книги из ГПНТБ / Жилинский, Г. Б. Искусственные минералы
.pdfСлиток искусственного фторфлогопита, полученного учеными в лабораторных условиях. По техническим качествам превосходит минералы природных слюд
внутреняя часть которых сложена радиально располо женными кристаллами, как бы исходящими из центра сферолита. Из природных минералов такой текстурой наиболее часто обладает марказит — лучистый колче дан (разновидность сернистого колчедана — пирита). Из искусственных минералов подобная текстура прису ща кристаллическим образованиям ментола — насы щенного вторичного спирта с запахом мяты и освежаю щим вкусом. Обычно он используется в косметических изделиях, зубных порошках и пастах.
Другой разновидностью строения природных мине ралов служат разнообразные полосчато-ритмические текстуры. Иногда они встречаются в виде чередующих ся сфер или колец. Это происходит тогда, когда крис таллизация идет от одной точки. Если мы встречаем чередующиеся слои, то значит кристаллизация проис ходила от плоской поверхности. Образование полосча то-ритмичных текстур объясняется тем, что при повы шении температуры коллоидного раствора поверхност ное натяжение жидкости уменьшается и некоторое ее количество с меньшим поверхностным натяжением от ходит к внешним частям раствора, где наблюдается большее поверхностное натяжение. Из природных обра зований такими текстурами обладают минералы груп пы халцедона — скрытокристаллической разновиднос ти кварца. Они возникают в зонах выветривания коренных пород при образовании осадочных пород и из гидротермальных растворов. Тонкополосчатые халцедо ны называются агатами. Если их распилить, то мы увидим очень красивый по окраске и форме концентри ческих окружностей рисунок. При этом рисунок одного агата никогда не повторяется в других. Обычно халце доны и агаты используются как поделочные камни, а также в технических целях для изготовления опорных
2 -547 |
33 |
призм и подшипников для точных физических прибо ров, лабораторных ступок и т. п.
Следует отметить, что часто у природных и редко у искусственных кристаллов бывают внутренние и внеш ние несовершенства. Это происходит вследствие различ ных факторов, влияющих на внутреннее и внешнее строение растущих кристаллов. В геологической прак тике трудно, а нередко и невозможно установить влия ние того или иного фактора на изменение геометричес ки правильных форм кристаллов. Мы можем констати ровать лишь две основные причины : расщепление кристаллов во время роста и сращивание двух крис таллов.
В первом случае какая-либо крупинка, захваченная кристаллом, находясь недалеко от его поверхности, на чинает мешать его росту. При понижении температуры кристаллизационного раствора крупинка будет действо вать как клин, расщепляющий кристалл. Трещина или зарастает, или остается свободной, но в любом случае расщепленные участки грани кристалла будут распола гаться под некоторым углом друг к другу. Это одна из причин возникновения дополнительных граней крис талла, не свойственных геометрическим формам данно го минерального образования, которые строго подчине ны законам развития его кристаллической решетки.
Второй причиной образования дополнительных гра ней может быть сращение кристаллов. Ученые полага ют, что при идеальном росте кристалла отлагающиеся на его грани ионы, атомы и молекулы располагаются в строго определенном порядке. В природных условиях кристаллы (особенно при параллельном срастании) имеют на своих гранях мелкие приросшие кристалли ки. В то же время между гранями сросшихся кристал лов появляются различные, хотя и небольшие углы. При дальнейшем росте возникают грани, которые мож-
34
но принять за истинные для данного минерала. Толь ко исследования под микроскопом позволяют устано вить такие искажения внешних объемных форм кри сталла.
Таким образом, природные минералы не всегда имеют такие объемные формы, какие мы можем полу чить, выращивая кристаллы тех же минералов в лабо раторных условиях. История изучения естественных минералов и кристаллов показывает, что в природе не существует абсолютно чистых кристаллических веще ств. В них всегда в больших или мёньших количествах присутствуют примеси, которые изменяют многие их свойства (в том числе и цвет). При синтезировании искусственных минералов мы также не можем избе жать в полной мере их засорения, так как даже самые чистые вещества, используемые в опытах, абсолютно не стерильны. В них в тысячных или десятитысячных долях присутствуют посторонние примеси. Но, тем не менее, искусственные кристаллы в несколько раз чище природных, хотя и имеют одинаковые основные хими ческие составы. Это значительно изменяет свойства искусственно полученных кристаллических веществ. Поэтому каждый синтезированный в искусственных условиях кристалл содержит много нераскрытых тайн и представляет интереснейший объект для специально го изучения. В этих кристаллах зачастую открываются чудесные свойства, которыми не обладают никакие другие вещества. Такие свойства кристаллов, как полу проводимость, преломление света, способность накапли вать электрическую энергию, превращать электричес кие колебания в звуковые или световые, сверхвысокая твердость или чрезвычайная мягкость и так далее, ши роко используются в новой технике.
