Artykuł

Metodyka i praktyka szkolna
Występowanie soli
w przyrodzie
Hanna ROKITA, Roksana MAĆKOWSKA, Krzysztof MALISZEWSKI
iewiele osób zdaje sobie sprawę z faktu, że sole są ogromną grupą związków powszechnie występujących
w przyrodzie, a także bardzo często
znajdujących zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu i życiu codziennym. Pojęcie „sól” kojarzy się
przede wszystkim z solą kamienną,
stosowaną najczęściej w gospodarstwie domowym. Konieczne wydaje się więc uświadomienie młodym
ludziom znaczenia tych związków
i szersze ich omówienie.
Poniżej zostały przedstawione
zagadnienia związane z występowaniem soli w przyrodzie, a także
ich zastosowaniem. Warto nadmienić, że miejscem, które pozwala
przygotować i przeprowadzić niekonwencjonalną lekcję o występowaniu soli jest Muzeum Ziemi Polskiej Akademii Nauk w Warszawie,
organizujące zajęcia prowadzone
m.in. przez doradcę metodycznego
m. st. Warszawy w zakresie chemii,
mgr inż. Hannę Rokitę, współautorkę poniższej publikacji.
N
Sole jako składniki skał
Sole występują w wielu środowiskach. W formie rozpuszczonej
(zdysocjowanej) są obecne we
wszystkich rodzajach wód, natomiast w postaci trudno rozpuszczalnego osadu tworzą minerały,
które wchodzą w skład skał. Sole
często tworzą ważne gospodarczo
kopaliny (sól kamienna, gips, rudy
cennych metali). Niektóre minerały mogą się tworzyć w organizmie
człowieka powodując złogi (np.
kamienie nerkowe).
Skały dzielą się na trzy główne
grupy: magmowe, osadowe i metamorficzne.
Skały magmowe
Skały magmowe powstają
w wyniku zastygnięcia i krystalizacji magmy, czyli gorącej oraz ruchliwej, stopionej materii głębszych warstw skorupy ziemskiej.
Zbudowane są głównie z krzemianów i glinokrzemianów. Zdarzają
się także magmy węglanowe, tzw.
karbonatyty.
Ważnymi procesami prowadzącymi do powstania soli są procesy
pomagmowe, znajdujące się na pograniczu procesów magmowych,
metamorficznych i diagenetycznych (cementacji osadu). Związane są z ostatnim stadium krystalizacji magmy i polegają one na
Chemia w Szkole | 4/2012
migracji w skałach wysokozmineralizowanych roztworów wodnych, powstałych w wyniku dyferencjacji magmy oraz krystalizacji
jej głównych składników. Procesy
te dzielą się na trzy etapy:
l hydrotermalny (temperatura
< 360°C),
l pneumatolityczny (temperatura
350–700°C),
l pegmatytowy
(temperatura
> 700°C).
Procesy pomagmowe przyczyniają się do powstawania wielu minerałów i ich formacji złożowych.
W pegmatytach występują przede
wszystkim krzemiany i glinokrzemiany (skalenie potasowo-sodowe, kwarc, monacyt oraz beryl).
Natomiast związkami charakterystycznymi dla pneumatolitów
i utworów hydrotermalnych są
krzemiany, glinokrzemiany, węglany, siarczany oraz siarczki (w tym
rudy cennych metali) oraz niewielkie ilości halogenków (np. fluoryt).
Skały osadowe
(pochodzenia chemicznego)
Pierwszym etapem powstawania skał osadowych są procesy
wietrzenia, do których należą: rozpuszczanie, hydratacja, hydroliza,
| 19
Metodyka i praktyka szkolna
karbonatyzacja i utlenianie (oksydacja).
