Wypełnione przez uczniów gr. PK-21 Vlasov Yu.A., Makhvienya S.O.
Białoruski Państwowy Uniwersytet Transportu
Katedra Konstrukcje budowlane, fundamenty i fundamenty
Sztuczna produkcja minerałów jest znana. Pozwala to z jednej strony na badanie procesów powstawania minerałów, z drugiej na uzyskanie niezbędnych w praktyce substancji mineralnych, które są szeroko stosowane w technologii materiałów budowlanych.
Sztucznie (metodą syntezy) można uzyskać minerały występujące w warunkach naturalnych (diament, korund, kwarc itp.) Oraz minerały, które nie występują samodzielnie w warunkach naturalnych (alite, belit itp.) , ale są częścią różnych produktów technicznych, takich jak cementy, materiały ogniotrwałe itp.
Niektóre minerały naturalne pozyskiwane sztucznie
Metody syntezy minerałów naturalnych można podzielić na dwie grupy:
1) synteza prowadzona w warunkach normalnego ciśnienia.
2) synteza prowadzona pod podwyższonym ciśnieniem.
Obecnie produkcja sztucznych minerałów sprowadza się do następujących procesów:
1) krystalizacja stopu;
2) reakcje z udziałem składników gazowych;
3) pozyskiwanie minerałów w obecności roztworów wodnych;
4) otrzymywanie minerałów w wyniku reakcji w środowisku stałym.
Metody syntezy minerałów wymagają specjalnego sprzętu, są czasochłonne i bardzo pracochłonne. Ogólnie rzecz biorąc, problem syntezy minerałów jest nadal daleki od rozwiązania.
Jednak w chwili obecnej wielu badaczom z krajów WNP udało się uzyskać szereg cennych minerałów, które przestały być własnością laboratoriów i zostały opanowane przez przemysł.
Poniżej znajduje się krótki opis sztucznych minerałów występujących w produktach technicznych (cementach, materiałach ogniotrwałych itp.) Oraz niektórych kryształach o wysokiej wytrzymałości. Wiele z tych minerałów znajduje się w różnych produktach technicznych. W związku z tym ich opis podano według grup minerałów, wyróżniających się składem chemicznym (tabela 2).
Sztuczne minerały produktów technicznych i kryształy o wysokiej wytrzymałości (tabela 2)
Wollastoipt Pseudovollastonite Rankinite
3 CaO ∙ SiO 2 2 CaO ∙ SiO β – CaO – SiO 2 α – CaO ∙ SiO 2 3 CaO -2 Si 02
Trzy glinian wapnia Pięć glinianów wapnia Jeden glinian wapnia Jeden dwa gliniany wapnia
ЗСаО ∙ А12О3 5 CaO ∙ 3 Al 2 O 3
CaO ∙ Al 203 CaO ∙ 2 Al 2 O 3
Krzemiany wapnia i magnezu
Od CaO-Fe2O3 do 8CaO-3 Al2O3-Fe2O3
Pojedynczy ferryt wapniowy Podwójny ferryt wapniowy
Tlenki i wodorotlenki
Tlenki i hydroksyle
Wapno (wolny tlenek
Wapno (wolny tlenek wapnia) Portlaidyt (wodzian tlenku wapnia)
Peryklaz (tlenek magnezu) Krzemionka Trydymit Krystobalit
SiO 2 Si 02 Si 02
Gips i produkty jego odwodnienia
Gips α-półwodzian β-półwodzian Anhydryt
CaS04.2H20 CaSO4-0,5H20 CaSO4-0,5H2O CaSO4
Inne związki wapnia
Węgliki wolframu Węgliki molibdenu Azotek niobu Węglik boru Węglik krzemu
WC i W 2 C Mo 2 C i MoC Nb 3 N 5 B 4 C SiC
Sztuczne minerały produktów technicznych.
Alite (krzemian trójpierścieniowy) 3CaO ∙ SiO2 to bezbarwne drobne kryształki w postaci sześciokątnych płytek lub graniastosłupów (czasem igiełkowatych) z niejasnym rozszczepieniem w jednym kierunku (ryc. 1). System jest trygonalny. Kryształy często wykazują strukturę strefową, co jest szczególnie widoczne podczas badania preparatów w świetle odbitym. Wymieranie jest bezpośrednie lub pod niewielkim kątem. Jednowarstwowe współczynniki załamania światła Ng = 1,772, Np = 1,718, podwójne załamanie jest małe: Ng-Np = 0,004. Znak optyczny kryształu jest ujemny.
