Флюорит - Fluorite

Флюорит
3192M-fluorite1.jpg
Изолированный темно-зеленый кристалл флюорита, напоминающий усеченный октаэдр , установленный на слюдяной матрице, из горы Эронго, регион Эронго, Намибия (общий размер: 50 мм × 27 мм, размер кристалла: ширина 19 мм, 30 г)
Общий
Категория Галогенидный минерал
Формула
(повторяющаяся единица)
CaF 2
Классификация Струнца 3.AB.25
Кристаллическая система Изометрические
Кристалл класс Шестигранник (м 3 м)
Символ H – M : (4 / м 3 2 / м)
( cF12 )
Космическая группа F м 3 м (№ 225)
Ячейка а = 5,4626 Å; Z = 4
Идентификация
Цвет Бесцветный, хотя образцы часто сильно окрашены из-за примесей; Фиолетовый, сиреневый, золотисто-желтый, зеленый, голубой, розовый, шампанское, коричневый.
Хрустальная привычка Хорошо сформированные кристаллы крупного размера; также узловатая, ботриоидальная, реже столбчатая или волокнистая; гранулированный, массивный
Twinning Обычный на {111}, взаимопроникающий, уплощенный
Расщепление Восьмигранный, идеальный на {111}, прощальный на {011}
Перелом От субконхоидальной до неровной
Упорство Хрупкий
Твердость по шкале Мооса 4 (определяющий минерал)
Блеск Стекловидное тело
Полоса белый
Прозрачность От прозрачного до полупрозрачного
Удельный вес 3.175–3.184; до 3,56 при высоком содержании редкоземельных элементов
Оптические свойства Изотропный; слабый аномальный анизотропизм
Показатель преломления 1,433–1,448
Плавкость 3
Растворимость слабо растворим в воде и в горячей соляной кислоте
Другие характеристики Может быть флуоресцентным , фосфоресцентным , термолюминесцентным и / или триболюминесцентным.
использованная литература

Флюорит (также называемый плавиковым шпатом ) представляет собой минеральную форму фторида кальция CaF 2 . Он относится к галогенидным минералам . Он кристаллизуется в изометрической кубической форме, хотя октаэдрические и более сложные изометрические формы не редкость.

Шкала твердости минералов Мооса , основанная на сравнении твердости по царапинам , определяет значение 4 как флюорит.

Чистый флюорит прозрачен как в видимом, так и в ультрафиолетовом свете, но примеси обычно делают его цветным минералом, а камень используется в декоративных и гранильных целях. В промышленности флюорит используется в качестве флюса для плавки, а также в производстве некоторых стекол и эмалей. Флюорит самых чистых сортов является источником фторида для производства плавиковой кислоты , которая является промежуточным источником большинства фторсодержащих тонких химикатов . Оптически прозрачные прозрачные линзы из флюорита имеют низкую дисперсию , поэтому линзы, изготовленные из него, демонстрируют меньшую хроматическую аберрацию , что делает их ценными для микроскопов и телескопов. Флюоритовая оптика также может использоваться в дальнем ультрафиолетовом и среднем инфракрасном диапазонах, где обычные очки слишком непрозрачны для использования.

История и этимология

Слово флюорит происходит от латинского глагола fluere , что означает течь . Минерал используется в качестве флюса в железных плавках , чтобы уменьшить вязкость от шлака . Термин « поток» происходит от латинского прилагательного « fluxus» , что означает « текучий», «свободный», «вялый» . Минерал флюорит первоначально назывался фторошпар и впервые был обсужден в печати в 1530 году в работе Bermannvs sive de re Metallica dialogus [Bermannus; или диалог о природе металлов] Георгиуса Агриколы как минерала, известного своей полезностью в качестве флюса. Агрикола, немецкий ученый с опытом работы в филологии , горнодобывающей промышленности , металлургии, названный плавиковый шпат , как нео-латинизации в немецкой Flussspat из FLUSS ( поток , река ) и Spat ( что означает неметаллический минерал , похожее на гипс , spærstān, копье камень , имея в виду к его кристаллическим выступам).