Транзисторы, лазеры, ультразвук, ночное видение и приборы, регистрирующие тепловое излучение, не мог-
2* |
35 |
ли бы существовать, если бы не было создано соответ ствующих искусственных монокристаллов.
Пожалуй, в этом смысле наш век вполне закономер но было бы назвать веком технических кристаллов.
СИНТЕЗ
МИНЕРАЛОВ
Как отмечалось выше, физические свойства мине ралов и кристаллов тесно связаны с их структурой. Чем это объясняется?
Рентгеновские исследования минералов позволили установить, что основными элементами их строения являются не молекулы, а атомы. Положение последних в кристаллических решетках веществ определяется си лами их взаимного притяжения и ограничивается раз мерами электронных оболочек атомов. Силы взаимодей ствия между атомами слагаются из электростатических сил разно заряженных ионов (валентные связи); при тяжения электронов одного атома к ядру другого; наличия общих электронов у нескольких ядер близко расположенных атомов.
При равновесии атомарных сил в результате строго определенной компановки ядер атомов минерала соз даются минеральные образования определенных стек ловидных, полиморфных или кристаллических струк тур. Поскольку эти твердые вещества получались из растворов и расплавов, в которых атомы имели хаотич ное движение, то на строение таких структур большое влияние оказывали изменения температуры и давле ния. Разрушить созданные структуры веществ можно также путем изменения их температуры и давления. Так сверхтвердый алмаз при нагревании до
36
900—1000°С без доступа воздуха превращается в самое мягкое вещество — графит, который, когда мы его бе рем, пачкает нам руки. Такое изменение структуры минералов, имеющих одинаковый химический состав, называется полиморфным превращением вещества.
Ознакомившись со структурой минеральных обра зований, рассмотрим вопрос их зарождения и созда ния.
В переохлажденных растворах и расплавах мине ралы возникают самопроизвольно. Это связано с нали чием в жидкостном состоянии вещества нерастворимых кристаллических пылинок, структура которых близка к структуре зарождающихся минералов. В лаборатор ных условиях стремятся избежать подобных явлений и проводят опыты в закрытых сосудах, вводя в раство ры и расплавы кристаллы — «затравки». Кристалл вы ращивается на затравочном кристалле с заданной его ориентировкой. «Затравка» вводится в кристаллизатор в нужный момент. Любой бесформенный обломочек минерала, помещенный в пересыщенный раствор, пер воначально покрывается большим числом мелких гра ней, которые создают впечатление шероховатой поверх ности. Затем они растут, превращая обломок в вы пуклый многогранник. В конечном итоге происходит естественный отбор «жизнеспособных» в данных усло виях зародышей, граней. Мы получаем прекрасно огра ненный кристалл. Последний будет расти в строгом соответствии со структурой своей кристаллической решетки, но в разных направлениях с различной ско ростью. Обычно в удлиненных (призматических) кри сталлах интенсивно растут боковые грани и очень медленно — вершины. Поэтому, чтобы игольчатый кристалл имел достаточную толщину, следует исполь зовать широкие «затравки», которые получают с по мощью специальных приемов.
37
При «выращивании» различных искусственных ми нералов обычно моделируются те условия, в которых они встречаются в природных образованиях. Это п е- ресыщенные солевые растворы, которые существовали в водных бассейнах различных геологи ческих эпох, либо магматические расплавы, характерные для магматических процессов в недрах земли , или газовожидкие (гидротермаль ные) растворы, проникавшие в горные породы по мелким трещинам или концентрировавшиеся в закры тых мелких «камерах» в твердой оболочке земли. Чем сложнее условия, породившие минералы, тем труднее воспроизвести их в лабораторных условиях и получить нужное нам кристаллическое вещество.
Выращивание кристаллов в открытых сосудах — наиболее простой способ и заключается в том, что кри сталлы выращиваются из насыщенных растворов пу тем искусственного их пересыщения при изменении температуры.
Для наглядности проведем такой опыт. В кружку нальем 150—180 граммов воды (неполный граненый стакан) и нагреем, чтобы вода стала теплой. Затем растворим в ней столовую ложку поваренной соли. По лученный раствор перельем в чашку и поставим ее на подоконник. Опустим в раствор тонкую нитку и оста вим эту «лабораторную установку» на несколько дней. Через 2—3 дня на нитке обнаружим мелкие кристалли ки соли, а через 5—7 дней они станут крупнее. Мы по лучили кристаллы правильной огранки из охлажденно го ниже температуры насыщения пересыщенного раст вора.
