Исследовательская работа «Анализ и изготовление цветных мелков»

VII ТЕРРИТОРИАЛЬНАЯ УЧЕБНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ
КОНФЕРЕНЦИЯ УЧАЩИХСЯ 8-11 КЛАССОВ
«ЮНЫЕ ДАРОВАНИЯ XXI ВЕКА»

НАПРАВЛЕНИЕ «ХИМИЯ»
СЕКЦИЯ «Неорганическая химия»


ТЕМА: «Анализ и изготовление цветных мелков»


Авторы: Бабичева Маргарита, Галынина Елена
ученицы 9 класса Б
ГБОУ СОШ с. Курумоч
м. р. Волжский
Самарской области

Научный руководитель:
Карпова Марина Алексеевна
учитель химии высшей категории
ГБОУ СОШ с. Курумоч
м. р. Волжский
Самарской области



с. Курумоч, 2012 год


Содержание.
Введение .. стр.3

Глава I. Мел – его состав, свойства, получение и применение. Обзор литературы по проблеме исследования..стр.5
Что такое мел?
Применение мела.
Технологии изготовления школьных мелков.

Глава II. Анализ и изготовление белых и цветных мелков....стр.9
Качественный анализ школьных мелков.
Количественный анализ школьных мелков.
Изготовление белого формованного мела.
Изготовление цветных мелков.

Заключение .стр.14
Список используемой литературы... стр.15
Приложения стр.16











Введение.

Первое сентября Миллионы детей приступают к учебным занятиям. Для любого учителя ясно – теперь только успевай запасаться коробками с мелом. На уроках учителя и ученики часто пользуются белыми и цветными мелками. С помощью цветных мелков записи на доске получаются более выразительными и легко запоминаются.
Но почти все педагоги отмечают, что имеющийся мел не лучшего качества: пачкает руки и одежду, осыпается с доски, вызывает раздражение верхних дыхательных путей.
Актуальность данной работы заключается в том, что, несмотря на использование интерактивных и пластиковых досок, в большинстве школ используется, и ещё долго будет использоваться обычный школьный мелок, качество, которого далеко не всегда удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым потребителями.
А можно ли самим изготовить мелки нужной формы, не царапающие доску и не пачкающие рук при письме?
Объект исследования: школьный мел.
Предмет исследования: компоненты мела: карбонат кальция, гипс, крахмал, клей, красители.
Гипотеза: существует мнение, что на качество мела влияют связующие материалы. В качестве связующих добавок применяются гипс, клей, крахмал.
Цель работы: провести анализ имеющегося мела, и изготовить цветные мелки, не пачкающие рук.
Для достижения поставленной цели необходимо выполнить следующие задачи:
1. Изучить состав, свойства, получение и применение мела.
2. Провести качественный и количественный анализ школьных мелков.
3. Найти оптимальное соотношение мела и гипса в мелке.
4. Изготовить белый формованный мелок.
5. Изготовить цветные мелки, не пачкающие руки
Методы исследования:
Обзор литературы;
Сравнительный качественный и количественный анализ;
Проведение эксперимента;
Наблюдения;
Математические расчеты;
Синтез.
Теоретической значимостью данной исследовательской работы является то, что она содержит дополнительный материал о таком распространённом, но мало изучаемом в школе веществе, как мел (В учебнике химии 9 класса о нём написано всего 5 строчек).
Практическое значение работы заключается в описании методик качественного и количественного анализа, а также методики получения белого и цветного мелка в школьной лаборатории.














Глава I. Мел – его состав, свойства, получение и применение.