В 1852 году флюорит дал свое название феномену флуоресценции , который проявляется во флюоритах из определенных мест из-за определенных примесей в кристалле. Флюорит также дал название своему составному элементу фтору . В настоящее время слово «плавиковый шпат» чаще всего используется для обозначения флюорита как промышленного и химического товара, в то время как «флюорит» используется в минералогии и в большинстве других смыслов.

В контексте археологии, геммологии, классических исследований и египтологии, латинские термины MURRINA и myrrhina относятся к флюорита. В книге 37 его Естественная история , Плиний Старший описывает его как драгоценный камень с фиолетовой и белой пятнистостью, чьи объекты , вырезанные из него, приз римлян.

Состав

Строение фторида кальция CaF 2 .

Флюорит кристаллизуется в кубической форме. Двойникование кристаллов является обычным явлением и усложняет наблюдаемые повадки кристаллов . Флюорит имеет четыре идеальные плоскости спайности, которые помогают образовывать октаэдрические фрагменты. Структурный мотив флюорита настолько распространен, что его называют структурой флюорита . Элементное замещение катиона кальция часто включает стронций и некоторые редкоземельные элементы (РЗЭ), такие как иттрий и церий.

Возникновение и добыча

черный, шевронная (волнистая, зубчатая) структура
Крупный план поверхности флюорита

Флюорит образуется как минерал поздней кристаллизации в кислых магматических породах, как правило, в результате гидротермальной активности. Особенно часто встречается в гранитных пегматитах. Это может происходить в виде жильных отложений, образовавшихся в результате гидротермальной деятельности, особенно в известняках. В таких жильных месторождениях он может быть ассоциирован с галенитом , сфалеритом , баритом , кварцем и кальцитом . Флюорит также можно найти в составе осадочных пород в виде зерен или в качестве цементирующего материала в песчанике.

Мировые запасы флюорита оцениваются в 230 миллионов тонн (Мт), крупнейшие месторождения находятся в Южной Африке (около 41 Мт), Мексике (32 Мт) и Китае (24 Мт). Китай лидирует в мире по производству около 3 млн тонн в год (в 2010 году), за ним следуют Мексика (1,0 млн тонн), Монголия (0,45 млн тонн), Россия (0,22 млн тонн), Южная Африка (0,13 млн тонн), Испания (0,12 млн тонн) и Намибия. (0,11 Мт).

Одно из крупнейших месторождений плавикового шпата в Северной Америке находится на полуострове Бурин , Ньюфаундленд , Канада. Первое официальное признание плавикового шпата в этом районе было зарегистрировано геологом Дж. Б. Джуксом в 1843 году. Он отметил наличие «галенита» или свинцовой руды и фторида извести на западной стороне гавани Святого Лаврентия. Зарегистрировано, что интерес к коммерческой добыче плавикового шпата начался в 1928 году, когда первая руда была извлечена в 1933 году. В конце концов, на шахте Айрон-Спрингс шахты достигли глубины 970 футов (300 м). В районе Святого Лаврентия вены сохраняются на большой длине, и некоторые из них имеют широкие линзы. Площадь с прожилками известного рабочего размера составляет около 60 квадратных миль (160 км 2 ). В 2018 году Canada Fluorspar Inc. снова начала добычу на руднике в Сент-Лоуренсе; Весной 2019 года компания планировала построить новый судоходный порт на западной стороне полуострова Бурин в качестве более доступного средства продвижения своей продукции на рынки, и 31 июля они успешно отправили первую партию руды из нового порта. 2021 г. Это первый случай за 30 лет, когда руда была отправлена ​​непосредственно из Сент-Лаврентия.

Кубические кристаллы до 20 см в диаметре были найдены в Дальнегорске , Россия. Самый большой зарегистрированный монокристалл флюорита был кубом размером 2,12 метра и весом примерно 16 тонн. Флюорит также встречается в шахтах на пике Кальдовейро в Астурии , Испания .

