Знания о минералах в процессе гуманитаризации обучения химии в основной школе

Гуманитаризация обучения химии представляет собой процесс и результат интеграции основного инвариантного содержания обучения химии и вариативного гуманитарного содержания. В процессе гуманитаризации химические объекты изучения химии приобретают особые ценностные смыслы в жизни человека, делая уроки химии содержательными, познавательными и интересными для школьников. В школьном курсе химии информация о минералах сводится к нахождению химического элемента или его соединений в природе, к их химическому составу, цвету, твердости, применению. В качестве вариативного гуманитарного содержания можно показать применение минералов в культуре и искусстве, красота которых привлекала внимание архитекторов, художников и писателей. Многие минералы использовались в качестве отделочного материала дворцовых интерьеров: это различные сорта мрамора, малахита, лазурита и яшмы. Порошки минералов использовались художниками в качестве неорганических пигментов красок [8]. Описания некоторых минералов встречается в произведениях литературы. Для наглядности учитель по возможности может использовать коллекцию минералов.

Минералами являются природные химические соединения, имеющие определённый химический состав и кристаллическую структуру. Слово минерал происходит от латинского слова «minera» — руда [7]. Нами использована коллекция минералов журнала «Минералы-сокровища земли» издательства Де Агостини. Кроме минералов в коллекции представлены горные породы: гранит, мезолит, тектит, пемза, септария, унакит, обсидиан и пегматит. Приведем перечень минералов коллекции, оформленный в виде таблицы 1.

Таблица 1

Название и химический состав минералов коллекции Де Агостини

В России интерес к использованию цветных камней в строительстве возник в 11-13 веках. Мастера владели техниками обработки мрамора, лабрадорита, шифера и известняка. Развитие камнерезного искусства началось в связи со строительством дворцов, поскольку в отделке интерьеров использовались различные минералы и драгоценные камни. По инициативе императора Петра I в 1725 году в Петергофе открылась первая в России гранильная фабрика, где изготавливались изделия из цветных камней и обучали мастеров камнерезному делу. В середине 18 века среди российской аристократии распространилось увлечение минералогией. Это увлечение затронуло и императрицу Екатерину II. В 1765 году по её указу на Урал отправилась экспедиция во главе с Я. И. Данненбергом, открывшая новые месторождения яшмы, агатов, сердоликов и других минералов[2].

Интерьеры Лионского зала, Агатовой и Янтарной комнат Екатерининского дворца в Царском Селе являются шедеврами камнерезного искусства[2, 4].

В отделке агатовых комнат архитектор Чарльз Камерон использовал цветную яшму различных сортов. Среди них особо выделялась красная яшма в сочетании с белым кварцем (уразовская), цвет которой напоминал сырое мясо, называемая «мясным агатом». Мастера-камнерезы перемешивали цветные камни и путали яшму с агатом. В связи с этими обстоятельствами название «Агатовые комнаты» со временем прижилось в отделке этих комнат.

Наряду с яшмой в отделке интерьеров Екатерининского дворца использовался лазурит — минерал синего цвета. Название этого камня «ляпис-лазурь» обозначает «лазурный камень». Лазурит использовался в отделке Лионского зала, созданного в 1781-1783 годах архитектором Чарльзом Камероном. При этом было израсходовано более 1500 кг камня. В 18 веке лучшим считался бадахшанский лазурит, привозимый из Афганистана. В 1851 году Г. М. Пермикин открыл прибайкальские месторождения лазурита, в том числе — Мало-Быстринское.

Измельченный в порошок лазурит является натуральным пигментом синего цвета, ультрамарин, называемый также «ляпис-лазурью». Ультрамарин применялся в эпоху Возрождения и ценился у художников дороже золота. Известно, что Дионисий покупал ультрамарин для фресок Ферапонтова монастыря по цене золота. Многие богатые заказчики сами заботились о том, чтобы у художника был ультрамарин. Так фламандский живописец Антонис ван Дейк получил ультрамарин в подарок от английского короля Карла I. В 1824 году Парижское общество поощрения национальной промышленности объявило конкурс с премией на 6000 франков за создание дешевого способа получения ультрамарина. Премию получил француз Жан Баптист Гимэ, синтезировавший в 1828 году искусственный ультрамарин и в 1830 построивший завод по его производству. Немецкий химик Христиан Готлиб Гмелин независимо от Гимэ разработал способ получения искусственного ультрамарина, а в 1878 краску выпускали 32 промышленных предприятия Германии.

Рассматривая примеры использования минералов в убранстве интерьеров Екатерининского дворца, нельзя не упомянуть и об известной в мире янтарной комнате, бесследно исчезнувший во время Второй мировой войны. Янтарная комната создана немецкими мастерами для прусского короля Фридриха I, затем подарена Петру I. Уже в античности Аристотель, Теофраст и Плиний Старший предполагали, что образование янтаря связано со смолой хвойных деревьев, а в XVIII веке Карлу Линнею и Михаилу Васильевичу Ломоносову удалось научно доказать это предположение. Русское название янтаря происходит от литовского слова «гинтарас», что означает «защита от болезней».