Przykładem hydratacji jest przejście anhydrytu (CaSO4) w gips:
CaSO4 + 2H2O
Tabela 1
Zestawienie najważniejszych minerałów, podzielonych ze względu na skład
chemiczny
Grupa
chemiczna
CaSO4·2H2O
Siarczki
bornit (Cu5FeS4), argentyt (Ag2S), sfaleryt (ZnS), chalkopiryt
(CuFeS2), greenockit (CdS), milleryt (NiS), galena (PbS),
cynober (HgS), kowelin (CuS), antymonit (Sb2S3), piryt (FeS2),
markasyt (FeS2), arsenopiryt (FeAsS), molibdenit (MoS),
realgar (AsS), aurypigment (As2S3)
Halogenki
halit (NaCl), sylwin (KCl), chlorargyryt (AgCl), fluoryt (CaF2),
karnalit (KMgCl3·6H2O)
Węglany
magnezyt (MgCO3), smithsonit (ZnCO3), syderyt (FeCO3),
rodochrozyt (MnCO3), kalcyt (CaCO3), aragonit (CaCO3),
wateryt (CaCO3), dolomit (CaMg[CO3]2), strontianit (SrCO3),
cerusyt (PbCO3), azuryt (Cu3[(CO3)2(OH)2]), malachit
(Cu2[(CO3)(OH)2])
Siarczany
glauberyt (Na2Ca[SO4]2), anhydryt (CaSO4), gips
(CaSO4·2H2O), celestyn (SrSO4), baryt (BaSO4), anglezyt
(PbSO4), chalkantyt (CuSO4·5H2O), epsomit (MgSO4·7H2O)
Fosforany
monacyt ([Ce, La, Nd, Th]PO4), apatyt (Ca5[(PO4)4(F,Cl,OH)]),
waryscyt (AlPO4·2H2O)
Arseniany
konichalcyt (CaCu[AsO4OH]), erytryn (Co3[AsO4]2·8H2O)
Inne
krokoit (PbCrO4), scheelit (CaWO4), wulfenit (PbMoO4),
wanadynit (Pb5[(VO4)3Cl])
gips
Najlepszy przykład karbonatyzacji i hydrolizy stanowi tzw. dolomityzacja minerałów krzemianowych, zobrazowana równaniem:
CaMg[Si2O6] + 2H2O + 2CO2
(diopsyd)
CaMg(CO3)2 + 2H2SiO3
(dolomit)
Poszczególne reakcje chemiczne
mogą powodować przejście soli
trudno rozpuszczalnej w wodzie
w sól łatwo rozpuszczalną, w wyniku czego poszczególne jony
przedostają się do wód powierzchniowych i podziemnych. Z kolei
podczas parowania wody może
nastąpić przekroczenie iloczynu
Nazwa minerału (wzór chemiczny)
powoduje zmiany struktury i tekstury skał oraz ich składu mineralnego (przejście jednego minerału
w drugi), np.:
l przejście kalcytu (CaCO3) w wollastonit (CaSiO3):
Rys. 1. Kolejność wytrącania soli podczas zaniku zbiorników morskich
CaCO3 + SiO2
CaSiO3 + CO2↑
(kwarc)
rozpuszczalności soli, które prowadzi do precypitacji osadów.
W zbiorniku morskim osady wytrącają się zgodnie z iloczynami
rozpuszczalności (od najtrudniej
do najłatwiej rozpuszczalnego). Jako pierwsze powstają węglany
(kalcyt, aragonit), później siarczany(VI) (gips i anhydryt), a na samym końcu chlorki. Sekwencja
osadów w zbiorniku morskim
przedstawiona została na rys. 1.
Skały metamorficzne
Skały metamorficzne powstają
z różnych rodzajów skał na skutek
przeobrażenia pod wpływem działania wysokich temperatur, ciśnienia oraz związanych z nimi procesów chemicznych. Metamorfizm
20 |
l serpentynizacja
oliwinu
(Mg2SiO4) – przejście w serpentyn (Mg6Si4O10(OH)8) i magnezyt (MgCO3):
Fot. 1. Sfaleryt (K. Maliszewski)
4Mg2SiO4 + 4H2O + 2CO2
Mg6Si4O10(OH)8 + 2MgCO3
Najważniejsze sole występujące
w przyrodzie
Sole w przyrodzie występują
w postaci minerałów należących do
różnych grup chemicznych. Najważniejsze minerały, wraz z wzorami, zebrane zostały w tabeli 1.
Siarczki
Charakteryzują się dużą gęstością, kruchością oraz metalicznym
Chemia w Szkole | 4/2012
Fot. 2. Piryt (K. Maliszewski)
Metodyka i praktyka szkolna
Fot. 3. Halit (K. Maliszewski)
Fot. 4. Kalcyt (K. Maliszewski)
Fot. 5. Malachit (K. Maliszewski)
połyskiem. Stanowią cenne źródło takich metali jak: srebro (argentyt), miedź (chalkopiryt, chalko zyn, bor nit), ołów (ga le na),
cy na (stan nin), rtęć (cy no ber),
cynk (sfaleryt), antymon (antymonit), arsen (realgar, auripigment) czy molibden (molibdenit).
