Реферат: Генезис минералов. Методы выращивания кристаллов

Минералы, рождающиеся в водной среде (или за счёт водной среды), имеют различную деятельность жизни. Это зависит от условий их обитания. Образуясь в водной среде и попав в сухие условия, они могут сохраняться многие годы. Попав снова в водную среду, они растворяются, но в последствии могут вновь родиться, как минералы, но при этом утрачивают первоначальные признаки и приобретают новые.

Минералы, которые быстро рождаются в водной среде и также легко растворяются в ней, называют сезонными. Этим термином подчёркивается их недолговечность, временное бытие.

Среди сезонных минералов можно выделить следующие минеральные виды:

1)  Связанные с осаждением вещества из холодных и термальных водных растворов

2)  Являющиеся следствием реакций замещения в сухом виде

3)  Сублимированные (путём возгонки) вещества, переходящие при нагревании непосредственно из твёрдого в газообразное состояние.

 В природе преобладают первые. Это преимущественно сульфаты железа и алюминия. В их структуре вода присутствует как в молекулярной форме, так и в виде гидроксильных групп. Обилие молекулярной воды предопределяет неустойчивость этих минералов вследствие обезвоживания даже при комнатных температурах.

В состав большинства сезонных минералов входит сера, которая даёт ряд соединений с кислородом, водородом, металлами. Среди сезонных минералов красивые кристаллы достаточно редки, исключение составляет сера. В других случаях сезонные минералы представлены рыхлыми, зернистыми или порошковыми массами. Нередки случаи, когда они имеют форму нитевидных кристаллов – тонких волосоподобных кристаллов, вытянутых вдоль одной из кристаллографических солей.

Третий вид минералообразования – биогенное формирование. Минералы формируются в процессе жизнедеятельности животных и растительных организмов, особенно обильно населяющих мелководные участки морей и других водоёмов. Например, морские водоросли и простейшие морские организмы поглощают углекислый кальций и при отмирании оставляют минеральные накопления в виде кальцита CaCO3 и арагонита CaCO3. Диатомовые водоросли, морские губки используют для своих скелетов кремнезём. Таким же путём возникает минерал опал. Морские, а иногда речные или озёрные моллюски в своих раковинах создают жемчуг (минерал кальцит с примесью органического вещества с изумительно красивой игрой цветов в радужных тонах). Железопоглощающие бактерии создают накопления гидроксида железа (минерал – лимонит – источник формирования бурых железняков).

1.3 Метаморфический процесс

Метаморфический процесс: минералы эндогенного и экзогенного генезиса на некоторой глубине в земной коре в какой – то период времени могут попасть под воздействие повышенных давлений, температур (как правило, не выше температуры их плавления), под влиянием горячих вод и газов. Возникают новые термодинамические условия, не свойственные условиям существования этих минералов.

Минералы в новых условиях начинают видоизменяться: одни разрушаются, другие перекристаллизовываются, третьи дают новые минеральные образования. Так возникают метаморфические минералы, в большинстве силикатного состава.

Примером могут служить минералы – кварц, тальк, хлорит.

1.4 Парагенезис

Парагенезис (от греч. «пара» - возле, подле), или природная ассоциация, - это совместное нахождение минералов в природе. Обусловленное общностью процесса их образования при сходных физико-химических и геологических условиях. Минералы находятся в горных породах и месторождениях в виде комплексов, взаимосвязанных единым процессом образования. Эти комплексы выдерживаются с большим постоянством.

Несомненно, что парагенетические ассоциации отражают рассмотренную нами последовательность выделения кристаллических фаз сначала из магматического расплава, затем из пегматитового остатка, газов и растворов, а также осаждения минералов из водных бассейнов на земной поверхности.

В хромитовых месторождениях Южного Урала, имеющих магматическое происхождение, встречаются также оливин и платина. Для Дашкесанского контактного месторождения на Кавказе характерны магнетит, пирит, халькопирит. В пегматитовых месторождениях Свердловского района наблюдается парагенезис дымчатого кварца, ортоклаза, топаза, турмалина. Подобные сообщества минералов находят и во многих других районах земного шара со сходными условиями образования. Садонское месторождение на Кавказе серебро – свинцово – цинковое. Уже давно известно, что минералы серебра, свинца и цинка особенно часто встречаются совместно (например, Алтай). Эта весьма характерная тесная ассоциация получила название полиметаллических руд.

Соликамское месторождение солей включает галит, сильвин, гипс. Подобные же минералы известны в других местах распространения химических осадков.

