Научно-исследовательская работа "Разведка месторождения песка Кулунды"

                                                                               Швейцер Эдуард Александрович  10 класс

                                                         Грива Олеся Игоревна    9 класс

                                                         МКОУ Барабо-Юдинская СОШ

Разведка месторождений песка Кулунды.

Секция естественно-математического направления

                                      Руководитель: Стаченко Наталья Яковлевна

                                      учитель физики высшей квалификационной категории

                          Чистоозерный район  Новосибирская область

           Оглавление

1.Введение  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .       2

2.Основная часть

   Глава 1. Цели и задачи    .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .   3

   Глава 2. Обзор литературы  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .    4

   Глава 3. Методика и результаты исследования  .  .  .  .    7

3. Заключение  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .    21

4. Используемая литература  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .     23

5. Приложение    .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .     24

                                                                                                                                                                                  

Введение.

Более 90% площади Новосибирской области находиться в пределах Западно-Сибирской платформы. Платформа состоит из двух ярусов: фундамента и осадочного чехла и получила название плиты. С осадочным чехлом связаны месторождения песков и песчано-гравийных смесей. Кулундинская низменная степная равнина (Кулунда) расположена к югу от Барабы и занимает крайний юго-запад нашей области. Для Северной Кулунды характерен гривный рельеф, близ озера Чаны расположены высокие (15м) и длинные (3-8 км) (Приложение 1 (а)). Гривы сложены суглинками, песками и супесями. [5]

 Территория  Кулунды в силу своего геологического строения богата песками, глинами, супесями.

Песок широко используется в строительстве, промышленности, сельском хозяйстве. Качество строительных материалов принято оценивать по совокупности показателей и свойств, которые получили при испытаниях по стандартным методикам. Свойствами называют способность материалов определенным образом реагировать на воздействие факторов.

Выделяют: механические, физические, химические, технологические свойства материала (в нашем случае песка).

 Песок необходим для приготовления бетона, стекла, при отливке металлов и др., но не всякий песок годен для этих целей. Например, стекольный песок должен быть светлым, без примеси глины и извести.  Для производства бетона необходим песок, в котором почти нет глинистых частиц.

 Для использования песка в той или иной области необходимо знать не только состав, но и химические свойства песка. Химические свойства выражают способность и степень активности материала к химическому взаимодействию с реагентами внешней среды, способность сохранять состав и структуру материала в условиях окружающей среды. Большинство строительных материалов проявляют активность при взаимодействии с кислотами, щелочами.

В течение лета мы собирали образцы песка на территории Кулунды (приложение 2, карта; приложение 3 рис 1,2,3,4,5,6) Уже в полевых условиях  мы пришли к выводу:  все образцы отличаются по цвету,  размерам и составам фракций.

Выдвинули гипотезу:  различные типы песка отличаются по составу, химическим и физическим свойствам.

Мы решили исследовать состав, химические и физические свойства образцов песка Кулунды и для сравнения  взяли несколько образцов из районов области. (Приложение 1, б; таблица 1)

Глава 1. Цели и задачи.

Цель:

    Доказать, что различные типы песка отличаются по составу и свойствам.

    Разработать область практического применения каждого образца и дать рекомендации о возможном использовании.

Задачи:

    Выявить  общий состав песков и химические свойства.

    Установить  физические свойства различных образцов песка.

    Показать, что в песках Кулунды (у соленых озер) имеются в составе растворимые в воде соли.

    Выяснить, как влияют свойства песка на область применения.

Вид проекта:  исследовательская работа.

Методы исследования: 

Ø сбор исследуемых образцов

Ø сбор информации

Ø изучение литературы по проблеме

Ø эксперимент

Ø измерение

Ø наблюдение

Ø сравнение

Объект исследования:   химические и физические свойства.

Предмет исследования: песок

Время реализации  проекта: апрель 2014 г. - декабрь 2014 г.

В реализации проекта были задействованы учащиеся 8-10 классов

Консультанты проекта:    учитель химии - Богданова Е.Н. ,  

                                            учитель географии - Цыкало Л.Н.

Глава 2. Обзор литературы.

1.      Геологическое строение Новосибирской области.

Из учебника «География Новосибирской области»  мы узнали, что бόльшая часть территории нашей области  расположена в пределах юго-восточной части Западно-Сибирской низменности. Западно-Сибирская плита, состоит из плотных пород, собранных в гигантские складки докембрийского и палеозойского возраста. Сверху ее в настоящее время покрывает многокилометровый осадочный чехол (рыхлые породы). Западно-Сибирская плита большую часть времени своего существования находилась в фазе погружения и над ней когда-то располагались морские мезозойские и раннепалеозойские бассейны. Если жизнь основного тела Западно-Сибирской  плиты была относительно спокойной, то на ее периферии происходили бурные геологические катаклизмы. Эти регионы периодически то поднималась, то опускалась. Во время одного из таких поднятий образовались Уральские горы, а во время второго - горные массивы Алтае-Саянской области. С течением времени многие горы разрушились, а их материал заполнил древнюю морскую котловину трехкилометровым слоем осадочных пород.

