Возможности определения состава метеорита с применением метода химического анализа в условиях школьной лаборатории



Исследование свойств и химического состава малых небесных тел (астероидов и метеоритов), является актуальной задачей новой мультидисциплинарной науки — астробиохимии, опирающейся на достижения в области астрономии, химии, физики, биологии, космонавтики и др. [1] Многие малые небесные тела являются осколками больших астрономических объектов (крупных астероидов или планет), поэтому анализ их состава имеет большое значение для дальнейшей классификации и представления об их формировании. В настоящее время наиболее точными способами определения состава малых небесных тел считаются анализ спектра отражения и масс-спектрометрия изотопного обмена [2,3,4], но высокие требования к технической составляющей данных методов, необходимость использования сложного оборудования, значительно затрудняют их широкое практическое применение, особенно, в условиях образовательного учреждения. Поэтому разработка и внедрение эффективных и экономически малозатратных способов определения состава малых небесных тел, одним из которых является метод химического анализа, представляется актуальной задачей.

Классификация метеоритов по химическому составу.

Современные метеориты делятся на три большие группы: железные, железо-каменные и каменные ( см. рисунок 1 ) [4].

Рис. 1. Современная классификация метеоритов

Источник: https://meteoritelab.com/about/meteorites/meteorite-classification/ [4]

Железные метеориты.

В химическом составе этой группы преобладают элементы Fe, Ni и Co, которые составляют более 95 % ( см. рисунок 2 ). Ni присутствует всегда; концентрация почти всегда превышает 5 % и может достигать около 25 %. Значительный процент никеля можно использовать в полевых условиях, чтобы отличить метеоритное железо от изделий из железа, изготовленных человеком, которые обычно содержат меньшее количество Ni, но этого недостаточно, чтобы доказать метеоритное происхождение.

Рис. 2. Кусочек железного метеорита Campo del Cielo, приобретенный в магазине «Камни с неба»

На данный момент железные метеориты классифицируют по структуре и химическому составу.

Структурная классификация железных метеоритов.

Более старая структурная классификация основана на наличии или отсутствии рисунка Видманштеттена, который можно оценить по внешнему виду отполированных поперечных сечений, протравленных кислотой. Это связано с относительным содержанием никеля по отношению к железу. Сейчас выделяют следующие категории:

— Гексаэдриты (H) — это метеориты с низким содержанием никеля, без рисунка Видманштеттена;

— Октаэдриты (O) — тела с средним или высоким содержанием никеля, есть узоры Видманштеттена, наиболее распространенный класс;

— Атакситы (D) — это метеориты с очень высоким содержанием никеля, без рисунка Видманштеттена, достаточно редки.

Химическая классификация железных метеоритов.

Более новая схема химической классификации, основанная на соотношениях микроэлементов Ga, Ge и Ir, разделяет железные метеориты на классы, соответствующие различным родительским телам астероидов. Эта классификация основана на диаграммах, которые отображают содержание никеля в зависимости от различных микроэлементов (например, Ga, Ge и Ir). Различные группы железных метеоритов отображаются в виде кластеров точек данных.

Первоначально было четыре из этих групп, обозначенных римскими цифрами I, II, III, IV. Когда стало доступно больше химических данных, они были разделены, например, группа IV была разделена на метеориты IVA и IVB.

Железокаменные метеориты в сравнении с предыдущей группой включают меньше видов:

— Палласиты — относительно редкие метеориты, которые можно отличить по наличию крупных кристаллических включений оливина в ферроникелевой матрице ( см. рисунок 3 ). Эти кристаллы представляют собой материал мантии и ядра дифференцированных планетезималей (небесных тел на орбите вокруг протозвезды), которые были разрушены в результате сильных столкновений во время раннего формирования Солнечной системы.

Рис. 3. Палласит

— Мезосидериты — это класс каменисто–железных метеоритов, состоящих примерно из равных частей никеля, железа и силиката. Это брекчии (горные породы, состоящие из осколков минералов или горных пород, скрепленных между собой мелкозернистой матрицей) с неправильной текстурой; силикаты и металл часто встречаются в виде комков или гальки, а также в виде мелкозернистых наростов. Силикатная часть содержит оливин, пироксены и полевой шпат, богатый Ca.

