Лицей 1553
Курсовая работа по химии
Ученика 8-ого класса
Воровича Константина
«Качественный химический анализ монет конца 20 – начала 21 века».
Научный руководитель работы:
Кандидат педагогических наук Мещанинова И.А.
Москва
2005
История монет и их сплавов.
Деньги играют важнейшую роль в жизни людей на протяжении всей истории человечества. Первыми настоящими деньгами были металлические монеты. Поэтому было интересно проанализировать качественный химический состав современных монет.
В первобытном обществе обычно совершался простой товарообмен. При этом приходилось при приобретении одного товара иметь под рукой другой, пользующийся спросом. С расширением товарообмена возникла необходимость в удобном эквиваленте цены. Сначала эту роль выполняли различные предметы: раковины, драгоценные камни, благородные металлы (золото и серебро) и так далее. Из-за неудобства обращения слитков золота и серебра, требовавших постоянной проверки веса и пробы, была начата чеканка монет. Первоначально изготовление монет, или монетное дело, находилось в руках частных лиц. Позднее чеканка монет становится монополией государства, так как возникла необходимость более авторитетного удостоверения пробы и веса монет при расширении географии торговли.
Первые выпущенные государством металлические монеты установленного достоинства почти одновременно появились в малазийском государстве Лидия (рубеж 8-7 веках до н. э.) и в Древней Греции - на острове Эгина (в 7 веке до н. э.). Поэтому древнюю Лидию принято считать Родиной монет. Монеты Лидии изготовляли из электрума (серебристого золота), но уже при Крезе их стали делать из чистого золота строго фиксированной стоимости. Позднее в 3 веке до н. э. в Риме был основан монетный двор при храме Юноны – Монеты (Juno Moneta), отсюда и термин “монета”. В Англии серебряные и медные монеты начали входить в обиход лишь в первом веке. В средневековой Европе и на Руси монеты собственной чеканки появились в 9-10 веках. Национальные монеты постепенно вытеснили из обращения римские, византийские, арабские и подражания им.
Итак, монеты появляются с развитием товарно-денежных отношений и торговли. В отличие от товаров, обращавшихся в качестве эквивалента (скот, зерно, раковины и др.) и слитков металлов, монета стала универсальным платёжным средством, т.к. качество и вес металла в монете удостоверялись государством (государственным штемпелем). Выпуск монет постепенно стал исключительным правом суверенной власти. В феодальной Европе право чеканки монет имел любой суверенный феодал (вплоть до нетитулованного дворянина), в новое и новейшее время – национальные государства. Нарушение монетного права всегда рассматривалось как тягчайшее преступление, не только уголовное, но и политическое. Изображения на монетах (в ранний период только на её лицевой стороне) являются государственной эмблемой. Исходно существовали разнообразные формы монет. В итоге утвердилась круглая форма. В монете различают лицевую (аверс) и оборотную (реверс) стороны и обрез (гурт). Монета была обязательным платёжным средством внутри государства, выпустившего её. Однако отдельные монеты обращались далеко от места их чеканки (например, римские серебряные монеты за пределами империи, арабские дирхемы в 9-13 вв. в Восточной Европе). Как указывалось выше, изготовление монет во всех странах производится на специальных заводах – монетных дворах.
С древнейших времён и до недавнего времени большую часть монет изготавливали из золота и серебра, а монеты низкого достоинства – из меди и бронзы. Со временем широко распространилось производство фальшивых монет либо отсечение от настоящих монет небольших кусочков драгоценного металла. Поэтому с тысячи семьсот двадцать четвёртого года стали выпускаться монеты с рифлёным ободком, чтобы предотвратить «откусывание».
В условиях золотого (а также серебряного) монометаллизма чеканились полноценные монеты – стоимость содержавшегося в них металла равнялась их нарицательной цене. При чеканке монет из благородного металла к ней добавляется для прочности определённое количество меди (лигатура). Число частей благородного металла в монете называется пробой. Сплав полноценной монеты обычно состоит из девяти частей валютного металла и одной части лигатуры. Увеличение количества лигатуры сверх установленной нормы приводило к порче монет.