Twardość alitu w skali Mohsa waha się od 5 do 6, a ciężar właściwy wynosi 3,2. Jest głównym minerałem klinkieru portlandzkiego, a także wchodzi w skład dolomitowych materiałów ogniotrwałych. Można go łatwo uwodnić i rozłożyć kwasem solnym, pod wodą może stwardnieć.
Belit (krzemian diwapniowy) 2СаО • 5SiO2 w trzech formach: α-, β- i γ-oraz zgodnie z danymi optycznymi α i β są do siebie bardzo podobne, a przejściu do formy γ towarzyszy ostry Zmiana właściwości form α i β tworzą regularne, zaokrąglone ziarna, często pryzmatyczne, z łukiem pryzmatycznym (ryc. 1). W wielu przypadkach belite charakteryzuje się złożoną bliźniaczą strukturą i ciemnymi wtrąceniami o prawidłowej orientacji. W cienkich odcinkach te formy są żółtawe. Dzięki rozpuszczonym Fe2O3 i Cr2O3 ziarna nabierają brązowego lub zielonego koloru.
Postać β belitu pod mikroskopem obserwuje się w postaci trzech odmian: 1) ziaren z dwoma lub trzema układami wzajemnie przecinających się prążków, z których każda składa się z równoległych linii, 2) form z jednym układem płytek bliźniaczych; 3) ziarna niespójne.
Wskaźniki preferencji dla form α i β: Ng = 1,735, Np = 1,717, Ng – Np = 0,018, znak optyczny jest dodatni. Ciężar właściwy wynosi 2,974.
Figa. 1 kryształki belitu w klinkierze (210X)
γ-2СаО ∙ ЗSiO2 (felit) ma wygląd pryzmatyczny z łukiem wzdłuż pryzmatu; bezpośrednie wyginięcie; współczynniki załamania światła: Ng = 1,654, Np = 1,642, Ng – Np = 0,012. Ta forma niskotemperaturowa, powstająca z formy β w 675 ° C, ma gęstość o około 10% mniejszą niż gęstość α- i β-belitu, dlatego transformacji tej towarzyszy zniszczenie substancji do stanu drobnego pyłu. Pojawienie się felitu w spajających skałach i materiałach ogniotrwałych jest niepożądane, ponieważ forma ta jest nieaktywna pod względem zdolności do hydratacji i utwardzania, aw niektórych przypadkach (dolomitowe materiały ogniotrwałe) prowadzi do zniszczenia. Woda nie wpływa na formę γ, łatwo rozkłada się pod wpływem kwasów.
Belit występuje w znacznych ilościach w klinkierze portlandzkim, żużlach, dolomicie i materiałach ogniotrwałych magnezjowo-dolomitowych. Cement portlandzki z dużą zawartością belitu charakteryzuje się powolnym utwardzaniem, ale jest odporny na destrukcyjne działanie agresywnych wód.
Wollastonit β-СаО ∙ 5 SiO 2 i pseudowollastonit α-СаО-5 SiO 2 to krzemiany monowapniowe. Wollastonit jest minerałem naturalnym, powstaje również podczas dewitryfikacji niektórych szkieł technicznych. Kryształy są igiełkowe, kwadratowe i włókniste z rozszczepieniem równoległym do wydłużenia. System jest jednoskośny. Ng = 1,631, N p = 1,616, Ng – N p = 0,015. Znak optyczny jest ujemny. Wygaśnięcie jest równoległe do wydłużenia. Figa. 2. Pseudovollastonit w szkle (74 X) Ciężar właściwy 2.915. Nie rozkłada się w wodzie, łatwo rozpuszcza się w kwasach.
Pseudovollastonit ma kształt okrągłych ziaren lub sześciokątnych bezbarwnych płytek z wyraźnie widocznymi pęknięciami i czasami z bliźniakami polistyntetycznymi (ryc. 2). Ciężar właściwy wynosi 2,912. Ng = 1,654, Np = 1,610, Ng – Np = 0,044, znak optyczny jest dodatni. Kolory interferencyjne są jasne (czerwienie, zielenie, żółcie). Oba minerały są charakterystyczne dla żużli.
