Штучні мінерали

Геологія

Міністерство освіти Республіки Білорусь Білоруська
Державний Університет Транспорту

Кафедра 'Будівельні конструкції, основи та фундаменти'

Наукова конференція на тему:

'Штучні мінерали'

Виконали

Студенти гр. ПК-21

Власов Ю.А.

Махвіеня С.О.

Штучні мінерали.

Штучне одержання мінералів становить відомий інтерес . З одногобоку, це дозволяє досліджувати процеси мінералообразованія, з іншого --дає можливість отримувати потрібні для практики мінеральні речовини, щошироко використовується в технології будівельних матеріалів.

Штучним шляхом (методом синтезу) можна одержувати мінерали, якізустрічаються в природних умовах (алмаз, корунд, кварц і ін), і мінерали,які у природних умовах самостійно не зустрічаються (Аліто, білить ітощо), а входять до складу різних технічних продуктів, таких як цементи,вогнетриви і т.д.

Штучно отримані природні мінерали шляхом синтезу з вихіднихречовин вигідно відрізняються від своїх аналогів, утворених у природнихумовах, тому що в них відсутні хімічні і механічні домішки. Усправжні час у промислових цілях отриманий ряд мінералів, які рідкозустрічаються в природі, але володіють цінними властивостями (флюорит, корунд іін). У 1961 у СРСР синтезовані штучні алмази, міцність якихбула в 40% вище природних. У таблиці 1 наведені деякі мінералиотримані штучно.

Деякі природні мінерали, отримані штучно

Методи синтезу природних мінералів можна розділити на дві групи:
1) синтез що проводиться в умовах нормального тиску.
2) синтез здійснюється при підвищених тисках.

У теперішній час отримання штучних мінералів зводиться до такихпроцесів:

1) кристалізація розплаву;

2) реакції, в яких беруть участь газові компоненти;

3) отримання мінералів в присутності водних розчинів;

4) отримання мінералів шляхом реакції у твердій середовищі.

Методи синтезу мінералів вимагають спеціальної апаратури, тривалі зачасу і вельми трудомісткі. В цілому завдання синтезу мінералів ще далеко невирішена.

Проте в наш час багатьом дослідникам країн СНД вдалося отриматицілий ряд цінних мінералів, які перестали бути надбанням лабораторій іосвоїлися промисловістю.

Нижче дається короткий опис штучних мінералів, які зустрічаютьсяв технічних продуктах (цементи, вогнетриви і т.д.), і деякихвисокоміцних кристалів. Багато хто з цих мінералів входять до складурізних технічних продуктів. У зв'язку з цим їх опис дається погрупам мінералів, виділених за хімічним складом (табл. 2).

Штучні мінерали технічних продуктів і високоміцні кристали (таб.2)

Штучні мінерали технічних продуктів.

Силікати кальцію.

Аліто (трехкальцевий силікат) 3CaO? SiO2 являє собою безбарвнідрібні кристали у вигляді гексагональних табличок або призм (інодіігловідних) з неясно вираженою спайність по одному напрямку (рис. 1).
Сингонія трігональная. Кристали нерідко виявляють зональну структуру,особливо добре видно при вивченні препаратів у відбитому світлі.
Згасання пряме або під невеликим кутом. Одношаровий, показникизаломлення Ng = 1,772, Np = 1,718, подвійне лучепріломленіе мале: Ng-
Np = 0.004. Оптичний знак кристалу від'ємний.

Твердість Аліта за шкалою Мооса коливається між 5 і 6, питома вага 3,2.
Є головним мінералом портландцементного клінкеру, входить також додоломітові вогнетриви. Легко може гідратованих і розкладатися соляноїкислотою, здатний твердіти під водою.

білить (двухкальціевий силікат) 2СаО • 5SiO2 в трьох видах:? -,? - і? --форми, причому з оптичним даними? і? між собою дуже подібні, а перехідв?-форму супроводжується різкою зміною властивостей? - і?-фор-ми утворюютьправильні округлі зерна, часто призматичного вигляду, з спайність попризмі (рис. 1). Для Беліта в багатьох випадках характерна складнадвойніковая структура і Темна включення, що мають правильнуорієнтування. У шлиф ці форми мають жовтувате забарвлення. За рахунокрозчинених Fе2О3 і Сг2О3 зерна набувають коричневий або зелений колір.

