Алюминиевая глина: Как производится алюминий

Содержание

Как производится алюминий

Сайт об алюминии

Несмотря на то, что алюминий самый распространенный металл на нашей планете, в чистом виде на Земле его не встретить. Из-за высокой химической активности атомы алюминия легко образуют соединения с другими веществами. При этом «крылатый металл» нельзя получить плавлением руды в печи, как это происходит, например, с железом. Процесс получения алюминия значительно сложнее и основан на использовании электричества огромной мощности. Поэтому алюминиевые заводы всегда строятся рядом с крупными источниками электроэнергии – чаще всего гидроэлектростанциями, не загрязняющими окружающую среду. Но обо всем по порядку.

Бокситы

Глинозем

Криолит

Алюминий

Литейное производство

Новые технологии

Переработка

«В природе ничто не возникает мгновенно и ничто не появляется в свете в совершенно готовом виде».

Александр Герцен
русский публицист, писатель

Добыча бокситов

Производство металла делится на три основных этапа: добыча бокситов – алюминийсодержащей руды, их переработка в глинозем – оксид алюминия, и, наконец, получение чистого металла с использованием процесса электролиза – распада оксида алюминия на составные части под воздействием электрического тока. Из 4-5 тонн бокситов получается 2 тонны глинозема, из которого производят 1 тонну алюминия.

В мире существуют несколько видов алюминиевых руд, но основным сырьем для производства этого металла являются именно бокситы. Это горная порода, состоящая, в основном, из оксида алюминия с примесью других минералов. Боксит считается качественным, если он содержит более 50% оксида алюминия.

Запасы бокситов
Общие мировые подтвержденные запасы бокситов оцениваются в 18,6 миллиардов тонн. При нынешнем уровне добычи это обеспечивает потребность в алюминий больше, чем на сто лет.

Бокситы могут сильно отличаться друг от друга. По структуре они бывают твердые и плотные либо рыхлые и рассыпчатые. По цвету – как правило, кирпично-красные, рыжеватые или коричневые из-за примеси оксида железа. При небольшом содержании железа бокситы имеют белый или серый цвет. Но иногда встречаются руды желтого, темно-зеленого цвета и даже пестрые – с голубыми, красно-фиолетовыми или черными прожилками.

Около 90% мировых запасов бокситов сосредоточено в странах тропического и субтропического поясов – из них 73% приходится на пять стран: Гвинею, Бразилию, Ямайку, Австралию и Индию. В Гвинее бокситов больше всего – 5,3 миллиарда тонн (28,4%), при этом они высокого качества, содержат минимальное количество примесей и залегают практически на поверхности.

Крупнейшие страны по добыче бокситов, 2014 год

Чаще всего добыча бокситов ведется открытым способом – специальной техникой руду «срезают» слой за слоем с поверхности земли и транспортируют для дальнейшей переработки. Однако в мире есть места, где алюминиевая руда залегает очень глубоко, и для ее добычи приходится строить шахты – одна из самых глубоких шахт в мире «Черемуховская-Глубокая» находится в России, на Урале, ее глубина – 1550 метров.

Производство глинозема

Следующим этапом является производственной цепочки является переработка бокситов в глинозем – это оксид алюминия Al₂O₃, который представляет собой белый рассыпчатый порошок. Основным способом получения глинозема в мире является метод Байера, открытый более ста лет назад, но актуальный до сих пор – около 90% глинозема в мире производятся именно так. Этот способ весьма экономичен, но использовать его можно только при переработке высококачественных бокситов со сравнительно низким содержанием примесей – в первую очередь кремнезема.

Метод Байера основан на следующем: кристаллическая гидроокись алюминия, входящая в состав боксита, хорошо растворяется при высокой температуре в растворе едкого натра (каустической щёлочи, NaOH) высокой концентрации, а при понижении температуры и концентрации раствора вновь кристаллизуется. Посторонние, входящие в состав боксита (так называемый балласт), не переходят при этом в растворимую форму или перекристаллизовываются и выпадают в осадок до того, как производится кристаллизация гидроокиси алюминия. Поэтому после растворения гидроокиси алюминия балласт легко может быть отделен – он называется красный шлам.