Rankinit ZCaO • 2SiO2 (dwukrzemian trójwapniowy) występuje w zasadowych i kwaśnych żużlach wielkopiecowych w postaci okrągłych, nieregularnych w zarysie ziaren, widocznie o układzie rombowym (?). W niektórych przypadkach rankinite wytwarza duże porfirowe wydzieliny. Współczynniki załamania: Ng = 1,650, Np = 1,641, słaba dwójłomność: Ng -Np = 0,009, znak optyczny jest dodatni.
Do tej grupy zalicza się kilka minerałów: glinian trójwapniowy, trójglinian pentakwapnia, monoglinian wapnia i dwuglinian monowapniowy.
Glinian trójwapniowy ЗСаО • А12О3 krystalizuje w układzie sześciennym i tworzy izometryczne bezbarwne drobne ziarna o prostokątnych lub sześciokątnych konturach i niedoskonałej szczelinie. Związek ten może być również w stanie bezpostaciowym.
Trójglinian pięciowapniowy 5CaO • ZA12Oz krystalizuje w układzie sześciennym w postaci okrągłych, rzadziej trójkątnych ziaren bez łupiny. Bezbarwny, intensywnie zielony w składzie żużli. Optycznie izotropowy, N = 1,608. Zestaw molekularny rozpuszcza się w sobie do 2% Fe2O3, zastępując A1203, a następnie N = 1,613. Twardość 5, ciężar właściwy 2,69-2,71.
Niestabilna postać pięcioglinianu wapnia jest zwykle reprezentowana przez igiełkowate lub tabelaryczne osobniki układu rombowego, które często są gromadzone w sferolitowych promieniach zlepionych. Kryształy w przezroczystych, cienkich odcinkach mają bladozielony kolor z wyraźnym pleochroizmem od oliwkowo-szarego do niebieskawo-zielonego odcienia. Ng = 1,692, Np = 1,687, Ng-Np = 0,005. Wymieranie jest bezpośrednie.
Trójglinian pięciokątny wchodzi w skład żużli wielkopiecowych tlenku glinu, klinkierów tlenku glinu i cementu portlandzkiego, w tym ostatnim nie występuje w postaci samodzielnych wydzieleń.
Glinian monowapniowy CaO • A12O3 tworzy tabelaryczne prostokątne zarysy, bezbarwne kryształy z rozszczepieniem w jednym kierunku. Często obserwuje się złożone i pseudoheksagonalne potrójne przerosty. Rozpad płyt jest bezpośredni; Ng = 1,663, Np = 1,643, Ng – Np = 0,020; znak optyczny jest ujemny. Może rozpuszczać się w sobie do 15% CaO • A12O3, przy Ng = 1,720 i Np = 1,70. Ciężar właściwy wynosi 2,981. Jest to główna mineralogiczna część cementu glinowego i jest częścią żużla wielkopiecowego.
Dwuwapnian jednowapniowy CaO 2A12O3 tworzy jednoskośne, bardzo wydłużone, igiełkowe lub pryzmatyczne kryształy, czasami długie na kilka milimetrów. Bezbarwny. Posiada duży kąt ekstynkcji (do 31 °), dzięki czemu jest łatwy do rozpoznania. Współczynniki załamania: Ng = 1,654, Np = 1,617, wysoka dwójłomność – 0,035. Optycznie pozytywny. Obecny w klinkierze cementowo-glinowym.
Helenit 2CaO • A12O3 • 51O2 krystalizuje w kwadratowym układzie kryształów i daje przezroczyste, bezbarwne płytki lub pryzmaty, z wyraźnie widocznym rozszczepieniem zlokalizowanym w poprzek wydłużonych kryształów. Czasami tworzy szkieletowe formy wzrostu w kształcie krzyża. Współczynniki załamania światła: Ng = 1,669, Np = 1,658. Dwójłomność jest umiarkowana: Ng – Np = 0,011. Kolory interferencyjne są białawo-żółte, a znak optyczny jest ujemny. Jednoosiowe. Rozkłada się w kwasie solnym. W cementach glinowych żelenit znajduje się pomiędzy kryształami glinianu monowapniowego lub w nich rośnie. Zgodnie ze swoimi właściwościami należy do obojętnej części cementu. Typowy minerał żużla wielkopiecowego (rys. 3).