"Голубой Джон"

Одно из самых известных мест флюорита - Каслтон в Дербишире , Англия , где под названием «Дербиширский Голубой Джон» пурпурно-синий флюорит добывался из нескольких шахт или пещер. В 19 веке этот привлекательный флюорит добывали из-за его декоративной ценности. Минерала Голубой Джон сейчас мало, и ежегодно добывается всего несколько сотен килограммов для декоративных и гранильных целей. Добыча по- прежнему имеет место в голубой Джон Cavern и Treak Клифф Cavern .

Недавно обнаруженные месторождения в Китае дали флюорит с окраской и полосами, похожими на классический камень Голубого Джона.

Флуоресценция

Флуоресцирующий флюорит из рудника Болтсберн, Вердейл , Норт-Пеннинс , графство Дарем , Англия, Великобритания.

Джордж Габриэль Стоукс назвал феномен флуоресценции флюорита в 1852 году.

Многие образцы флюорита демонстрируют флуоресценцию в ультрафиолетовом свете , свойство, получившее свое название от флюорита. Многие минералы, как и другие вещества, флуоресцируют. Флуоресценция включает повышение энергетических уровней электронов квантами ультрафиолетового света с последующим постепенным падением электронов до их предыдущего энергетического состояния, высвобождая при этом кванты видимого света. Во флюорите излучаемый видимый свет чаще всего синий, но также встречаются красный, фиолетовый, желтый, зеленый и белый цвета. Флуоресценция флюорита может быть вызвана минеральными примесями, такими как иттрий и иттербий , или органическими веществами, такими как летучие углеводороды в кристаллической решетке. В частности, голубая флуоресценция, наблюдаемая во флюоритах из определенных частей Великобритании, ответственных за название самого феномена флуоресценции, была приписана присутствию в кристалле включений двухвалентного европия . Природные образцы, содержащие примеси редкоземельных элементов, таких как эрбий , также демонстрируют повышающую конверсию флуоресценции , при которой инфракрасный свет стимулирует излучение видимого света, явление, которое обычно наблюдается только в синтетических материалах.

Одной из флуоресцентных разновидностей флюорита является хлорофан , который имеет красноватый или пурпурный цвет и ярко флуоресцирует изумрудно-зеленым цветом при нагревании ( термолюминесценция ) или при освещении ультрафиолетовым светом.

Цвет видимого света, излучаемого при флуоресценции образца флюорита, зависит от того, где был взят исходный образец; различные примеси были включены в кристаллическую решетку в разных местах. Также не весь флюорит флуоресцирует одинаково ярко, даже из одного и того же места. Следовательно, ультрафиолетовый свет не является надежным инструментом ни для идентификации образцов, ни для количественной оценки минералов в смесях. Например, среди британских флюоритов наиболее стабильно флуоресцируют флюориты из Нортумберленда , графства Дарем и восточной Камбрии , тогда как флюорит из Йоркшира , Дербишира и Корнуолла , если они вообще флуоресцируют, обычно слабо флуоресцирует.

Флюорит также проявляет свойство термолюминесценции .

Цвет

Флюорит является аллохроматическим, что означает, что он может быть окрашен элементарными примесями. Флюорит бывает самых разных цветов и поэтому был назван «самым красочным минералом в мире». Каждый цвет радуги в различных оттенках представлен образцами флюорита, а также белыми, черными и прозрачными кристаллами. Наиболее распространенные цвета - фиолетовый, синий, зеленый, желтый или бесцветный. Реже встречаются розовый, красный, белый, коричневый и черный. Обычно присутствует цветовая зональность или полосатость. Цвет флюорита определяется такими факторами, как примеси, воздействие радиации и отсутствие пустот в центрах окраски .

