Реферати. Генезис мінералів. Методи вирощування кристалів
p align = "left"> Третій вид минералообразования - биогенное формування. Мінерали формуються в процесі життєдіяльності тварин і рослинних організмів, особливо рясно населяють мілководні ділянки морів та інших водойм. Наприклад, морські водорості і найпростіші морські організми поглинають вуглекислий кальцій і при відмирання залишають мінеральні накопичення у вигляді кальциту CaCO3 і арагонита CaCO3. Діатомові водорості, морські губки використовують для своїх скелетів кремнезем. Таким же шляхом виникає мінерал опал. Морські, а іноді річкові або озерні молюски в своїх раковинах створюють перли (мінерал кальцит з домішкою органічного речовини з дивовижно красивою грою квітів в райдужних тонах). Железопоглощающіе бактерії створюють накопичення гідроксиду заліза (мінерал - лимонит - джерело формування бурих железняков).
1.3Метаморфіческій процес
Метаморфічний процес. мінерали ендогенного і екзогенного генезису на деякій глибині в земній корі в якій - то період часу можуть потрапити під вплив підвищених тисків, температур (як правило, не вище температури їх плавлення), під впливом гарячих вод і газів. Виникають нові термодинамічні умови, не властиві умовам існування цих мінералів.
Мінерали в нових умовах починають видозмінюватися: одні руйнуються, інші перекрісталлізовивают, треті дають нові мінеральні утворення. Так виникають метаморфічні мінерали, в більшості силікатного складу.
Прикладом можуть служити мінерали - кварц, тальк, хлорит.
Парагенезіс (від грец. «Пара» - біля, біля), або природна асоціація, - це спільне знаходження мінералів в природі. Обумовлене спільністю процесу їх утворення при подібних фізико-хімічних і геологічних умовах. Мінерали знаходяться в гірських породах і родовищах у вигляді комплексів, взаємопов'язаних єдиним процесом освіти. Ці комплекси витримуються з великою постійністю.
Безсумнівно, що парагенетічеськие асоціації відображають розглянуту нами послідовність виділення кристалічних фаз спочатку з магматичного розплаву, потім з пегматитового залишку, газів і розчинів, а також осадження мінералів з водних басейнів на земній поверхні.
У хромітових родовищах Південного Уралу, що мають магматичної походження, зустрічаються також олівін і платина. Для Дашкесанському контактного родовища на Кавказі характерні магнетит, пірит, халькопірит. У пегматитових родовищах Свердловського району спостерігається парагенезіс димчастого кварцу, ортоклаза, топазу, турмаліну. Подібні спільноти мінералів знаходять і в багатьох інших районах земної кулі з подібними умовами освіти. Садонское родовище на Кавказі срібло - свинцево - цинкове. Вже давно відомо, що мінерали срібла, свинцю і цинку особливо часто зустрічаються спільно (наприклад, Алтай). Ця вельми характерна тісний асоціація отримала назву поліметалічних руд.
Солікамськоє родовище солей включає галит, сильвин, гіпс. Подібні ж мінерали відомі в інших місцях поширення хімічних опадів.
Парагенетичні зв'язку допомагають при пошуку корисних копалин. Зрозуміло, що при пошуках хромита і платини необхідно досліджувати магматичні породи; руди свинцю, срібла, цинку треба шукати в гідротермальних жилах; руди олова, вольфраму, золота - серед кислих магматичних порід (гранітів). Корінне золото шукають переважно в кварцових жилах. Знання парагенезиса мінералів полегшує завдання пошукових систем корисних копалин по їх супутникам. Наприклад, супутник алмаза - піроп - допоміг відкриттю корінних родовищ алмазів в Якутії.
2.Методи вирощування кристалів
Залежно від фази, з якої вирощують кристал, розрізняють чотири методи приготування кристалів:
2) З рідкої фази
3) З гидротермального розчину
4) За допомогою реакцій у твердій фазі
Вирощування кристалів з газової фази
Відомі три способи отримання кристалів з газової фази: шляхом сублімації даної речовини, методом хімічних реакцій в газі і хімічних транспортних реакцій. Розглянемо всі ці способи.
Якщо речовина має високим тиском пара і випаровується без розкладання, його кристали можна отримати методом сублімації. Апаратурнеоформлення методу різноманітно: проточні системи з використанням інертного газу - носія; замкнуті системи (часто це відпаяні кварцові трубки), як вакуумовані, так і заповнені газом.
Речовина випаровується в зоні a і конденсується в зоні b, де пар внаслідок зниження температури стає перенасиченим. Якщо температурний градієнт великий і потік речовини необмежений, то зазвичай утворюється багато центрів кристалізації. Ведення затравочного кристала в таких випадках не ефективно. Все ж з багатьох зародків, що утворилися спочатку, в процесі росту одні обганяють інші, так що в результаті виходить кілька великих кристалів на поликристаллическом підставі. В такому вельми простому варіанті сублімацію використовували для вирощування кристалів сульфіду кадмію, окису цинку (в проточних і замкнутих системах) і карбіду кремнію (проточні системи).
Недолік методу полягає в тому, що найбільші кристали в процесі росту потрапляють в гарячу зону і подальше їх збільшення припиняється. Щоб уникнути цього, контейнер зі зростаючим кристалом переміщують щодо печі зі швидкістю, приблизно рівною швидкості росту кристала. Такий метод називають «витягування з парової фази». Він має те додаткову перевагу, що кристал росте при постійній температурі.
