Химические и физические свойства мела

Мел представляет собой осадочную породу белого цвета. Он нерастворим в воде, имеет органическое происхождение. Из статьи узнаем, где используется мел, физические и химические свойства этой породы.

Образование

90 млн лет назад в Северной Европе, в нижней области великого моря накапливался ил. На морском мусоре жили простейшие (фораминиферы). Их частицы включали в себя кальцит, извлеченный из воды. Меловая группа стратиграфического европейского подразделения появилась во время одноименного периода. Из нее образованы Белые скалы в графстве Кент и склоны в другой части пролива Дувра. Именно эти останки и стали основой мела. Однако преимущественно порода состоит из образований водорослей и мелкодисперсных соединений. Таким образом, исследователи делают вывод, что появление мела - заслуга растений.

Видео: Уроки химии. §9, 9 кл. Физические свойства металлов.

Структура породы

Останки моллюсков, скапливавшихся в донных отложениях, превратились в мел. В породе присутствуют:

1. Около 10% скелетных обломков. Среди них не только части простейших, но и многоклеточных животных.
2. Порядка 10% раковин фораминифер.
3. До 40% фрагментов известковых образований водорослей
4. До 50% кристаллического мелкодисперсного кальцита. Его размер настолько мал, что установить биологическую принадлежность элементов, его составляющих, практически невозможно.
5. До 3% нерастворимых минералов. В основном они представлены силикатами. Нерастворимые минералы - своего рода геологический мусор (обломки разных пород и песок), который занесен в отложения мела течениями и ветрами.

Раковины моллюсков, конкреции других минералов, скелеты кишечнополостных обнаруживаются в породе достаточно редко.

Описание физического свойства мела - прочности

Исследования вещества проводили многие ученые. В ходе инженерно-геологических мероприятий было выявлено, что оно является жесткой полускальной породой. Его прочность во многом определяется влажностью. В воздушно-сухом состоянии временное сопротивление при сжатии меняется от 1000 до 45 000 кН/м². Модуль упругости сухой породы - от 3 тыс. МПа (для рыхлого состояния) до 10 тыс. МПа (для плотного). Величина угла внутреннего трения - 24-30 градусов, при всестороннем сжатии сцепление достигает 700-800 кН/м².

Влажность

При воздействии воды физические свойства мела начинают изменяться. В частности снижается его прочность. Изменения происходят уже при 1-2% влажности. При 25-35% в 2-3 раза увеличивается прочность на сжатие. Вместе с этим проявляются другие физические свойства мела. Порода становится пластичной. Это проявление существенно осложняет процесс переработки вещества. В ходе этого мел начинает налипать на элементы машин (на ковш экскаватора, ленточный конвейер, питатель, кузов транспортного средства). Зачастую физические свойства мела (вязкость и пластичность) не позволяют осуществлять добычу с нижних горизонтов, хотя здесь он считается качественным.

Морозостойкость

После замораживания-размораживания мел распадается на частицы величиной 1-2 мм. В ряде случаев это полезное свойство породы. Например, при его использовании в качестве мелиоранта при раскислении почвы не обязательно измельчать вещество до 0,25 мм. В грунт можно внести дробленую породу до 10 мм. При замораживании-размораживании с перепахиванием почвы кусочки разрушаются сами. Таким образом, действие по нейтрализации сохраняется продолжительное время.

Свойства мела: химия

Порода преимущественно включает в себя карбонатную и некарбонатную части. Первая растворима в уксусной и соляной кислотах. В некарбонатной части присутствуют окислы металлов, кварцевый песок, мергели, глины и проч. Некоторые из них нерастворимы в указанных кислотах. В карбонатной части 98-99% карбоната кальция. Кристаллические частицы магнезиального кальцита, сидерита и доломита образованы карбонатами магния, которые в незначительном количестве включены в мел. Состав и свойства породы выступают в качестве критериев классификации.

Видео: ЭКСПЕРИМЕНТАТОРЫ. Опыты с мелом

Выявление качественных залежей

Изначально считалось, что механические и химические свойства мела одинаковы на всем месторождении. Однако на практике при продолжительной эксплуатации района, особенно после перехода добывающего и перерабатывающего предприятия на выпуск более качественной продукции, выявляются различия по этим характеристикам. Поэтому на некоторых месторождениях выполняется геолого-технологическое картирование. Исследователи, изучая химические свойства мела и его механические характеристики на разных участках залежи, обозначают районы скопления качественной породы.