Каменные метеориты.

Каменные метеориты классифицируют по наличию или отсутствию хондр (округлых образований размером в среднем 0,5–1,0 мм, представляющих собой быстро затвердевшие капли расплавленного силикатного вещества) разделяя, данную группу на хондриты и ахондриты соответственно .

Хондритовые метеориты включают в себя следующие типы:

— Углеродистые хондриты (хондриты С-типа) — эти метеориты составляют характеризуются присутствием углеродных соединений, включая аминокислоты. Еще одной из их основных характеристик является присутствие воды или минералов, которые были изменены присутствием воды;

— Обычные хондриты — это наиболее распространенный тип метеоритов, падающих на Землю ( см. рисунок 4 ). Они содержат большое количество хондр, несколько тугоплавких включений и различные количества металла Fe–Ni и троилита (FeS). Обычные хондриты химически отличаются низким содержанием тугоплавких элементов и редкоземельных элементов.

Рис. 4. Обычный хондрит

Ахондриты подразделяются на:

— примитивные (близкая по составу к хондритам, в их текстуре есть реликтовые хондры)

— астероидные (не содержат хондр). Они состоят из материала, подобного земным базальтам или плутоническим породам), лунные (представленными либо анортозитами, либо базальтами;)

— марсианские метеориты (последние в своём составе содержат значительное количество воды).

Как отличить метеорит от обычного камня.

Единственный надёжный способ отличит метеорит от обычного камня — отправить его в лабораторию для проведения спектрального анализа. Но если отдать найденный образец не представляется возможности, то можно самостоятельно провести оценку предполагаемого метеорита [5,6].

Главные внешние отличия метеорита от обычного камня:

1. Магнитные свойства. Если приложить к метеориту сильный магнит, то он примагнитится, а камень — нет;
2. Вес и плотность. Метеорит будет весить гораздо больше камня аналогичного размера;
3. Неоднородность поверхности. На железных и железо-каменных метеоритах можно увидеть своеобразные «отпечатки пальцев», словно оставленные руками на пластилине (регмаглипты);
4. Кора плавления. Метеориты зачастую имеют тёмный «обугленный» цвет из-за нагревания во время прохождения в плотных слоях атмосферы, однако после долгого лежания в почве поверхность метеорита, имеющего в составе железо, может окислиться и приобрести «ржавый» оттенок. Можно потереть предполагаемый железный метеорит напильником. Если под стёртой поверхностью будет блестящий металл, то, возможно, вам попалось небесное тело. Если под поверхностью обычный камень, то, скорее всего, ваша находка не метеорит;
5. Прочность. Поцарапайте камнем неглазурованную керамику, чтобы посмотреть, оставляет ли он на ней черту. Это хороший способ исключить земной материал. Поскребите найденным камнем неглазурованную сторону керамической плитки; если он оставляет на ней любые следы, кроме слабой сероватой полоски, это не метеорит. Гематит и магнетит часто путают с метеоритами. Гематит оставляет красную черту, а магнетит — темно-серую; так можно определить, что это не метеориты;
6. Отсутствие полостей внутри. Если вы нашли лёгкий и пористый камень — это точно не метеорит. Внутри небесного тела могут присутствовать каменные включения (хондры), но не полости. Метеориты полностью монолитны.

Химические различия между камнями и небесными телами

Между составом земных горных пород и метеоритов существуют определённые различия. Каменные метеориты состоят примерно на 18–30 % процентов из железа, в их составе также присутствует никель, достаточно редкий в земных породах. Эти различия можно заметить как при спектральном анализе, так и при попытке выделить тот или иной металл из образца, используя химические лабораторные методы.

Основная цель нашей работы — о пределение состава предполагаемого метеорита с применением метода химического анализа.

Объекты исследовательской работы.

Объектами данной проектно-исследовательской работы были образцы метеоритов трёх разных типов ( см. подписи на рисунке 5 ), приобретенные в специализированном магазине «Камни с неба». Метеориты зарегистрированы в Международном метеоритном бюллетене и имеют при себе документ, подтверждающий их подлинность.

