textarchive.ru

Главная > Методические указания


Министерство образования и науки РФ

Федеральное агентство по образованию

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ФАКУЛЬТЕТ ГЕОЛОГИИ, ГЕОИНФОРМАТИКИ И ГЕОЭКОЛОГИИ

КАФЕДРА ГЕММОЛОГИИ

МИНЕРАЛОГИЯ С ОСНОВАМИ ПЕТРОГРАФИИ

Методические указания к выполнению лабораторных работ для студентов специальности 261000 «Технология обработки ювелирных материалов»

Составила Е.В. Золотарева

ИРКУТСК 2006

Раздел 1. КОНСТИТУЦИЯ И СВОЙСТВА МИНЕРАЛОВ

Лабораторная работа №1.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРЫ МИНЕРАЛОВ

Под конституцией минералов понимают химический состав и внутреннее строение (структура), которые взаимосвязаны между собой и от которых зависят все важнейшие характеристики минералов.

Главными из методов изучения кристаллической структуры минералов основаны на дифракции рентгеновских лучей и других видов излучения, которая вызывается плоскостями атомов, входящих в структуру минерала. (что называют дифракцией?) Детально определить строение кристаллической структуры минерала по экспериментально полученной дифракционной картине достаточно трудно. Поэтому важное место в изучении структуры минерала занимает определение ее симметрии, для чего используется дифракционная картина, а не морфология кристалла.

В 1912 г. Фридрих Книппинг и фон Лауэ установили, что, проходя через кристалл, рентгеновские лучи рассеиваются, и с этого момента начался мощный прогресс в науке ХХ в. Почти сразу же У.Л. Брэгг показал, что рассеянные лучи можно рассматривать как результат отражения от плоскостей атомов, входящих в кристаллическую структуру. За последние 80 лет были детально изучены структуры почти всех минералов, а также большого числа неорганических, органических и биологических важных соединений. За эти исследования, выполненные на уровне открытий, было присуждено не менее 14 Нобелевских премий. И это свидетельствует о их большом значении для современной науки.

С минералогической точки зрения основным результатом работ по дифракции рентгеновских лучей явилось установление того факта, что структура минералов имеет более фундаментальное значение, чем его химический состав. На смену идеи о молекулах, смешанных в определенных соотношениях, как основы классификации минералов, пришли представления о конкретной структуре с заданным набором атомов соответствующего размера и заряда, занимающих определенные позиции.

Свойства рентгеновских лучей

Рентгеновские лучи представляют собой электромагнитное излучение с длинами волн от 0,002 до 10 нм. Рентгеновское излучение с более короткими длинами волн называется жестким. Такие лучи обладают наибольшей приникающей способностью, и поскольку они могут проходить через ткани, не причиняя им вреда, то используются в медицине. Более длинноволновое излучение легче поглощается биологической тканью и поэтому может вызывать серьезные ожоги. Для дифракционных исследований минералов обычно используются длины волн между 0,07 и 0,23 нм.

Возникают рентгеновские лучи под действием потока ионизирующего излучения, представленного пучком электронов или других рентгеновских лучей, бомбардирующих атомы в веществе.

Виды дифракционных исследований

Исследования в рентгеновской кристаллографии делятся на две группы: с монокристаллами или с порошковыми образцами. Рентгеновская дифракция монокристаллов используется в основном для определения симметрии и пространственного расположения атомов в кристаллической структуре. Порошковая дифракция рентгеновских лучей применяется главным образом в повседневной практике для идентификации минералов, хотя из этих данных нередко можно извлечь информацию о размере и симметрии элементарных ячеек. В некоторых случаях по данным порошковой дифракции также возможно определять кристаллическую структуру.

Порошковая дифракция

Семейство плоскостей решетки может отражать пучок монохроматических рентгеновских лучей только в тех случаях, когда плоскости располагаются под соответствующим углом к падающему лучу (рис.1).



Существует множество плоскостей с достаточной плотностью атомов для отражения рентгеновских лучей, пересекающих кристаллическую решетку. При исследованиях порошковым методом мы должны зафиксировать отражения от всех этих плоскостей. Для этого минерал измельчается до очень тонкого порошка, что гарантирует присутствие в исследуемом образце некоторого количества зерен разной ориентации. Кроме того, чтобы обеспечить облучение рентгеновским пучком конкретного зерна во всех ориентациях, порошок обычно вращается во время облучения.