В десяти километрах к северу от села Барабо-Юдино в юго-западной части Барабинской низменности расположена Сума-Чебаклинская впадина – самое низкое место Новосибирской области (90-100м). [5]

2.Образование и состав песка.  Песок образуется в результате выветривания некоторых горных пород: гранитов, гнейсов и др. Эти породы разрушаются под действием тепла, холода, ветра, воды и др. Продукты разрушения горных пород перемещаются ветром и водой на значительные расстояния и затем оседают. В зависимости от места залегания различают следующие разновидности песков: горные и овражные; речные и озерные. Морские и озерные пески образуются на отлогих берегах и отмелях при разрушении берега моря, озера или при впадении рек, несущих твердые частицы. Озерные пески характеризуются большой однородностью механического состава. Выделяют химическое выветривание – это изменение и разрушение горных пород. В зоне выветривания широко распространена реакция окисления. Окислению подвергаются многочисленные минералы – содержащие закисное железо или другие способные к окислению элементы. В процессе окисления изменяется первон[, содержащие 90% и больше кристаллического кремнезема – кварца, называются кварцевыми. В большинстве случаев кварцевые пески окрашены в различные цвета имеющимися в них примесями, чаще всего в желтый цвет  - соединениями железа.[2]

3.Свойства песков.  Механический состав песков отличается хорошей отсортированностью, в основном в них представлена мелкозернистая фракция. По данным  М.П.Петрова (1950), форма и поверхность песчаных частиц изменяются в зависимости от минералогического состава. Частицы, состоящие из минералов небольшой твердости – гипса, кальцита, апатита, хорошо откатываются. Почти неокатываются минералы большой твердости – силлиманит, циркон, гранит.  Пески, в состав которых входят кварц, полевые шпаты, роговая обманка, биотит, становятся желтыми и желто-коричневыми (М.П.Петров).   Изменение цвета связано также с окрашиванием зерен кварца и полевых шпатов в желтый цвет гидроокисью железа.                                                          

Минералогический состав песков определяется составом почвообразующих пород.  Физические и водные свойства песков определяются их механическим составом, а так же зависят от подвижности песка.  Химические свойства песков тесно связаны с их механическим составом и развитием образования пород  под влиянием поселяющейся растительности.  В валовом составе отмечается наибольшее количество (около 90%)  кремнезема.[2]

Пески, расположенные вблизи солончаков, всегда засолены. Засоление хлоридно-сульфатное или сульфатно-хлоридное. При близком стоянии минерализованных грунтовых вод  (1- 1,5 м) так же образуются засоленные пески. Концентрация и солевой раствор (величина рН) влияют на процесс выветривания пород. В природно-экономическом справочнике «Районы и города Новосибирской области»: вода в озере Чаны слабоминерализованна, относится к хлоридному классу группы магния.  Вода озера Яркуль хлоридного класса группы магния, высокоминерализованна (4000 – 5500 мг/л), не пригодна для питья, можно использовать для водопоя скота.  В этом же справочнике указано, что в районах Кулунды полезные ископаемые: суглинки кирпичные, глины керамзитовые.  Купинское месторождение песка с запасами 396 тыс.км³.    В Чистоозерном районе около 220 озер. Наиболее крупные озера Чистоозерного района: Чебаклы, Б.Чаны.  Озера являются остатками древней озерной системы, и их котловины имеют тектоническое происхождение. Содержание солей в воде зависит от возраста озер. В степи Кулунды воды очень часто соленые. В Чистоозерном районе встречаются сильно соленые и даже рассолы, содержащие в 1 л воды 30-50 и более граммов солей. Поэтому состав песков у соленых озер отличается от других песков [5]

Физическое свойство насыпная плотность природного песка 1300.-.1500 кг/м³. Песок изменяет свой объем и соответственно насыпную плотность при изменении влажности в пределах от 0 до 20 %. При влажности 3...10 % плотность песка резко снижается по сравнению с плотностью сухого песка, потому что каждая песчинка покрывается тонким слоем воды, и общий объем песка возрастает. При дальнейшем увеличении влажности вода входит в межзерновые пустоты песка, вытесняя воздух, и насыпная плотность песка снова увеличивается. Изменения насыпной плотности песка при изменении влажности необходимо учитывать при дозировке песка по объему [6].

 Из-за различного минералогического состава песка различные химические и физические свойства.