1. Что такое мел?
Мел это мельчайшие остатки раковин, обломков скелетов вымерших морских животных. Мел откладывался в водоемах в течении миллионов лет. А когда они обмелели, то известняки вышли на поверхность.
Мел  осадочная горная порода белого цвета, мягкая и рассыпчатая, нерастворимая в воде, органического (зоогенного) происхождения.
Природный мел сложен главным образом кальцитовыми скелетными частицами микроорганизмов – известковых водорослей кокколитофорид (70-90%) и корненожек – фораминифер (1-20%). Изредка в меле встречаются раковины моллюсков, скелеты мшанок, морских ежей, лилий, кремневых губок, кораллов.
Мел представляет собой полузатвердевший морской ил, отлагавшийся на глубине 30-500м и более. Наиболее значительная полоса отложений мела распространена от р. Эмба в Западном Казахстане до Великобритании. Их мощность местами достигает сотни метров (например, в районе Харькова - 600 м).
Основу химического состава мела составляет [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] с небольшим количеством [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], но обычно присутствует и некарбонатная часть, в основном [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]. В меле обычно находится незначительная примесь мельчайших зёрен [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] и микроскопические [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] кальцита по ископаемым морским организмам ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] и др.)
Мел принадлежит к очень распространенным в природе веществам минерального происхождения и потому общеизвестен. Он получается, кроме того, и искусственным путем.
Мел натурального происхождения часто имеет серовато-желтый оттенок. Бывает и совершенно серый мел. Лучшие сорта мела (наиболее чистые) имеют почти снежно-белый цвет, так как состоят почти из чистого карбоната кальция. Побочными натуральными примесями, находящимися в составе мела, являются: глина, кварц, карбонат магния, углерод и оксид железа. Эти примеси в хороших сортах мела не превышают 4% его состава. Углерод окрашивает мел в серый цвет, а оксид железа в желтоватый.
Искусственный продукт получается осаждением растворов извести углекислым газом. Мел этот состоит из чистого карбоната кальция, в котором на 100 вес. ч. продукта приходится 56 вес. ч. оксида кальция и 44 вес. ч. углекислого газа. Он обладает безукоризненным белым цветом, чрезвычайно тонок и хорошо кроет, но цена его значительно выше натурального продукта.

2. Применение мела.
Мел используется в сельском хозяйстве (для известкования почв, подкормки животных). Осажденный мел используется в медицине (как лечебный препарат), в парфюмерии (составная часть зубных порошков, паст). В пластическом искусстве мел применяют как основу левкаса и других грунтов, как компонент при изготовлении художественных красок (например, пастели). Белый мел и чёрный мел (т. н. итальянский карандаш) используются как материалы для рисования. В промышленности мел применяется для производства цемента и извести, как наполнитель для резины, пластмасс, лакокрасочных материалов, для получения соды, стекла, очистки сахара; изготовления школьных мелков.

Технологии изготовления школьных мелков.
Существует несколько способов изготовления школьных мелков.
Экструзионный способ. При этом мокрый мел в виде тонких колбасок поступает из машины, похожей на мясорубку. Колбаски укладываются на противне, режутся и сушатся в печах. Получаются мелки круглой формы. Технологическая особенность этих мелков – их «связывание» происходит за счет клея (чаще всего ПВА), что не совсем безопасно для здоровья детей (как известно белый мел в прямом смысле едят, причем как дети, так и взрослые). Зато этот мел мягок, приятен на ощупь, практически не пачкает рук.
Метод литья. Литой белый мел абсолютно безопасен для здоровья, так как его связующим является гипс в очень малых количествах.
Литой мел изготавливается с помощью пресс – формы, которая представляет собой емкость с ячейками в форме вытянутого куба. В смесителе порошок мела тщательно перемешивается с гипсом (белый мел), а также с красителями (цветной). От качества порошка напрямую зависит качество мела – в нем не должно быть твердых частиц гипса или песка, которые потом царапают доску при письме.
Полученный порошок ссыпается в бочку, где вручную разводится водой. Смесь заливается в матрицы и остается там на некоторое время – вода постепенно испаряется, происходит реакция связывания молекулярной структуры мела и гипса.
Затем матрицу переворачивают на специальный решетчатый поддон и «снимают» ее с мелков. После этого матрицы моют в специальном мыльном растворе - сырые мелки будут легче от нее отставать. Поддон ставят в сушильный шкаф, выдерживают там мел определенное время, затем готовые мелки поступают в цех упаковки. Упаковка производится вручную.
Полученный таким образом мел:
при письме не должен сильно крошиться;
не должен сильно пачкать руки;
должен быть чистым, особенно белый;
в нем не должно быть твердых вкраплений, царапающих доску.
Отмучивание. Для лучших сортов различных мелков применяется так называемый отмученный мел (в торговле называется плавленный мел). Для приготовления отмученного мела применяют природный мел. Его разбивают на куски, сортируют, отбрасывают все примеси и затем растирают с водой на мельничных жерновах. Полученная масса отстаивается, причем тяжелые примеси (песок, камни) осядут на дно. Жидкость, содержащую уже более чистый материал, пропускают во второй чан, затем в третий, пока все посторонние примеси не осядут на дно и не будут удалены. Затем дают массе довольно долго отстаиваться в чану, вода сливается, а оставшаяся масса перекладывается в ящики с дырчатыми стенками, обтянутыми полотном. Далее массу сушат на решетах, причем если после высушивания мел очень рассыпается, то добавляют немного раствора декстрина или клея.