Порошковая камера

Простейшая порошковая камера (рис.2) представляет собой полый цилиндр, на внутренней стенке которого помешается полоска фотопленки. Порошок исследуемого образца, заключенный в стеклянную трубочку, устанавливается в центре камеры и вращается в пучке рентгеновских лучей. Пучок лучей поступает в камеру через металлический коллиматор. На облучение образца рентгеновским пучком затрачивается от получаса до нескольких часов.



На проявленной фотопленке видна серия кривых линий. Измерение расстояний на пленке обычно проводится на миллиметровке с помощью отсчетного микроскопа или лупы. Для грубых оценок можно пользоваться прямыми отсчетами по шкалам, каждая из которых строится для конкретного диаметра камеры и определенной длины волны излучения.

Порошковый дифрактометр

Вместо фиксации дифракционных линий на фотопленке часто используют порошковые дифрактометры, которые записывают данные линии с помощью электронного детектора. Преимущества порошковых дифрактометров заключаются в скорости и простоте выполнения анализов. Рентгеновские лучи, отражающиеся различными рядами кристаллических плоскостей, обрабатываются электронным способом и записываются на диаграммную ленту или поступают прямо в компьютер. Линии превращаются в пики на диаграмме и электронным способом уже не сложно посчитать межплоскостные расстояния и углы.

Непосредственная польза от порошковых дифрактограмм заключается в том, что они, подобно отпечаткам пальцев, помогают диагностировать минералы. Поскольку минерал определяется структурой и составом, можно утверждать, что никакие два разных минерала не могут иметь абсолютно идентичные порошковые дифрактограммы. Даже в случае изоморфных рядов химические замещения приводят к изменениям в размерах элементарной ячейки, которые можно измерить с помощью рентгеновской дифракции.

Для облегчения расшифровки получаемых данных существует обширный и постоянно пополняемый каталог порошковых дифрактограмм кристаллических веществ. Его база данных поддерживается Объединенным комитетом по стандартам порошковой дифракции и известен как карточка JCPDS. В эту базу данных входят серии карточек или изображений, в которых содержится полный перечень межплоскостных расстояний для зарегистрированных линий с указанием их интенсивностей, а также приведены данные по составу.

Дифракция рентгеновских лучей на монокристаллах

При исследовании дифракции рентгеновских лучей на монокристаллах используется кристалл или его фрагмент, обычно имеющий размер не менее 0,5 мм. При этом основная цель заключается в том, чтобы записать по отдельности каждое отражение от любого из различных рядов плоскостей. Как и в случае порошковой дифракции, это можно выполнить фотоспособом с использованием одного из разнообразных типов камер, предназначенных для монокристаллов. Отражения можно также фиксировать и электронным способом на монокристальном дифрактометре.

При использовании фотометода монокристалл подвергается рентгеновскому облучению, и возникающие отражения от различных плоскостей фиксируются на фотопленке в виде набора темных точек (рис.3). По нескольким предварительным фотографиям кристалл ориентируется таким образом, чтобы одна из его кристаллографических осей оказалась параллельной оси вращения камеры. Симметрия дифракционного рисунка помогает в определении симметрии кристалла.



Чтобы предотвратить искажение дифракционной картины во время вращения кристалла в пучке, плоская фотопластинка вращается одновременно с ним, следуя трехмерной траектории. Поэтому можно получить неискаженные дифракционные картины, которые позволяют определять как симметрию, так и размеры элементарной ячейки.

С помощью компьютерных программ можно определить положение всех атомов в элементарной ячейке и структуру минерала.

Дифракция нейтронов

Нейтроны рассеиваться атомными плоскостями кристалла, и поэтому их можно использовать для определения кристаллической структуры. Однако в отличие от рентгеновских лучей и электронов, которые рассеиваются электронами, рассеяние нейтронов вызывается ядрами атомов. Дифракция нейтронов позволяет распознавать атомы с близкими атомными номерами, например такие, как Si и Al. Следовательно, ее можно использовать для определения степени упорядочения решетки в тетраэдрических узлах силикатов, а также для обнаружения легких элементов, таких как H и Li, выявить которые традиционными методами рентгеновской дифракции бывает затруднительно.