?-форма Беліта під мікроскопом спостерігається у вигляді трьох різновидів: 1)зерен з двома або трьома системами взаімнопересекающіхся штрихів, кожна зяких складається з паралельних ліній, 2) форм з однією системою двойніковихплатівок; 3) несдвойнікованних зерен.

Показники преомленія? - і?-форм: Ng = 1,735, Nр = 1,717, Ng - Nр =
0,018, оптичний знак позитивний. Питома вага 2,974.
Рис. 1 Кристали Беліта в клінкері (210Х)

?-2СаО? ЗSiO2 (феліт) має призматичний вигляд з спайність попризмі; згасання пряме; показники заломлення: Ng = 1,654, Nр = 1,642,
Ng - Nр = 0,012. Це низькотемпературна форма, яка виникає з?-Форми при
675 ° С, має щільність приблизно на 10% менше щільності? - І? -Беліта,тому таке перетворення супроводжується руйнуванням речовини до станутонкої пилу. Поява феліта в в'яжучих породах і вогнетривах небажано,так як за здатністю до гідратації і твердненню ця форма не активна і вряді випадків (доломітові вогнетриви) призводить до руйнування. Вода на?-Формуне діє, вона легко розкладається кислотами.

білить в значних кількостях присутній у портландцементногоклінкері, в шлаках, доломітових і магнезіально-доломітових вогнетривах.
Портландцемент з високим вмістом Беліта відрізняється уповільненимтвердіння, але зате стійкий до руйнуючій дії агресивних вод.

Волластоном?-СаО? 5SiO2 і псевдоволластоніт?-СаО-5SiO2-однокальціевиесилікати. Волластоном - природний мінерал, утворюється також прирасстеклованіі деяких технічних стекол. Форма кристалів голчата,бруськовідной і волокниста з спайність, паралельної подовженню. СистемаМоноклінна. Ng = 1,631, Nр = 1,616, Ng - Nр = 0,015. Оптичний знакнегативний. Згасання паралельно подовженню.

Рис. 2.
Псевдоволластоніт у склі (74 X) Питома вага 2,915. У воді нерозкладається, в кислотах легко розчиняється.

Псевдоволластоніт має форму округлих зерен або шестикутних безбарвних табличок з ясно помітною спайність та інколи з полісінтетіческімі двійниками (рис. 2). Питома вага 2,912. Ng = 1,654, Nр =
1,610, Ng-Nр = 0,044, оптичний знак позитивний. Кольори інтерференції яскраві (червоні, зелені, жовті тони). Обидва мінералу характерні для шлаків.

Ранкініт ЗСАТ • 2SiO2 (трехкальциевого дісілікат) зустрічається в основних і кислих доменних шлаках у вигляді округлих неправильних по контурах зерен, очевидно, ромбічної (?) Сингонії. В окремих випадках ранкініт дає великі порфірову виділення. Показники заломлення: Ng = 1,650, Nр = 1,641, двупреломле-ние слабке: Ng-Nр = 0,009, оптичний знак позитивний.

алюмінати кальцію

До цієї групи входять декілька мінералів: трехкальциевого алюмінат,пятікальціевий трехалюмі-нат, моноалюмінат кальцію і однокальціевий двуалю -минати.

трехкальциевого алюмінат ЗСАТ • А12О3 кристалізується в кубічноїсингонії і утворює ізометричні безбарвні дрібні зерна з прямокутнимиабо гексагональних обрисами і з недосконалою спайності. Цез'єднання може знаходитися також у аморфному стані.

Кристали трехкальциевого алюмінату ізотропні, N = 1,710, твердість 6,питома вага 3,04. Може розчиняти в собі до 2,5% Ре2О3, що заміщають А1203,і тоді N = 1,715. Здатний легко гідратованих і твердіти з виділеннямвеликої кількості тепла. Розчиняється в кислотах. Входить до складуцементного клінкеру. У шлиф найбільш легко встановлюється методомфарбування.

Пятікальціевий трехалюмінат 5СаО • ЗА12Оз кристалізується в кубічноїсистемі у вигляді округлих, рідше трикутних зерен без спайності. Безбарвний,у складі шлаків пофарбований у інтенсивно зелений колір. Оптично Ізотропія,
N = 1,608. Мол-сет розчиняти в собі до 2% Ре2О3, що заміщають А1203, тоді
N = 1,613. Твердість 5, питома вага 2,69-2,71.

