Искусственные минералы

Министерство  образования Республики Беларусь                Белорусский Государственный Университет Транспорта

Кафедра’ Строительные конструкции, основания и фундаменты ‘

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Научная конференция на тему:

‘Искусственные минералы’

 

 

 

 

 

 

 

                                                                           Выполнили                                                                         

                                                                           Студенты гр. ПК-21                                                                                                                                                

                                                      Власов Ю.А.   

                                                         Махвиеня С.О.                                                             

 

 

Искусственные минералы.

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 ЛИТ Белит Волластоипт Псевдоволластонит Ранкинит	3CaO∙SiO2               2CaO∙SiO                  β-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 окис   Известь (свободная окись кальция)                   Портлаидит     (гидрат окиси кальция) Периклаз   (окись  магния) Кремнезем                        Тридимит                  Кристобалит	СаО                             СаО   Са (ОН)2   MgO SiO2                                                                         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 W2C                   Mo2C и МоС                 Nb3N5                                                                                 B4C                                                 SiC

 

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.

Пятикальциевый  трехалюминат 5СаО • ЗА1₂Оз кристаллизуется в кубической системе в виде округлых, реже треугольных зерен без спайности. Бесцветный, в составе шлаков окрашен в интенсивно зеленый цвет. Оптически изотропен, N=1,608. Мол-сет растворять в себе до 2% Ре₂О₃, замещающих А1₂0₃, тогда N=1,613. Твердость 5, удельный вес 2,69—2,71.

Неустойчивая форма  пятикальциевого трехалюмината  обычно представлена игольчатыми или таблитчатыми индивидами ромбической сингонии, которые нередко собраны в сферолитовые радиально-лучистые стяжения. Кристаллы в прозрачных шлифах имеют бледно-зеленую окраску с ясно выраженным плеохроизмом от оливково-серых до голубовато-зеленых тонов. Ng=1,692, Nр = 1,687, Ng-Np = 0,005. Погасание прямое.

Пятикальциевый трехалюминат входит в состав глиноземистых доменных шлаков, клинкеров глиноземистого и портлендского цемента, причем в последнем в виде самостоятельных выделений не встречается.

Однокальциевый алюминат СаО • А1₂О₃ образует таблитчатые прямоугольные очертания, бесцветные кристаллы со спайностью в одном направлении. Нередко наблюдаются сложные и псевдогексагональные тройнико вые срастания. Погасание табличек прямое; Ng=1,663, Np=1,643, Ng — Np = 0,020; оптический знак отрицательный. Может растворять в себе до 15% СаО • А1₂О₃, при этом Ng = 1,720, а Np=1,70. Удельный вес 2,981. Является главной минералогической частью глиноземистого цемента и входит в состав доменного шлака.

Однокальциевый двухалюминат СаО • 2А1₂Оз образует моноклинные сильно вытянутые игольчатые или призматические кристаллы иногда длиной в несколько миллиметров. Бесцветен. Имеет большой угол погасания (до 31°), благодаря чему легко распознается. Показатели преломления: Ng=1,654, Np = 1,617, двуиреломление высокое— 0,035. Оптически положителен. Присутствует в клинкере глиноземистого цемента.