Исследование дифракции нейтронов можно проводить методами порошковой дифракции и дифракции в монокристаллах. Но имеются два важных ограничения, которые препятствуют их широкому применению в минералогии. Первое ограничение связано с тем фактом, что пучок нейтронов, как правило, маломощен и поэтому для исследования необходимо иметь значительно большее количество материала, чем при дифракции рентгеновских лучей – требуется монокристалл с ребром в несколько миллиметров или порошок массой в несколько граммов.

Другое важное ограничение состоит в том, что в большом количестве нейтроны генерируются лишь в ядерных реакторах, и поэтому исследования с использованием нейтронов могут проводиться только на специальных ядерных установках.

Дифракция электронов

Электроны, подобно рентгеновским лучам и нейтронам, характеризуются длиной волны, и поэтому атомные плоскости в кристалле почти точно так же рассеивают и их. Электронные дифракционные картины получаются с помощью просвечивающего (трансмиссионного) электронного микроскопа (ПЭМ). С помощью ПЭМ можно получить дифракционные картины подобно фотографиям монокристаллов. При этом нет необходимости вращать кристалл в электронном пучке или передвигать пленку.

Имеются и другие различия между дифракцией электронов и рентгеновских лучей. Электроны, как и рентгеновские лучи, рассеиваются электронными облаками атомов, находящихся в кристаллографических плоскостях, но приблизительно в 100 раз интенсивнее, чем рентгеновские лучи. Это позволяет исследовать гораздо более мелкие фрагменты кристалла и облегчает изучение таких слабых дифракционных эффектов, какие возникают при некоторых формах упорядочения атомов. Главное различие, однако, состоит в том, что электроны в отличие от рентгеновских лучей могут фокусироваться магнитными линзами, что позволяет с легкостью получать изображения на ПЭМ.

У ПЭМ источником электронов является нить электронной пушки. Электроны образуются при прохождении через нить сильного электрического тока и ускоряются за счет разности потенциалов между катодом и анодом. Пучок электронов проходит через образец и электроны рассеиваются атомными плоскостями. Затем пучок проходит через систему промежуточных и проекционных линз, которая служит для увеличения изображения и проецирования его на экран прямого видения. Чтобы электроны в пучке не рассеивались молекулами воздуха, в колонне микроскопа необходимо создать очень высокий вакуум.

Системы линз могут быть настроены таким образом, что на экран прямого видения будет проецироваться или электронная дифракционная картина или увеличенное изображение образца. Для изучения на ПЭМ образцы должны быть очень тонкими. Образцы можно изготовить путем раздавливания и растирания минералов или другими методами измельчения, которые позволяют довести до требуемой толщины участки обычных петрографических шлифов.

Разрешающая способность электронного микроскопа зависит от оптических характеристик электромагнитных линз и других инструментальных факторов. Микроскопы, приспособленные для воспроизведения изображений с высоким разрешением, дают прямые картины структур или кристаллических решеток с разрешением между 0,15 и 0,25 нм. Изображение решетки с высоким разрешением позволяет непосредственно наблюдать пространственное расположение атомов в минералах, но при этом не достигается такая точность измерений структур, которую можно получить при использовании рентгеновской дифракции на монокристаллах (рис.4). Поэтому данный метод применяется преимущественно тогда, когда отсутствуют монокристаллы необходимого размера для рентгенографии.



С его помощью можно также проследить ход полиморфных фазовых переходов между минералами на атомном уровне (рис.5).



Дополнительная литература

  1. Белов Н.В. Очерки по структурной минералогии. М.: Недра, 1976

  2. Руководство по рентгеновскому исследованию минералов/ под ред. В.А. Франк-Каменецкого. Л.: Недра, 1975

Контрольные вопросы

  1. Назовите основные виды дифракционных исследований структуры минералов.

  2. Основные способы исследования структуры с помощью порошковой дифракции.

  3. Принципы получения дифракции рентгеновских лучей на монокристаллах.

  4. Определение структуры минерала с помощью дифракции нейтронов.

  5. Определение структуры минерала при дифракции электронов с помощью ПЭМ.

