Глина в перспективе

XXVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель

Глина в перспективе

Алхасов Э.И. 1
1МБОУ СОШ Мозаика
Кван И.В. 1
1МБОУ СОШ Мозаика
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Глина, как полезное ископаемое удивляет меня с 3 класса. Многие задумаются, чем глина может быть так интересна?

В своей предыдущей работе удалось доказать, что разные виды глины используются для разных работ в зависимости от пластических свойств. Чем больше пластичность глины, тем качественнее усадка, поэтому для искусства лучше подходит вакуумированная глина. Вакуумированная глина представляет собой готовую массу, которую получают на производстве. Специальным насосом высасывают воздух из глины. Соответственно, мелкие частицы глины еще больше прилегают друг другу, уменьшается расстояние между частичками. Изучив эти интересные факты, я задумался, а что еще влияет на пластичные свойства глины: Так и появилась идея моей исследовательской работы, и я выдвинул гипотезу: «Предположим, что добавление солей меняет пластичность, физико-химические свойства глины (цвет, консистенцию, упругость, пластичность)

Когда первый раз посетил Минералогический музей Российской Академии Наук имени Александра Евгеньевича Ферсмана, убедился, что глина в зависимости от содержания минералов бывает разных цветов. Для своей проектной работы приобрел порошкообразную экологически чистую кембрийскую глину Чкаловского месторождения Ленинградской области. Решил добавить в глиняную массу равное количество солей сульфата натрия и кальция хлорида. Сравнительная характеристика пластичных свойств глины с содержанием солей представлена в моей проектной работе.

Цель исследовательской работы:выявление изменений физическо-химических свойств и дзета потенциала водного раствора глины в зависимости от содержания солей

Методы исследования: эксперимент, сравнение и анализ

Объект исследования: Экологически чистая кембрийская глина Чкаловского месторождения Ленинградской области в порошкообразной форме, глинистая суспензия с солями сульфата натрия и хлорида кальция

Задачи:

  1. Изучить влияние солей на физико-химические свойства (цвет, консистенцию, упругость, пластичность) порошкообразной глины для лепки

  2. Оценить роль солей сульфата натрия и кальция хлорида в формировании однородной системы глина - вода

  3. Ознакомить одноклассников со свойствами глины с солями сульфата натрия, хлорида кальция с использованием литературных и практических навыков.

Этапы исследовательской работы

  1. Изучение литературных источников о свойствах глины

  1. Экспериментальная часть: заготовка сырья, сушка глиняных изделий в домашних условиях

  2. Сравнение физико-химических свойств (цвет, консистенция, упругость, пластичность) глиняных изделий с добавлением солей

  3. Ознакомление одноклассников с результатами проделанной работы с использованием литературных данных и практических навыков

Основная часть

  1. Роль минерального состава глины

Глина - это часть минеральной системы земной коры. Известно, что физико-химические свойства глины зависят от ее минерального состава. Например, от количества железа зависят цвет глиняного изделия и температура спекания. В глинах, где содержание кальция достигает 25%, сокращается период спекания, что негативно влияет на условия обжига. Если в глине в соединении с магнием или натрием встречается сернистый ангидрид, то изделия из нее будут довольно хрупкими. Минеральный состав глин неоднороден. В состав глинистого вещества входят один или несколько минералов, за счет чего глины бывают мономинеральными и полимерными. Глинистые минералы называются глиноземами [6].

Знание химического состава глины поможет определить, насколько он пригоден для создания тех или иных предметов. 

В глинах содержится как свободная, так и химически связанная вода, входящая в состав глинообразующих минералов. Слои минералов могут быть разделены практически любым количеством воды. При удалении воды из глины наблюдается коренная перестройка структуры: глина уплотняет­ся, происходят агрегация ее структурных элементов и изменение структурных связей, что сопровождается существенным повыше­нием прочности структуры [2]

Огромен диапазон практического применения глин: при производстве строительных и отделочных материалов, в разработке полезных ископаемых, в медицине. Широко используется глина как природный адсорбент и эффективный материал для создания природных и технических барьеров распространения экологически опасных соединений [1]

2.Выбор и подготовка сырья

Порошкообразная (молотая) глина — это экологически чистый, предварительно высушенный и измельченный материал. В отличие от кусковой глины, порошок легко растворяется в воде, образуя однородную систему глина-вода. Ее главные преимущества - точное соблюдение пропорции, максимальная скорость приготовления, удобство дозирования.