Применение песка.  Песок (или песчаный грунт) — представляет собой сыпучий нерудный материал, который используется практически при любых строительных работах.
Песчаные грунты сложены угловатыми и окатанными обломками минералов, размером от 2 до 0,005 мм (мелкозернистые пески имеют размеры 0,1-0,25 мм). Основная масса песков состоит из кварца и полевых шпатов. Пески в строительстве имеют широкое применение. Они являются надёжным основанием, служат хорошим материалом для изготовления различных строительных изделий, цементных растворов и т. д. Применимость песков, как сырья для производства строительных материалов, находится в зависимости от крупности частиц и основного в количественном отношении минерала, а также от примесей, таких как слюды, соли, гипс, глинистые минералы, гумус. Эти примеси в ряде случаев ограничивают использование песков.                                                                                                                                                                                                                                           

Песок является важным строительным материалом. Его используют:
- для кладки, стяжки, штукатурки;
- при производстве цемента и бетона;
- в дорожном строительстве;
- в стекольной промышленности;
- в сельском хозяйстве.
Основными характеристиками песка являются: 
- модуль крупности;
- коэффициент внутреннего трения;
- объемно-насыпная масса;
- водопоглощение; водопроницаемость;
- содержание пылевидных, илистых, глинистых и других частиц.

Рисование песком, обучение которому сейчас доступно практически каждому, - это сравнительно молодое направление. Для выполнения рисунков на песке достаточно немного реквизитов – мелкий песок, особый подсвеченный стол из стекла.

Если обратиться к истории, то можно отметить, что возраст этого направления живописи – чуть более 30 лет. Впервые школы рисования песком образовались в Соединенных Штатах Америки. Рисование песком, обучение которому поначалу осуществлялось с применением экспериментальных методов, постепенно становилось популярным направлением в мире. Сегодня не только в США, но и по всему миру работают настоящие мастера песочной анимации.

Завораживающие уроки рисования песком позволяют взрослому почувствовать себя вновь ребенком, а ребенку раскрыть свои способности в полной мере. Песок буквально впитывает в себя негативную энергию.

В настоящее время специалисты отмечают позитивный психологический эффект обучения рисованию песком. Занятия помогают избавиться от стрессов, переживаний, волнений, фобий. Творческая работа позволяет снять напряжение. Песок – это очень приятный на ощупь материал. Из песка получаются разные картины, каждый может воплотить даже самые фантастические замыслы.

Этап 1.  Состав и химические свойства песка.

Исследование 1. Состав песка.

Гипотеза: различные типы песка отличаются по составу.

Кварц и полевые шпаты состоят в основном из кремния и кислорода и имеют «ажурную» структуру кристаллической решетки

Исследование: Визуально определили вид фракций и цвет частиц, имеющихся в составе. Рассмотрели все образцы в микроскоп.  Некоторые частицы имеют желтую, оранжевую, фиолетовую и зеленую окраску это окисные соединения железа. Частицы белого цвета: углекислая известь, каолинит, гидрат окиси алюминия, легкорастворимые соли. Закисные соединения железа серовато-голубоватой окраски.   Рис.1.  (Результаты исследований в таблице 1  Приложение 4.)

    

                     а)                                                      б)                                                в)

                     Рис 1.  Вид фракций (а) и фото песка  в микроскоп  (×250)  (б, в)

Вывод: Песок рыхлая порода, в песках преобладают кварц и полевые шпаты. В качестве примесей окись железа, кальцит, углекислая известь, слюды. Электронно-микроскопические исследования показали разный цвет буровато-желтого или желтого, прозрачность кварца   вызванного рассеянием света микропорами; недостаточно ровную и чистую поверхность частиц. Результаты исследований в таблице 1 (приложение 1). Изучаемые образцы песка разных типов, с преобладанием различных примесей.

Исследование 2.   Наличие в песке карбонатов.  Карбонаты – содовые минералы. Кальцит - карбонатные минералы, имеющие перламутровый цвет, лапчатые неправильной формы зерна.

Сода в почвах образуется при выветривании магматических и осадочных пород, содержащих то или иное количество натрия. Высвобождающиеся при выветривании основания (Са, Мg, Nа, и другие) взаимодействуют с углекислотой почвенного раствора и образуют соответствующие карбонаты, в том числе карбонат натрия.

Цель: выявить наличие карбонатов в исследуемых образцах.

Методика очень проста: в исследуемый образец налили уксусной кислоты. В образцах  № 6,8,9  реакция отсутствовала, в других наблюдалось вскипание.  Рис 2.  (Результаты исследований в таблице 1 приложение 5)

    

                                   Рис 2. Вскипание песка при взаимодействии с уксусной кислотой.

Вывод: Наличие в песке карбонатов (солей угольной кислоты), разрушается при взаимодействии с кислотой, при этом выделяется углекислый газ, наблюдается потрескивание, вскипание.  Наличие карбонатов явно выражено в образцах № 1,2,5,7, слабо выражено в образцах  № 4,3.

Исследование 3.  Кислотная обработка навесок с помощью лакмуса.

Реакция почвенного раствора – навеска, характеризует активную кислотность или щелочность почвы, влияет на физические и химические свойства песка.

Кислотность песка вызывается наличием ионов водорода. Среду называют кислой, если в ней большую часть составляют водородные ионы; нейтральная, если все ионы в равных пропорциях.

Если показатель рН 4,5 – среда кислая, 4,5-5  - среднекислая,  больше 5,5 – нейтральная. Когда показатель рН больше 7,0 –это означает среда щелочная; рН >8;9 солончаки, содовые почвы.

Цель: выявить кислотность образцов песка.