Основы монетного дела определяются монетной системой, принятой в государстве: законодательно определяются вес монет при чеканке (допускаемая законом граница дозволенных отклонений монет по пробе и весу от образца называется терпимостью, или ремедиумом), выбор металла, основного для данной системы, относительная стоимость монетных металлов по отношению друг к другу (рацио) и др. В соответствии с потребностями товарного обращения чеканятся монеты различного достоинства. С развитием капитализма в большинстве стран была достигнута определенная стандартизация пробы валютных металлов. При чеканке неполноценных разменных монет медь, золото и серебро были постепенно вытеснены никелевыми и бронзовыми сплавами (монетная бронза).
Монетная бронза – это группа сплавов на медной основе, служащих для изготовления мелкой разменной монеты жёлтого цвета различных оттенков. Современная монетная бронза содержит примерно 4,5 – 8,5 % алюминия, остальное - медь.
С появлением бумажных денег роль монет как основного платёжного средства падает. Важное значение сохраняют монеты из драгоценных металлов, они высоко ценятся нумизматами. В конце 20 в. монета повсеместно является разменным денежным знаком с условным, по отношению к бумажным денежным знакам, курсом. Монеты из золота и серебра выпускаются редко и не имеют серьёзного экономического значения. В большинстве случаев это памятные (или юбилейные) монеты.
Для определения качества чеканных монет на протяжении всей истории денежного обращения использовались различные физические и химические методы анализа состава монет. Уже в древности люди умели проводить такие анализы. Изначально использовали органолептические и физические методы: “надкусывание” золотых монет, определение веса, плотности, сравнение цвета, блеска, способности плавиться, окрашивать пламя при прокаливании и т.д. Так, например, Архимед, используя данные о плотности золота и серебра, установил, что корона царя Сиракуз Гиерона сделана не из чистого золота, а из сплава золота и серебра. Позднее стали использовать качественные химические методы анализа, разработанные средневековыми алхимиками, которые позволяли решать более сложные задачи, чем физические методы. С возникновением и развитием методов аналитической химии в 17 – 18 веках точность оценки состава монет выросла, появилась возможность подбирать состав сплавов для чеканки монет, чтобы чеканные монеты удовлетворяли требованиям налично-денежного обращения и были достаточно дешевы в изготовлении. Позднее с конца 19 века для анализа состава монетных сплавов стали использовать физические и физико-химические методы анализа (инструментальные): электрохимические, хроматографические, масс – спектрометрические, радиометрические и спектральные.
Сплавы представляют собой сочетание двух или нескольких компонентов. Эти компоненты в расплавленном состоянии растворяются друг в друге, а при охлаждении образуют смеси - твёрдые растворы или химические соединения металлов друг с другом.
Обычно химический анализ монетных сплавов проводят дробным методом при помощи капельных реакций или реакций образования кристаллов. В первую очередь определяют отношение сплавов к действию растворителей, которое в большинстве случаев определяется свойствами соответствующего основного компонента. Важнейшие сплавы делят на четыре типа:
а) Сплавы железа, как и само железо, расположенное в ряду напряжений левее водорода, обычно растворяются в разбавленной и концентрированной HCl, а также в разбавленных H2
SO4
и HNO3
. Концентрированная азотная и серная кислоты часто делает железо и его сплавы "пассивными". При этом металл покрывается тонкой поверхностной пленкой оксидов, защищающей его от соприкосновения с кислотой, что сильно замедляет его растворение. Подобным же образом действуют и другие окислители. Нужно, однако, иметь в виду, что для растворения некоторых сплавов железа требуется кипячение в царской водке или в иных смесях кислот, а иногда даже сплавление с какими-либо подходящими реагентами, например с Na2
O2
или NaOH.
б) Сплавы меди, как и сама медь, помещающаяся в ряду напряжения правее водорода, в разбавленных HCl и H2
SO4
нерастворимы. Наоборот, концентрированная и разбавленная HNO3
(при нагревании) легко растворяет их.
в) Сплавы алюминия и магния хорошо растворимы в кислотах. Кроме того, сплавы алюминия и сам алюминий легко растворяются в едких щелочах, которые и являются для них наиболее подходящим растворителем.