Большинство солей хорошо растворимо в воде, но их растворимость не беспредельна. Раствор, неспособный больше растворять в себе соль при данной температуре, называется насыщенным. Если его немного охла
38
дить, то в нем значительно повысится концентрация солей: он станет пересыщенным. Обычно пересыщен ные растворы солей в закрытой посуде могут сохранять ся очень долго, но если в них ввести обломок кристалла той же соли, которой насыщен раствор и кристалл ко торой мы желаем получить из данного раствора, то он будет расти прямо на глазах.
Профессор А. А. Штернберг в книге «Кристаллы в природе и технике» (1961), описывая способы получения виннокислого калия-натрия (сегнетовой соли), отмеча ет, что уже в первые сутки можно увидеть, как от об ломка «затравочного» кристалла подымаются струи истощенного (уже непересыщенного) и потому более лег кого раствора. На следующие сутки в этих местах на кристалле появляются углубления. Это связано с тем, что при соприкосновении кристалла с истощенным раст вором в этих местах минералу не хватает материала для роста. В то же время нижняя часть «затравочного» кристалла, которая омывается пересыщенным раство ром, растет совершенно прозрачной. Уже на этом про стейшем примере видим, как человек может управлять ростом кристаллов. Для исключения неравномерного роста кристалла из раствора разработаны следующие методы их выращивания.
Статический метод заключается в том, что выращивание крупных и однородных кристаллов на дне сосуда осуществляется путем постепенного, медлен ного понижения температуры пересыщенного раствора с таким расчетом, чтобы компенсировать снижение концентрации раствора у растущих граней кристалла, вызванное их ростом.
Более совершенным методом является выращивание кристаллов в динамическом режиме, когда раствор непрерывно перемешивается или в нем непре рывно вращается кристаллическая «затравка». Приме
39
няются различные способы перемешивания и враще ния, связанные с получением определенных форм кристаллов и со скоростями роста их граней. Все они позволяют выращивать значительные по размеру и со вершенные по огранке кристаллы.
Для выращивания кристаллических образований нужных нам форм, например, с одной строго горизон тальной гранью используется следующий метод. Па раллельно одной из медленно растущих граней «затравочного» кристалла на дно сосуда помещается прямоугольник или диск. «Затравка» по мере охлажде ния раствора восстанавливает единственную грань, а боковые ее части дорастают до стенок сосуда. Кристал лическое вещество растет вверх по стенкам сосуда, при обретая нужную нам форму. При этом методе выращи вания кристаллов предъявляются жесткие требования к чистоте раствора. Однако он очень удобен для про мышленного конструктивного выращивания минераль ных образований.
В качестве примера практического применения спо собов получения искусственных минералов из раство ров следует привести производство крупных кристаллов сегнетовой соли. Из них изготовляют мощные излуча тели ультразвука и чувствительные приемники отра женных ультразвуковых колебаний, позволяющие оп ределять местонахождение рыбных косяков в океане или вести в море поиски россыпных месторождений. Кристаллы сегнетовой соли не известны в окружающей нас природе. Точно такими же методами получают и известные в природе образования: крупные кристаллы кальцита, арагонита, цвасцов, селитры и многих других веществ. При этом стоимость их получения искусствен ным путем значительно ниже, чем добыча из недр зем ли, а качество лучше.
Выращивание кристаллов из расплавов. Способы
40
получения минеральных образований из высокотемпе ратурных расплавов значительно сложнее, чем из растворов. Здесь необходима специальная аппаратура, позволяющая изменять в широких пределах темпера турный режим и давление в установках, где выращива ются кристаллы. В настоящее время известно более 20 методов выращивания кристаллов из расплавов, суть которых заключается в том, что монокристаллы как бы «вытягиваются» из расплава вслед за затравоч ным минералом. При этом образуется однородный кри сталлический слиток цилиндрической или плоской формы. Некоторые, ставшие традиционными методы (Таммана, Обреимова и Шубникова, Стрелкова, Капи цы, Киропулоса, Штебера, Чохральского, Бриджмена, Стронга), разработаны на указанной основе и отлича ются лишь конструктивными особенностями печей, тиг лей (ванночек для расплавов), стержней для подвески кристаллообразующих «затравок», систем их подъема и опускания, способов охлаждения и т. п. Однако все эти методы пригодны лишь для получения сравнитель но легкоплавких минеральных образований. Они ис пользуются для производства металлических моно кристаллов цинка, меди, свинца, олова, висмута, гер мания и других металлов и оптических кристаллов. При этом важно то, что получаемые таким путем кристаллы гораздо чище по химическому составу рас плава, из которого они выращены. Этот метод исполь зуется также для «выращивания» особо чистых кри сталлов германия (применяется в качестве полупровод ников в радиопромышленности), которые должны быть чище, чем самые чистые специально изготовляемые реактивы.
Другим примером «выращивания» кристаллов из расплавов служит получение крупных кристаллов флюорита и фтористого лития, которые используются
41