Методика исследования: песок размешать в воде, дать настоятся, воспользоваться лакмусом. Рис 3.

Результаты исследования в таблице 1 приложение 5.

    

                                Рис 3. Определение кислотности навески с помощью лакмуса.

Вывод: В ходе исследования выявили: показатель рН 5-8.  Образцы № 1,3,4,6,7,8,9 – щелочная среда. Различие в кислотности доказывает, что система геологических пород имеет разную реакцию. Образцы № 2,5 – кислая среда, это доказывает присутствие мусковина (калиевая разновидность минералов)

Исследование 4. Щелочная обработка навесок с помощью фенолфталеина.

Цель: выявить наличие в песке гидроксильных ионов. Такую среду называют щелочной.

Методика исследования: Настаивали песок с водой, капали фенолфталеин. Рис 4.  Результаты в таблице 1, приложение 5.

        

                        Рис 4 .    Фенолфталеин окрашивает навеску в малиновый цвет.

Вывод: Произошло окрашивание различных навесок в малиновый цвет, значит среда щелочная. У образца №2 цвет желтоватый, следовательно, кислотность выше.

Исследование 5.   Определение содержания сульфатов в песке.

Сульфаты – соли серной кислоты, имеют осадочное происхождение, это химические морские и озерные осадки. В осадочных породах сульфаты образуются в виде песчинок.

 Цель исследования: показать, что в данных образцах имеются сульфаты.

 Методика исследования.  В песок налить соляную кислоту и закрыть, сера осаждается в виде сульфата бария (соляная кислота 1:3); После прекращения пузырьков, 2-3 капли метилоранжевый, потом добавить аммиак до перехода краски из красной в желтую до появления запаха аммиака. Через 10 минут отфильтровать. Осадок – сера.

      

                                    

                                       Рис 5 .  Содержание сульфатов в песке.

Вывод: Кулундинская степь – это многочисленные высохшие озера.  Поэтому сульфатная сера обнаружилась в образцах: №1 (соленое озеро Чебаклы), № 3,4 (соленоватое озеро Чаны).  

Исследование 6.  Наличие солей в песке.

Цель: выявить содержание солей в песке.

Методика исследования содержания солей основана на том, что раствор нитрата свинца окрашивает отфильтрованную навеску песка в молочный цвет при наличии солей. Рис  6.

    

    Рис 6.  Раствор нитрата свинца окрашивает навеску в молочный цвет при наличии соли.

Вывод: Наличие солей обнаружено только в образцах № 1,3,4. Эти образцы взяли у соленых озер Чебаклы, Яркуль, Чаны (таблица 1, приложение 5)

ВЫВОД первого этапа исследования: Химические свойства песков тесно связаны с их механическим составом и развитием почвообразования под влиянием поселяющейся растительности. Устойчивость кварца к растворению делает его главным минералом песчаных пород. Химические элементы, входящие в состав песков, находятся в различных химических соединениях в виде оксидов и солей.

Этап 2. Физические свойства песка.

Исследование 1.  А) Определение насыпной плотности песка.

Гипотеза: насыпная плотность песка различная у данных образцов.

Методика исследования: плотность определяется по формуле: ρ = m/V

m – масса определяется на рычажных весах, V – объем измерительным цилиндром.  Рис 7.

Результаты измерений и вычислений в таблице 1, приложение 6.

                     

                                   Рис 7.    Измерение насыпной плотности песка.

Вывод: Насыпная плотность песка различная у образцов песка 1,3 – 1,8 г/см³. Большая плотность у глинистых пород.  Размер частиц различный, мелкие зерна песка размещаются между крупными, заполняя пустоты между ними, вследствие чего повышается плотность.

Б) Ареометрический метод определения плотности. Ареометр – прибор для определения плотности жидкости, в нашем случае почвенной навески.

Гипотеза: в состав песка входят растворимые соли различных элементов.

                                    

                         

                Рис 8. Ареометр показывает плотность песочного раствора 1020 кг/м³,

                                     (для сравнения плотность воды 1000 кг/м³)

Вывод: В песке находятся соли растворимые в воде, увеличивающие плотность навески. Пески степей содержат больше водорастворимых солей.  Насыпная плотность и плотность песочного раствора ареометрическим методом немного отличаются. Если ареометрическая плотность больше, чем насыпная, следовательно, в данном образце больше солей и других растворимых веществ, увеличивающих плотность навески. (Приложение 6, таблица 1)

Исследование 2. Определение внутреннего трения песка.

Гипотеза: у разных по строению образцов песка различное внутреннее трение.

Методика исследования: Коэффициент внутреннего трения k равен тангенсу угла наклона конусообразной насыпи песка.   k = tgφ;    tgφ = а/в    (тангенс угла равен отношению противолежащего катета  а  к прилежащему катету в  в прямоугольном треугольнике  рис    . Использовали штангенциркуль и прямоугольник.

 

                                              а

                                              φ              

                                                         в

                Рис  9.    а - противолежащий катет,  в – прилежащий катет,   φ – угол наклона

    

                                         Рис 10 .   Определение внутреннего трения песка.