Кроме алюминия, в щелочи растворяется также цинк, олово и кремний.
Другие компоненты сплава остаются после действия щелочи в осадке в виде свободных металлов (или частично в виде гидроксидов). Этот осадок вследствие возможного присутствия меди следует растворять в HNO3
.
г) Сплавы свинца и олова. Свинец находится в ряду напряжений левее водорода, но, тем не менее, плохо растворим в разбавленных HCl и H2
SO4
, так как образующиеся на поверхности сплава труднорастворимые соли PbCl2
и PbSO4
, защищают его от дальнейшего действия кислоты.
Поэтому для растворения свинцово-оловянистых сплавов следует применять HNO3
, ведя реакцию при нагревании. При этом входящие в состав сплава Sn и Sb переходят в осадок в виде H2
SnO3
и HSbO3
.
Поскольку сплавы каждого данного типа могут содержать только некоторые, характерные для них металлы, для упрощения анализа следует, прежде всего, решить вопрос о том, к какому типу относится исследуемый сплав, и в соответствии с этим вести анализ.
Цель и задачи работы.
Целью работы было изучить и сравнить качественный состав монетных сплавов используемых в Западной Европе и в России в разное время (в интервале с 1987 по 2003 год).
При выполнении работы необходимо было решить следующие задачи:
1. Подобрать и ознакомиться с литературой по теме работы.
2. Научиться планировать химические эксперименты.
3. Освоить методы растворения металлических сплавов.
4. Освоить методы определения наиболее распространенных металлов.
5. Определить качественный состав монет: 2 евроцента (Евросоюз), 1 копейка (Россия), 20 крон (ЧССР) и 50 рублей (Россия).
6. Оценить наличие временных и страновых различий в составе монетных сплавов.
7. Продемонстрировать принципиальную возможность определения состава монетных сплавов методами качественного анализа в условиях школьной лаборатории.
Методы, использовавшиеся для качественного определения состава монет.
Для анализа использовали 4 монеты – 1 копейка России 2003 года, 50 рублей России 1993 года, 20 крон ЧССР 1987 года и 2 евроцента 2001 года.
1. Определение цвета и плотности монетных сплавов
.
Цвет монет определяли визуально.
Плотность сплава определяли по формуле:
r = M/V, где М – масса монеты; V – объем монеты.
Массу определяли путем взвешивания монет на аналитических весах, объем находили по формуле:
V = πhd2
/4, предварительно измерив с помощью штангельциркуля диаметр монеты – d и ее толщину – h. Плотность выражали в г/см3
.
2. Растворение монет.
Монеты растворяли под тягой в соляной для определения Fe2+
, Fe3+
, Pb2+
, Sn2+
, Ni2+
, Mn2+
и Al3+
,а после в азотной кислоте для определения Cu2+
. Некоторые монеты нагревали, для ускорения растворения.
3. Качественное определение состава монетных сплавов.
Определение качественного состава сплавов проводили дробным методом, используя капельные реакции. Для обозначения тестируемого раствора использовали букву "X" латинского алфавита.
3.1. Fe 2+
определяли по реакции с феррицианидом калия (красной кровяной солью). Приналичие железа Fe 2+
образуется синий осадок турбуленовой сини:
3Fe2+
+ 2[Fe(CN)6
]3-
= Fe3
[Fe(CN)6
]2
¯
тогда X + HCl + 3 K3
[Fe(CN)6
] →
Fe 3+
определяли по реакции с ферроцианидом калия (желтой кровяной солью). При наличии железа Fe 3+
образуется темно - синий осадок берлинской лазури:
4Fe3+
+ 3[Fe(CN)6
]4-
= Fe4
[Fe(CN)6
]3
¯
тогда X + HCl + K4
[Fe(CN)6
] →
Al3+
опреде
комплексную красную соль, нерастворимую в уксусной кислоте:
С14
O4
H20
+ Al3+
→ Ярко – красный "алюминиевый лак"
Первоначально доводят pH пробы до щелочного значения с помощью NaOH, контролируя pH по индикаторной полоске. При выпадении осадка смесь центрифугируют и осадок отбрасывают. К центрифугату прибавляют 2 – 3 капли 0,2% раствора ализарина. Наблюдают развитие фиолетовой окраски. Затем к раствору добавляют по каплям 2 н. раствор уксусной кислоты до кислого рН. Если в растворе присутствует Al3+
, то выпадет осадок ярко – красного цвета.