Нестійка форма пятікальціевого трехалюміната звичайно представленаголчастим або таблітчатимі індивідами ромбічної сингонії, якінерідко зібрані в сферолітовие радіально-променисті стяженія. Кристали впрозорих шлиф мають блідо-зелене забарвлення з ясно вираженимПоліхроїзм від оливково-сірих до блакитно-зелених тонів. Ng = 1,692, Nр =
1,687, Ng-Np = 0,005. Згасання пряме.

Пятікальціевий трехалюмінат входить до складу глиноземистих доменнихшлаків, клінкерів глиноземистому і портлендського цементу, причому востанньому у вигляді самостійних виділень не зустрічається.

Однокальціевий алюмінат СаО • А12О3 утворює таблітчатие прямокутніобриси, безбарвні кристали з спайність в одному напрямку. Нерідкоспостерігаються складні і псевдогексагональние трійники ші зрощення.
Згасання табличок пряме; Ng = 1,663, Np = 1,643, Ng - Np = 0,020; оптичнийзнак негативний. Може розчиняти в собі до 15% СаО • А12О3, при цьому Ng
= 1,720, а Np = 1,70. Питома вага 2,981. Чи є головною мінералогічнійчастиною глиноземистому цементу і входить до складу доменного шлаку.

Однокальціевий двухалюмінат СаО • 2А12Оз утворює Моноклінна сильновитягнуті голчасті або призматичні кристали іноді довжиною в кількаміліметрів. Безбарвний. Має великий кут згасання (до 31 °), завдякичому легко розпізнається. Показники заломлення: Ng = 1,654, Np = 1,617,двуіреломленіе високе-0,035. Оптично позитивним. Присутній вклінкері глиноземистому цементу.

алюмосилікат кальцію

Гелену 2СаО • А12Оз • 51О2 кристалізується в квадратній сингонії і дає прозорі безбарвні таблички або призми, з ясно помітною спайність, розташованої поперек його подовжених кристалів. Іноді утворює кре -

стообразние скелетні форми росту. Показники

заломлення: Ng = 1,669, Nр
= 1,658. Двозаломлення помірне: Ng-Nр = 0,011. Кольори інтерференції білувато-желтие.Оптіческій знак негативний. Одноосні.

розкладається в солянойкіслоте. У глиноземистих

цементах Гелену розміщується між кристалами однокальціевого алюмінату або проростає їх. За властивостями відноситься до інертною частини цементу.
Типовий мінерал доменнихшлаков (рис. 3).

алюмосилікат

Мулла ЗА12О3 • 5Ю2 утворює ігловідние, призматичні абоволокнисті кристали з ясно помітною досконалої спайності. Сингоніяромбічна. У чистому вигляді безбарвний, але від домішок Ре2Оз і 5Ю2 частоотримує рожеву або синювату забарвлення.

Ці домішки ведуть до підвищення світлопереломлювання до Ng = 1,682, Np = 1,661 і

Ng - Np = 0,021, у той час як у чистих муллітові кристалів Ng = 1,654,

Np = 1,642, а Ng - Np = 0,012. Оптично позитивний.
Мінерал може давати зростки і скупчення (мал. 4). Домішки Fе2О3 і SiO2викликають появу Поліхроїзм в жовтуватих і голубуватих тонах. Питомавага мулліта 3,03. Розмір кристалів мулліта різноманітний: від 2 до 5 мк вшамоту до 10 мм по довжині в муллітові виробах. Входить також до складупорцеляни.

Силікати кальцію і магнію
Окерманіт 2СаО • МgО-2SiO2 зустрічається в природі і утворюється штучно ввигляді безбарвних квадратних коротких призм або табличок з показникамизаломлення: Ng = 1,638, Nр = 1,631. Двозаломлення слабке: Ng - Np = 0,007.
Оптичний знак позитивний. Одноосні. Окерманіт в усіх відношенняхзмішується з геленітом, утворюючи серію геленітокерманітов (меліліти),оптичні властивості яких варіюють разом зі складом. Форма такихкристалів подібна з геленітом. Їх сингонія Тетрагональна. Питома вага
3,18. Входять до складу магнезіальних цементів, вогнетривів, шлаків.