Результаты измерения в таблице 2 . (Приложение 6, диаграмма 6)

Вывод: Коэффициент внутреннего трения различный, в пределах 0,65 – 0,86. Чем меньше тангенс угла наклона, тем меньше трение. Причина различия трения в строении и составе образцов песка: гладкие окатанные песчинки уменьшают трение, в глиноподобных породах внутреннее трение больше.

Исследование 3.  Ударная вязкость песка.

Ударная вязкость характеризует способность минерала сопротивляться сосредоточенным ударным нагрузкам.

Гипотеза: мы предположили, что у различных образцов механические свойства различны.

Методика: Металлический шарик  массой  110 г, диаметр шара  30 мм,   скатывается  по наклонному желобу в песок, оставляя  в песке след разной площади и глубины.

Ударная вязкость характеризуется отношением массы тела к площади поверхности.

Результаты исследования в таблице 1, приложение 7, диаграмма 1.

                                   

                                     Рис 11.   Определение ударной вязкости песка.

Вывод: образцы с большей насыпной плотностью, более рыхлые породы, с меньшим трением имеют большую ударную вязкость.

Исследование 4. А)   Водопоглощение  песка.   Водопоглощение песка – процесс впитывания воды в поры.

Цель: определить водопоглощение  W(%)  различных образцов песка.

Методика исследования: Водопоглощение почвы (в нашем случае песчаной) определяется по формуле:

W = ·100%              m – масса сухого образца,     m′ - масса влажного образца.

                                      

                          Рис  12 . Определение массы сухого и влажного образца.

               Вывод: Содержание глины в образцах увеличивает водопоглощение.     

         (Приложение 6, таблица 1)

Б) Набухание песка.

Цель: определить набухание образцов песка N (%)

N= ( ( V₁ – V)/V )×100%     т.к.    V = sh             N= (( h₁ – h)/h )×100%

V - объем сухого образца, V₁ – объем влажного образца, h – высота, s- площадь поверхности.

Результаты опытов в таблице 3 (приложение 7).

Вывод: Физико-химическое свойство – набухание проявляется в результате наличия в песке коллоидов. Набухание и осадка песков связана со способностью коллоидов к диссоциации    ионов.  Результаты опытов показали, что в образцах №7    коллоидов больше.

Исследование 5. Электростатические свойства песка.

Гипотеза:В результате трения частиц песок электризуется.

Электризация – способность тела, после натирания, притягивать другие тела.

Методика исследования: использовали электрометр и наблюдали за отклонением стрелки.  Результаты исследования в таблице № 2, приложение 6.  Рис 13.                        

     

               Рис  13.  Об электризации песка судили по отклонению стрелки электрометра.

  Вывод: Песок электризуется в результате трения частиц.

Исследование 6. Магнитные свойства песка.

Гипотеза: Так как в состав песка входят различные породы, некоторые типы песка могут обладать магнитными свойствами.

Методика исследования: наблюдали, как реагировала магнитная стрелка на песок.

                 

                             Рис  14 .    Отклонение магнитной стрелки, когда подносили песок.

Вывод: Образцы № 2,5,6,8,9 обладают магнитными свойствами, следовательно в их состав входит магнетит, так как немногие минералы обладают полярным магнетизмом.

Таблица 2, приложение 6.

Минералы обладающие сильным полярным магнетизмом, называются ферромагнитными.

Исследование 7.  Электропроводность песка.

Гипотеза:  У разных типов песка различная электропроводность.

Поместили песок в электролитический стакан с электродами, собрали цепь: ЛИП, миллиамперметр, электролитический стакан.

 

                   Рис 15.  Образец №4 показание миллиамперметра  1,4 мА,   образец  №1 -  2 мА.

Вывод: Электропроводность песка разная, большей электропроводностью обладает песок, содержащий соли и оксиды металлов. Большей электропроводностью обладают образцы   № 1,3,4.  (Приложение 8, таблица 1)

 Электролитическая диссоциация – распад молекул электролитов на ионы под влиянием электрического поля полярных молекул воды.

Степень диссоциации (доля молекул в растворенном веществе, распавшихся на ионы) зависит от концентрации раствора и электрических свойств растворителя. Окислительно-восстановительное состояние почвы (в нашем случае песка) выражается в Вольтах.

Гипотеза: концентрация навески (почвенного раствора) у разных образцов отличается концентрацией и электрическими свойствами.

               

Рис 16 . Электрическая цепь: определение окислительно-восстановительного состояния песка.

Вывод: Степень электролитической диссоциации зависит от наличия кислот, оснований. Значение потенциала показывает, что у разных образцов различные электрические свойства почвенного раствора. Следовательно, различная концентрация кислот и оснований. 

На значение потенциала также влияет наличие коллоидов, т.к. они способны к диссоциации   ионов из песочного раствора. (Коллоиды – нерастворимые, невидимые, наночастицы, вызывающие набухание, например:крахмал, желатин …).   (Приложение 8, таблица 1).

