Известняк и мел. Карбонатное сырье

Внешне известь и мел очень похожи. Оба белые, оставляют след на темной поверхности, ими можно испачкать одежду и руки. На этом, пожалуй, их сходство и заканчивается. Дальше следуют различия, и прежде всего – в химическом составе данных материалов и в области их применения. Давайте рассмотрим подробнее, чем отличается известь от мела и что у них общего.

Из чего они состоят

Мел представляет собой осадочную породу и состоит преимущественно из остатков древних морских простейших, содержащих карбонат кальция. Миллионы лет части тел этих организмов накапливались в некоторых местах нашей планеты и в конце концов образовали богатые месторождения и даже целые скальные массивы. Хорошо известны меловые скалы побережья Северного и Балтийского морей, а также пролива Па-де-Кале в Северной Франции, Дании и Южной Англии. Интересно, что наиболее старое из известных названий Англии – Альбион – происходит от древнеиндоевропейского albho – белый. А основанием для такого наименования острова стали именно белые меловые скалы, находящиеся в самом узком месте, отделяющем Англию от материковой Европы.

Отличие извести от мела состоит в том, что под этим термином известна целая группа химических соединений и смесей, общим у которых является наличие в составе кальция. «Базовая» известь – оксид кальция (СаО), который получают путем обжига некоторых осадочных пород, в первую очередь мела и известняка (CaCO 3 , или карбоната кальция). Такая известь называется негашеной. Существует еще несколько разновидностей извести:

• гашеная (Ca(OH) 2), которую получают в результате взаимодействия негашеной извести с водой;
• хлорная (Ca(Cl)OCl) – в просторечии «хлорка», получаемая при химической реакции, в которой участвуют гашеная известь и хлор;
• натровая, представляющая собой смесь двух химических соединений – гидроксида натрия (NaOH) и гашеной извести.

Сравнение

Области применения мела и извести (правильнее будет сказать – известей, так как их несколько) различаются довольно сильно. Все мы знаем ученический мел, который широко используется в школе, но это только одна из его «специальностей». Кроме этого, он нашел применение при производстве высококачественной мелованной бумаги, а также при создании некоторых сортов резины и в пищевой промышленности. Часто мел играет роль наполнителя в различных составах – от лакокрасочной продукции до полимеров (полипропилена и полиэтилена). И, наконец, роднит его с гашеной известью то, что оба эти материала пригодны для побелки стволов деревьев, бордюров, заборов и так далее.

Разные виды извести отличаются довольно сильно, поэтому сферы их применения также отстоят друг от друга далеко. Негашеная известь используется в строительстве и для получения известей других видов. Гашеная известь, кроме побелки, нужна при производстве стройматериалов, известковых сельхозудобрений, дублении кожи. В стоматологии – для дезинфекции зубного канала, а в электротехнике – в качестве состава, позволяющего снизить (где это необходимо) сопротивление почвы при устройстве заземления. И, наконец, даже в пищевой промышленности гашеная известь известна как пищевая добавка Е 526.

Две основные «специальности» хлорной извести – дезинфекция и отбеливание тканей. Если с первой она справляется великолепно, то во втором случае надо быть осторожным и использовать только составы, изготовленные промышленным способом, так как при высокой концентрации состава он просто-напросто «проест» любую ткань. А главным «призванием» натровой извести является поглощение из воздуха углекислого газа. Это свойство незаменимо в противогазах и водолазном снаряжении. Она даже применялась для подобной цели в первых космических кораблях, но позже перешли к более эффективным составам.

Таблица

Теперь можно дать ясный ответ на вопрос, в чем разница между известью и мелом. В приведенной ниже таблице подытожено, что у этих материалов общего и чем они различаются.

Мел, мрамор и известняк с химической точки зрения одно и то же вещество — карбонат кальция, а точнее, одна из его кристаллических модификаций — кальцит.