Mullit ZA12O3 • 5Yu2 tworzy igiełkowate, pryzmatyczne lub włókniste kryształy z wyraźnie rozróżnialnym i doskonałym łukiem. System jest rombowy. W czystej postaci jest bezbarwny, ale często z zanieczyszczeń Fe2O3 i SiO2 nabiera różowego lub niebieskawego koloru.
Zanieczyszczenia te prowadzą do wzrostu załamania światła do Ng = 1,682, Np = 1,661 i Ng – Np = 0,021, natomiast w czystych kryształach mulitu Ng = 1,654, Np = 1,642, Ng – Np = 0,012. Optycznie pozytywny.
Krzemiany wapnia i magnezu
Monticellit CaO • MgO • 2SiO2 krystalizuje w układzie rombowym i daje w naturze i produktach technicznych bezbarwne pryzmatyczne ziarna o słabym niewyraźnym rozszczepieniu. System jest rombowy. Ciężar właściwy 3.2. Właściwości optyczne nie zostały wystarczająco zbadane. Współczynniki załamania światła w postaci 10% roztworu stałego 2MgO ∙ 5SiO2 przyjmują następujące wartości: Ng = 1,655-1,651, Np = 1,638-11,640, Ng-Np = 0,015, znak optyczny jest dodatni. Występuje w różnych żużlach.
Celit (glinoferrit wapnia) jest kryształem, którego skład może wahać się od 8CaO • 3A12O3 • Fe2O3 do CaO • Fe2O3. Kryształy celitu w klinkierze portlandzkim wypełniają luki między alitem a belitem, czasami tworząc najlepsze kiełkowanie z innymi pomniejszymi minerałami. Mają kształt graniastosłupa lub zaokrąglony, układ rombowy, kolor od jasnobrązowego do ciemnobrązowego. Na cienkich odcinkach wyraźnie zaznacza się pleochroizm od jasnożółtych do ciemnobrązowych odcieni; kąt ekstynkcji jest bardzo mały. W świetle odbitym celit silnie odbija światło, dzięki czemu wydaje się mieć jasny kolor.
Według N.A. Toropova (1950), w klinkierze o podwyższonej zawartości tlenku żelaza skład celitu zbliża się do 2CaO ∙ Fe2O3 w zwykłym klinkierze – do 4CaO ∙ A12O3 ∙ Fe2O3 i 8CaO ∙ ZA12O3 ∙ Fe2O3.
Współczynniki refrakcji dla 4CaO ∙ A12O3 ∙ Fe2O3 (odmiana o nazwie brownmillerite): Ng = 2,08, Np = 1,98, Ng – Np = 0,10. Od zawartości 1-2% MgO (peryklazy) w nim załamanie światła nieznacznie się zmniejsza, a klinkier nabiera charakterystycznego zielono-szarego koloru. Ciężar właściwy wynosi 3,77. Obecność brownmilleritu zmniejsza egzotermiczny efekt twardnienia cementu portlandzkiego. Występuje również w żużlach.
W tej grupie znajdują się dwa minerały: ferryt jednowapniowy CaO ∙ Fe2O3 oraz ferryt dwuwapniowy 2CaO ∙ Fe2O3. Oba pełnią rolę mineralizatorów w różnych materiałach ogniotrwałych i niektórych typach cementu portlandzkiego.
Ferryt monowapniowy CaO ∙ Fe2O3 to długie, igiełkowate kryształy, słabo przezroczyste pod mikroskopem. System jest kwadratowy lub sześciokątny. Kolor jest czarny, a pudrowy intensywnie czerwony. Współczynniki załamania: Ng = 2,465, Np = 2,345, wysoka dwójłomność: Ng – Np = 0,120. Ferryt w stanie stałym może rozpuścić się w sobie do 10% CaO ∙ A12O3, a następnie współczynniki załamania światła spadają: Ng = 2,25, Np = 2,13, a dwójłomność Ng – Np = 0,12. Rozpuszcza się w kwasach. Występuje w składzie klinkieru cementowo-glinowego.