Лабораторная работа № 2

ИЗОМОРФИЗМ, ПОЛИМОРФИЗМ И ПОЛИТИПИЯ, ДВОЙНИКОВАНИЕ

  1. Изоморфизм

Изоморфизм – явление взаимного замещения атомов в узлах кристаллической решетки без нарушения ее строения.

С учением об изоморфизме были связаны ранние представления о кристаллах переменного состава, началом которому было положено немецким химиком Э. Митчерлихом в 1819 году. Исследуя соли фосфорной и мышьяковой кислот, он установил, что они обладают тождественной кристаллической формой, образуя смешанные кристаллы.

Результатом изоморфизма являются изоморфные смеси. Многие минералы часто содержат незначительные примеси различных химических элементов, которые обусловлены закономерным вхождением в кристаллическую решетку минерала – это изоморфные примеси. С примесями связано резкое изменение электрических свойств, появление окраски, люминесценции, хотя их количество ничтожно мало, и они не входят в химическую формулу минерала.

Изоморфные смеси часто образуют непрерывные изоморфные ряды от одного конечного числа к другому. Такой изоморфизм называется совершенным или неограничеснным. Он характерен для изоморфных смесей, которые возникают при любых соотношениях компонентов (например, в плагиоклазах может присутствовать как альбитовая, так и анортитовая составляющая в различных соотношениях).

В тех случаях, когда изоморфный ряд при определенных соотношениях компонентов разрывается с образованием новых минералов, изоморфизм называется несовершенным или ограниченным (например, щелочные полевые шпаты могут расподаться с образованием таких минералов, как ортоклаз, санидин и микроклин).

Ограниченные изоморфные смеси при изменении термодинамических условий (особенно при понижении температуры) могут распадаться на составные компоненты – это распад твердых растворов. Так, например, при высокой температуре щелочные полевые шпаты образуют непрерывный изоморфный ряд, При понижении температуры они распадаются на две фазы с преобладанием K и Na. В пределах каждой фазы возникают взаимные прорастания – пертиты и антипертиты.

Изменчивость химического состава в изоморфном ряду вызывает и изменение их физических свойств: твердости, плотности, показателей преломления.

Факторы изоморфизма

  1. Близость размерных параметров изоморфных компонентов – объема элементарной ячейки и атомных радиусов ионов.

  2. Сходство характера химической связи. Минералы с ионным типом химической связи не образуют взаимозамещений с минералами, характеризующимися ковалентной связью. Это изоструктурные минералы.

Коротко о химических связях: химическая связь является результатом движения электронов внешних оболочек в пространстве между ядрами взаимодействующих атомов.

Ионная связь возникает в результате того, что один из атомов притягивает в сферу своего ядра один или несколько электронов. Так при образовании галита NaCl, Cl притягивает ион Na.

Ковалентная связь возникает при образовании пар электронов, которые движутся в поле одного и другого атомов.

Донорно-акцепторная связь возникает, когда два спаренных электрона одного атома и другого, так как передача совершается на время. Это характерно для сульфидов.

Внешнее проявление изоструктурности минералов является изогонизмом. Например, если в раствор натриевой селитры Na[NO3] поместить ромбоэдр кальцита Ca[CO3], то он начнет дорастать, так как структуры подобны, но оба минерала будут кристаллизоваться раздельно в виде зернистого агрегата, хотя имеют геометрическое сходство.

3. Правило полярности, где вхождение иона с меньшим радиусом или большим зарядом в общую кристаллическую структуру предпочтительнее ионов большего радиуса и меньшего заряда. Ферсман объясняет это энергетикой ионов. Так, замещение в одном случае будет энергетически выгодным, тогда как обратный процесс будет требовать очень высоких энергетических затрат. Например, Mg2+(0,075) охотнее входит в минералы с Ca2+(0,105), чем Са в соединения Mg.

4. Внешние физико-химические факторы. Их значение подчеркивал в свое время Вернадский.

  • Температура;

В условиях высокой температуры пределы изоморфной смесимости расширяются, часто вплоть до совершенного ряда твердых растворов. При понижении температуры твердые растворы могут распадаться (например, щелочные полевые шпаты).

  • Давление;

Влияние давления на совершенство твердых растворов еще не достаточно изучено. По экспериментальным данным, его увеличение в большинстве случаев уменьшает взаимную растворимость компонентов.