2.2Хіміческіе реакції в газовій фазі
У гарячій зоні реакційного судини може відбуватися хімічна реакція, якщо вводити туди окремо або разом компоненти кристала і їх леткі сполуки. При досить високій температурі цієї зони, коли пар виявляється ненасиченим щодо утворюється твердої фази, кристалізація відбувається на порівняно холодних частинах системи.
Умови зростання нагадують ті, про які вже йшлося вище. Застосування даного методу можна простежити на прикладі вирощування кристалів сульфіду кадмію з суміші водню, кадмію і сірководню. Легування досягається додаванням до газу - носія пара примесного компонента. Таким шляхом були отримані кристали сульфіду кадмію, леговані наступними компонентами: галієм, індієм, сріблом, сурмою, хлором.
Як вказувалося, зростання кристала при постійній температурі і висунення зростаючого кристала з гарячою зони, мабуть, забезпечує можливість отримання більш однорідних і великих кристалів. Однак для отримання монокристалів цей метод ще не застосовувався.
2.3Хіміческіе транспортні реакції
Якщо тиск пара компонентів кристала мало, то в парову фазу їх часто вдається перевести у вигляді летючих сполук.
З пари, що містить ці сполуки, потрібні кристали вирощують двома способами, заснованими на зміщення рівноваги кристал - пар в залежності від зміни температури.
Якщо з'єднання при високих температурах виявляють тенденцію до розкладання, то нагрівання пара до такої температури призводить до виділення компонентів кристала і тим самим робить можливим вирощування кристала.
Наприклад, кристали цирконію отримують при термічному розкладанні тетраіодіда цирконію
ZrI4 (г)> Zr (тв) + 2I2 (г)
Термодинамічних умовою того, що ця реакція може бути використана для кристалізації, є нерівності # 63; Н> 0, # 63; 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 Вирощування кристалів з рідкої фази
Розрізняють чотири методи вирощування кристалів з рідкої фази: отримання твердої фази з власного розплаву, з розчинів в розплаві, з розчинів в розплавленої солі або рідкому розчиннику. Хоча ці методи по суті однакові, вони обговорюються окремо, оскільки є відмінності в способах їх практичного здійснення.
2.5Методи вирощування кристалів з розплаву
Для отримання кристалічних речовин зі строго певною точкою плавлення (наприклад, дуже чистих простих речовин або сполук з максимальною точкою плавлення) полікрісталли досліджуваного речовини розплавляють, а потім повільно знижують температуру розплаву нижче точки плавлення.
Найбільш простими є методи, в яких кристалізація здійснюється в результаті поступового затвердіння розплаву з одного кінця контейнера (спрямована кристалізація). Для цього використовують горизонтальні кристалізаційні апарати (методи Капіца) або вертикальні (методи Штёбера, Бриджмена, Стокбаргера, Кіропулоса). Недолік цих методів - контакт розплаву зі стінками контейнера, що утруднює вирощування монокристалів з - за утворення великої кількості центрів кристалізації. Це позначається особливо сильно в тому випадку, коли розплав добре змочує стінки контейнера. Іноді і добре пристає до стінок порошку. Наприклад, монокристали германію були вирощені в кварцовому посуді, покритому сажею.
Інший недолік цього методу (особливо при вертикальному розташуванні контейнера) - це те, що в кристалах, що охолоджуються в контейнері, виникають значні напруження, які призводять до появи дислокацій.
Розроблено також метод отримання кристалів, заснований на попередньому плавленні вихідної речовини в полум'я (метод Вернейля). За цим методом невелика кількість матеріалу розплавляються на вершині керамічної підставки воднево-кисневим полум'ям. Кристалізація відбувається при безперервному опусканні підставки з гарячою зони і додаванні в розплав через центральний конус пальника нових порцій тонко подрібненого порошку.
Таким чином, вирощують кристали вогнетривів, наприклад окису алюмінію, а з застосуванням замість пальника індукційного нагріву - кристали кремнію. В останньому випадку складом середовища вдається керувати, що практично неможливо при використанні полум'я. Ця перевага зберігається і в тому випадку, коли для нагріву використовується випромінювання від вугільної дуги. У такій формі метод застосовували для вирощування кристалів двоокису титану.
Варіант методу Вернейля, в якому пальник розташована знизу, а керамічна підставка зверху, використаний Бушем і Фогтом для вирощування сплавів германію з кремнієм. В цьому випадку порошок подається знизу на висить кристалічну приманку, підплавлення знизу за допомогою індукційного нагріву.
У тих випадках, коли без контейнера обійтися не можна, а матеріалу з відповідними властивостями немає, плавку виконують в контейнері, що складається з того ж речовини.
Це вимагає посиленого охолодження зовні, щоб плавився тільки центральна частина.
Таким способом кристали кремнію вирощували з розплаву, поміщеного в срібний тигель, зсередини покритий кремнієм, а зовні охолоджується водою. Ферити вирощувалися з розплаву в контейнері, виготовленому з того ж матеріалу і міцно пов'язаному з охолоджуваних водою індукційним кільцем. Кристали окису магнію були вирощені з розплаву, поміщеного в форму окису магнію.