Светлана Чайка,
учащаяся МБУ ДО «Центр «Созвездие» Городского округа Шатура»
Д.И. Могилевцева,
к.г.-м.н., педагог допобразования МБУ ДО «Центр «Созвездие» Городского округа Шатура»
Я выросла в семье химиков, поэтому с самого детства интересуюсь не только химией, но и остальными естественными науками. В этом учебном году в школе начался курс химии, который я ждала с нетерпением. Также я стала посещать занятия в МБУ ДО «Центр Созвездие» в группе «Химия PRO», где руководителем оказалась Дарья Игоревна Могилевцева, геолог по образованию. Здесь я узнала, что неорганическая химия тесно связана с минералогией, и увлеклась изучением минералов и горных пород. Загадочным образом стало складываться для меня увлечение моим проектом. Дело в том, что незадолго до этого я с родителями посетила «Городецкое гульбище» в Подмосковье, где ученые-историки хотели воссоздать атмосферу жизни и быта XVIII века (фото 1).
Фото 1. «Городецкое гульбище» в Подмосковье, изготовление кирпича
Они сами строили дома, пекли хлеб, но больше всего мне запомнился один эксперимент. Археологи добывали глину и изготавливали из неё кирпичи. У них не получалось сделать качественный строительный материал по старым технологиям, почти все кирпичи трескались.
Через некоторое время я попала на занятие по гончарному делу к мастеру Екатерине Козловой, где опять же магическим образом встретилась с глиной. Когда мозаика событий сложилась в единую картину, я решила заняться изучением физических и химических свойств глины и как ее состав влияет на качество изготавливаемых изделий. Дарья Игоревна мне подсказала, какие свойства можно изучить и какие эксперименты провести, а Екатерина Козлова предоставила некоторые образцы глины, и в ее мастерской был произведен обжиг изделий (фото 2).
Фото 2. Работа в гончарной мастерской с разными видами глины
Глина известна человеку с древнейших времен. Она появилась на земле много тысяч лет назад. Ее «родителями» считаются горные породы – граниты, габбро, вулканические туфы и т. д. Все породы, подвержены влиянию стихий. Перепады температур днем и ночью, нагревание породы солнечными лучами способствуют появлению микротрещин. В образовавшиеся трещинки попадает вода и, замерзая, разрывает поверхность, образуя на ней большое количество мельчайших частиц. Со временем появляются огромные скопления выветрелой измельченной породы. Глина – это мелкозернистая осадочная горная порода, пылевидная в сухом состоянии, пластичная при увлажнении. Глина широко распространена в природе, залегает на небольшой глубине. Добывать такое сырьё очень дёшево. Глина является отличным строительным материалом, например, саманный кирпич. Город Вавилон был почти полностью построен из глины. Изобретенный китайцами фарфор содержит в своем составе глину.
Пять тысяч лет тому назад, когда была изобретена письменность, первая бумага представляла собой тонкие глиняные пластины, на которых писали заостренными палочками. Затем таблички сушили на солнце и хранили. Получалась книга, которую можно нечаянно разбить. В Древней Руси гончары лепили из глины чаши, кувшины, печные горшки и все это расписывали тоже глиной, но уже цветной – ангобом. Но изобретена была глиняная краска намного раньше, еще первобытными племенами, которые расписывали свои тела цветной глиной для совершения ритуалов.
В мастерской я узнала, что тульская глина бывает разных видов: серая, белая, желтая, красная. На наглядном примере я увидела и поняла, что, в зависимости от свойств глин, материал ведет себя по-разному при обжиге. Например, серая дивеевская глина обладает эластичными качествами и хорошо себя ведет при запекании. А красная дивеевская глина имеет свойство искажать край изделия при выпекании, он становится неровный. Но для того чтобы удешевить производство и при этом не ухудшить качество продукта, их стали смешивать в различных пропорциях (фото 3).
Фото 3. Изготовленные сосудов из разной глины
Глины делятся на материковую и морскую. На нашей планете существует огромное множество глин. Все они отличаются своим составом, свойствами и, соответственно, цветом. Цвет глины обычно определяется ее химическим составом, зависит от входящих в ее состав минералов и примесей. Различают глины белые, голубые, зеленые, желтые, красные, серые, коричневые и черные.