Использует

Источник фтора и фторида

Флюорит является основным источником фтороводорода , химического продукта, используемого для производства широкого спектра материалов. Фтороводород выделяется из минерала под действием концентрированной серной кислоты :

CaF 2 ( тв ) + H 2 SO 4CaSO 4 (тв) + 2 HF ( г )

Образующийся HF превращается во фтор, фторуглероды и различные фторидные материалы. По состоянию на конец 1990-х годов ежегодно добывалось пять миллиардов килограммов.

Существует три основных типа промышленного использования природного флюорита, обычно называемого «плавиковым шпатом» в этих отраслях промышленности, которые соответствуют разным степеням чистоты. Флюорит металлургической чистоты (60–85% CaF 2 ), самая низкая из трех марок, традиционно использовался в качестве флюса для понижения температуры плавления сырья при производстве стали, чтобы способствовать удалению примесей, а затем и в производстве алюминий . Флюорит керамической чистоты (85–95% CaF 2 ) используется в производстве опалесцирующего стекла , эмалей и кухонной утвари. Флюорит наивысшего сорта, «кислый флюорит» (97% или более CaF 2 ), составляет около 95% потребления флюорита в США, где он используется для получения фтороводорода и плавиковой кислоты путем взаимодействия флюорита с серной кислотой .

На международном уровне кислотный флюорит также используется в производстве AlF 3 и криолита (Na 3 AlF 6 ), которые являются основными фтористыми соединениями, используемыми при выплавке алюминия. Оксид алюминия растворяют в ванне, состоящей в основном из расплавов Na 3 AlF 6 , AlF 3 и флюорита (CaF 2 ), чтобы обеспечить электролитическое восстановление алюминия. Потери фтора полностью заменяются добавлением AlF 3 , большая часть которого реагирует с избытком натрия из оксида алюминия с образованием Na 3 AlF 6 .

Ниша использует

Кубок Кроуфорда (римский, 50–100 гг. Н. Э.) В коллекции Британского музея . Изготовлен из флюорита.

Гранильное использование

Природный минерал флюорит имеет декоративное и гранильное применение. Флюорит можно просверлить в бусинки и использовать в ювелирных изделиях, хотя из-за его относительной мягкости он не широко используется в качестве полудрагоценных камней. Он также используется для орнаментальной резьбы, причем искусная резьба использует зональность камня.

Оптика

В лаборатории фторид кальция обычно используется в качестве материала окна как для инфракрасных, так и для ультрафиолетовых длин волн, поскольку он прозрачен в этих областях (от 0,15 мкм до 9 мкм) и демонстрирует чрезвычайно низкое изменение показателя преломления с длиной волны. Кроме того, материал подвергается воздействию нескольких реагентов. На таких коротких длинах волн, как 157 нм, что является обычной длиной волны, используемой для изготовления шаговых полупроводников для литографии интегральных схем , показатель преломления фторида кальция демонстрирует некоторую нелинейность при высоких плотностях мощности, что препятствует его использованию для этой цели. В первые годы 21 века рынок степперов фторида кальция рухнул, и многие крупные производственные предприятия были закрыты. Canon и другие производители использовали синтетически выращенные кристаллы компонентов фторида кальция в линзах, чтобы улучшить апохроматический дизайн и уменьшить рассеивание света . Это использование было в значительной степени вытеснено новыми очками и компьютерным дизайном. В качестве материала для инфракрасной оптики фторид кальция широко доступен и иногда был известен под торговой маркой Eastman Kodak «Иртран-3», хотя это обозначение устарело.