Исследование  8.  Теплопроводность песка.

Цель: определить коэффициент теплопроводности различных образцов песка.

Теплопроводность - это вид теплообмена, при котором происходит непосредственная передача энергии от частиц более нагретой части тела, к частицам его менее нагретой части.

Теплопроводностью почвы (песка) называется способность проводить тепло.

Методика исследования: По величине коэффициента теплопроводности (λ) можно судить, хорошим или плохим проводником тепла является данное вещество. Значение коэффициента теплопроводности равно количеству теплоты, которое проходит через толщину почвы в один метр с поверхностью 1м², за одну секунд у при разности температур на противоположных поверхностях почвы на 1°С, что в математической форме выражается в виде формулы:

                                              λ   =  

λ – коэффициент теплопроводности,

t ₁ - температура нижней поверхности слоя исследуемого вещества,

t ₂ - температура в верхней поверхности слоя этого вещества,

ℓ - толщина слоя, Ѕ – площадь поверхности,

τ – время, в течение которого происходит теплопередача,

С₁ m₁  и  С₂ m ₂  - теплоемкость воды и калориметра.

Измерения и вычисления в таблице 2 Приложение 7)

Оборудование: паровая коробка, исследуемое вещество, калориметр, термометр, весы, набор грузов, мензурка, линейка. В качестве паровой коробки приспособили электрический прибор для нагревания детского молока.

                                 

                 Рис  17 . Схема установки для определения коэффициента теплопроводности песка.

    

                  Рис  18 .  Слой песка нагревается от пара и передает количество теплоты воде.

Вывод: Теплопроводность образцов различна. На величину теплопроводности песка влияет химический и физический состав, плотность, при одинаковой влажности и температуре. Теплопроводность фракции крупнозернистого песка при одинаковой пористости и влажности больше, чем крупнопылевой фракции. 

Рисование песком сравнительно молодое направление.    Для выполнения рисунков на песке достаточно немного реквизитов – мелкий песок, особый подсвеченный стол из стекла. Однако главным в этом творчестве является художник и его руки.

 Учащиеся нашей школы с удовольствием участвовали в конкурсе «Рисуем песком». Для этого самостоятельно в кабинете физики сконструировали приспособления для рисования песком (рис 20).

    

                                  Рис  19 .  Рисование песком (7 класс)

 

                            Рис  20 . Грива Олеся. Рисование песком в кабинете физики.

Вывод: для рисования более пригодными оказались все образцы, кроме №7.

Таблица 1. Рекомендации по использованию различных видов песка.   

№	образцы применение	1	2	3	4	5	6	7	8	9
1	Для цемента и асфальта (крупнозернистые пески)
2	Для балласта      (крупнозернистые пески, с высокой плотностью)
3	Производство стекла (без примесей окислов железа)
4	В сельском хозяйстве (нельзя соленые пески)
5	Для производства силикатного кирпича (не более 10% глины, разнозернистый песок)
6	Для сельского хозяйства (пески после химического выщелачивания, меньше вредных солей)
7	Для силикатной промышленности  (белые нужны,  цветные нет)
8	В искусстве (рисование песком)
9	В медицине (в терапии: компрессы прогревания)

Заключение.

На основании результатов данного исследования можно сделать

вывод:

    выявили, что устойчивость кварца к растворению делает его главным минералом песчаных пород. Элементы, входящие в состав песка, находятся в различных химических соединениях в виде оксидов и солей.

    установили: песок обладает теплопроводностью, электропроводностью,  магнетизмом, свойством водопоглощения, набухания, песок имеет внутреннее трение, отличается насыпной плотностью и ареометрической; обладает механической вязкостью, электролитическими, электростатическими свойствами.

    доказали, что в состав песков Кулунды (у соленых озер) входят растворимые в воде соли.

    узнали, что химические и физические свойства песка определяют область его применения.

В ходе данного исследования мы:

    провели анализ состава, химических и физических свойств песка;

в результате анализа свойств обнаружили тесную взаимосвязь: одни свойства являются следствием других свойств.

    разработали область практического применения   и дали рекомендации о возможном использовании песка.

 Академик Д. Лихачев: «Если в конце исследования не видно начала следующего – значит, исследование недоведено до конца»

 Для разработки и использования песка в Чистоозерном районе и в Кулунде необходимо оценить масштаб месторождений. Но это уже тема дальнейшего исследования.

Данные исследования можно широко использовать:

Ø в промышленности

- водоочистка; фильтрование водопроводной воды;

- производство силикатного кирпича;

- в стекольном производстве;

- производство керамики;

Ø песок является важным строительным материалом, его используют:

- для кладки, стяжки, штукатурки;

- при производстве цемента и бетона;

- в дорожном строительстве;

- в стекольной промышленности;

Ø в сельском хозяйстве, рекультивация земель;

Ø использовать как балласт;

Ø как средство противопожарной безопасности;

Ø в медицине (прогревание);

Ø в психотерапии;

Ø в искусстве: рисование песком.