Монтічелло СаО • МgО • 2SiO2 кристалізується в ромбічної системі ідає в природі і в технічних продуктах безбарвні призматичні зерна зслабкою неясною спайності. Сингонія ромбічна. Питома вага 3,2.
Оптичні властивості вивчені недостатньо. Показники заломлення призміст його у вигляді 10%-ного твердого розчину 2MgO? 5SiO2 мають наступнівеличини: Ng = 1,655-1,651, Np = 1,638-11,640, Ng-Nр = = 0,015, оптичнийзнак позитивний. Зустрічається в різних шлаках.

Алюмоферріт кальцію

цілить (алюмоферріт кальцію) являє собою кристали, складяких може варіювати від 8СаО • ЗА12О3 • Fе2О3 до СаО • Fе2О3.
Кристали цілить в портландцементного клінкеру заповнюють проміжки міжАліто і білить, іноді створюючи найтонші проростання з іншимидругорядними мінералами. Вони мають призматичну або округлу форму,сингонія ромбічна, колір від світло-бурого до темно-бурого. У шлиф ясновиражений Поліхроїзм від світло-жовтих до темно-бурих відтінків, кут згасаннядуже малий. У відбитому світлі цілить має велику відбивнуздатність, через що здається светлоокрашенним.

За даними Н. А. Торопова (1950), в клінкері з підвищеним вмістомокису заліза складу цілить наближається до 2СаО? Fе2О3 в нормальнихклінкеру - до 4СаО? А12О3? Ре2О3 і 8СаО? ЗА12О3? Ре2О3.

Показники заломлення для 4СаО? А12О3? Fе2О3 (різновиди, званоїбраунміллерітом): Ng = 2,08, Np = 1,98, Ng - Np = 0,10. Від вмісту в ньому
1-2% МgО (періклаза) світлозаломлення дещо знижується, а клінкернабуває характерну зелено-сіре забарвлення. Питома вага 3,77.
Присутність браунміллеріта знижує екзотермічний ефект твердінняпортландцементу. Зустрічається також в шлаках.

Феррити кальцію

До цієї групи входять два мінералу: однокаль-ціевий ферит СаО? Fе2О3 ідвухкальціевий ферит 2СаО? Fе2О3. Обидва вони грають роль мінералізатор врізних вогнетривах і деяких видах портландцементу.

Однокальціевий ферит СаО? Fе2О3 являє собою довгі голчастікристали, слабко прозорі під мікроскопом. Сингонія квадратна абогексагональна. Забарвлення чорна, а в порошку інтенсивно червона. Показникизаломлення: Ng = 2,465, Np = 2,345, двупре-ломленіе висока: Ng - Np =
0,120. Ферит в твердому стані може розчиняти в собі до 10% СаО? А12О3і тоді показники заломлення знижуються: Ng = 2,25, Np = 2,13, адвозаломлення Ng - Np = 0,12. Розчиняється в кислотах. Зустрічається вскладі клінкеру глиноземистому цементу.

Двухкальціевий ферит 2СаО? Fе2О3 кристалізується у вигляді чорнихкристалів, які в шлиф мають жовтувато-бурого забарвлення.
Спайність відсутній Ng = 2,29, Np = 2,20, Ng - Np = 0,090. Оптичнопозитивний. Розчиняється в соляній кислоті.

Двухкальціевий ферит при гідратації твердіння не дає. Утворюється вдоломітових вогнетривах, в портландцементі і шлаках. У магнезитовихвогнетривких масах застосовується як прискорювач спікання періклаза.

Оксиди і гідроксиди

Вапно СаО (вільна оксид кальцію) являє собою безбарвнікристали кубічної сингонії. Форма зерен округла. Зустрічаються кубики абокучні скупчення з ясно вираженою спайність за трьома взаємноперпендикулярних напрямках. Кристали оптично ізотропні. Їх показникзаломлення N = 1,836. У шлиф відрізняється грубим рельєфом. СаО присутняв клінкері портландцементу (до 10%) зазвичай у вигляді дрібних зерняток, якііноді спостерігаються внутрі кристалів ЗСАТ? А12О3, а також у мартенівськихшлаках і т. д. У відбитому світлі СаО визначається методом травленняповерхні шлифов (мікрохімічного реакції).