Выводы:
Проведенный обзор литературы показал, что на качество сырья для производства мела, влияет наличие примесей, которое зависит от меловой породы.
Для изготовления школьных мелков применяют в основном метод литья и экструзионный способ, а метод отмучивания для изготовления школьных мелков почти не применяется.
В качестве связующего материала применяют чаще всего гипс или клей ПВА. Вид связующего материала зависит от способа получения мела.











Глава II. Анализ и изготовление белых и цветных мелков

1. Качественный анализ школьных мелков
Природный мел не содержит никаких других компонентов кроме карбоната кальция. При изготовлении формованных мелков в порошок мела добавляются связующие вещества – крахмал, клей или гипс.
Чтобы узнать, какие связующие применялись для изготовления имеющихся в классе мелков, проводился качественный анализ.
Для анализа были взяты два образца мела: образец №1 – мел хорошего качества (почти не пачкает рук, пишет мягко) и образец №2 – мел плохого качества (пачкает руки, крошится, царапает доску).
Наличие в составе мелка карбоната кальция подтверждается с помощью кислоты (выделяющийся газ вызывает помутнение известковой воды). (См. Приложения. Фото 1)
CaCO3 + 2HCl CaCl2 + H2O + CO2
CO2 + Ca(OH)2 CaCO3 + H2O
Карбонат кальция является главной составной частью обоих образцов мела.
Присутствие гипса в качестве связующего можно доказать проведением микрокристаллоскопической реакции. Для этого кусочек мелка растёрли в ступке, и полученный порошок взболтали в стакане с дистиллированной водой. После раствор отфильтровали. Каплю фильтрата рассмотрели под микроскопом. В процессе высыхания капли растут кристаллики гипса.
В образце №2 присутствует гипс, а в образце №1 кристаллики гипса не обнаружены.
Крахмал можно обнаружить с помощью раствора йода. От присутствия крахмала йод синеет.
В данных образцах мела крахмал не обнаружен. (См. Приложения.Фото 2)
Клей – органическое вещество. Органические вещества при прокаливании обугливаются. При прокаливании образец мела №1 – потемнел, а №2 – остался без изменений.
Из данных качественного анализа можно сделать следующий вывод: в качестве связующего компонента в образце №2 – использовали гипс, а в образце №1 – клей.

2. Количественный анализ школьных мелков
Ход работы.
Взвесили образцы мелков на весах: (см. Приложения. Фото 3)
Образец №1 = 3,57г
Образец №2 = 27,85г
Взвесили фильтры:
Масса фильтров =0,85г
Измельчили образцы мелков с помощью ступки и пестика. Провели визуальный анализ мелков. (См. Приложения. Фото 4)
Образец №1 – цвет однородный, смесь мягкая, похожа на муку.
Образец №2 – цвет неоднородный, имеет примеси в виде песка.
Поместили образцы в химические стаканы и прилили в избытке соляную кислоту.
После окончания реакции в образце №2 раствор – более темный, чем в образце №1. (См. Приложения. Фото 5)
Промыли содержимое химических стаканов. Отфильтровали и высушили фильтры.
Взвесили фильтры с осадком после высушивания.
Образец №1 = 1,02г
Образец №2 = 15,33г
Рассчитали массовую долю связующих веществ в мелках.