Сульфат натрия- химическая формула Na2SO4. Это белый кристаллический порошок, обладает низкой токсичностью, хорошо растворяется в воде, пожаро- и взрывобезопасен. В природе безводный сульфат натрия встречается в виде минерала тенардита.

Хлорид кальция – химическая формула CaCl 2 — химическое неорганическое вещество; кальциевая соль соляной кислоты, гигроскопичен (поглощает воду), в малых количествах не является токсичным материалом.

3.0 Формирование устойчивого водного раствора глины с добавлением солей сульфата натрия , кальция хлорида.

Известно, что чистая глина не пропускает воду. Мелкие частицы глины, размеры которых менее 0,01мм, или пылеватые (размером от 0,01 до 0,1мм) плотно «упакованы» и прилегают друг к другу [4]. В этом я еще раз убедился, приготовив водный раствор глины. Для этого использовал 11граммов глины и 110мл воды. Водный раствор глины находился в пробирке №1.

После смешивания глины с водой, сперва вода стала мутной, затем появился осадок на дне пробирки. Осадок – это мельчайшие частицы твердого вещества, выделившиеся из раствора и осевшие на дно.

В последующем распределил в каждую пробирку по 20мл данного раствора.

В пробирке №2 – водный раствор глины +1гр хлорида кальция

В пробирке №3- водный раствор глины +1гр сульфата натрия.

К моему удивлению в пробирке №2 и №3 осадка не было.

Выпадение твердых частиц в осадок в водном растворе возможно спрогнозировать по расчетам дзета- потенциала, который обозначается греческой буквой греческой буквойζ [3].

Высокий дзета-потенциал ζ (плюс или минус): Частицы яростно отталкиваются друг от друга, как одинаковые полюса магнитов. Жидкость остается стабильной, частицы не слипаются и осадок не образуется. Иначе, чем больше ζ-потенциал, тем выше силы взаимного отталкивания.

Низкий дзета-потенциал (близкий к нулю): Частицы не могут оттолкнуться, сталкиваются, склеиваются в крупные хлопья и выпадают в осадок. Иначе, чем меньше ζ-потенциал, тем выше силы взаимного притяжения.

В нашей работе дзета-потенциал был измерен с помощью лазерного анализатора характеристик частиц Malvern Zetasizer Nano студентом ИМСЭН ИФХ кафедры наноматериалов и нанотехнологии РХТУ им. Д.И. Менделеева В. Анташовым (руководитель, доцент к.х.н. Мурадова А.Г.).

Маlvern Zetаsizer Nano — это лазерный анализатор характеристик частиц субмикронного и нанодиапазона, предназначенный для определения размеров частиц, ζ-потенциала частиц и молекулярной массы полимеров. На рисунке приведено схематическое изображение основных элементов прибора Malvern Zetasizer Nano.

Рис. – Внешнее изображение прибора Malvern Zetasizer Nano

Измерение ζ-потенциала основано на измерении электрофоретической подвижности частиц в жидкости под действием приложенного электрического поля, в соответствии с уравнением Генри. При этом электрофоретическую подвижность определяют измерением скорости частиц с помощью эффекта Доплера.

Соответственно, добавление солей в водный раствор глины препятствует образованию осадка, тем самым сохраняя устойчивость среды. Убежден, что изучение данного вопроса раскроет новые перспективы использования глины в производстве различных технологий.

3.1 Практическая часть: Сравнительный анализ пластических свойств порошкообразной глины с использованием солей.

Приготовил три образца в виде шарика из порошкообразной глины с водой, с солями сульфата натрия, хлорида кальция.

С этой целью размочил порошкообразную, сухую глину водой. Использовал емкость и 150мл воды (Приложение 1)

Состав I образца: порошкообразная глина +вода + хлорид кальция

Состав II образца: порошкообразная глина+ вода

Состав III образца: порошкообразная глина +вода + сульфат натрия

Оставил все образцы на подоконнике высыхать при комнатной температуре

Наблюдаемые изменения I образца в 1 день исследования: получилась вязкая, однородная масса, с шероховатой поверхностью, окраска более темная.