Ferryt dwuwapniowy 2CaO ∙ Fe2O3 krystalizuje w postaci czarnych kryształów, które w cienkich odcinkach mają żółtawo-brązowy kolor. Brak rozszczepienia Ng = 2,29, Np = 2,20, Ng – Np = 0,090. Optycznie pozytywny. Rozpuszcza się w kwasie solnym.
Ferryt dwuwapniowy nie twardnieje podczas hydratacji. Powstaje w materiałach ogniotrwałych z dolomitu, w cemencie portlandzkim i żużlach. W masach ogniotrwałych magnezytu jest stosowany jako przyspieszacz spiekania peryklazu.
Tlenki i wodorotlenki
Peryklaza (tlenek magnezu) MgO występuje w postaci małych okrągłych kryształów oktaedrycznych lub sześciennych. Rozszczepienie wzdłuż płaszczyzn sześcianu. Czysta peryklaza jest bezbarwna; po częściowym rozpuszczeniu w niej tlenków żelaza nabiera żółtawego koloru. Minerał jest izotropowy, o współczynniku załamania światła N = 1,734-1,737. Trudno go rozpoznać po przezroczystej cienkiej sekcji. Jest określany podczas wytrawiania powierzchni cienkiego przekroju ze względu na jego wysoki współczynnik odbicia. Ciężar właściwy wynosi 3,58. Peryklaz jest najważniejszym składnikiem materiałów ogniotrwałych magnezytu i dolomitu, przenika także do klinkieru cementu portlandzkiego, żużli itp. Czasami w kryształach peryklazy, na przykład w magnezycie spiekanym, obserwuje się ciemne punktowe wytrącenia magnezytu.
Krzemionka 5SiO2 występuje w produktach technicznych w postaci różnych form polimorficznych, z których główne to kwarc, trydymit, krystobalit i szkło krzemionkowe. Mineralny kwarc, który jest niskotemperaturową formą SiO2 (powstałą poniżej 573 ° C) Rozważmy charakterystykę innych form.
Trydymit jest formą SiO2 o umiarkowanej temperaturze. Kwarc przekształca się w trydymit w temperaturach powyżej 870 ° C. Kryształy są bezbarwne lub jasnoszare, w postaci płytek lub wydłużonych płytek, często z charakterystycznym tworzeniem się bliźniaków w kształcie włóczni. Wielkość ziarna może dochodzić do 3-4 mm. Układ jest rombowy, ciężar właściwy 2,27, Ng = 1,473, Np = 1,469,. Ng-Np = 0,004.
W dinasach zawartość tndymitu sięga 50–70%. Przejściu SiO2 do formy trydymitu towarzyszy znaczny wzrost objętości. Występuje również w żużlach.
Szkło krzemionkowe występuje, gdy stopiona krzemionka jest wystarczająco szybko schładzana. Może być bezbarwny lub mleczny, to ostatnie spowodowane jest pęcherzykami powietrza. Szkło jest izotropowe. N = 1,459, ciężar właściwy 2,203. Stabilny w kwasach (z wyjątkiem kwasu fluorowodorowego i fosforowego). Szkło krzemionkowe jest szeroko stosowane jako materiał izolacyjny, kwasoodporny, ognioodporny i elektroizolacyjny.
Gips i produkty jego odwodnienia
Gips CaSO4 ∙ H2O i anhydryt CaSO4 to naturalne utwory. Wśród produktów odwodnienia gipsu wydzielają się substancje krystaliczne: α-półwodzian (CaSO4 ∙ 0,5H2O), β-półwodzian (CaSO4 ∙ 0,5H2O), γ-odwodniony półwodzian, β- odwodniony półwodzian, α-anhydryt (CaSO4), β-anhydryt i γ-anhydryt nierozpuszczalny.
α-Półwodzian CaSO4 ∙ 0,5H2O otrzymuje się przez ogrzewanie gipsu pod ciśnieniem 120-125 atm. W tym przypadku bezbarwne kryształy powstają w postaci wydłużonych igieł lub sześciokątnych graniastosłupów z poprzecznymi paskami (ryc.6). System jest jednoskośny. Współczynniki refrakcji wzrastają podczas odwodnienia: Ng = 1,584, Np = 1,559. Wysoka dwójłomność: Ng – Np = 0,025.
