Искусственные минералы (стр. 1 из 3)
Научная конференция
Выполнили студенты гр. ПК-21 Власов Ю.А., Махвиеня С.О.
Белорусский Государственный Университет Транспорта
Кафедра’ Строительные конструкции, основания и фундаменты ‘
Искусственное получение минералов представляет известный интерес. С одной стороны, это позволяет исследовать процессы минералообразования, с другой – даёт возможность получать нужные для практики минеральные вещества, что широко используется в технологии строительных материалов.
Искусственным путем (методом синтеза) можно получать минералы, которые встречаются в природных условиях (алмаз, корунд, кварц и др.), и минералы, которые в природных условиях самостоятельно не встречаются (алит, белит и др.), а входят в состав различных технических продуктов, таких как цементы, огнеупоры и т.д.
Искусственно полученные естественные минералы путем синтеза из исходных веществ выгодно отличаются от своих аналогов, образованных в природных условиях, так как в них отсутствуют химические и механические примеси. В настоящие время в промышленных целях получен ряд минералов, которые редко встречаются в природе, но обладают ценными свойствами (флюорит, корунд и др.). В 1961 в СССР синтезированы искусственные алмазы, прочность которых была в 40% выше естественных. В таблице 1 приведены некоторые минералы полученные искусственно.
Некоторые естественные минералы, полученные искусственно
| Минералы | Формула | Минералы | Формула |
| Сфалерит | ZnS | Самородная | |
| Корунд . . | А1203 | сера .... | S |
| Галенит . . | PbS | Ангидрит . . | CaSO4 |
| Барит .... | BaSO4 | Энстатит . . . | mr (Si206) |
| Магнетит | FeFe2O4 | Малахит . . . | CuCO∙Cu(OH)2 |
| Оливин . . | (Fe, Mg)2(Si04) | Шпинель . . | A12 Mg04 |
| Полевые шпаты | — | Кварц .... | SiO2 |
| Самородная | Галит .... | NaCl | |
| медь . . . | Cu | Асбест . . . | — |
| Карбонаты . . | — | Слюды .... | — . |
| Алмаз . . . | С | Пирофиллит . | — |
Методы синтеза естественных минералов можно разделить на две группы:
1) синтез проводимый в условиях нормального давления.
2) синтез осуществляемый при повышенных давлениях.
В настоящие время получение искусственных минералов сводится к следующим процессам :
1) кристаллизация расплава;
2) реакции, в которых участвуют газовые компоненты;
3) получение минералов в присутствие водных растворов;
4) получение минералов путем реакции в твердой среде.
Методы синтеза минералов требуют специальной аппаратуры, длительны по времени и весьма трудоёмки. В целом задача синтеза минералов еще далеко не решена.
Однако в настоящие время многим исследователям стран СНГ удалось получить целый ряд ценных минералов, которые перестали быть достоянием лабораторий и освоились промышленностью.
Ниже дается краткое описание искусственных минералов, которые встречаются в технических продуктах (цементы, огнеупоры и т.д.), и некоторых высокопрочных кристаллов. Многие из этих минералов входят в состав различных технических продуктов. В связи с этим их описание даётся по группам минералов, выделенных по химическому составу (табл.2).
Искусственные минералы технических продуктов и высокопрочные кристаллы(таб.2)
| Группа | Минералы | Химическая формула |
| Силикаты кальция | А ЛИТБелит Волластоипт Псевдоволластонит Ранкинит | 3CaO∙SiO2 2CaO∙SiOβ-CaO-SiO2 α –CaO∙SiO2 3CaO-2Si02 |
| Алюминаты кальция | Трехкальциевый алюминат Пятикальциевый трех-алюминат Однокальциевый алюминат Однокальциевый двухалюминат | ЗСаО∙А12О3 5CaO∙3Al2O3 CaO∙Al203 CaO∙2Al2O3 |
| Алюмосиликат кальция | Геленит | 2CaO∙Al2O∙SiO2 |
| Алюмосиликат | Муллит | 3Al2O3-SiO2 |
| Силикаты кальция и магния | Окерманит Монтигеллит | 2CaO-MgO-2SiO2 CaO-MgO-2SiO2 |
| Алюмоферрит кальция | Целит | От CaO-Fe2O3 до 8CaO-3 Al2O3-Fe2O3 |
| Ферриты кальция | Однокальциевый феррит Двухкалышевый феррит | CaO-Fe2O3 2CaO-Fe2O3 |
| Группа | Минералы | Химическая формула |
| Окислы и гидроокислы Окислы и гидроксилы | Известь (свободная окисИзвесть (свободная окись кальция) Портлаидит (гидрат окиси кальция)Периклаз (окись магния) Кремнезем Тридимит Кристобалит | СаО СаО Са (ОН)2MgOSiO2 Si02 Si02 |
| Гипс и продукты его обезвоживания | Гипс α-полугидрат β-полугидрат Ангидрит | CaS04.2H20 CaSO4-0,5H20 CaSO4-0,5H2O CaSO4 |
| Прочие соединения кальция | Ольдгамит Перовскит | CaS CaO∙TiO2 |
| Высокопрочные кристаллы | Карбиды вольфрама Карбиды молибдена Нитрид ниобия Карбид бора Карбид кремния | WC и W2CMo2C и МоС Nb3N5 B4CSiC |
Искусственные минералы технических продуктов.