Mn2+
определяли по реакции с едким натром и перекисью водорода, наблюдая за образованием темно – бурого осадка:
Mn2+
+ H2
O2
+ OH1-
= MnO(OH)2
¯ + H2
O
Ni 2+
определяли в реакции с диметилглиоксимом (реактив Чугаева). Реакцию проводили при рН 5 – 10. Реакции мешают ионы железа, поэтому в опытный раствор вносили несколько капель NaF.Также реакции мешают ионы меди, и для их "нейтрализации" к раствору добавили 2 капли K3
[Fe(CN)6
]. После этого pH среды довели до 8, что соответствует слабощелочному раствору. К полученному веществу добавили несколько капель 1%-ого раствора диметилглиоксима. И если в растворе X присутствовал никель, то выпадал сиренево-розовый осадок.
2C4
N2
O2
H8
+ Ni(OH)2
= Ni [C4
N2
O2
H7
]2
↓ + 2H2
O
Mg2+
определяли по реакции с моногидрофосфатом натрия Na2
HPO4
. К 1-3 каплям X добавляли 1-3 капли NH3
и HCl. К полученному раствору добавили 3-5 капель Na2
HPO4
. После тщательного перемешивания (в присутствии Mg2+
), должен был получиться белый – кристаллический осадок.
Pb2+
и Pb4+
определяли по реакции с хроматом калия. К 1-3 каплям X добавляли 1-3 капли хромата калия. В присутствии свинца получается осадок PbCrO4
.
Sn2+
и Sn4+
определяли по реакции с цинком. В 3-5 капли X опускали гранулу цинка, и в присутствии олова выпадал осадок олова, восстановившегося до металла.
Cu2+
определяли, добавляя к опытной пробе концентрированный раствор NH4
OH и наблюдая за появлением интенсивно синей окраски вследствие образования иона [Cu(NH3
)4
]2+
:
2Cu2+
+ 2NH4
OH = (CuOH)2
2+
+ 2NH4
+
(CuOH)2
2+
+ 8NH4
OH = 2[Cu(NH3
04
]2+
+ 2 OH1-
+ 8H2
O
Результаты и обсуждение.
1.
Цвет монет определяли визуально, плотность монет определяли расчетным путем, используя данные определения массы, диаметра и толщины монет. Полученные данные представлены в таблице 1.
Таблица 1. Определение плотности монетных сплавов.
| Монеты |
окраска |
масса, (грамм) |
диаметр d, (см) |
толщина h, (см) |
объем V, (см 3
|
плотность P, (г/см3
|
| 1 копейка |
бело- серебристая |
1,5 |
1,56 |
0,12 |
0,229 |
6,55 |
| 50 рублей |
бронзово- желтая |
5,66 |
2,51 |
0,18 |
0.89 |
6,36 |
| 2 евроцента |
золотисто-кровавая |
3,22 |
1,88 |
0,167 |
0.463 |
6,955 |
| 20 крон |
темно-желтая |
2,5 |
1,95 |
0,13 |
0.388 |
6,443 |
Определенная плотность различных монетных сплавов имеет сходные значения. В соответствии с литературными данными обычно такую плотность имеют сплавы на основе железа и меди. Сплавы на основе алюминия и магния имеют плотность 1,8 – 2,7 г/см3
, а сплавы на основе свинца – 8.5 – 11,5 г/см3
.
Таким образом, с учетом литературных данных, исходя из плотности сплавов и их цвета, можно было предположить, что в монетах содержатся следующие основные металлы: Fe, Cu, Ni, Mn, Al, Pb, Sn, Mg.
Следовательно, в дальнейшем с использованием качественных реакций было проанализировано наличие вышеуказанных металлов в монетах.
2.
Первоначально монеты переводили из твердого состояния в жидкое, используя соляную или азотную кислоту. В Таблице 2 приведены данные о растворимости монет.