Насыщенные зеленые тона малахита всегда привлекали мастеров камнерезного искусства. Свое название малахит получил от греческого слова «мальва», обозначающего растение, цвет листьев которого напоминает цветовую гамму малахита[4]. В России малахит впервые был обнаружен в предгорьях Урала в 1637 году, но широкую известность и применение получил в XVIII-XIX веках. Искусство мастера состояло в создании художественного произведения с минимальной затратой камня. Для этого каменную или медную основу покрывали мастикой, состоящей из воска и канифоли, и на нее наклеивали малахитовые пластинки, поверхность которых подвергалась шлифовке и полировке. Так в Санкт-Петербурге были созданы Малахитовый зал в Эрмитаже, малахитовая колоннада и колонны главного иконостаса Исаакиевского собора. Интересно, что Малахитовый зал фигурирует в повести П. П. Бажова "Малахитовая шкатулка«[1]:

«...Приходит царица в палату малахитову. Все ей кланяются, а Танюшка стоит — не шевельнется.

Царица и кричит:

— Показывайте мне эту самовольницу — турчаниновску невесту!

Танюшка это услышала, вовсе брови свела, говорит барину:

— Это еще что придумал! Я велела мне царицу показать, а ты подстроил меня ей показывать. Опять обман! Видеть тебя больше не хочу! Получи свои камни!

С этим словом прислонилась к стенке малахитовой и растаяла...»

Малахит использовался и в живописи в качестве зеленого пигмента под названием «малахитовая зелень». Фламандские и немецкие живописцы и русские иконописцы изготавливали пигмент из тонко измельченного малахита.

Мраморный дворец является первым зданием в Петербурге, фасады которого облицованы естественным камнем. Для оформления фасадов дворца и его интерьеров, особенно Мраморного зала, Антонио Ринальди впервые в России использовал различные сорта мрамора и гранита, добывавшиеся в каменоломнях Карелии, Урала и Прибалтики. Серый цвет сердобольского гранита послужил хорошим фоном для розового мрамора пилястр и колонн второго и третьего этажей дворца. Поэтому издали стены воспринимаются как розовые, хотя доля мрамора уступает доле гранитов. Эту особенность комично описал Н.С. Лесков в рассказе "Сим воспрещается..."[6]:

«...Таким образом, обходя известный «мраморный дворец», он (англичанин) заметил, что в строении этого дворца гораздо более участвует гранит, чем мрамор. Это его смутило. Англичанин заподозрил, что в его гиде непременно опечатка, что дворец, вероятно, называется «гранитный», а не «мраморный». Он рассердился, переменил гид, но и в другом опять стоит дворец «мраморный». Турист окончательно впал в недоумение; он обращался и к книгам, и к людям за разъяснением затрудняющего его противоречия и нигде не находил этого разъяснения...Англичанин ушел и записал в своем гиде: «Мраморный дворец называется потому, что он из гранита...»

Название «гранат» объединяет группу минералов, сходных по типу химической формулы, форме кристаллов и различающихся по химическому составу. Их тёмно-красные кристаллы напоминают зёрна плода «финикийского яблока» — граната, откуда пошло название камня. Не случайно красоту этого камня описал А.И. Куприн в повести "Гранатовый браслет«[5]:

«...Он был золотой, низкопробный, очень толстый, но дутый и с наружной стороны весь сплошь покрытый небольшими старинными, плохо отшлифованными гранатами. Но зато посредине браслета возвышались, окружая какой-то странный маленький зеленый камешек, пять прекрасных гранатов-кабошонов, каждый величиной с горошину. Когда Вера случайным движением удачно повернула браслет перед огнем электрической лампочки, то в них, глубоко под их гладкой яйцевидной поверхностью, вдруг загорелись прелестные густо-красные живые огни».

Интересно, что А. Конан-Дойль рассказ «Голубой карбункул» посвятил гранату голубого цвета, который был искусственно выращен только в конце семидесятых годов ХХ века в Ереване. В рассказе речь идет о камне, который ошибочно считали алмазом. Слово «карбункул» в переводе с латинского означают «уголек», так как минерал по цвету напоминает раскаленный уголек, однако гранат не содержит в своем составе углерода[4]. Название «гранат» ввел алхимик Альбертус Магнус. Приведем отрывок из рассказа А. Конан-Дойля [3]:

«...В больших старых камнях каждая грань может рассказать о каком-нибудь кровавом злодеянии... Его нашли на берегу реки Амоу, в Южном Китае, и замечателен он тем, что имеет все свойства карбункула, кроме одного: он не рубиново-красный, а голубой... Из-за сорока граней кристаллического углерода многих ограбили, кого-то облили серной кислотой...».