Мел — это мягкая горная порода, ко-торую легко истереть в порошок. Мел используется в качестве белого пигмен-та в лакокрасочной и резиновой про-мышленности, в производстве порт-ландцемента, как пишущий материал.

Известняк обладает большей твёрдо-стью: издавна его использовали как материал для каменных сооружений. Большинство храмов великокняже-ской Москвы было построено из мячковского известняка, который добыва-ли у села Мячково на Москве-реке и на специальных судах доставляли к месту постройки. Недаром Москву в старину называли белокаменной. В настоящее время известняк служит ценным материалом при производст-ве цемента, в металлургии в качестве флюса (флюсом в металлургии называ-ют вещества, вводимые в шихту для связывания примесей, например Р 2 О 5 , SiO 2 , в легкоплавкие шлаки,) и в хими-ческой промышленности при произ-водстве соды, хлорной извести, карби-да кальция.

Мел и известняк — это осадочные горные породы, образовавшиеся из остатков панцирей живых организмов (в первую очередь древних простей-ших — радиолярий и фораминифер).

Успенский собор на Городке. Звенигород. Около 1399 г.

Белокаменная резьба Успенского собора на Городке.

Мрамор — метаморфическая горная порода, образующаяся при перекри-сталлизации под давлением осадочных карбонатных пород — главным образом известняков. Он также состоит из каль-цита (карбоната кальция), однако, в от-личие от мела и известняка, это круп-нокристаллический материал: на сколе

куска мрамора хорошо заметна его зернистая структура. По сравнению с мелом и известняком мрамор твёрд: не-даром древние строили из него храмы. Благодаря различным примесям мрамор часто бывает окрашен, мрамор некоторых месторождений имеет краси-вую структуру, в которой чередуются слои разной окраски. В древности осо-бенно ценились белоснежный каррар-ский мрамор, розовый паросский, жёл-тый сиенский. Главный храм афинского акрополя — знаменитый Парфенон по-строен из блоков пентелийского мрамо-ра, который добывали в местечке Пентеликон к северо-востоку от Афин. Пентелийский мрамор имеет едва за-метный золотистый оттенок, который усиливается, когда смотришь на Парфе-нон вечером, на закате солнца. В Ита-лии распространённым сортом мрамо-ра является чипполино — так называют белый мрамор с мелкими жёлтыми или зелёными прожилками. А вот знамени-тый красный веронский мрамор (rosso di Verona ) — на самом деле известняк коричнево-красного цвета, в котором часто встречаются окаменелости.

Вторым основным сырьевым материалом для производства соды служит известняк или мел. Более предпочтительным сырьем является известняк. Недостатком мела является его пористая порода, он легко впитывает влагу, нарушающая нормальный ход обжига его в известковых печах.

Обычно считается, что наилучшим сырьем является известняк с содержанием от 92% CaCO 3 , влаги от 1 до 5% и минимальным количеством силикатов, хотя возможны отступления от этих условий, в зависимости от характера производств. Работа на одном меле вызывает дополнительные расходы топлива или предварительно на сушку его, или в самой печи, а также разбавление печного газа (содержание CO 2). Работать на одном меле, благодаря его высокой влажности не экономично, и в связи с этим готовят для известковых печей смеси известняка и мела в пропорции примерно 1:1. Наличие такой пропорции приводит работу печи к нормальным условиям как в смысле расхода топлива, так и концентрации получаемого печного газа.. Основные требования, предъявляемые практикой в отношении размеров кусков мела или известняка, это - иметь материал в кусках величиной примерно около 60-150 мм. Процент CaCO 3 в меле не должен быть ниже 80, при чем на меле с низшим содержанием CaCO 3 работать уже не выгодно. Необходимо также иметь определенный и минимальный процент примесей, в особенности SiO 2 , благодаря которому в печах образуются легкоплавкие силикаты (печь «течет»), и который внизу печи застывает в большие куски - так называемый «козел». Процент влаги в меле должен быть не выше 5%, дабы не иметь разбавления печного газа, а также чтобы не тратить излишнего количества топлива для подсушки его.