Флюорит не следует путать с фторкраун (или фторкраун) стеклом, типом низкодисперсного стекла, которое имеет особые оптические свойства, приближающиеся к флюориту. Настоящий флюорит - это не стекло, а кристаллический материал. Линзы или оптические группы, изготовленные с использованием этого стекла с низкой дисперсией в качестве одного или нескольких элементов, демонстрируют меньшую хроматическую аберрацию, чем те, которые используют обычное менее дорогое стекло короны и элементы из бесцветного стекла для изготовления ахроматических линз . В оптических группах используется комбинация стекла разных типов; каждый тип стекла по-разному преломляет свет. Используя комбинации различных типов стекла, производители линз могут нейтрализовать или значительно уменьшить нежелательные характеристики; хроматическая аберрация является наиболее важной. Лучшую из таких линз часто называют апохроматической (см. Выше). Стекло с фторокороной (например, Schott FK51), обычно в сочетании с подходящим «кремневым» стеклом (например, Schott KzFSN 2), может обеспечить очень высокие характеристики в линзах объектива телескопа, а также в объективах микроскопа и телеобъективах камеры. Флюоритовые элементы аналогично сочетаются с дополнительными «кремневыми» элементами (такими как Schott LaK 10). Преломляющие свойства флюорита и некоторых кремневых элементов обеспечивают более низкую и более равномерную дисперсию по всему спектру видимого света, тем самым сохраняя более близкую фокусировку цветов. Линзы, изготовленные из флюорита, превосходят линзы на основе фторсодержащих коронок, по крайней мере, для двойных телескопических объективов; но их труднее производить и они дороже.

Виктор Шуман изучал и продвигал использование флюорита для призм и линз в конце 19 века. Кристаллы естественного флюорита без оптических дефектов были достаточно большими, чтобы создавать объективы микроскопа.

С появлением синтетически выращенных кристаллов флюорита в 1950-60-х годах его можно было использовать вместо стекла в некоторых высокопроизводительных оптических элементах телескопов и объективов фотоаппаратов . В телескопах флюоритовые элементы позволяют получать изображения астрономических объектов с высоким разрешением при большом увеличении . Canon Inc. производит синтетические кристаллы флюорита, которые используются в их лучших телеобъективах . Использование флюорита для линз телескопов сократилось с 1990-х годов, поскольку более новые конструкции с использованием фторокоронного стекла, включая тройное стекло, предлагают сопоставимые характеристики по более низким ценам. Флюорит и различные комбинации фторидных соединений могут быть превращены в синтетические кристаллы, которые находят применение в лазерах и специальной оптике для УФ и инфракрасного излучения.

В инструментах экспонирования для полупроводниковой промышленности используются флюоритовые оптические элементы для ультрафиолетового излучения с длиной волны около 157 нанометров . Флюорит обладает уникально высокой прозрачностью на этой длине волны. Флюоритовые линзы объектива производятся более крупными фирмами микроскопов (Nikon, Olympus , Carl Zeiss и Leica). Их прозрачность для ультрафиолетового света позволяет использовать их для флуоресцентной микроскопии . Флюорит также служит для коррекции оптических аберраций в этих линзах. Компания Nikon ранее производила по крайней мере один объектив камеры с флюоритовым и синтетическим кварцевым элементом (105 мм f / 4,5 УФ) для получения ультрафиолетовых изображений . Konica произвела флюоритовый объектив для своих зеркальных фотоаппаратов - Hexanon 300 mm f / 6.3.

Изображений

Источник газообразного фтора в природе

В 2012 году первый источник природного газа фтора был обнаружен на флюоритовых рудниках в Баварии, Германия. Ранее считалось, что газообразный фтор не возникает в природе, потому что он очень реактивен и быстро реагирует с другими химическими веществами. Флюорит обычно бесцветен, но некоторые различные формы, встречающиеся поблизости, выглядят черными и известны как «зловонный флюорит» или антозонит . Минералы, содержащие небольшое количество урана и его дочерних продуктов, испускают достаточно мощное излучение, чтобы вызвать окисление фторид-анионов внутри структуры до фтора, который остается внутри минерала. Цвет зловонного флюорита в основном обусловлен оставшимися атомами кальция . ЯМР фтора-19 в твердом состоянии, проведенный на газе, содержащемся в антозоните, показал пик при 425 м.д., что соответствует F 2 .

Смотрите также

использованная литература

Всеобщее достояние Эта статья включает материалы, являющиеся  общественным достоянием, из документа Геологической службы США : «Плавиковый шпат» (PDF) .

внешние ссылки