Przeważająca ilość siarczków występuje w złożach kruszcowych
po cho dze nia hy dro ter mal ne go.
Mogą się także tworzyć w skałach
osadowych.
prawie wyłącznie we współczesnych utworach obszarów pustynnych o klimacie gorącym. Najważniejsze znaczenie mają: azotan(V)
sodu – saletra chilijska i azotan(V)
potasu – saletra indyjska.
wód morskich i słonych jezior.
Siarczany wapnia (anhydryt, gips)
mogą tworzyć samodzielne złoża
lub towarzyszyć złożom soli kamiennej i soli potasowo-magnezowych. W tych ostatnich często
obecne są również siarczany magnezu (epsomit, kizeryt). Wiele
siarczanów jest produktami wietrzenia minerałów siarczkowych.
W strefach utleniania złóż kruszcowych spotyka się m.in. siarczany
żelaza (melanteryt, jarosyt), miedzi
(chalkantyt) czy ołowiu (anglezyt).
Największe znaczenie gospodarcze
mają gips, anhydryt i baryt.
Halogenki
W skład grupy wchodzą chlorki,
jodki, fluorki, bromki. Halogenki
(z wyjątkiem fluorków) są dobrze
rozpuszczalne w wodzie, dlatego
większość z nich przechodzi do roztworów i jest obecna głównie w wodach morskich. Najbardziej rozpowszechnionymi halogenkami są
fluorek wapnia (fluoryt) i chlorek
sodu (halit). Fluor, chlor, brom i jod
w procesach magmowych nie
gromadzą się w większych ilościach. Przeważająca część tych
pierwiastków przechodzi do roztworów hydrotermalnych.
Do znacznej koncentracji chlorków dochodzi podczas powstawania skał osadowych (halit, sylwin
i inne). Szczególnie duże znaczenie
gospodarcze ma fluoryt, halit (sól
kamienna) oraz tzw. sole gorzkie
(sylwin, karnalit).
Azotany
Azotany są związkami łatwo rozpuszczalnymi w wodzie. Występują
Węglany
Stanowią ważne składniki skał
osadowych i metamorficznych (kalcyt, dolomit, syderyt). Mogą powstawać w strefie hipergenicznej (wietrzeniowej). Mają także duże znaczenie jako rudy metali, np. żelaza
(syderyt), manganu (rodochrozyt),
cynku (smithsonit), miedzi (malachit i azuryt) lub jako surowce przemysłu chemicznego (magnezyt).
Przezroczyste kryształy kalcytu są
stosowane w optyce, natomiast azuryt, malachit i rodochrozyt znalazły
zastosowanie w jubilerstwie.
Siarczany
Największe koncentracje tworzą się w wyniku odparowania
Fosforany
Szerzej rozpowszechnione są
fosforany wapnia (apatyty) występujące w niewielkich ilościach
w skałach magmowych. Większość ważniejszych złóż fosforanów jest pochodzenia biochemiczno-osadowego (fosforyty, guano).
Wiele fosforanów to typowe mine-
Fot. 6. Rodochrozyt (K. Maliszewski)
Fot. 7. Baryt (K. Maliszewski)
Chemia w Szkole | 4/2012
| 21
Metodyka i praktyka szkolna
rały wtórne, tworzące się w strefie
utleniania, głównie pegmatytów
(np. turkus). Ważne z gospodarczego punktu widzenia są wtórne fosforany uranu (torbernit, autunit).
Minerały te gromadzą się zwłaszcza w osadach deltowych dużych
rzek. Duże znaczenie gospodarcze
również mają fosforany pierwiastków ziem rzadkich (monacyt, ksenotym), występujące zwykle
w znacznym rozproszeniu, głównie w skałach magmowych.
Arseniany, wanadany
Arseniany są typowymi minerałami wtórnymi, tworzącymi się
w strefach utleniania złóż kruszcowych. Tylko nieliczne z nich, np.
arsenian niklu (annabergit), czy
kobaltu (erytryn), mogą gromadzić
się w większych ilościach tworząc
ważne gospodarczo złoża tych metali. Pozostałe arseniany mają znaczenie kolekcjonerskie. Wanadany
występują głównie w środowiskach hydrotermalnych i magmowych. Gromadzą się w środowisku
o niskim potencjale redukcyjnym,
np. w osadach ilastych lub piaszczystych, zasobnych w minerały
ilaste.