Добыча известняка и мела ведется в карьерах методом открытых разработок. При тонком слое верхних порывающих пород шахтные разработки не применяют. Удаление верхних наносных слоев и непосредственную добычу известняка и мела производят при помощи экскаваторов.

Вдоль простирания пластов нарезают несколько уступов, в которых бурят небольшие цилиндрические отверстия - шпуры, куда закладывают взрывчатое вещество. Взорванную раздробленную породу грузят экскаваторами в вагонетки и отвозят на дробильно-сортировочную установку, находящуюся при карьерах. Куски размерами 40-120 мм отделяют и, в зависимости от расстояния от карьера до завода, транспортируют либо по канатной подвесной, либо по железной дороге. В первом случае вагонетки с карбонатным сырьем подают непосредственно на известковые печи, во втором случае известняк или мел поступает сначала на склад, откуда вагонетками подвесной дороги или элеватором его транспортируют на печи. Куски, имеющие размер меньше 40 мм, составляют отход, который может быть использован для других целей, например на строительных работах, в производстве цемента, в металлургической промышленности или же для получения извести в специально выделенных для обжига мелочи печах.

Камень, который представляет собой мягкую осадочную породу органического или органо-химического происхождения, состоящую в основном из карбоната кальция (кальцита). Часто в его состав входят примеси кварца, фосфата, кремния, глинистые и песчаные частицы, а также известковые остатки скелетов микроорганизмов. В данной статье мы подробно рассмотрим этот природный материал, его виды, свойства и сферу применения, а также узнаем, что представляет собой химическая формула известняка, и много другое.

Формирование известняка

Для начала давайте рассмотрим, каким образом образовались эти полезные ископаемые. Известняк в основном формируется в условиях морских мелководных бассейнов, хотя существует и пресноводный. Залегает он в виде отложений и пластов. Иногда осаждается, подобно гипсу и соли, из испаряющейся воды морских лагун и озер. Однако большая его часть отложилась именно в морях, которые не испытывали интенсивного высыхания. Формирование большинства начиналось с выделения живыми организмами из морской воды карбоната кальция для построения скелетов и раковин. Вот эти остатки умерших организмов в больших количествах накапливаются на морском дне. Наиболее ярким примером извлечения и накопления карбоната кальция являются коралловые рифы. Так, в некоторых случаях на изломе известняковой породы можно заметить отдельные раковины. Под влиянием морского течения и в результате воздействия волн и прибоев рифы разрушаются. И на к известняковым обломкам добавляется который осаждается из насыщенной им воды. Также в образовании молодых пород известняка участвует кальцит, который поступает из разрушенных древних пород.

Разновидности

Существует много видов известняков. Ракушечником принято называть скопление раковин и их обломков, сцементированных в ячеистую породу. В том случае, когда раковины имеют весьма малую величину, образуется мягкий, слабосвязанный, мажущий, тонко крошащийся известняк - мел. Оолитовая порода состоит их миниатюрных, размером с рыбью икринку, сцементированных шариков. Ядро каждого из них может быть представлено обломком раковины, песчинкой или любой другой частицей инородного материала. В том случае, когда шарики имеют более крупные размеры, например, с горошину, их принято называть пизолитами, а породу, соответственно, пизолитовым известняком. Следующей разновидностью является травертин - он образуется на поверхности при осаждении арагонита или кальцита из вод углекислых источников. Если такие отложения имеют сильнопористую основу (губчатую), ее называют туфом. Несцементированная смесь глины и карбоната кальция носить название мергель.

Кроме того, известняки могут отличаться и цветовой гаммой. Основной цвет - белый. Но он может быть и желтоватым, светло-бежевым, светло-серым, реже - слегка розоватым. Бело-розовая и бело-желтая порода считаются самыми ценными.