  • Концентрация примесей;

Это важно, прежде всего, при микро изоморфизме минералов.

  • Условия окислительно-восстановительного минералообразования.

Так при окислении минералов часто происходит разделение элементов. Примером является “самоочистка” самородной платины, которая обычно содержит в примеси несколько элементов, таких как Cu, Ni, Fe; попадая на поверхность Земли при окислении, эти элементы отделяются от основной части платины Pt.

2. Полиморфизм

В 1820г. Митчерлихом было установлено явление полиморфизма – при котором одно и тоже по составу вещество может иметь различные структуры и кристаллизоваться в различных видах симметрии. Несмотря на одинаковый состав, свойства этих минералов будут различными.

Наряду с полиморфизмом среди минералов наблюдаются явления сдвигов или поворотов отдельных структурных элементов (цепочек, слоев) относительно друг друга при полном сохранении структуры внутри этих элементов. Такое явление получило название политипия.

Данные виды кристаллов называют полиморфными и политипными модификациями.

Факторами возникновения таких модификаций являются:

  • Температура;

Обратимые превращения при повышении и понижении температуры называются энантиопропными.

Пример: тригональный кварц при температуре больше 5730С кристаллизуется в гексагональную модификацию; при понижении температуры меньше 5730С переходит в тригональную.

Монотропные превращения совершаются только в одном направлении.

Пример: углерод при нагревании кубической модификации переходит в гексагональную, но при охлаждении не изменяется.

При переходе одной модификации в другую часто сохраняется внешняя форма первоначальных кристаллов, изменяется внутренняя структура – это параморфозы.

Количество полиморфных модификаций для одного кристалла редко превышает четыре. Чаще всего наблюдается диморфизм (2 модификации). При этом каждая из них имеет свой изоморфный ряд (изодиморфизм).

Пример: тригональная структура типа кальцита – магнезит, сидерит, родохрозит, кальцит; ромбическая структура типа арагонита – арагонит, стронцианит, витерит.

Температура влияет на размеры радиусов атомов, ионов и координационное число.

  • Давление;

Пример: тригональный кварц при температуре меньше 5730С и обычном давлении имеет для кремния координационное число 4, а при давлении 100-180 тыс.атм. и температуре 12000С уже образуется тетрагональный стишовит с координационным числом 6.

Полиморфные модификации кварца

Минерал

Кристаллографическая система

Плотность, г/см3

Показатели преломления

Лешательерит

Кварц (низко-температурный)

Высокотемпературные модификации

Тридимит

Кристобалит

Высокобарические модификации

Коэсит

Стишовит

Стекло

Тригональное

Гексогональное

Кубическая

Моноклинная

Тетрагональная

2,19

2,65

2,27

2,33

2,92

4,3

1,46

1,553

1,554

1,471

1,483

1,484

1,487

1,594

1,599

1,845

1,800

  1. Двойникование

Двойникование – явление закономерного срастания кристаллов.

Типы двойников (рис.6)

  • Двойники срастания имеют одну общую плоскость, которая на поверхности выражена двойниковым швом

  • Двойники прорастания имеют общую двойниковую плоскость

  • Простые двойники – срастание 2-х кристаллов

  • Сложные двойники – срастание более 2-х кристаллов

  • Полисинтетические двойники образуют пареллельные слои (пластинки) кристаллического вещества(рис.7)



Рис. 6. Двойники прорастания и срастания.



Рис.7. Полисинтетические двойники микроклина.

Контрольные вопросы

  1. Что называют координационным числом и какая структура является координационной?

  2. Опишите островную структуру и ее варианты.

  3. Цепочечная структура минералов.

  4. Примеры слоистой структуры минералов.

  5. Особенности каркасной структуры.

  6. Полиморфизм и политипия: факторы возникновения и примеры модификаций.

  7. Явление двойникования кристаллов и типы двойников

Лабораторная работа №3

РОЛЬ ВОДЫ В СОСТАВЕ МИНЕРАЛОВ И В МИНЕРАЛООБРАЗОВАНИИ

Вода в кристаллах может быть кристаллизационной и адсорбционной.