Портланд (гідрат окису кальцію) Са (ОН) 2. Утворює безбарвнішестикутні кристали гексагональної сингонії з досконалою спайності.
Показники заломлення: Ng = 1,574, Np = 1,545, Ng - Np = 0,029. Оптичнийзнак негативний. Питома вага 2,23. Входить до складу будівельнихрозчинів, різних в'яжучих, силікатної цегли, динасів.

Періклаз (окис магнію) МgО зустрічається у вигляді округлих октаедричніабо кубічних кристалів незначних розмірів. Спайність по площинахкуба. Чистий періклаз безбарвний, при частковому розчиненні в ньому оксидівзаліза набуває жовтувате забарвлення. Мінерал ізотропної, показникзаломлення N = 1,734-1,737. У прозорому шлиф розпізнається насилу.
Визначається при травлення поверхні шліфується у силу своєї великоївідображає здібності. Питома вага 3,58. Періклаз - найбільш важливаскладова частина магнезитових і доломітових вогнетривів, входить також доклінкер портландцементу, в шлаки і т.д. Іноді в кристалах періклаза,наприклад в спеченого магнезит, спостерігаються темні точкові виділення Магне -зіоферріта.

кремнезем 5SiO2 в технічних продуктах зустрічається у вигляді різнихполіморфних форм, з яких головними є кварц, трідіміт,кристобаліт, а також кремнеземисті скло. Мінерал кварц, що представляєсобою низькотемпературну форму SiO2 (утворюється нижче 573 ° С). Зупинимося нахарактеристиці інших форм.

Трідіміт - помірна температурна форма SiO2. Кварц в трідімітперетворюється при температурі вище 870 ° С. Кристали безбарвні або світло -сірі, мають форму пластинок або подовжених табличок, часто з характернимосвітою копьевідних двійників. Розмір зерен може сягати 3-4 мм.
Сингонія ромбічна, питома вага 2,27, Ng = 1,473, Np = 1,469,. Ng-Np =
0,004.

У динасів зміст трндіміта досягає 50-70%. Перехід SiO2 втрідімітовую форму супроводжується значним збільшенням обсягу.
Зустрічається також в шлаках.

Крістобаль - високотемпературна фаза SiO2 (утворюється при температурівище 1470 ° С). Дає правильні октаедра, зернисті скупчення і лускатізростки, іноді з полісінтетіческім двошшкованіем складної сотовіднойструктури (рис. 5). Кристали безбарвні, рідше молочного кольору. Питомавага 2,32. Ng = 1,487, Np = 1,484, Ng - Np = 0,003. Входить до складу динасів.
Рис. 5. Кристобаліт

кремнеземисті скло виникає при досить швидкому охолодженнікремнеземистого розплаву. Воно може бути безбарвним або молочної забарвлення,остання обумовлена повітряними бульбашками. Скло изотропно. N = 1,459,питома вага 2,203. Стійко в кислотах (крім плавикової та фосфорної).
Кремнеземисті скло широко застосовується як ізоляційний, фасадна,вогнетривкий і електроізоляційний матеріал.

Гіпс і продукти його зневоднення

Гіпс СаSО4? Н2О і ангідрит СаSO4 - природні образованія.Средіпродуктів зневоднення гіпсу виділяються кристалічні речовини:? --напівгідрату (СаSО4? 0,5 Н2О),?-напівгідрату (СаSО4? 0,5 Н2О),? --зневоднений напівгідрату,?-зневоднений напівгідрату,? - ангідрит (СаSО4),? --ангідрит і?-нерозчинний ангідрит.

?-напівгідрату СаSO4? 0,5 Н2О виходить при нагріванні гіпсу під тиском
120-125 атм. При цьому утворюються безбарвні кристали у вигляді подовжених голокабо шестикутних призм з поперечними смужками (рис. 6). СингоніяМоноклінна. Показники заломлення при зневоднюванні зростають: Ng = 1,584,
Np = 1,559. Двозаломлення висока: Ng - Np = 0,025.

Рис. 6. Продукт випалу?-Напівгідрату при 150 ° (150Х)

Питома вага 2,72-2,73. Головна складова частина високотемпературного гіпсу.