Формула известняка

Как уже говорилось раньше, этот природный материал состоит преимущественно из кальцита либо кальцитовых остатков скелетов и раковин, редко из арагонита. Значит, формула известняка будет иметь следующий вид: СаСО 3 . Однако чистая порода встречается крайне редко, в ряде случаев она включает в себя различные примеси кварца, глинистых минералов, доломитов, гипса, пирита и, конечно же, органических остатков. Так, доломитизированный известняк (формула этой породы включает в себя MgO) содержит от четырех до семнадцати процентов мергелистый - до 21 процента кислотных окислов (SiO 2 +R 2 О 3). В состав карбоната могут входить доломиты CaMg(CO 3) 2 , FeCO 3 и MnCO 3 , в незначительных количествах - оксиды, сульфиды и гидроксиды Fe, Са 3 (РО 4) 2 , CaSO 4 .

Известняк: свойства и применение

Физико-механические параметры этой породы чрезвычайно неоднородны, однако напрямую зависят от ее текстуры и структуры. Ученики средней школы рассматривают свойства известняка (4 класс) с позиции его внешних характеристик. Они изучают следующие параметры: цвет, плотность, прочность, состояние, растворимость. Мы пойдем немного дальше и рассмотрим более углубленно эти свойства полезного ископаемого. Известняк имеет плотность в пределах 2700-2900 кг/м 3 . Это колебание объясняется количеством содержащихся примесей кварца, доломита и других минералов. Объемная масса изменяется в гораздо больших пределах. Так, у травертинов и ракушечников она составляет всего 800 кг/м 3 , а у кристаллических пород достигает 2800 кг/м 3 . Рассматривая свойства известняка, следует учитывать, что прочность при сжатии породы напрямую зависит от его объемной массы. Так у ракушечников она составляет всего 0,4 МПа, а у афанитов приближается к 300 МПа. Приведенные выше характеристики породы определяют и применение этих материалов. Например, в строительстве более плотный известняк используется при кладке стен, а пористый хорош для облицовки и создания декоративных ансамблей.

Воздействие климатических условий

В зависимости от уровня влажности, свойства известняка могут изменяться. В первую очередь это сказывается на его прочности - она заметно снижается, если камень намочить. Кроме того, большинство месторождений характеризуется неоднородностью породы. На этот момент стоит обратить особое внимание, поскольку у неоднородного материала будет различаться плотность, что, в свою очередь, может привести к разрушению. Разбирая свойства известняка, не следует пренебрегать и таким параметром, как морозостойкость: это существенно влияет на прочность полезного ископаемого и длительность его использования. Так, у кристаллических известняков морозостойкость составляет 300-400 циклов. Однако этот показатель заметно сокращается при наличии трещин и пор в материале. Таким образом, все упомянутые свойства известняка обязательно нужно учитывать при использовании данного природного материала, дабы предотвратить его разрушение.

Известняк в строительстве

Строительная отрасль является главным потребителем рассматриваемого нами полезного ископаемого. Доломитизированный известняк используется для производства шпаклевочных и герметиков и прочего. Белый известняк в огромных количествах применяется в отделке и украшении строений. Ракушечник часто встречается в качестве строительных блоков и т. д. Мы не будем заострять внимание на этой отрасли, она и так широко известна всем. А посему идем далее.

Известняк в современном промышленном производстве

Оказывается, этот природный материал используется при производстве лакокрасочных материалов, резин и пластмасс. А очищенный от примесей, вредных для человеческого организма, применяется даже в пищевой промышленности. Изготовление стекла не представляется возможным без известняка, поскольку он выступает главным источником кальция. Эта порода стала незаменимым, а главное - доступным компонентом для производства бумаги. В повседневной жизни мы постоянно пользуемся такими изделиями, как трубы, линолеум, кафельная плитка, черепица и др., и не догадываемся, что во всех этих предметах также присутствует известняк. Даже пластиковое производство (ПП, ПВХ, кремплены, лавсаны и прочее) не обходится без этого сырья. В красках используют карбонат кальция в качестве красящего пигмента. Как видите, этот материал занимает ведущее место практически во всех отраслях производства.