Образец №1.
Масса клея: 1,02 – 0,85 = 0,17г
3,57 – 100%
0,17 – W(клея) W(клея) = 0,17
· 100 / 3,57 = 4,8%
Образец №2.
Масса гипса: 15,33г – 0,85г = 14,48г
27,85г – 100%
14,480 – W (гипса) W(гипса) = 14,48
· 100 / 27,85 = 52%
По результатам эксперимента выяснилось, что формованный школьный мелок – образец №2 на 48% состоит из карбоната кальция и на 52% из гипса. В образце №1 карбоната кальция 95,2%.

Изготовление белого формованного мелка
Ход работы.
Для поиска оптимального состава были изготовлены мелки с массовой долей гипса 40, 30, 20, 10%. Кроме этого были изготовлены мелки, в которых в качестве связующего вещества применялся клей ПВА.
Взвесили на весах необходимое количество порошка мела и порошка гипса. Смесь этих веществ небольшими порциями растёрли в ступке и добавили к ней по каплям (до образования массы консистенции густой сметаны) немного воды. Для придания мелку мягкости использовали мыльную воду. Массу выложили в подготовленную форму, смоченную мыльным раствором
Порошок мела тщательно растёрли в ступке. К полученному порошку добавили небольшое количество раствора (1:1) клея ПВА до образования массы консистенции густой сметаны. Массу выложили в подготовленную форму, смоченную мыльным раствором.    
Готовые мелки оставили сушиться. (См. Приложения. Фото 6)
Из полученных образцов мелков наиболее удовлетворяющими всем требованиям были образцы с массовой долей гипса 10 %, а также мелки, в которых связующим материалом был клей ПВА.
4. Изготовление цветных мелков
Для изготовления цветного мелка использовали выявленное в результате предыдущего эксперимента оптимальное соотношение мела и гипса.
В качестве красителя использовали гуашевые краски. Они содержат в своём составе клей, поэтому перед употреблением промыли их методом декантации: налили в плоскодонную коническую колбу (0,5 л) около 300 мл воды и при перемешивании добавили гуашь; после отстаивания слили над осадком воду. Повторили эту процедуру дважды. Затем смешали краситель с приготовленной смесью. Массу выложили в форму, смоченную мыльным раствором. Высушили. (См. Приложения. Фото 7)
Изготовленные цветные мелки, не пачкали рук, были приятными на ощупь, не царапали доску. Но их цвета на доске выглядели слишком блёкло и почти не отличались друг от друга. Поэтому было принято решение провести дополнительное исследование по выявлению более ярких красителей, чем гуашь.

Дополнительные исследования
Для придания мелкам синего цвета использовали берлинскую лазурь или гексацианоферрат(II) железа(III)-калия, которую получили, смешивая водные растворы жёлтой кровяной соли и сульфата железа (III):
2K4[Fe(CN)6] + Fe2(SO4)3 = 2KFe[Fe(CN)6] + 3K2SO4
(См. Приложения. Фото 8)
Мелки зелёного цвета получили, используя, хромовую зелень, которую осаждали из раствора сульфата хрома гидроксидом натрия:
Cr2(SO4)3 + 6NaOH = 2CrO(OH) +3Na2SO4 + 2H2O
Но цвета таких мелков даже в мокром виде были очень бледными.
Тогда решили использовать органические красители: флуоресцеин – С20Н12О5 – краситель жёлтого цвета, активный ярко-голубой КХ, легко смываемый красный К6. (См. Приложения. Фото 9) Эти красители слабо растворялись в воде, но при добавлении масла, эта проблема была устранена.    Выводы. Из изготовленных образцов, мелком, наиболее удовлетворяющим выдвинутым требованиям является образец, который содержит 10% гипса и 90% мела. Он мягкий, не царапает доску, не крошится, а чтобы он не пачкал руки, мы покрыли его клеем ПВА. Мелок, в котором связующим веществом был клей, почти не имел никаких недостатков.
Цветные мелки, изготовленные в лаборатории, также удовлетворяли всем выдвинутым требованиям: при письме они не сильно крошатся; почти не пачкают рук; в них нет твердых вкраплений, царапающих доску. Цветные мелки, изготовленные с применением органических красителей к тому же достаточно яркие.