Промышленное освоение

Большие залежи мела присутствуют в Белгородской и Воронежской областях. Менее качественное вещество присутствует в Знаменской, Заслоновской, Валуйской и других залежах. На этих месторождениях выявляются сравнительно низкие показатели СаСО₃ (не более 87%). Кроме этого, в породе присутствуют различные примеси. Поэтому на указанных месторождениях без глубокого обогащения нельзя получить качественную продукцию. Физические свойства мела на таких залежах позволяют использовать его при изготовлении извести, а также в мелиоративных мероприятиях для раскисления почв. Воронежские месторождения относят к турон-коньякскому возрасту. Здесь добывается более качественный мел. Свойства и применение породы, полученной на этих месторождениях, изучаются достаточно давно. Продукт, добытый в Воронежской обл., отличается высоким содержанием СаСО₃ (до 98,5%). При этом доля некарбонатных примесей меньше 2%. Добычу на месторождениях, однако, затрудняют физические свойства мела. В частности его высокая водонасыщенность. Доля влаги в породе - около 32%.

Перспективные залежи

Среди крупных месторождений стоит отметить Россошанское, Крупненниковское, Бутурлинское и Копанищенское. Меловая толща последнего составляет 16,5-85 м. Вскрышу составляет почвенно-растительный слой. Его толщина около 1,8-2 м. По вертикальной линии меловой слой разделен на две пачки. В нижней присутствует до 98% карбоната кальция, в верхней несколько меньше - до 96-97,5%.

В Бутурлинском месторождении обнаружен предельно однородный белый мел турунского яруса. Мощность слоя - 19,5-41 м. Толщина вскрыши достигает 9,5 м. Она представлена маргелями, растительным слоем, песчано-глинистыми образованиями и песчаниками. Доля магния и карбонатов кальция достигает 99,3%. При этом некарбонатные составляющие присутствуют в относительно небольшом количестве.

Большой интерес для промышленности представляют Стойленское и Лебединское месторождения. В этих районах мел добывают как вскрышную породу и вывозят в отвалы. Попутная ежегодная выработка составляет больше 15 млн т. Порядка пяти из них используется в народнохозяйственных отраслях. В частности мел поступает на Старооскольский завод по изготовлению цемента и на некоторые другие небольшие предприятия. Больший объем добытой породы теряется в отвалах.

Мел, который находится в районах железорудных месторождений, по содержанию кремнезема и карбонатной части относится к категории высококачественных. Его можно использовать в промышленных целях, не подвергая глубокому обогащению. Необходимо сказать, что в процессе проектирования добывающих и перерабатывающих предприятий, специализирующихся на железных рудах, необходимо предусматривать технологические линии для попутно извлекаемого мела либо места для его отдельного складирования.

Производство и потребление

Полезные свойства мела известны достаточно давно. Изначально породу использовали в строительстве. Из нее производили известь. Меловой порошок выступал в качестве основы для замазки, шпатлевок, красок и так далее. В конце 19-го столетия на месторождении "Белая гора" стали организовывать частные заводы. В шахтных печах из кусковой породы выпускали известь и порошок. В 1935 году появился Шебекинский комбинат, занимавшийся выпуском продукции для промышленных нужд. Полезные свойства мела были востребованы в электротехнической, лакокрасочной, полимерной, резинотехнической и других отраслях.

Вместе с увеличением потребности в продукции повышались требования к ее качеству. Существовавшие к 1990 году предприятия не могли обеспечить промышленность необходимым сырьем. В Белгородской области стали возникать частные предприятия. Большое их количество было обусловлено огромными объемами залежей породы и видимой простотой технологий по переработке. Однако примитивные методы добычи и последующей обработки, использовавшиеся на частных предприятиях, не могли обеспечить необходимого количества качественной продукции. Соответственно, многие такие заводы закрылись. Вместе с этим крупные предприятия провели модернизацию и реконструкцию своего оборудования. Выпуск качественной продукции обеспечивался в 90-е годы Белгородским, Петропавловским, Шебекинским заводами.

Производство качественных марок

К ключевым требованиям, предъявляемым к продукции из мела, помимо доли карбонатов, относится крупность - тонина помола. Она выражается в остатке на ситах определенного размера или в процентном содержании частиц заданной величины (к примеру, 90% частиц размером 2 мкр).

Появление новых производственных линий по изготовлению лакокрасочной, резинотехнической, полимерной и прочей продукции, для которой в качестве сырья используется мел, спровоцировало резкий дисбаланс между его выпуском и потреблением. Это особенно отчетливо проявилось в бумажной промышленности. Предприятия этой отрасли предъявляют особые требования к меловому порошку, который заменил каолин в производстве.