Рис. 5. Метеориты с документами слева направо: железный, железокаменный (палласит) и каменный (хондрит)

Все эксперименты данной работы проводились с каменным образцом, так как именно этот тип метеоритов обладает самым разнообразным составом в сравнении с другими, и его чаще всего пытаются подделать.

Методики, использованные в исследовательской работе.

В исследовательской работе использовались 2 методики: внешняя оценка образца и химический анализ предполагаемого метеорита .

Руководство по определению (внешней оценке) метеоритов [5]:

1. Оценить цвет образца.
2. Посмотреть на форму образца. Большинство метеоритов не круглые. Напротив, они имеют довольно неправильную форму.
3. Проверить наличие коры плавления.
4. Проверить наличие линий тока на оплавленной поверхности.
5. Поискать ямки и углубления на поверхности камня, регмаглипты (углубления, похожие на отпечатки пальцев на пластилине).
6. Посмотреть, отсутствуют ли поры.
7. Оценить плотность образца.
8. Проверить магнитные свойства предполагаемого метеорита.
9. Поцарапать образцом неглазированную керамику для проверки на прочность.
10. Отшлифовать камень напильником и поискать блестящие металлические чешуйки на месте шлифовки.
11. Распилить возможный метеорит и поискать маленькие шарики каменного материала (хондры).

Метод химического анализа был взят из книги М. А. Шапиро и С. А. Шапиро «Аналитическая химия» [7]. В каменном метеорите, кроме кремния и других элементов, содержится достаточно железа и никеля, чтобы провести характерные реакции на эти металлы.

Характерная реакция на наличие железа проводится с роданидом калия.

Выполнение реакции . В пробирку помещают 1–2 капли исследуемого раствора, 1–2 капли 2 н. HCL и 3–4 капли роданида калия или аммония. В присутствии железа (III) появляется кроваво-красное окрашивание.

Характерная реакция на присутствие ионов никеля проводится с помощью диметилглиоксима (реактива Чугаева).

Выполнение реакции:

В пробирке смешать 1–2 капли исследуемого раствора, 1–2 капли 1 %-ного спиртового раствора диметилглиоксима.

Прибавить раствор аммиака до слабощелочной реакции.

Ало-красный осадок — признак наличия никеля.

В присутствии иона

предварительно прибавить кристаллик , или Na K , или NaF.

6.2. Р езультаты и обсуждение.

Внешняя оценка (физическое определение) образца:

1. Мы посмотрели на цвет изучаемого образца. Камень имеет тёмную ржаво-бурую окраску ( см. рисунок 6 ).

Рис. 6. Метеорит покрылся слоем ржавчины от долгого лежания в земле, что говорит о содержании железа

2. Оценим поверхность и форму изучаемого образца. Предполагаемый метеорит имеет неправильную форму, на поверхности есть небольшие углубления. Тем не менее, мы не видим линий тока на поверхности образца и не можем увидеть кору плавления под слоем ржавчины ( см. рисунок 7 ).

Рис. 7. У каменного метеорита неправильная форма и неровная поверхность в сравнении с обычными камнями

3. Камень имеет монолитную структуру. Поры отсутствуют как внутри, так и снаружи ( см. рисунок 8 ).

Рис. 8. Метеорит в сравнении с куском природной морской пемзы. Исследуемый образец тяжелее пемзы и не имеет полостей внутри и снаружи

4. Исследуемый объект хорошо притягивается к магниту, гораздо лучше обычного камня аналогичного размера ( см. рисунок 9 ).

Рис. 9. Метеорит притягивается лучше обычного камня

5. Предполагаемый метеорит обладает большой прочностью. Если им поцарапать неглазированную плитку, то образец оставит на ней отметины, не окрашивая поверхность. Если потереть плитку обычным камнем, то на ней вместо отметин останется серый след каменной крошки ( см. рисунок 10 ).

Рис. 10. Тест на прочность. Метеорит поцарапал плитку, не окрасив её. Камень оставил следы крошки на поверхности

Мы не стали раскалывать камень для поиска хондр и шлифовать его напильником, чтобы не повредить образец перед проведением химического анализа.

Химический анализ камня.

Ход работы:

1. Выделяем катионы металлов, поместив метеорит в раствор азотной кислоты, оставляем на некоторое время. По прошествии времени раствор приобретает светло-жёлтую окраску, что говорит о наличии в нём нитрата железа (III) — Fe ( см. рисунок 11 ).