Литература

1. Абдурахманов С.Д. Исследовательские работы по физике в сельских школах. Москва  «Просвещение», 1990г.

2. Виноградов А.П. Геохимия  химических элементов в почвах. АН, М., 1969.

3. Габриелян О.С.  Химия 10, М., Дрофа, 2009г.

4. Гаджиев И.М., Молоденков Л.М. Районы и города Новосибирской области (природно-экономический справочник), Новосибирский отдел русского географического общества, 1996г.

5. Донукалова Р.П, Кравцов В.М. География Новосибирской области. Новосибирск

   «Студия   Дизайн ИНФОЛИО» 1996г.

6. Качинский Н.А. Физика почв, часть 1. Высшая школа, М., 1965.

7. Мякишев Г.Я. Физика 10, М., Просвещение, 2009.

Приложение 1.  а) Один из Яров, которые тянуться от озера Чаны до с.Дружинино, Купинского района, полевая песчаная дорога

    

б) Образцы песка Кулундинской степной низменности (№ 1,2,3,4,5,7) и некоторых районов области (№ 6,8,9)

Приложение  2 .  Природные комплексы НСО,   Кулундинская степная низменность (3).

           Цифрами  1-9 обозначены приблизительно места взятия образцов песка.

        Таблица 1.  Номера образцов песка и названия, которые мы  им придумали.  

№ образца	Название образца	Место взятия образца
1	«Чебаклы -1»	У соленого озера Чебаклы Чистоозерный район
2	«Чебаклы – 2»	В пяти километрах за озером Чебаклы Чистоозерный район
3	«Яркуль»	В близи озера Чаны Купинский район
4	«Чаны»	У озера Чаны Купинский район
5	«Яр Черемушки»	Чистоозерный район
6	«Шлюзы»	Советский район Новосибирск
7	«Татарск»	Татарский район (на границе с Омской областью)
8	«Бердск»	Бердск, у Обского водохранилища
9	«Боровое»	Ордынский район

Приложение 3.  Места взятия образцов песка.

           

              Рис 1  .  Взятие образца №2 «Чебаклы» (расположено в пяти километрах за озером)

 

 

   Рис 2 .   Взятие образца №1  у озера «Чебаклы»

    

     Рис 3.    Яркуль, Чаны.                                                   

       Рис 4 .      Боровое,  Ордынский район, НСО

         Рис 5 . Мелкие озера  а) Купинский район             б) Чистоозерный район.

       Рис 6.  Бердск.

  Приложение 4.  Изучение состава песка различных образцов, таблица 1.

 

№	Фото образца	Вид фракции	Фото в микроскоп           (×250)	Цвет частиц	Наличие минералов
1		очень мелкие фракции		цвет серый, черные частицы, желтые, прозрачные	кварц, полевые шпаты, окисные соединения железа
2		песок разнозернистый, средний размер		темно-коричневый желтые, коричневые, прозрачные	вулканическое стекло, соединения железа
3		песчинки окатанной формы,  гладкой поверхности		цвет желтый,  в основном прозрачные частицы	вулканическое стекло, кварц
4		песчинки окатанной формы,  гладкой поверхности		Черные, белые  желтые частицы	кальцит кварц ,  полевой шпат
5		разнозернистый  средней крупности		коричневый, много оранжевых частиц,  прозрачных	кварц, полевые шпаты, слюды, соединения железа
6		мелкозернистый		светлосерые песчинки, бирюзовые, желтые, красные	кварц, полевой шпат, окись железа, полевой шпат, окисные соединения железа
7		песок очень мелкий  пылеподобный		попадаются красные, белые песчинки	кварц кальцит
8		песчинки средней формы окатанные		больше серых, белых, прозрачных песчинок, желтые, оранжевые	полевой   шпат, кальцит, кварц, окись железа
9		средней крупности окатанная форма		красные, зеленые, белые, прозрачные белые песчинки	окись железа кальцит, слюды, углекислая известь

Приложение  5.  Таблица 1.  Состав и химические свойства образцов песка.

№ образца	Наличие в песке карбонатов	Кислотная обработка навесок с помощью лакмуса	Щелочная обработка навесок с помощью лакмуса	Содержание  соли в песке
1 «Чебаклы 1»	+	рН  8	+ фенолфталеин окрасил навеску в розовый цвет	+
2 «Чебаклы 2»	+	рН  5	_ желтый цвет	-
3   «Яркуль»	+	рН  7	+ фенолфталеин окрасил навеску   в розовый цвет	+
4     «Чаны»	+	рН 7	+ фенолфталеин окрасил навеску в розовый цвет	+
5 «Черемушки»	+	рН 6	+ фенолфталеин окрасил навеску       в розовый цвет	-
6   «Шлюзы»	-	рН 7	+ фенолфталеин окрасил навеску       в розовый цвет	-
7    «Татарск»	+	рН 6	+ фенолфталеин окрасил навеску       в розовый цвет	-
8    «Бердск»	-	рН 7	+ фенолфталеин окрасил навеску      в розовый цвет	-
9    «Боровое»	-	рН 7	+ фенолфталеин окрасил навеску      в розовый цвет	-

Приложение 6.   Таблица 1.  Физические свойства песка.