Химическая промышленность

Даже такие вещи, как крем для обуви, зубная паста, чистящий порошок и проч., которыми мы пользуемся ежедневно, являются производными известняка. Это сырье используется и при изготовлении средств, применяемых для защиты окружающей среды от различного рода загрязнений. На основании всего вышеизложенного можно смело утверждать, что широко известный и доступный материал, которым является известняк, представляет собой важнейший элемент современной цивилизации.

Большой вклад в развитие резьбы по камню сделали народы Южной и Центральной Америки. Ольмеки, ацтеки, майя добились значительных успехов в умении изготавливать из халцедона, обсидиана и кремния оружие, режущие инструменты и прочие предметы обихода. Так, скалки, зернотерки, ступки и прочее создавалось ими из базальта, песчаников и известняков. Ударные и рубящие орудия производились из диорита, жадеита, нефрита и других материалов. Главным центром по обработки камня считаются города майя - Тонина и Небах.

Известняк-ракушечник

Происхождение названия породы. Назван по составу (главный компонент - углекислая известь СаСO 3).

Морфологические признаки. Структура крайне разнообразна, служит основой для выделения большого количества разностей известняка.

Текстура однородная, слоистая, иногда пористая, кавернозная и др.

Порода состоит из кальцита, редко - арагонита.

Обычные примеси: доломит, кремнистое вещество, песчанистый и глинстый материал, битумы. Повышение их содержания в известняке ведет к образованию породы смешанного состава: соответственно доломитового, кремнистого, песчанистого известняка, мергеля, битуминозного известняка и т.д.

Менее характерные примеси: углистое вещество, глауконит, пирит, марказит, лимонит и др. Многие известняки содержат остатки раковин или иных скелетов морских организмов.

• Порода каменистая , прочная, иногда бывает землистая, слабо связанная (мел).
• Твердость средняя (нож оставляет заметную царапину).
• Излом неровный.
• В воде не размокает .
• Цвет обычно белый, светло-серый, реже темно-серый и черный - вследствие примеси углистого вещества или битума, желто-бурый - в связи с примесью гидроокислов железа, зеленоватый - из-за примеси глауконита.
• Бурно растворяется в НСl (вскипает ).

Главнейшие разновидности известняка:

1. Органогенный известняк состоит в основном из целых раковин или их обломков (детрита), сцементированных карбонатным веществом. Представителями органогенных известняков, в частности, являются:

• известняк-ракушечник - легкий, пористый или ноздреватый, белый, желтый или серый, почти целиком сложенный крупными (0,5-2 см) раковинами моллюсков или обломками таких раковин;
• рифовый известняк - чрезвычайно богатый и разнообразный в отношении остатков фауны: кораллов (сноповидные агрегаты более или менее тонких трубочек с многочисленными поперечными перегородками), мшанок (колонии из множества ячеек размером до 3 мм, объединенных единым стволом; отпечатки имеют форму мелкой сетки), морских лилий (цилиндрические членики - части бывшего стебля со следом осевого канала в центре), раковин двустворчатых моллюсков и др.;
• нуммулитовый и фузулиновый известняк состоящий из раковин древних простейших организмов: уплощенных округлых раковинок нуммулитов и удлиненных, веретенообразных раковинок фузулин.

2. Мел - микрозернистая (размер зерен менее 0,01 мм), тонкопористая порода. Состоит из мельчайших, видимых лишь Под микроскопом зерен кальцита и обломков скелетов моллюсков и водорослей, иногда с примесью глинистых минералов(мергелистый мел) или обломочных зерен кварца (песчанистый мел), которые обнаруживаются лишь после полного растворения кусочка мела в HCl.