Рис. 11. В азотной кислоте железо выделилось из тестируемого метеорита, окрасив раствор в светло-жёлтый цвет нитрата железа (III)

2. Далее нейтрализуем раствор до нейтральной среды, добавляя KOH до тех пор, пока лакмусовая индикаторная полоска не начнёт показывать нейтральную среду, окрашиваясь в желтовато-зелёный цвет. В процессе на не растворившемся до конца KOH оседает нерастворимый оранжевый твёрдый осадок гидроксида железа (III) — Fe(O ( см. рисунок 12 ):

HN + KOH + = O + KN + Fe(O

Рис. 12. Лакмусовые полоски, показывающие кислую и нейтральную среды. В пробирке лежит не растворившийся до конца KOH с оранжевым налётом Fe(O

3. После того, как индикатор стал показывать нейтральную среду, добавляем к раствору фторид натрия (NaF) для связи ионов в нерастворимое соединение Fe ( см. рисунок 13 ):

3NaF + Fe = Fe + NaN

Рис. 13. Оставшиеся ионы связаны в нерастворимый фторид жёлтого цвета

4. Отфильтровываем раствор. На фильтре остался жёлтый желеобразный осадок фторида железа ( см. рисунок 14 ). Набираем 2 пробирки отфильтрованного прозрачного раствора.

Рис. 14. Жёлтый желеобразный осадок фторида железа на фильтре

5. Добавляем в первую пробирку роданид калия (KCNS). Вещество при взаимодействии в растворе с ионами образует роданид железа кроваво-красного цвета ( см. рисунок 15 ). Получаем тёмно-бурый раствор, подтверждающий наличие железа:

+ 3 = Fe(

Рис. 15. Раствор роданида железа тёмно-красного цвета

6. Берем вторую пробирку и добавляем в неё диметилглиоксим. При взаимодействии в аммиачном растворе с ионами образует внутрикомплексную соль — диметилглиоксимат никеля — ало-красного цвета (см. рисунки 16 и 17). Раствор окрашивается в розово-красный цвет, подтверждая наличие ионов никеля ( см. рисунок 17 ):

Рис. 16. Формула реакции ионов в аммиачном растворе с диметилглиоксимом

Рис. 17. Диметилглиоксимат никеля в растворе

7. Внешне оцениваем образец каменного метеорита. Он хрупкий и крошится (до помещения в азотную кислоту им можно было поцарапать неглазурованную плитку). Это говорит о том, что все металлы, ранее находившиеся в образце, остались в растворе в виде нитратов ( см. рисунок 18 ).

Рис. 18. Образец ломается и крошится, так как все металлы перешли в нитраты

Вывод: Применённый нами метод химического анализа предполагаемого метеорита указал на подлинность образца (каменный метеорит).

Таким образом, метод химического анализа имеет важное практическое значение для определения свойств малых небесных тел.

Литература:

1. Astrobiology: Exploring Other Worlds // [Электронный ресурс] Адрес: https://www.coursera.org/learn/astrobiology-exploring-other-worlds
2. Савелова А. А., Бусарев В. В., Щербина М. Оценка состава вещества астероидов по спектрам отражения с использованием метеоритных аналогов. Астрономия, астрофизика и космология. Вестник Московского университета. Серия 3: “Физика, астрономия”, 2023.
3. Talrose V. L., Ljubimova A. K. Secondary Processes in the Ion Source of a Mass Spectrometer (Reprint from 1952). J. Mass Spectrom. 1998, 33, 502–504.
4. Meteorite Classification // [Электронный ресурс] Адрес: https://meteoritelab.com/about/meteorites/meteorite-classification/
5. Sam Lagor, MSc Как определить, является ли камень, который вы нашли, метеоритом (wikihow.com) . Доступно по ссылке на 30.09.24.
6. Meteorite Identification: Have You Found a Space Rock?// [Электронный ресурс]. Адрес: https://geology.com/meteorites/meteorite-identification.shtml
7. Шапиро С. А., Шапиро М. А. Аналитическая химия. — M.: Высшая Школа, 1979. -384c.