?-Полу гідрат СаSО4? 0,5 Н2О утворюється при нагріванні гіпсу на повітрі до

120 ° С і втрати води у вигляді газоподібному фази. Дає дрібнозернисту абоволокнисту масу безбарвних кристалів. Ng = 1,556,. Np = 1,550, Ng - Nр =
0,006. Питома вага 2,67-2,68. ?-Напівгідрату менш стійкий, ніж? --напівгідрату. Головна складова частина варильного гіпсу.
Ангідрит СаSО4 - штучний мінерал, так званий розчиннаангідрит, що утворюється при зневоднюванні напівгідрату при температурі вище
220 ° С. З'являється у двох модифікаціях - "і". Відрізняється за своїмивластивостями від природного розчинної ангідриту. Розчинна ангідрит маєформу призм з прямим згасання і позитивним подовженням. Показникизаломлення для?-ангідриту: Ng = 1,570, Np = 1,554, для?-ангідриту: Ng = 1,570,
Nр = 1,546. Розчинні ангідриту на повітрі швидко гідратіруются.

Гіпс і продукти його зневоднення широко застосовуються в якості в'яжучого,формувального матеріалу і т.д.

Інші з'єднання кальцію

Ольдгаміт (сульфід) САS утворюється у складі основного доменногошлаку в присутності значної кількості сірки. Кристалізується у виглядідуже дрібних округлих ізотропних зерен кубічної сингонії з дуже високимсвітлопереломлювання (N = 2,90). Зерна безбарвні, водянопрозрачни. Дрібнізерна ольдгаміта важко помітні навіть при великих збільшеннях мікроскопа.
Питома вага 2,71. Входить до складу шлаків і цементів.

Перовськіт СаО? ТiO2 кристалізується у формі октаедрів псевдокубіческойсингонії з ясно помітною спайності. Забарвлення світло-бура. Показникзаломлення N = 2,36. Входить до складу доменних шлаків.

Штучні високоміцні кристали

Високоміцні штучні кристали застосовуються в техніці якріжучий і абразивний матеріал. Таких кристалів уже відомо понад 40. Церізні карбіди, нітриди, гідриди Бориди. Твердість їх за шкалою Моосаперевищує 7.

Карбід бору - твердий розчин бору, В4С. Вигляд кристалів ромбоедріческійз усіканням призматичними і пірамідальними формами. Сингоніягексагональна. Питома вага 2,48-2,52. Твердість за шкалою Мооса близько 9.
Під мікроскопом у відбитому світлі карбід бору має білий колір, високувідбивну здатність, гірський рельєф.

Карбід кремнію (карборунд) 51С кристалізується в залежності відтемператури в кубічні (1650 - 2000 ° С) або гексагональну (понад 2000 ° С)сингонії. Структури карбіду кремнію ставляться до шаруватих і складаються зчергуються пачок шарів тетраедрів [814С] і [С514] двоякою орієнтації.
Питома вага кубічного карбіду кремнію 3,216, а гексагональної - 3,217,
Ng = 2.697, Np = 2.654, Ng-Np = 0.043. У світлі, що проходить - зелений, синій, рідшебезбарвний або димчастий. У відбитому світлі кристали світло-сірі, майжебілі, мають високу відбивну здатність і гірський рельєф. Твердістьза шкалою Мооса більше 9.

Нітрид ніобію Nb3N5 утворюється відновленням трехокісі ніобію сажею ватмосфері азоту при 1200? C. Це кристал з щільною гексагональноїгратами. Питома вага 8,4. Твердість за шкалою Мооса 8 - 9.

карбід вольфраму WC і W2C отримують розплавленням вольфрамового ангідриду
WO3 c сажею в полум'ї вольтової дуги. Обидва карбіду відносяться догексагональної сингонії. Твердість за шкалою Мооса у WC = 9, W2C = 9 - 10.

карбід молібдену Мо2С і Мос отримують розплавленням суміші молібденовогоангідриду з карбідом кальцію і вугіллям в вольтової дузі або плавленням шихти,що містить вугілля і МоО2. Кристали гексагональної сингонії. Твердість пошкалою Мооса 7 - 9.

Список використаної літератури:

1) інженерного геологія. Мінськ
2001р.

2) Штучні мінерали, їхні властивості і будова. Москва1989г.

3) А також по засобах Інтернету, (малюнки).