1. Кристаллизационная вода содержится в минералах в виде H2O молекулы и является следствием гидратации минерала. Эти минералы называются кристаллогидратами. Выделение кристаллизационной воды сопровождается разрушением кристаллической решетки с образованием безводного соединения или кристаллогидрата с меньшим содержанием воды.

Пример: мирабилит (минерал моноклинной сингонии, из которого получают соду) Na2SO4 * 10H2O Na2SO4 * 3H2O Na2SO4 – тенардит (минерал ромбической сингонии, применяемый в стекольной и содовой отраслях).

К этому же типу относится цеолитная вода. Ионы, образующие кристалл цеолита, располагаются в виде ячеистого каркаса, в пустотах которого и помещаются молекулы H2O. Удаление ее не сказывается на структуре и цеолитная вода может легко быть восстановлена минералом (рис.8).



Рис.8. Ячеистый каркас цеолитов.

2. Абсорбционная вода – молекула Н2О, которая притягивается некоторыми минералами. Ее содержание постоянно изменяется, удаляется из минерала до температуры 1100С.

  • Межплоскостная вода типична для силикатов слоистой структуры. Слой адсорбирует воду всей поверхностью и в структуре минерала его слои чередуются со слоями абсорбционной воды. В результате решетка минералов разбухает, а при потере воды сжимается, но не разрушается (например, монтмориллонит) (рис9).



Рис.9. Слоистая структура мусковита.

  • Вода включений представляет собой захороненные остатки минералообразующей среды в различных пустотах. Эта вода является механически включенной в минералы и может быть выделена только при более высоких температурах. По оценкам Вернадского на долю такой воды приходится примерно 0,1 всей массы воды мирового океана.

В результате нагревания лишь при выделении из минералов водород Н+, гидроксил (ОН)- и гидрооксоний (Н3О)+ преобретают характер воды.

Выделение ОН из основных солей происходит при значительных температурах и сопровождается из разрушением. Это выделение имеет эндотермический характер, т.е. с поглощением тепла.

Дегидратация минералов, содержащих гидрооксоний, по-видимому, имеет переходный характер, который определяется в значительной степени нестойкостью Н3О и отщеплением воды по схеме: Н3О = Н + Н2О. Выделение Н3О происходит при температуре 2000С.

Поведение воды в минералах изучается при помощи термического анализа.



Скачать документ

Похожие документы:

  1. Минералогия с основами петрографии

    Методические указания
    ... ГЕОЛОГИИ, ГЕОИНФОРМАТИКИ И ГЕОЭКОЛОГИИ КАФЕДРА ГЕММОЛОГИИ МИНЕРАЛОГИЯ С ОСНОВАМИПЕТРОГРАФИИ Методические указания к выполнению лабораторных работ ...
  2. Основы геммологии учебное пособие

    Учебное пособие
    ... следующих дисциплин: геология, химия, физика, минералогия с основамипетрографии, кристаллография, история геммологии. Поэтому, приступая ... гг.) – внес крупный вклад в развитие минералогии в России, а также способствовал использованию естественнонаучных ...
  3. Зав кафедрой минералогии кристаллографии и петрографии проф

    Рабочая программа
    ... Утверждаю ___________________________ Зав. кафедрой минералогии, кристаллографии и петрографии, проф. Ю.Б. Марин ... 4 1. Нефтегазопромысловая геология и основы разработки месторождений + + 2. Теоретические основы прогноза поисков и разведки месторождений ...
  4. Зав кафедрой минералогии кристаллографии и петрографии проф

    Рабочая программа
    ... кафедрой минералогии, кристаллографии и петрографии, проф. Ю.Б. Марин РАБОЧАЯ ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ ОСНОВЫ ФОРМАЦИОННОГО ... – «Структурная геология», «Региональная геология», «Петрография», «Основы учения о полезных ископаемых», «Геотектоника и ...
  5. Основы теории симметрии и движений в рамках новейшей теории эволюции (конспект) шерзод абдинабиев ташкент

    Конспект
    ... Ларионов, А., Ананьев, В. (1969) Основыминералогии, петрографии и геологии (Москва, «Высшая школа») ... Успенская, М., Посухова, Т., (2004) Минералогия с основами кристаллографии и петрографии (Неофициальный сервер Геологического факультета МГУ ...

Другие похожие документы..