№ образца	Насыпная плотность образцов			Плотность песка ареометрическим методом	Водопоглащение песка           W= ( ( m₁ – m)/m )×100%
	масса m, г	объем V,см	плотность   ρ, г /см³	ρ   ,  кг/м³	масса сух образца     m, г.	масса влажн.       m₁ ,г	водопоглощение    W (%)
1	145	100	1,45	1020	70	85	17,65
2	150	100	1,50	1010	70	90	11,11
3	160	100	1,60	1020	70	90	11,11
4	160	100	1,60	1020	70	80	12,5
5	150	100	1,50	1020	70	80	12,5
6	150	100	1,50	1010	70	75	6,67
7	180	100	1,80	1010	70	95	26,31
8	140	100	1,40	1010	70	80	12,5
9	140	100	1,40	1010	70	80	12,5

Диаграмма 1

Диаграмма 2

     Диаграмма 3.   Ареометрическая плотность песка     р ( кг/м³)

Таблица  2.  Некоторые физические свойства песка.

№ образца	Электростатические свойства (отклонение стрелки,  в делениях)	Магнитические свойства (отклонение стрелки, в град)	Коэффициент трения    k = tg φ
			противолежащий катет     а ,  мм	прилежащий катет  в, мм	tg φ = а/в
1	3	0	22	28	0,79
2	3	4	25	29	0,86
3	3,5	0	23	28	0,82
4	2	0	20	28	0,71
5	1	3	21	28	0,75
6	1	4	20	28,5	0,70
7	1	0	23	27	0,85
8	2	3	18	27,5	0,65
9	2	5	21	27	0,77

Диаграмма  4

Диаграмма 5.

Диаграмма 6

Приложение  7.  Таблица 1.  Ударная вязкость образцов песка.

№ образца	диаметр шара мм	масса шара г	диаметр воронки мм	площадь мм²	коэффициент        г/мм²
1	30	110	37	855	0,13
2	30	110	46	1661	0,07
3	30	110	49	1885	0,058
4	30	110	49	1885	0,058
5	30	110	40	1256	0,088
6	30	110	41	1320	0,083
7	30	110	26	530	0,21
8	30	110	58	2640	0,041
9	30	110	58	2640	0,041

  Диаграмма 1.

  Таблица 2.  Коэффициент  теплопроводности  песка.

№	t₁°С темпер.пара	t₂°С темпер.воды	ℓ,м толщина слоя	Ѕ, м² площ.поверхн.	τ, с время	t₂ ′ °С нач.темп  воды	m, кг масса воды, калариметра		λ Дж/м с °С
1	96	36	0,02	0,005	600	22	0,1	0,112	0,82
2	96	38	0,02	0,005	600	22	0,1	0,112	0,97
3	96	37	0,02	0,005	600	22	0,1	0,112	0,89
4	96	37	0,02	0,005	600	22	0,1	0,112	0,89
5	96	39	0,02	0,005	600	24	0,1	0,112	0,87
6	96	37	0,02	0,005	600	24	0,1	0,112	0,77
7	96	36	0,02	0,005	600	20	0,1	0,112	0,93
8	96	35	0,02	0,005	600	20	0,1	0,112	0,86
9	96	35	0,02	0,005	600	20	0,1	0,112	0,86

Диаграмма 2.

Таблица 3.    Набухание песка.

	Набухание песка                         N= ( ( V₁ – V)/V )×100%                    N= ( ( h₁ – h)/h )×100%
№ образца	высота сухого образца h,  мм	высота влажного образца h₁ ,  мм	набухание N (%)
1	30	32	6,7
2	30	32	6,7
3	30	32	6,7
4	30	32	6,7
5	30	32	6,7
6	30	32	6,7
7	30	35	16,7
8	30	32	6,7
9	30	32	6,7

Площадь поверхности  12,56 см².

Приложение 8.     Таблица 1.   Электропроводность песка и навески.

№ образца	Показание миллиамперметра, мА	Показание вольтметра, В
1	2	4,8
2	1,2	4,8
3	1,4	4,2
4	1,4	4,8
5	0,8	4,9
6	0,4	4,3
7	0,2	4,8
8	0,6	5
9	0,6	5

Краткое описание документа:

Для использования песка в той или иной области необходимо знать не только состав, но и химические свойства песка. Химические свойства выражают способность и степень активности материала к химическому взаимодействию с реагентами внешней среды, способность сохранять состав и структуру материала в условиях окружающей среды. Большинство строительных материалов проявляют активность при взаимодействии с кислотами, щелочами.

В течение лета мы собирали образцы песка на территории Кулунды (пять районов на юго-западе Новосибирской области). Уже в полевых условиях мы пришли к выводу:все образцы отличаются по цвету, размерам и составам фракций.

Мы решили исследовать состав, химические и физические свойства образцов песка Кулунды и разработать область практического применения каждого образца.