Chromiany, molibdeniany,
wolframiany
Chromiany, dichromiany i molibdeniany są charakterystycznymi minerałami stref utleniania złóż
kruszców. Należą do rzadkości mineralogicznych i znalazły uznanie
wśród kolekcjonerów. Wolframiany spotykane są w pegmatytach
i utworach hydrotermalnych. Występują niekiedy w większych ilościach, tworząc ważne gospodarczo złoża rud wolframu.
Sole kwasów organicznych
Główne minerały to:
l Mellit – Al2[C12O12]·16H2O,
l Oksammit – (NH4)2[C2O4]·H2O),
l Whewellit – Ca[C2O4]·H2O.
Sole kwasów organicznych występują głównie w złożach węgli
brunatnych, kamiennych i guana,
22 |
ne. Występuje w mieszaninie
z innymi kryształami powstającymi w drogach moczowych.
l Apatyt – Ca5(PO4)3·(OH, F, Cl)
– jest bardzo częstym składnikiem kamieni moczowych. Występuje zarówno jako pojedynczy
składnik, jak i łącznie z innymi
kryształami. Tworzy się w moczu
o odczynie obojętnym.
Zastosowanie soli
a także w osadach morskich. Mogą
się tworzyć w organizmie człowieka. Whewellit jest jedynym minerałem organicznym znalezionym
w żyłach kruszcowych pochodzenia magmowego.
Sole w organizmie człowieka
Sole mogą krystalizować w organizmie człowieka, np. w postaci
kamieni nerkowych. Na podstawie
badań mineralogicznych można
dokładnie określić skład chemiczny kamieni, co jest pomocne
w opracowaniu metod leczenia kamicy. Kamienie nerkowe to głównie fosforany, szczawiany i moczany. Krystalizacja soli w układzie
moczowym jest wynikiem przekroczenia iloczynu rozpuszczalności w moczu.
l Whewellit – Ca(C2O4)·H2O
– jednowodny szczawian wapnia, jest najczęściej występującym kryształem w drogach
moczowych. Powstaje w moczu
o odczynie kwaśnym.
l Wedelit – Ca(C2O4)·2H2O –
dwuwodny szczawian wapnia,
jest rzadziej spotykany w kamieniach moczowych w porównaniu ze szczawianem jednowodnym i bardzo rzadko
tworzy kamienie monomineralChemia w Szkole | 4/2012
Sole stosowane są w różnych gałęziach przemysłu (metalurgicznym, chemicznym, mineralnym,
spożywczym,
elektromaszynowym) oraz w jubilerstwie, drogownictwie, rolnictwie i pirotechnice.
Wiele z nich ma zastosowanie
w medycynie, np. bromek sodu
i potasu to znane środki nasenne,
przeciwpadaczkowe oraz uspokajające, natomiast węglan litu to
najstarszy lek psychotropowy,
przepisywany przy depresjach
dwubiegunowych (cyklotemiach).
Z kolei sole magnezu stosowane są
przy problemach układu trawienia. Omawiane związki odgrywają
dużą rolę w przemyśle mineralnym. Podstawowymi solami stosowanymi w budownictwie są: węglan wapnia (kalcyt) i siarczan(VI)
wapnia (gips, anhydryt). Domieszka chlorku wapnia, dodana do zaprawy murarskiej, umożliwia wiązanie betonu przy ujemnych
temperaturach. Przemysł spożywczy nie mógłby funkcjonować bez
węglanu wapnia, azotanu(V) potasu, azotanu(V) sodu, chlorku amonu (salmiak) czy węglanu amonu.
Dla pirotechniki ważny jest azotan(V) potasu i dichromian(VI)
amonu. W fotografii stosuje się,
przede wszystkim w charakterze
składników wywoływaczy, bromek sodu, węglan sodu, azotan(V)
srebra i chlorek rtęci(II).
Istotne dla rolnictwa są sole zawierające azot i fosfor (azotan(V)
potasu, azotan(V) sodu, chlorek
amonu, ortofosforan(V) sodu), ponieważ są one używane do produk-
Metodyka i praktyka szkolna
cji nawozów sztucznych. Związki
takie jak siarczan(VI) miedzi(II),
siarczan(VI) magnezu i chlorek rtęci(II) stosowane są do wytwarzania
pestycydów.
l otrzymują sole w laboratorium
chemicznym.
Terminy
l Termin projektu: od …. do ….
l Terminy konsultacji:...
l Termin prezentacji: ….
