 2003. -- № 4. -- С. 135.

Дать камню жизнь // Наука и жизнь. -- 2002. -- №7.-С. 68-70...

Здорик Т.Б. Камень, рождающий металл. -- М.: Просвещение, 1984.

Здорик Т.Б. Приоткрой малахитовую шкатулку. -- М.: Просвещение, 1979.

Малахит. БСЭ, т. 15, с. 276;

Марченков В.И. Ювелирное дело. М.: Высшая школа, 1975, с. 37;

Непомнящий В. и др. Медное платье Урала. -- Екатеринбург: Сократ, 2004.

НовоселецкиЙ П. С. «Огнистый камень» Якутии // Наука и жизнь. - 2002. -- № 5. -- С. 85-88.

Печёнкии Л.В. Павкин алмаз: -- Свердловск, 1986.

Трубицин А.А., Оранский И.Е. Здравницы Свердловской и Тюменской областей. -- Свердловск: Средне-Уральское кн. изд-во, 1985.