Наибольшее распространение имеют глины, в составе которых присутствуют такие минералы, как гидрослюда, монтмориллонит, каолинит и хлорит.
Каолинитовые глины преимущественно белого цвета, это наиболее ценные с промышленной точки зрения породы. Химический состав каолина Al2O3*2SiO2*2H2O. Красные глины в своём составе кроме глинистых минералов имеют гидроксиды железа и марганца, что обуславливает их цвет.
Определение физико-химических свойств глины
Мной были отобраны 6 видов глин. Образец № 1 – дивеевская серая глина, образец № 2 – дивеевская желтая глина, образец № 3 – гжельская красная глина, образец № 4 – серая глина, образец № 5 – красная глина, образец № 6 – белая глина (фото 4).
Фото 4. Образцы разных глин
Я приготовила глиняное тесто из имеющихся шести образцов глины и слепила из него разные фигурки (колечки). Глина послушно принимала любые формы. Полученные изделия оставила при комнатной температуре до полного высыхания. На следующий день колечки высохли, стали светлее и немного уменьшились в размере. Но при этом сохранили свою форму. Все образцы ведут себя одинаково. Метод раскатки подтверждает высокую пластичность глин.
Вывод: в сыром виде глина очень пластична и сохраняет заданную форму после высыхания.
Высохшие изделия из глины (колечки) я поместила в муфельную печь и подвергла обжигу при температуре 1200°С, условия для всех образцов были одинаковые. После обжига глина стала очень твёрдой, прочной, и поменяла свой цвет. Высокие температуры глине только на пользу.
При запекании глина становится светлее и тверже из-за того, что из нее почти полностью испаряется вода. Если глина содержит небольшое количество примесей, то полученное изделие будет более высокого качества. Для обжига глины необходима высокая температура – около 1000°С. Выпекать посуду и игрушки люди начали с XVIII века. Они рыли широкую и глубокую яму, обкладывали ее стенки кирпичами для сохранения тепла, а на дне ямы разводили костер. В яму опускались глиняные изделия для запекания. А так как при обжиге появляются поры на поверхности, их необходимо закрывать. Иначе в порах будут скапливаться остатки еды, пыль, мусор. Сначала для закупорки использовали молоко, в него окунали запеченное изделие и запекали повторно. Чем больше процент жира в молоке, тем темнее становился цвет изделия.
Затем для закрытия пор люди стали применять глазурь. Это тонкий слой стекловидного покрытия.
Вывод: глина выдерживает очень высокие температуры и при этом приобретает новые положительные свойства – отсутствие гигроскопичности, повышенная прочность. Из трёх образцов глины, дивеевской серой, гжельской красной и белой, взяли одинаковые навески массой по 150 г. На гончарном круге из этой глины я изготовила горшочки. Получилось 9 предметов. После высыхания масса горшочков уменьшается в среднем на 5%. После обжига – на 10%, при этом повышается прочность и качество полученных изделий, закупориваются поры материала, изделие приобретает новые свойства.
Вывод: при сушке и обжиге теряется влага и, соответственно, уменьшается масса изделий, во всех образцах примерно одинаково.
Были получены шесть отфильтрованных растворов, в каждый добавлялся гексацианоферрат калия чтобы узнать, содержится ли в глине железо в растворимой форме. Предварительно все образцы были обработаны серной кислотой. Если железо присутствует в исходном образце в растворимой форме, то раствор приобретет характерное синее окрашивание (берлинская лазурь). Все 6 растворов не окрасились в синий цвет (фото 5).
Фото 5. Проба на ионы железа в водной вытяжке
В каждый из этих 6 растворов, полученных в предыдущем опыте, я поместила индикаторную бумагу для определения рН. Во всех образцах значение рН нейтральное – 6,0-6,5 (фото 6).