Парагенетические связи помогают при поиске полезных ископаемых. Понятно, что при поисках хромита и платины необходимо исследовать магматические породы; руды свинца, серебра, цинка надо искать в гидротермальных жилах; руды олова, вольфрама, золота – среди кислых магматических пород (гранитов). Коренное золото ищут преимущественно в кварцевых жилах. Знание парагенезиса минералов облегчает задачу поисковиков полезных ископаемых по их спутникам. Например, спутник алмаза – пироп – помог открытию коренных месторождений алмазов в Якутии.

2. методы выращивания кристаллов

В зависимости от фазы, из которой выращивают кристалл, различают четыре метода приготовления кристаллов:

1)  Из пара

2)  Из жидкой фазы

3)  Из гидротермального раствора

4)  С помощью реакций в твёрдой фазе

Выращивание кристаллов из газовой фазы

Известны три способа получения кристаллов из газовой фазы: путём сублимации данного вещества, методом химических реакций в газе и химических транспортных реакций. Рассмотрим все эти способы.

2.1 Сублимация

Если вещество обладает высоким давлением пара и испаряется без разложения, его кристаллы можно получить методом сублимации. Аппаратурное оформление метода разнообразно: проточные системы с использованием инертного газа – носителя; замкнутые системы (часто это отпаянные кварцевые трубки), как вакуумированные, так и заполненные газом.

Вещество испаряется в зоне a и конденсируется в зоне b, где пар вследствие понижения температуры становится перенасыщенным. Если температурный градиент велик и поток вещества неограничен, то обычно образуется много центров кристаллизации. Ведение затравочного кристалла в таких случаях не эффективно. Все же из многих зародышей, образовавшихся вначале, в процессе роста одни обгоняют другие, так что в результате получается несколько крупных кристаллов на поликристаллическом основании. В таком весьма простом варианте сублимацию использовали для выращивания кристаллов сульфида кадмия, окиси цинка (в проточных и замкнутых системах) и карбида кремния (проточные системы).

Недостаток метода заключается в том, что самые большие кристаллы в процессе роста попадают в горячую зону и дальнейшее их увеличение прекращается. Чтобы избежать этого, контейнер с растущим кристаллом перемещают относительно печи со скоростью, приблизительно равной скорости роста кристалла. Такой метод называют «вытягивание из паровой фазы». Он имеет то дополнительное преимущество, что кристалл растёт при постоянной температуре.

2.2 Химические реакции в газовой фазе

В горячей зоне реакционного сосуда может происходить химическая реакция, если вводить туда по отдельности или вместе компоненты кристалла и их летучие соединения. При достаточно высокой температуре этой зоны, когда пар оказывается ненасыщенным относительно образующейся твёрдой фазы, кристаллизация происходит на сравнительно холодных частях системы.

Условия роста напоминают те, о которых уже говорилось выше. Применение рассматриваемого метода можно проследить на примере выращивания кристаллов сульфида кадмия из смеси водорода, кадмия и сероводорода. Легирование достигается добавлением к газу – носителю пара примесного компонента. Таким путём были получены кристаллы сульфида кадмия, легированные следующими компонентами: галлием, индием, серебром, сурьмой, хлором.

Как указывалось, рост кристалла при постоянной температуре и выдвижении растущего кристалла из горячей зоны, по-видимому, обеспечивает возможность получения более однородных и крупных кристаллов. Однако для получения монокристаллов этот метод ещё не применялся.

2.3 Химические транспортные реакции

Если давление пара компонентов кристалла мало, то в паровую фазу их часто удаётся перевести в виде летучих соединений.

Из пара, содержащего эти соединения, нужные кристаллы выращивают двумя способами, основанными на смещение равновесия кристалл – пар в зависимости от изменения температуры.

Если соединения при высоких температурах проявляют тенденцию к разложению, то нагревание пара до такой температуры приводит к выделению компонентов кристалла и тем самым делает возможным выращивание кристалла.

Например, кристаллы циркония получают при термическом разложении тетраиодида циркония

ZrI4 (г) → Zr (тв) + 2I2 (г)

Термодинамическим условием того, что эта реакция может быть использована для кристаллизации, являются неравенства ∆ Н>0, ∆ S<0, где ∆ Н и ∆ S – соответственно изменение энтальпии и энтропии при реакции. До высокой температуры система нагревается горячей металлической проволокой, на которой и происходит рост кристаллов.

2.4 Выращивание кристаллов из жидкой фазы

Различают четыре метода выращивание кристаллов из жидкой фазы: получение твёрдой фазы из собственного расплава, из растворов в расплаве, из растворов в расплавленной соли или жидком растворителе. Хотя эти методы по существу одинаковы, они обсуждаются раздельно, поскольку имеются различия в способах их практического осуществления.

Страницы: 1, 2, 3, 4