Заключение
В ходе данной исследовательской работы, задачи, поставленные в её начале, были выполнены:
Был собран и изучен необходимый теоретический материал о составе, свойствах, получении и применении мела;
Проведён качественный и количественный анализ школьных мелков в условиях школьной химической лаборатории;
Опытным путём было найдено оптимальное соотношение мела и гипса в мелке;
Изготовлены белые и цветные мелки.
Дополнительно был изучен материал о минеральных и органических красителях. В ходе эксперимента они были получены и использованы для изготовления более ярких мелков.
Также освоены методы работы с весами, бюреткой и другим оборудованием, проведены необходимые расчёты.
В работе удалось достичь поставленной цели – провести анализ школьного мела и изготовить цветные мелки, не пачкающие рук. Опытным путём установлено, что наиболее оптимальным составом мелка является: 10% гипса и 90% мела, а также мелок, содержащий в качестве связующего компонента клей.
Здоровье людей является основным богатством государства. Поэтому даже такой непритязательный продукт, как мел, тоннами расходуемый не только в учебных заведениях, но и детьми на тротуарах и площадях нашей страны, должен быть качественным и безопасным.
Ну а если продукт не соответствует требованиям, то в химической лаборатории, на занятиях химического кружка его всегда можно изготовить самим.
Список используемой литературы.
Аликберова Л.Ю., Стёпин Б.Д. – Книга по химии для домашнего чтения. М.: Химия, 1995г – 400с
БСЭ. М.: Большая Российская энциклопедия, том 18, 2011г, 767с
Оржековский П.А, Давыдов В.Н., Титов Н.А. – Творчество учащихся на практических занятиях по химии. М.: АРКТИ, 1999г – 152с
Оржековский П.А., Титов Н.А. и др. – Кружковые занятия по изготовлению школьных мелков. Химия в школе. №5 1991г. Стр. 62-65.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]










Приложения
Фото 1. Качественная реакция на карбонаты.
HYPER13 SHAPE \* MERGEFORMAT HYPER14HYPER15

Фото 2. Реакция на крахмал отрицательная.
HYPER13 SHAPE \* MERGEFORMAT HYPER14HYPER15


Фото 3. Взвешивание образца мелка.

HYPER13 SHAPE \* MERGEFORMAT HYPER14HYPER15


Фото 4. Измельчение мелка в ступке.

HYPER13 SHAPE \* MERGEFORMAT HYPER14HYPER15




Фото 5. В образце №2 раствор – более темный, чем в образце №1.

HYPER13 SHAPE \* MERGEFORMAT HYPER14HYPER15


Фото 6. Мелки, полученные методом литья

HYPER13 SHAPE \* MERGEFORMAT HYPER14HYPER15





Фото 7. изготовление цветных мелков с применением гуаши.

HYPER13 SHAPE \* MERGEFORMAT HYPER14HYPER15


Фото 8. Изготовление минеральных красителей.






Фото 9. Изготовление цветных мелков с использованием органических красителей.













HYPER13PAGE HYPER15


HYPER13PAGE HYPER1420HYPER15




Заголовок 1 Заголовок 2 Заголовок 3 Заголовок 5HYPER15Основной шрифт абзаца

Приложенные файлы

  • doc rabota13
    Анализ и изготовление цветных мелков
    Размер файла: 278 kB Загрузок: 7