Силикаты кальция.
Алит (трехкальцевый силикат) 3CaO∙SiO2 представляет собой бесцветные мелкие кристаллы в виде гексагональных табличек или призм (иногда игловидных) с неясно выраженной спайностью по одному направлению (рис. 1). Сингония тригональная. Кристаллы нередко обнаруживают зональную структуру, особенно хорошо видную при изучении препаратов в отраженном свете. Погасание прямое или под небольшим углом. Однослойный, показатели преломления Ng=1,772, Np=1,718, двойное лучеприломление малое: Ng- Np=0.004. Оптический знак кристалла отрицателен.
Твердость алита по шкале Мооса колеблется между 5 и 6, удельный вес 3,2. Является главным минералом портландцементного клинкера, входит также в доломитовые огнеупоры. Легко может гидратироваться и разлагаться соляной кислотой, способен твердеть под водой.
Белит (двухкальциевый силикат) 2СаО • 5SiO2 в трех видах: α-, β- и γ-формы, причем по оптическим данным αиβ между собою весьма сходны, а переход в γ-форму сопровождается резким изменением свойств α- и β-фор-мы образуют правильные округлые зерна, часто призматического облика, со спайностью по призме (рис. 1). Для белита во многих случаях характерна сложная двойниковая структура и темноокрашенные включения, имеющие правильную ориентировку. В шлифах эти формы имеют желтоватую окраску. За счет растворенных Fе2О3 и Сг2О3 зерна приобретают коричневый или зеленый цвет.
β-форма белита под микроскопом наблюдается в виде трех разновидностей: 1) зерен с двумя или тремя системами взаимнопересекающихся штрихов, каждая из которых состоит из параллельных линий, 2) форм с одной системой двойниковых пластинок; 3) несдвойникованных зерен.
Показатели преомления α- и β-форм: Ng=1,735, Nр=1,717, Ng — Nр = 0,018, оптический знак положительный. Удельный вес 2,974.
Рис. 1 Кристаллы белита в клинкере (210Х)
γ-2СаО∙ЗSiO2 (фелит) имеет призматический облик со спайностью по призме; погасание прямое; показатели преломления: Ng = 1,654, Nр= 1,642, Ng — Nр=0,012. Это низкотемпературная форма, возникающая из β-формы при 675° С, имеет плотность примерно на 10% меньше плотности α- и β -белита, поэтому такое превращение сопровождается разрушением вещества до состояния тонкой пыли. Появление фелита в вяжущих породах и огнеупорах нежелательно, так как по способности к гидратации и твердению эта форма не активна и в ряде случаев (доломитовые огнеупоры) приводит к разрушению. Вода на γ-форму не действует, она легко разлагается кислотами.
Белит в значительных количествах присутствует в портландцементном клинкере, в шлаках, доломитовых и магнезиально-доломитовых огнеупорах. Портландцемент с высоким содержанием белита отличается замедленным твердением, но зато стоек к разрушающему действию агрессивных вод.
Волластонит β-СаО∙5SiO2 и псевдоволластонит α-СаО-5SiO2— однокальциевые силикаты. Волластонит — природный минерал, образуется также при расстекловании некоторых технических стекол. Форма кристаллов игольчатая, брусковидная и волокнистая со спайностью, параллельной удлинению. Система моноклинная. Ng = 1,631, Nр = 1,616, Ng — Nр = 0,015. Оптический знак отрицательный. Погасание параллельно удлинению. Рис. 2. Псевдоволластонит в стекле (74 X) Удельный вес 2,915. В воде не разлагается, в кислотах легко растворяется.Псевдоволластонит имеет форму округлых зерен или шестиугольных бесцветных табличек с ясно различимой спайностью и иногда с полисинтетическими двойниками (рис. 2). Удельный вес 2,912. Ng=1,654, Nр = 1,610, Ng— Nр = 0,044, оптический знак положительный. Цвета интерференции яркие (красные, зеленые, желтые тона). Оба минерала характерны для шлаков.
Ранкинит ЗСаО • 2SiO2 (трехкальциевый дисиликат) встречается в основных и кислых доменных шлаках в виде округлых неправильных по очертаниям зерен, по-видимому, ромбической (?) сингонии. В отдельных случаях ранкинит дает крупные порфировые выделения. Показатели преломления: Ng=1,650, Nр= 1,641, двупреломле-ние слабое: Ng —Nр = 0,009, оптический знак положительный.
Алюминаты кальция
В эту группу входят несколько минералов: трехкальциевый алюминат, пятикальциевый трехалюми-нат, моноалюминат кальция и однокальциевый двуалю-минат.
Трехкальциевый алюминат ЗСаО • А12О3 кристаллизуется в кубической сингонии и образует изометрические бесцветные мелкие зерна с прямоугольными или гексагональными очертаниями и с несовершенной спайностью. Это соединение может находиться также в аморфном состоянии.
Кристаллы трехкальциевого алюмината изотропны, N=1,710, твердость 6, удельный вес 3,04. Может растворять в себе до 2,5% Ре2О3, замещающих А1203, и тогда N=1,715. Способен легко гидратироваться и твердеть с выделением большого количества тепла. Растворяется в кислотах. Входит в состав цементного клинкера. В шлифах наиболее легко устанавливается методом окрашивания.