Наблюдаемые изменения II образца в 1 день исследования: получилась вязкая, однородная масса, с шероховатой поверхностью, светлого оттенка

Наблюдаемые изменения III образца в 1 день исследования: получилась вязкая, однородная масса, с шероховатой поверхностью, окраска светлая, идентичная II образцу.

Через 3 дня

Наблюдаемые изменения I образца в 3 день исследования: окраска изделия стал еще темнее, более прочное и твердое, чем остальные образцы. Неровность покрытия сохранялась, трещин не наблюдал.

Наблюдаемые изменения II образца в 3 день исследования: окраска изделия не поменялась, сохранялись шероховатости, трещин не наблюдал.

Наблюдаемые изменения III образца в 3 день исследования: окраска изделия полностью поменялась, глиняное изделие сверху было покрыто белыми кристаллами соли, сохранялась шероховатость, трещин не наблюдал.

Среди всех образцов выделился образец III с наличием белого налета на поверхности, это были кристаллы соли сульфата натрия.

Заключение:

В заключении моей работы гипотеза подтвердилась – добавление солей меняет физико-химические свойства порошкообразной глины (цвет, консистенцию, упругость, пластичность) и формирует среду для устойчивости ее водного раствора.

Выводы:

  1. Небольшое добавление соли (сульфата натрия, хлорида кальция) делает систему глина-вода болеет крепкой и предотвращает растрескивание

  2. Соли способствуют удалению воды из глины, глиняные изделия становятся более прочными, меняют окраску

  3. Добавление солей, например сульфата натрия, делает глину непригодной для использования, так как кристаллизуется на поверхности.

  4. Использование солей сульфата натрия и кальция хлорида создает предпосылки для формирования устойчивого водного раствора глины.

Благодарность

Авторы выражают благодарность:

- кандидату химических наук, доценту МФТИ, руководителю лаборатории Технопарка Физтех лицея им. П.Л. Капицы, Инденбому А.ндрею В. за консультации по вопросам, связанным с физико-химическими свойствами глины, за идею работы.

- кандидату химических наук, доценту кафедры наноматериалов и нанотехнологии РХТУ им. Д.И. Менделеева, Мурадовой А. Г.

за консультации по вопросам расчета дзета- потенциала.

Литературный список

  1. «Глины и их свойства» состав, строение и формирование свойств. Осипов В.И. Соколов В.Н. Глины и их свойства. Состав, строение и формирование свойств – М.: ГЕОС. 2013. 576 с.

  2. «Микроструктура глинистых пород» В.И.Осипов В.Н.Соколов Н.А.Румянцева. Под редакцией академика Е.М. Сергеева. МОСКВА "НЕДРА" 1989 г. 207с.

  3. Середин В.В., Красильников П.А., Медведева Н.А., Паршина Т.Ю., Пешкова Т.А. Закономерности измерения структурных связей

(электрокинетического потенциала) глинистых частиц в водном растворе // Современные проблемы науки и образования. 2015. № 2-2.

  1. «Энциклопедия для детей» Том 4, Геология 2-е издание перераб. И доп./Глав.ред. М.Д. Аксенова.: Аванта+, 2002. 688с.:,

  2. Ферсман А.Е. книга « Занимательная минералогия» очерки , издательство «Детская литература» 1975г, 314стр.

  3. https://krutiverti.pro/instruments/chto-vkhodit-v-sostav-gliny.html

Приложение 1

Глиняные шарики в 1 день эксперимента

Рис.1 Глина+CaCl2 Рис.2 Глина Рис.3 Глина+Na2SO4

Глиняные шарики на 3 день эксперимента

Рис.1 Глина+CaCl2 Рис.2 Глина Рис.3 Глина+ Na2SO4

Приложение 2

Водные растворы глины с солями

Пробирка №1- Водный раствор глины

Пробирка №2 - водный раствор глины +1гр хлорида кальция

Пробирка №3 - водный раствор глины +1гр сульфата натрия.

Приложение 3

Рис.1 Дзета потенциал в водном растворе глины с сульфатом натрия

Приложение 4

Рис.2 Дзета потенциал в водном растворе глины без добавления соли

Приложение 5

Рис.3 Дзета потенциал в водном растворе глины с хлоридом кальция

Просмотров работы: 9