Физические свойства мела и его применение

Такой знакомый всем школьный мелок, сколько веселых воспоминаний он хранит… Только вот за кажущейся его простотой прячется целая история развития планеты. "Как это может быть?" - спросите вы. Ответ на этот вопрос в данной статье. Вы не только изучите физические свойства мела и его применение, но и ознакомитесь с процессами образования в земной коре залежей известняковых осадочных пород, сформировавших современный облик Земли.

Минералы и породы биогенного происхождения

Примерно 130–65 млн лет назад, в меловом периоде мезозойской эры, моря древней планеты были заполнены планктонными и бентосными видами фораминифер, а также моллюсками, напоминавшими современных устриц, морских гребешков и наутилусов. В своих наружных скелетах и раковинах они накапливали соединения кальция, фосфора, магния и, отмирая, образовывали на дне водоемов наслоения известнякового ила. Под действием высокого давления и в результате химических процессов из него сформировались залежи известняка и мела. Физические свойства и состав этих осадочных пород очень похожи между собой, но имеют и черты различия. Геологические процессы, которые происходили на Земле, вызывали подъемы отдельных участков океанического дна и опускание материковых зон. К чему же это приводило?

Экскурс в геологию

Перераспределение поверхности литосферы и водной оболочки планеты обусловило появление горных цепей и хребтов, состоящих из осадочных пород. Это Альпы, горы Кавказа, Гималаи, Пиренеи. А скалы Дувра и вовсе состоят из чистого мела. Они придают английской береговой линии неповторимый вид и издавна служат для кораблей сигналом о приближении к туманному Альбиону. В России уникальные пейзажи на фоне меловых скал можно увидеть в поселке Сторожевом вблизи Воронежа. Ознакомившись с географией распространения биогенных горных пород, теперь самое время более подробно изучить физические свойства мела.

От чего зависят характерные особенности природных соединений

Внутреннее пространственное расположение атомов и молекул тела - кристаллическая решетка - полностью определяет агрегатное состояние, температуры плавления и кипения, плотность и т. д. Это параметры, которые относятся к физическим свойствам. Молекулярной формуле CaCO₃ соответствует сразу несколько кристаллических соединений, содержащих в узлах решеток заряженные частицы - ионы. Это мрамор, арагонит, исландский шпат, известняк и мел. Такое явление в химии называется полиморфизмом и объясняется именно формой кристалла. Отсюда следует вывод: физические свойства меди, золота, мела, уксусной кислоты и любого другого вещества определяются его агрегатным состоянием, зависящим от внутреннего строения соединения.

Виды известняков

Специалисты могут различать до 4 форм вещества, в зависимости от его структуры и физических особенностей. Так, чистый карбонат кальция имеет мелкодисперсную зернистую поверхность, при контакте с поверхностью легко оставляет белый след и содержит всего до 5 % примесей, в основном в виде сернокислого магния или кальция. Глинистый песчаный мел бежево-белого цвета, тоже тонкозернистой структуры, однако имеет более высокую вязкость и содержит до 10 % посторонних соединений, например, сульфат кальция, оксид кремния или алюминия. Зеленый, желтый или серый меловый мергель имеет еще больше примесей, а мелоподобный известняк легко узнать по крупным кристаллам желтого или белого цвета с плотноцементирующими свойствами. Нужно отметить, что на уроках химии, отвечая на задание: "охарактеризуйте физические свойства мела", следует ориентироваться на первый вид вещества. Чистый, природный карбонат кальция, содержащий минимум балластных примесей, является веществом, которое предлагается ученикам в качестве изучаемого соединения.

Как знакомить детей со свойствами мела

Впервые о карбонате кальция учащиеся узнают на вводных уроках химии, на которых дается понятие о чистых веществах и смесях, а также рассматриваются основные способы их разделения. Например, при проведении лабораторной работы учитель предлагает отделить друг от друга металлические опилки и древесную стружку с помощью магнита. Раствор сахара подвергают выпариванию и получают чистое кристаллическое вещество, а физические свойства мела и угля изучают после разделения двух веществ отстаиванием с последующим фильтрованием взвеси карбоната кальция в воде. Дидактический принцип преемственности и последовательности в изучении нового материала используется при ознакомлении учащихся с физическими явлениями и химическими реакциями. Проводится следующий опыт: в одну пробирку сливают растворы технической соды и хлорида кальция. Наблюдают помутнение раствора, а затем образование осадка. Это мел, его отфильтровывают и к полученному белому порошку по каплям добавляют хлоридную кислоту. Реакция идет с бурным выделением пузырьков углекислого газа. Как видим, программа по химии, 8 класс, физические свойства мела изучает вместе с главной химической особенностью вещества – его способностью к реакции с сильными кислотами, идущей с выделением CO₂.

Характеристика углекислого кальция

Вещество, рассматриваемое нами, относится к группе средних солей. Оно, обычно, белого цвета, и, как мы говорили, является природной полускальной породой биогенного происхождения. В его состав входят частицы раковин, мелкие кристаллы кварцита, карбонаты магния и кальция, а также оксиды этих металлов. Мел впитывает и удерживает воду, при этом его прочность снижается. Он не растворяется в воде, а образует в ней мутную взвесь. При решении экспериментальных задач по химии физические свойства мела, в частности, его нерастворимость в воде, используются для обнаружения углекислого газа. При пропускании CO₂ через известковую воду происходит ее помутнение вследствие образования нерастворимого осадка карбоната кальция. Данная реакция является качественной и применяется в аналитической химии.

Как повысить вязкость и пластичность известняка

К чему приводит наводнение залежей меловой породы подземными грунтовыми водами? Если влажность породы незначительна - не больше 2 %, то прочность кристаллов снижается. Однако при сильном намокании пластов CaCO₃, например на 25 %, прочность вещества на сжатии возрастает почти в 3 раза. При этом физические свойства мела, в особенности пластичность и вязкость, усиливаются. Это сильно осложняет технологию его добычи. По этой причине верхние и более сухие слои месторождений, хоть и с низким содержанием чистого карбоната кальция, используются для его получения в промышленных масштабах.

Где и как применяют мел

Наибольшее количество вещества идет на получение негашеной извести, гидроксида кальция и углекислого газа. Для этого карбонат кальция выжигают, образуются оксид кальция и диоксид карбона. Первое вещество еще называют негашеной известью или кипелкой. Его соединяют с водой, процесс идет с выделением большого количества теплоты, в результате получают гашеную известь – важное сырье для строительной промышленности. В комплексе с песком и водой гидроксид кальция используют для оштукатуривания и скрепления кирпичей при возведении стен. Известкование закисленных почв – хорошо известный и экономически дешевый метод мелиоративных работ, повышающий плодородие грунта и не имеющий негативного влияния на видовой состав почвенных организмов.

В данной работе были изучены физические свойства мела и рассмотрены области его применения в промышленности и сельском хозяйстве.