Выпуск качественных марок сосредоточен на заводах в Белгородской обл. Кроме Шебекинского предприятия, выпускающего сепарированный мел, были созданы новые комбинаты. Так, в 1995 году на Лебединском ГОКе появился завод по переработке - ЗАО "Руслайм". Он был сооружен по испанскому проекту компании "Реверте" с предполагаемой производительностью 120 тыс. тонн/год. Завод производит до 10 разных марок мела. По своему качеству они нисколько не уступают зарубежным аналогам и соответствуют международным стандартам. Предприятие оснащено самым современным технологическим оборудованием, операции на линиях механизированы и автоматизированы.

По проекту компании "Мабетекс" на Стойленском ГОКе был построен завод с производительностью меловой продукции высокого качества 300 тысяч тонн. При этом планы предприятия предусматривают последующее увеличение мощности.

Распускаемость породы

Одним из ключевых критериев в процессе анализа физических свойств породы на новом месторождении либо участке, вовлеченном в действующую технологическую линию переработки, является поведение мела при измельчении. Как выше было сказано, на разных пластах залежи вещество имеет разные механические характеристики. Визуально выявить эти отличия не представляется возможным в большинстве случаев. Определение поведения мела в процессе его сухого измельчения в технологическом процессе осуществляется посредством установления показателя его распускаемости во влажной среде при механическом воздействии. Для этого используется специальное оборудование.

Гидрокарбонат натрия

Для его производства используются разные материалы, в том числе известняк или мел. Полезные свойства для организма, которыми обладает гидрокарбонат натрия, известны многим. Часто его используют при заболеваниях десен и горла, изжоге, для разжижения мокроты при кашле. В промышленности физические свойства соды и мела очень востребованы. Оба этих вещества используются в строительстве, отделке, изготовлении материалов, лакокрасочной и другой продукции. Что касается производства гидрокарбоната кальция, то применение одного только мела считается неэкономичным вариантом. Как выше было сказано, эта порода очень хорошо впитывает влагу, вследствие чего изменяются ее механические характеристики. Это, в свою очередь, негативно сказывается на ходе технологического процесса.

Можно ли есть СаСО₃?

Достаточно распространено мнение о том, что врачи рекомендуют использовать мел медицинский. Свойства этого вещества, как считается, способствуют восполнению дефицита кальция. В первую очередь следует сказать, что врачи неоднозначно высказываются по этому поводу. Нередко к специалистам обращаются пациенты, которым нравится есть мел (пищевой). Полезные свойства вещества, однако, весьма сомнительны. Тяга к его поеданию может возникнуть вследствие недостатка кальция. Однако следует знать, что характеристики вещества подвергаются существенным изменениям при попадании в желудок. Проходя через несколько окислительных процессов, оно теряет изначальную нейтральность и превращается в реагент. По своему действию вещество аналогично гашеной извести. В результате на слизистую желудка начинает влиять окисленный мел. Лечебные свойства при этом никакие не проявляются. Скорее, наоборот. Стоит помнить еще о том, что концентрация кальция в веществе очень велика. В результате чрезмерное употребление мела может спровоцировать известкование сосудов. В связи с этим врачи рекомендуют заменить его глюконатом кальция или аналогичными препаратами. Что касается избавления от изжоги, то, по словам многих людей, попробовавших ее устранить с помощью мела, он не помогает в этом.

Промышленное и бытовое использование

Мел выступает в качестве необходимого компонента бумаги, которую применяют в полиграфии. Высокая дисперсность карбоната кальция в измельченном виде влияет на оптические и печатные характеристики, пористость, гладкость продукции. За счет присутствия мела понижается абразивность изделий. Порода в молотом виде широко используется для побелки стен, бордюров, защиты деревьев. Мел применяется при очистке свекловичного сока, который, в свою очередь, используется в спичечной промышленности. Для этих целей, как правило, подходит так называемая осажденная порода. Такой мел получают химическим способом из кальцийсодержащих минералов. Наряду с прочими карбонатными породами вещество используется при варке стекла как один из компонентов шихты. За счет мела повышается термическая стойкость продукции, ее механическая прочность и устойчивость при воздействии выветривания и реагентов. Широко применяется порода в изготовлении удобрений. Также мел добавляется в комбикорма сельскохозяйственным животным.

Резинотехническая отрасль

Мел находится на первом месте среди всех наполнителей, применяемых в промышленности. Это связано в первую очередь с тем, что использование этого сырья экономически выгодно. Мел имеет сравнительно небольшую стоимость. При этом введение его в резинотехническую продукцию не наносит вреда. Второй причиной популярности сырья в отрасли выступает технологическая целесообразность. Мел существенно упрощает процесс по изготовлению резинотехнической продукции. В частности, за счет него ускоряется вулканизация, поверхность изделий становится гладкой. Широко используется порода и при производстве губчатой и пористой резины, продукции из пластмассы, кожзаменителей и проч.