Зарегистрироваться

Синтез минералов

Категории Минералогия | Под редакцией сообщества: Науки о Земле

Синтез минералов – (от греч. synthesis - соединение, составление) - получение минералов искусственным путём. Сегодня человечество создает в лабораторных и промышленных условиях практически все известные минералы (от алмаза до малахита и кварца), для ювелирных и промышленных целей выращивают «минералы» не имеющие аналогов в природе: различные стекла, ИАГ (иттрий-алюминиевый гранат), ГГГ (галлий-гадолиниевый гранат) и др. Хотя в лабораторных условиях синтезированы многие минералы (в виде мелких кристаллов или поликристаллических агрегатов), в промышленных масштабах производится лишь небольшое количество минеральных соединений.

Направление синтеза минералов активно развивается с конца XIX века. Первым выращенным человеком минералом стал рубин, полученный Огюстом Вернейлем в 1891 г. из порошка Al2O3 (корунд) расплавлением (при температуре 21000С) и последующим охлаждением. Отдельные кристаллики имели массу до 15-20 карат. Промышленный выпуск был организован в 1910 г., а этот способ стал называться методом Вернейля. B 80-e гг. такие дешевые по себестоимости синтетические рубины практически полностью заменили природные аналоги в технической и ювелирной промышленности, и каждая любительница украшений имела серьги или кольцо с крупным прозрачным ярко-красным или фиолетовым корундом.

Резко возросший интерес к созданию в искусственных условиях аналогов природных камней обусловлен развитием науки и, прежде всего, истощением природных месторождений многих минералов, увеличением затрат на разведочно-добычные работы, возрастанием объёмов потребления минерального сырья. Важным аспектом также является необходимость использования в промышленности высококачественного материала, не имеющего дефектов. Синтетические камни широко используются в промышленности как полупроводниковые, пьезоэлектрические элементы и др. Сегодня крупномасштабное (сотни тонн) производство кристаллов кварца и корунда полностью удовлетворяет потребности современной техники.

Синтетические алмазы на 90% заменили природные при производстве высокоточных инструментов для медицины и горнодобывающего комплекса. Первые попытки синтеза самого уникального минерала были предприняты М.Фарадеем еще в начале XIX в. (1814 г.). Официально получение первых синтетических алмазов (1953 г.) принадлежит шведской фирмой ASEA : опыт по синтезу алмаза из графита при давлении 8 • 108 МПа и температуре 2500 °С с выдержкой во времени 2 минуты.

В России сегодня ведущим институтом, разрабатывающим методы и технологии по выращиванию минерального сырья, является ВНИИСИМСМ (г. Черноголовка). Синтез минералов осуществляется различными методами из однокомпонентных (преимущественно расплавы) и многокомпонентных (растворы и газовые смеси) систем.

Выделяют 4 группы методов:

1 группа:

  • кристаллизация из расплавов. Основная движущая сила процесса при кристаллизации из расплавов – температурный градиент, т.е. разница температур. Наиболее широко используются метод Вернейля, для синтеза рубинов, сапфиров, шпинели, рутила и др. камней, и метод зонной плавки (или метод горизонтально направленной кристаллизации) в основном для получения гранатов (ИАГ, ГГГ, ИЖГ) с добавлением редкоземельных элементов в качестве красителей.
  • метод Вернейля – наиболее распространённый способ промышленного выращивания различных кристаллов. Кристаллизация и рост минеральных соединений из расплава проводится в надёжно контролируемых условиях на автоматизированном оборудовании и идёт c высокими скоростями (мм в час). Шихта (порошкообразное кристаллизуемое вещество) подаётся сверху из бункера в пламя горелки и в расплавленном виде попадает на торец стержневой вращающейся затравки (були), постепенно опускающейся по мере нарастания кристалла.
  • при использовании метода зонной плавки кристаллизация происходит за счёт последовательного проплавлении слитка исходного вещества.
  • метод вытягивания из раствор-расплава (метод Чохральского) получил большое распространение. Он заключается в том, что в начальной стадии процесса к поверхности расплава подводится затравка, температура расплава в тигле поддерживается постоянной, a вращающийся выращиваемый кристалл медленно вытягивается из расплава. Этим методом выращивают много разновидностей минералов, в т.ч. и не имеющие природных аналогов.

Также в лабораторных условиях используются метод Бриджмен – Стокбаргер и метод холодного тигля, не получившие такого массового использования, как предыдущие.