Фото 6. Определение pH водной вытяжки
В качественной глине содержание кварца (песка) составляет не более 50%. При высоком содержании посторонних примесей глину нельзя использовать в некоторых работах (например, для производства керамики).
Из каждого образца глины №№ 1-6 я сделала навеску массой 25 г, поместила в стакан объемом 500 мл. Добавила 200 мл воды, размешала и дала отстояться. Время экспозиции – 5 минут. Слила мутную жидкость. Действия повторяла до тех пор, пока жидкость не станет почти прозрачной. Всего понадобилось 2-3 процедуры. Отфильтровала оставшийся осевший песок и высушила его в выпаривательной чашке на горелке. Рассчитала содержание песчанистых примесей в образцах глины. Результаты приведены в таблице 1. При изготовлении глиняных колечек ощущалось, что дивеевская серая и белая глины имеют тенденцию к разрушению кольца в наиболее тонких местах – это последствия более высокого содержания песчаных частиц в составе.
Наличие карбонатов в глинах неоднозначно сказываются на процессе спекания, гончары не особо обращают внимание на факт наличия карбонатов. В некоторых источниках указано, что карбонаты понижают температуру плавления глины и ее способность к спеканию, что определяет ее назначение для дальнейшего использования (производство керамики, кирпича и т. п.).
Взяли небольшие кусочки глины (образцы 1-6), поместили их в прочную термоустойчивую посуду. На каждый образец капнули небольшое количество разбавленной соляной кислоты (HCl). Выделение СО2 свидетельствовало о наличии карбонатов.
Я изучила минеральный состав и доказала, что на качество получаемых изделий и развития промысла влияет состав сырья. Опытным путём установила, что глина имеет сложный химический состав, цвет глины обусловлен наличием гидроксидов железа и марганца, могут присутствовать карбонаты, а ремесленное качество зависит от минерального состава. В Восточном Подмосковье развитие гончарного промысла развернулось на полную мощность в Гжели, где добывается глина разного качества, она подходит для изготовления керамики, кирпича и т. п. В Шатурском краеведческом музее я внимательно изучила осколки древней керамики волосовской культуры, выяснила, что в период палеолита изделия были грубоваты, так как в них присутствует большое количество песка. Все больше и больше я углублялась в изучение физико-химических свойств этого пластичного материала, именно это послужило началом создания моей научно-исследовательской работы. Большинство глин имеют каменноугольный, юрский или четвертичный возраст, отложения именно этих пород обусловили использование их в гончарных целях, а, следовательно, и развитие ремесла на данных территориях, но из-за недостаточного содержания каолина в этих глинах они годились только для гончарной керамики и кирпичей, но не для фарфора, что отразилось на самом ремесле.
Со своей научно-исследовательской работой я заняла 3 место в конкурсе исследовательских и творческих проектов «Богатство недр моей страны 2022» (фото 7).
Фото 7. Представление исследовательского проекта на итоговой выставке конкурса «Богатство недр моей страны 2022»
Участие в конкурсе позволило мне раскрыть свой талант, как в проектной, так и в познавательной деятельности. Я испытала незабываемые эмоции и узнала много полезного для себя. Очень понравилась организация мероприятия, для участников была проведена экскурсия по залам музея. Экскурсовод ответила на все интересующие ребят вопросы. Хочу выразить благодарность своему научному руководителю – Могилевцевой Дарье Игоревне, к.г-м.н, педагогу дополнительного образования МБУ ДО «Центр «Созвездие» Городского округа Шатура». Я планирую и дальше проводить исследования в этой области, потому что есть еще много невыясненных вопросов и большое поле для деятельности. Конечно, буду участвовать в новых конкурсах.
Список литературы
1. Питолина Т.П., Сучкова А.П. Первые шаги в геологию. М. : Ассоциация «Экост». – 2005. – 116 с.
2. Грунтоведение. Под ред. В.Т. Трофимова. Изд-во МГУ «Наука», 2005. – 1024 с.
3. Осипов В.И., Соколов В.Н. Глины и их свойства. Состав, строение и формирование свойств. – М. : ГЕОС. – 2013. – 576 с.
№ 2 (12) / 2023