Таблица 2. Растворимость монет в соляной и азотной кислотах.
| Монеты |
HCl |
HNO3
|
| 1 копейка |
растворялась |
растворялась |
| 50 рублей |
не растворялась |
растворялась |
| 2 евроцента |
растворялась (частично) |
растворялась |
| 20 крон |
растворялась (частично) |
растворялась |
Исходя из данных, приведённых в таблицах 1 и 2, можно предположить, что основным компонентом монеты "50 рублей" является медь, а монет "1 копейка", "2 евроцента" и "20 крон" - железо.
3.
После получения растворов проводили определение отдельных металлов в растворе в соответствии с реакциями, описанными в разделе "Методы". Полученные сводные данные представлены в Таблице 3.
Таблица 3. Определение состава монетных сплавов.
| Определяемые катионы металлов |
Монеты |
|||
| 1 копейка |
50 рублей |
2 евроцента |
20 крон |
|
| Fe2+
|
+ |
+ |
- |
- |
| Fe3+
|
+ |
+ |
+ |
+ |
| Al3+
|
- |
- |
- |
- |
| Ni2
|
+ |
+ |
+ |
+ |
| Cu2+
|
- |
+ |
+ |
+ |
| Mn2+
|
- |
+ |
- |
- |
| Pb2+
|
- |
- |
- |
- |
| Sn2+
|
- |
+ |
- |
- |
Нам не удалось определить наличие в монетах магния из-за того, что используемая нами для его определения реакция не шла даже с контролями. По-видимому, эта реакция является очень "капризной" и требует более тщательного подбора реакций. Тем не менее, исходя из литературных источников, магний может присутствовать в данных монетах.
Из результатов полученных в данной работе для "2 евроцентов" и "20 крон" следует, что качественный состав монет Западной Европы не изменился. Однако, при сравнение цвета этих монет можно предположить, что изменился их количественный состав. Так как "2 евроцента" гораздо темнее, то, вероятно, что в этой монете больше содержание железа, чем в "20 кронах".
Полученные нами данные показывают, что качественный состав монет в России очень сильно изменился за последние 10 лет: количество компонентов стало меньше, ряд цветных металлов исчез из состава сплавов. Соответственно выпуск таких монет стал дешевле.
Из данных приведённых в таблице 3 следует, что из исследованных нами монет самая дорогая монета по себестоимости – "50 рублей", более дешёвые "20 крон" и "2 евроцента", а самая дешёвая – "1 копейка".
Выводы.
1. Освоены методы растворения металлических сплавов в разбавленных азотной и соляной кислотах. При этом сплавы, содержащие медь, растворялись полностью только в азотной кислоте.
2. Освоены методы определения наиболее распространенных металлов: железа, меди, никеля, алюминия, марганца, олова и свинца.
3. Определён качественный состав монет:
50 рублей (Россия) – медь, железо, никель, олово и марганец.
20 крон (ЧССР) - железо, медь и никель.
2 евроцента (Евросоюз) – железо, медь и никель.
1 копейка (Россия) – железо и никель.
4. Показано, что качественный состав монет Западной Европы не изменился. По-видимому, "2 евроцента" содержат больше железа чем "20 крон".
Качественный состав монет в России изменился за последние 10 лет - "1 копейка" в отличие от "50 рублей" не содержит марганца, олова и меди.
5. Продемонстрирована принципиальная возможность определения состава монетных сплавов методами качественного анализа в условиях школьной лаборатории.
Список литературы.
1. Столяров К.П. Методы микрохимического анализа. Издательство Ленинградского университета, Ленинград, 1960, 189 стр.
2. Шапиро С. А., Гурвич Я. А., Аналитическая химия. "Высшая школа", Москва, 1968, 465 стр.
3. Крешков А. П., Ярославцев А.А., Курс аналитической химии, "Химия", Москва, 1975, 424 стр.
Оглавление.
История монет и их сплавов............................................................................................................. 2
Методы, использовавшиеся для качественного определения состава монет.............................. 8
Результаты и обсуждение................................................................................................................ 11
Выводы............................................................................................................................................. 14
Список литературы.......................................................................................................................... 16
Оглавление....................................................................................................................................... 17