2 группа:

  • Кристаллизация из насыщенных растворов. Основная движущая сила здесь – это высокие концентрации синтезируемого вещества. Кристаллизация происходит широком диапазоне температур и давлений: низкотемпературные (30-90°C) и перегретые (до 250-600°C) водные растворы, солевые и др. растворы - расплавы с температурами кристаллизации от 600 до 1400°C. Согласно направленностям существуют 4 метода:
  1. Метод синтеза из низкотемпературных водных растворов;
  2. Гидротермальный метод;
  3. Метод синтеза из раствора в расплаве (флюсовый метод);
  4. Метод синтеза из раствора в расплаве при сверхвысоком давлении.
  • Метод синтеза из низкотемпературных водных растворов. Этим методом выращивают благородные опалы: при атмосферном давлении и температуре кристаллизации менее 2000С. Рост кристаллов происходит при образовании осадка. Для быстрого испарения и, следовательно, кристаллизации в качестве «рабочих жидкостей» используют водные растворы с добавлением бутилового спирта и других легко испаряющихся веществ.
  • Гидротермальный метод синтеза осуществляется в тонкостенных сосудах (автоклавах) из жаропрочных сталей. Средой кристаллизации служат кислые и щелочные водные растворы в при давлении от 30 до 200 МПa. В качестве затравки используются небольшие пластинки (2 см). Гидротермальным методом для ювелирных изделий производят цветные разновидности кварцы (зеленые, голубые кристаллы, цитрины, аметисты), кальцит, корунд, сфалерит, содалит, киноварь.
  • Флюсовый метод применяется для выращивания тугоплавких, инконгруэнтно плавящихся (не одновременно) соединений. Флюсовый метод широко используют для выращивания изумрудов, рубинов, сапфиров, а также шеелит, гранат, циркон, цинкит, шпинели. Этим методом синтезирован алмаз (размеры достигают 3-4 мм), для получения кристаллов которого применяются расплавы никеля, марганца, железа при давлениях 5-8 ГПa, создаваемых специальными прессовыми установками. В качестве растворителя используют флюсы – вещества понижающие температуру плавления (легкоплавкие оксиды бора, бария, ванадия, лития и др.). В иридиевых или графитовых тиглях создают флюсы, затем вводят компоненты синтезируемого минерала. Нагревание проходит в электропечах при атмосферном давлении. Кристаллизацию производят охлаждением расплава методом температурного перепада и испарения.
  • Метод синтеза из раствора в расплаве при сверхвысоком давлении используют для синтеза алмаза технического (абразивный материал) и ювелирного (до 10 карат) качества. Температура кристаллизации 1400-16000С и давлении 60000 атм. В качестве шихты используют графит, металлы (железо, кобальт, никель, платину, палладий) и некоторые другие элементы. Для создания таких сложных условий используют гидравлические прессы, снабженные камерами высокого давления.

3 группа:

  • Кристаллизация из паровой (газовой) фазы- рост кристаллов c применением газовой или паровой фазы для доставки кристаллизуемого вещества от локального источника. Основная движущая сила этой группы методов – барический градиент, т.е. разница давления. Многие минералы (галинит, парателлурид и др.) были получены методом объёмной паровой фазы. Среди многочисленных разновидностей этого способа можно упомянуть методы, использующие физическую конденсацию из молекулярных или плазменных пучков, катодное или высокочастотное распыление, синтез в замкнутых объёмах или в потоке инертных газов.
  • Метод сублимации применяется для синтеза муассонита (карбид кремния) – имитации алмаза. Основной элемент синтеза – пропускание пучка электрического тока между электродами со слоем шихты. При этом происходит переход вещества из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое. А затем при охлаждении вещество конденсируется из газовой фазы на затравку и происходит рост кристалла.

4 группа:

Кристаллизация в твердой фазе. Сложный многоэтапный способ синтеза, имеющий несколько факторов кристаллизации (давление, концентрация и др.):

  1. Подбор химических соединений или природных материалов, отвечающих в химическом отношении синтезируемому минералу.
  2. Смешивание измельченных подобранных материалов в стехиометрических соотношениях;
  3. Пропитка полученной массы клеящими красителями соединяемыми катализаторами;
  4. Нагревание до температуры 1000С, прессовка гидравлическим прессом. Создание повышенной температуры ведет к отжигу, который способствует диффузии хромофоров в кристаллическую массу, созданию однородной структуры.

Метод кристаллизации в твердой фазе применяется для изготовления бирюзы, лазурита, жадеита, родонита и других непрозрачных камней.

Существуют и другие, менее широко распространённые методы синтеза, различные сложные модификации и комбинации нескольких методов.

 

Литература.

Чирвинский П. H., Искусственное получение минералов в XIX столетии, K., 1903-06;

Cовременная кристаллография, т. 3, M., 1980;

Cинтез минералов, т. 1-2, M., 1987.

Курс лекций по синтезу минералов РГГРУ (МГГА). Мельников Е.П.,2003.

Эта статья еще не написана, но вы можете сделать это.