Figa. 6. Produkt wypalania α-półwodzianu przy 150 ° (150X)
Ciężar właściwy wynosi 2,72-2,73. Główny składnik gipsu wysokotemperaturowego.
β-Półwodzian CaSO4 ∙ 0,5H2O powstaje, gdy gips jest podgrzewany w powietrzu do 120 ° C, a woda jest tracona w postaci fazy gazowej. Daje drobnoziarnistą lub włóknistą masę bezbarwnych kryształów. Ng = 1,556, Np = 1,550, Ng – Np = 0,006. Ciężar właściwy wynosi 2,67-2,68. β-półwodzian jest mniej stabilny niż α-półwodzian. Główny składnik gipsu.
Anhydryt CaSO4 to sztuczny minerał, tzw. Anhydryt rozpuszczalny, powstający podczas odwadniania półwodzianów w temperaturach powyżej 220 ° C. Występuje w dwóch modyfikacjach – α i β. Różni się właściwościami od naturalnego rozpuszczalnego anhydrytu. Rozpuszczalny anhydryt jest pryzmatyczny o bezpośredniej ekstynkcji i dodatnim wydłużeniu. Współczynniki załamania światła dla α-anhydrytu: Ng = 1,570, Np = 1,554, dla β-anhydrytu: Ng = 1,570, Np = 1,546. Rozpuszczalne anhydryty szybko uwadniają się w powietrzu.
Gips i produkty jego odwodnienia są szeroko stosowane jako spoiwo, materiał do formowania itp.
Inne związki wapnia
Sztuczne kryształy o dużej wytrzymałości
Sztuczne kryształy o wysokiej wytrzymałości są stosowane w technologii jako materiały tnące i ścierne. Znanych jest już ponad 40 takich kryształów, są to różne węgliki, azotki, wodorki i borki. Ich twardość w skali Mohsa przekracza 7.
Węglik boru – stały roztwór boru, B4C. Wygląd kryształów jest romboedryczny ze ścięciem przez pryzmaty i piramidy. System jest sześciokątny. Ciężar właściwy wynosi 2,48-2,52. Twardość w skali Mohsa wynosi około 9. Pod mikroskopem w świetle odbitym węglik boru ma biały kolor, wysoki współczynnik odbicia i duży relief.
Węglik krzemu (karborund) 51C krystalizuje w zależności od temperatury do układu sześciennego (1650-2000 ° C) lub heksagonalnego (powyżej 2000 ° C). Struktury z węglika krzemu są warstwowe i składają się z naprzemiennych warstw tetraedrów [814C] i [C514] o podwójnej orientacji. Ciężar właściwy sześciennego węglika krzemu wynosi 3,216, a sześciokątnego węglika krzemu 3,217, Ng = 2,697, Np = 2,654, Ng-Np = 0,043. W świetle przechodzącym – zielone, niebieskie, rzadziej bezbarwne lub przydymione. W świetle odbitym kryształy są jasnoszare, prawie białe, mają wysoki współczynnik odbicia i duży relief. Twardość Mohsa powyżej 9.
Azotek niobu Nb3N5 powstaje w wyniku redukcji trójtlenku niobu sadzą w atmosferze azotu w temperaturze 1200 ˚C. Jest to kryształ o gęstej sześciokątnej siatce. Ciężar właściwy wynosi 8,4. Twardość Mohsa 8 – 9.
Węgliki wolframu WC i W2C otrzymuje się przez stopienie bezwodnika wolframu WO3 z sadzą w woltowym płomieniu łukowym. Oba węgliki należą do układu heksagonalnego. Twardość w skali Mohsa przy WC = 9, W2C = 9 – 10.
Węgliki molibdenu Mo2C i MoC otrzymuje się przez stopienie mieszaniny bezwodnika molibdenu z węglikiem wapnia i węgla w łuku woltowym lub przez stopienie wsadu zawierającego węgiel i MoO2. Kryształy układu heksagonalnego. Twardość w skali Mohsa 7-9.
1) Geologia inżynierska. Mińsk 2001
2) Sztuczne minerały, ich właściwości i struktura. Moskwa 1989
3) A także za pośrednictwem Internetu (zdjęcia).