Projekt edukacyjny
Temat: Sole w życiu człowieka
i środowisku
Harmonogram działań:
l Zapoznanie realizatorów z te-
matyką projektu;
Wprowadzenie – analiza wybranego tekstu literaturowego lub
materiału internetowego.
l Wybranie koordynatora projektu;
l Zaplanowanie sposobów i ter-
minu prezentacji;
l Utworzenie zespołów zadanio-
Cel ogólny projektu: uświadomienie znaczenia soli w życiu człowieka i dla środowiska.
wych, przydzielenie i omówienie tematów;
l Realizacja zadań projektowych;
l Prezentacja wyników;
l Ocena i ewaluacja projektu.
Cele szczegółowe:
l Inspirowanie do pozyskiwania
Treści do realizacji:
informacji na temat soli;
l Wzbogacenie wiedzy progra-
l Sole w przyrodzie.
l Sole w ogrodzie.
mowej i wykraczającej;
l Kształcenie umiejętności synte-
l Sole w żywności.
zy, analizy i wnioskowania;
l Kształtowanie umiejętności: korzystania z różnych źródeł wiedzy, selekcjonowania informacji
i prezentowania na forum.
l Sole w aptece.
l
l
l
l
ska, sól gorzka (angielska), sól kamienna, sól kuchenna, sól Mohra, sól z Rochelle (sól Seignette’a),
sól Schlippego, sól szczawikowa,
sól warzona, sól żółta.
2. Jak rozumiesz sformułowania?
– To jest sól ziemi.
– Słona cena.
– Chyba przesoliłeś.
– Jesteś mi solą w oku.
– Stoi jak słup soli.
– Zjesz beczkę soli, nim poznasz
kogoś do woli.
l Sole jako trucizny.
l Sole w budownictwie.
l Sole w laboratorium.
Zasoby: wiedza, zaangażowanie, środki na realizację zadań
Prezentacja projektu na forum
Podsumowanie i ocena
Przewidywane osiągnięcia.
Uczniowie:
opisują budowę i właściwości
soli;
omawiają występowanie, pozyskiwanie i zastosowanie soli;
charakteryzują sole w kontekście ich pozytywnego i toksycznego działania;
projektują sposoby i zapisują
równania reakcji otrzymywania
soli;
Ewaluacja: autorefleksja, informacje zwrotne ze strony odbiorców
Podsumowanie
Sole od wieków wykorzystywane są przez człowieka i są niezbędne do funkcjonowania wielu gałęzi przemysłu. Występują we
wszystkich rodzajach skał (magmowych, osadowych, metamorficznych), a także w wodach podziemnych i powierzchniowych.
Stanowią ważny składnik organizmów żywych i przyrody nieożywionej, a tym samym jedną z najważniejszych grup związków
omawianych na lekcjach chemii.
Zapewnienie jak najlepszych
efektów kształcenia obejmującego
tematykę soli warto oprzeć na aktywizowaniu uczniów poprzez stosowanie m.in. metod problemowych, projektów oraz wycieczek
edukacyjnych.
mgr inż. Hanna Rokita
doradca metodyczny m. st. Warszawy w zakresie chemii
Aktywizacja przez wzbudzenie
ciekawości.
1. Co to za sól?
sól Bertholeta, sól czerwona, sól
emska, sól Fischera, sól glauber-
dr Roksana Maćkowska
Muzeum Ziemi, Polska Akademia Nauk
mgr Krzysztof Maliszewski
Muzeum Ziemi, Polska Akademia Nauk
Realizatorzy projektu:
Lp.
Przedmiot
1
Chemia
2
Fizyka
3
Matematyka
4
Biologia
5
Geografia
6
Informatyka
Literatura
Imię i nazwisko nauczyciela
koordynator





Chemia w Szkole | 4/2012
Serkies, J., Mineralogia, Politech. Wrocł., Wrocław 1970
Różański W., Zapobieganie nawrotom kamicy wapniowej. Charakterystyka kamieni zawierających sole
wapnia. Część II. Przegląd Urologiczny 2009/10/6
(58), 2009
Mottana A., Crespi R., Liborio G., Minerały i skały.
Przewodnik do rozpoznawania, Oficyna Wydawnicza, Multico, Warszawa 1998
Manecki A., Muszyński M. [red.], Przewodnik
do petrografii, Uczelniane wydawnictwa Naukowo
– Dydaktyczne, Kraków 2008
Polański A., Geochemia i surowce mineralne, Wydawnictwa Geologiczne 1988
| 23