3. Оолитовый известняк (синоним - икряной камень ) - агрегат сферических или эллипсоидальных оолитов кальцита размером от долей миллиметра до 2-2,5 мм, сцементированных скрытокристаллическим карбонатным веществом (оолитовая структура). Оолиты имеют концентрически-зональное, реже радиально-лучистое строение, причем в центре каждого из них находится мельчайший обломок раковины, песчинка или зерно кальцита.

4. Известковый туф (синоним - травертин ) - микрозернистая, пористая, ноздреватая неслоистая порода, нередко содержащая отпечатки листьев и стеблей наземных растений.

Происхождение и распространение. Формы залегания - слои и мощные слоистые толщи, непрерывно прослеживающиеся на многие сотни километров; куполовидные массивы, линзовидные тела и различные по величине и форме гнезда (рифовые известняки).

Органогенные известняки образовались вследствие отмирания морских организмов и накопления их скелетов в осадках на дне водоема. Благоприятными условиями для развития таких организмов были мелководные, теплые моря со спокойным течением при отсутствии сноса обломочного материала с суши. Их массовая гибель объясняется изменениями глубины моря, температуры, солености морской воды в связи с колебательными движениями земной коры и другими причинами.

Мел имеет органогенно-химическое происхождение. Это продукт совместного накопления на дне водоема илоподобного химического карбонатного осадка и остатков известковых скелетов микроорганизмов.

Оолитовый известняк и известковый туф - продукты химического осаждения карбоната кальция, первый - в морских водоемах, второй - из углекислых вод минеральных источников.

Наиболее распространенные изменения известняков - окремнение (замещение кальцита халцедоном), доломитизация (замещение доломитом с образованием доломитизированного известняка). На поверхности под воздействием текучих вод, являющихся нередко слабокислыми растворами и проникающих в карбонатную толщу по трещинам, известняки часторастворяются . При этом образуются воронки, колодцы, провалы, пещеры, подземные каналы и другие проявления карста .

Известняки распространены практически повсеместно, за исключением областей Зап. Сибири и Забайкалья. Органогенные известняки широко известны в Крыму, на Черноморском побережье Кавказа и в Приуралье (рифовые); мел - в Воронежской, Курской, Белгородской и примыкающих областях Украины, в Среднем и Нижнем Поволжье; известковые туфы - в районах Пятигорска, Еревана и др.

Диагностические признаки. Средняя твердость (у большинства разновидностей), неразмокаемость в воде, бурное вскипание под воздействием НСl (без нагревания) в любом участке породы. Мел может иметь низкую твердость, легко крошится и пачкает пальцы, слегка прилипает к языку.

Практическое значение. Определяется высокой прочностью (временное сопротивление сжатию до 900 кг/см 2 и более), средней твердостью и связанной с этим возможностью распила известняка на правильные блоки и плиты, обилием чистых разновидностей, лишенных примесей фосфора, серы, кремнезема и др.

Области применения известняков следующие:

• строительный камень для изготовления стеновых блоков, плит, ступеней и облицовки;
• бутовый камень и щебень для дорожного строительства;
• наполнитель бетона (щебень и крошка, образующаяся при распиловке известняка);
• флюс в черной и цветной металлургии (вещество, способствующее разжижению шлаков и понижению температуры их плавления);
• сырье для производства извести, цемента и других вяжущих растворов, а также многих химических продуктов;
• добавка в стекольном производстве, из-за которой стекло становится химически и термически стойким и прочным;
• наполнитель для некоторых сортов бумаги;
• литографский камень в полиграфической промышленности для печатания многоцветных рисунков, марок, карт и т.п.;
• абразивный материал для тонкой шлифовки и полировки металлоизделий;
• сырье для производства зубного порошка, минеральной ваты, красок, замазок и т.д.;
• технологическое сырье в пищевой (сахарной) промышленности;
• минеральная добавка в корм скота и птицы.

Молотый известняк используется для известкования почв.

Отдел II. ОСАДОЧНЫЕ ГОРНЫЕ ПОРОДЫ