К шедеврам камнерезного искусства можно отнести карту СССР «Индустрия социализма». Площадь карты составляет 22,5 м², масштаб 1:1500000, вес 3 тонны. В изготовлении карты использовались разнообразные минералы в огромных количествах. Зелеными яшмами выложены равнины, желто-коричневые яшмы изображают горные массивы, белый опал обозначает вечные снега, светло-зеленый камень — оазисы в пустынях, а из лазурита созданы моря и океаны. Из орлеца выложена лента государственной границы. Каждая столица союзной республики отмечена большой рубиновой звездой, а их названия выложены изумрудами. Рубинами разной формы обозначены предприятия тяжелой промышленности. Черной яшмой отмечены полезные ископаемые — уголь, нефть, марганец, апатит. Необычная драгоценная карта была создана в конце 1930 г. гранильщиками, камнерезами и шлифовальщиками Свердловска[9].

Приведенную информацию интегративно-гуманитарного характера о минералах можно использовать в процессе обучения химии по темам «Соединения углерода», «Кремний и его соединения», «Соединения алюминия». Например, в составлении расчетно-вычислительных задач и познавательных заданий для 8 и 9 классов (примеры 1-7).

Пример 1. В Эрмитаже находится Большая Колыванская ваза, изготовленная на Урале. Масса вазы составляет 19 т. Известно, что яшма содержит около 95% оксида кремния. Вычислите массу оксида кремния в яшме колыванской вазы.

Пример 2. Рассчитайте массу 0,86 моль самого крупного рубина, найденного в Гренландии, который по составу представляет собой оксид алюминия.

Пример 3. Рассчитайте массу 6704 моль гигантского изумруда, обнаруженного шахтерами в Бразилии, если состав этого драгоценного камня выражен химической формулой Be₃Al₂Si₆O₁₈.

Пример 4. В Мексике находится необычная пещера в мире Пещера кристаллов. Эта пещера уникальна наличием гигантских кристаллов селенита. Рассчитайте массу 312,5 моль самого большого из найденных кристаллов, если его состав выражен химической формулой CaSO₄·2H₂O.

Пример 5. Самой дорогой краской у художников являлся ультрамарин, добываемый из минерала лазурита. Дороговизна краски объясняется тем, что из мелко растертого камня удавалось получить всего 5% ультрамарина от исходной массы лазурита. Вычислите массу ультрамарина в куске лазурита 3 кг.

Пример 6.

В рассказе «Железковые покрышки» П.П. Бажов повествует о встрече Карла Фаберже с тагильскими мастерами малахитчиками:

«—... Крышкам от того изъяну не будет, зато в точности узнаем, какой это камень: природный али сделанный?

Живо опилили уголышки и давай пробовать на кислоту, на размол, по весу. На то вышло, что состав малахитовый, а полностью сходства нет».

Задание. Для проверки малахита на кислоту, использовали следующую химическую реакцию:

(CuOH)₂CO₃ + 2H₂SO₄ → 2CuSO₄ + CO₂ + 3H₂O

В приведенном уравнении реакции объясните, в чем причина изменения зеленого цвета малахита на голубой цвет после воздействия серной кислотой?

Пример 7.

Несмотря на красоту и привлекательность в архитектуре, мрамор разрушается вследствие длительного воздействия атмосферных осадков, резких изменений температурного режима и выветривания. Мрамор нестоек к действию кислот.

Задание. Напишите уравнение реакции взаимодействия серной кислоты и карбоната кальция (мрамора).

Литература

1. Бажов П. П. Малахитовая шкатулка / Бажов П. П. — М.: Худож. Лит., 1990. — 303 с. (Классики и современники/Советская лит.)
2. Воронов М.Г., Ходасевич Г.Д. Архитектурный ансамбль Камерона в Пушкине / М.Г. Воронов — Л.: Лениздат, 1990. — 107 с., ил.
3. Дойл А.К. Записки о Шерлоке Холмсе. Камень Мазарини / А.К. Дойл; пер. А. Поливанова. — М.: Директ-Медиа, 2011. — 140 с.
4. Куликов Б.Ф. Словарь камней-самоцветов / Куликов Б.Ф. — Л.: Недра, 1982. — 159 с., 1 л. ил.
5. Куприн А.И. Поединок. Гранатовый браслет. / А.И. Куприн. — М.: Рипол Классик, 2014. — 800 с.
6. Лесков Н. С. Сим воспрещается [Электронный ресурс]. — URL: http://ofap.ru/pisatel/1209/book/52922/leskov_nikolay_semenovich/sim_vospreschaetsya, свободный (дата обращения: 05.10.2017).
7. Суссик-Форнефельд К. драгоценные камни и минералы / К. Суссик-Форнефельд; пер. с нем. С. Френкель. — М.: ООО «Изд-во АСТ»: ООО «Изд-во Астрель», 2003. — 287 с.: ил.
8. Титова, И.М. Химия и искусство: учебное пособие для учащихся общеобразовательных учреждений / И.М. Титова. — М.: Вентана-Граф, 2007. — 368 с.
9. Драгоценная карта СССР «Индустрия социализма» [Электронный ресурс]. — URL: http://nnm.me/blogs/32819/dragocennaya-karta-sssr-industriya-socializma/, свободный (дата обращения: 05.09.2017).