Красный шлам

Это густая масса красно-бурого цвета, состоящая из соединений кремния, железа, титана и других элементов. Его складируют на тщательно изолированных территориях – шламохранилищах. Их обустраивают таким образом, чтобы содержащиеся в отходах щёлочи не проникали в грунтовые воды. Как только хранилище отрабатывает свой потенциал, территорию можно вернуть в первоначальный вид, покрыв её песком, золой или дёрном и посадив определённые виды деревьев и трав. На полное восстановление могут уйти годы, но в итоге местность возвращается в изначальное состояние.

Многие специалисты не считают красный шлам отходом, так как он может служить сырьем для переработки. Например, из него извлекают скандий для дальнейшего производства алюминиево-скандиевых сплавов. Скандий придает таким сплавом особую прочность, сферы использования – автомобиле- и ракетостроение, спортивная экипировка, производство электропроводов.

Также красный шлам может использоваться для производства чугуна, бетона, получения редкоземельных металлов.

Крупные частицы гидроксида алюминия легко отделяются от раствора фильтрованием, их промывают водой, высушивают и кальцинируют – то есть нагревают для удаления воды. Так получают глинозем.

Нефелин
Бокситы – самое распространенное, но не единственное сырье для производства глинозема. Его также можно получить из нефелина. В природе он встречается в виде апатито-нефелиновых пород (апатит – материал из группы фосфорнокислых солей кальция). В процессе производства глинозема из нефелина также получают сода, поташ (используется в строительном секторе, производстве бытовой химии, кондитерской промышленности и так далее), редкий металл галлий. А из отходов производства – белого шлама – высококачественный цемент. Чтобы получить 1 тонну глинозема в среднем требуется 4 тонны нефелина и 7,5 тонн известняка.

У глинозема нет срока годности, но хранить его непросто, так как при малейшей он возможности активно впитывает влагу – поэтому производители предпочитают как можно быстрее отправлять его на алюминиевое производство. Сначала глинозем складывают в штабели весом до 30 тысяч тонн – получается своеобразный слоеный пирог высотой до 10-12 метров. Потом пирог «нарезают» и грузят для отправки в железнодорожные вагоны – в среднем, в один вагон от 60 до 75 тонн (зависит от вида самого вагона).

Существует еще один, гораздо менее распространенный способ получения глинозема – метод спекания. Его суть заключается в получения твердых материалов из порошкообразных при повышенной температуре. Бокситы спекают с содой и известняком – они связывают кремнезем в нерастворимые в воде силикаты, которые легко отделить от глинозема. Этот способ требует больших затрат, чем способ Байера, но в то же время дает возможность перерабатывать бокситы с высоким содержанием вредных примесей кремнезема.

Криолит

Ивиттуут
Одно из единичных месторождений природного криолита на Земле. Расположено в Гренландии и было обнаружено в 1799 году. Добыча криолита прекратилась там в 1987 году, когда был изобретен способ искусственного получения этого редкого минерала. Позднее криолит был найден в Ильменских горах на Южном Урале (Миасс) и в штате Колорадо (США).

Глинозем выступает непосредственным источником металла в процессе производства алюминия. Но для создания среды, в которой этот процесс будет происходить, необходим еще один компонент – криолит.

Это редкий минерал из группы природных фторидов состава Na3AlF6. Обычно он образует бесцветные, белые или дымчато-серые кристаллические скопления со стеклянным блеском, иногда – почти черные или красновато-коричневые. Криолит хрупкий и легко плавится.

Природных месторождений этого минерала крайне мало, поэтому в промышленности используется искусственный криолит. В современной металлургии его получают взаимодействием плавиковой кислоты с гидроксидом алюминия и содой.

Производство алюминия

Итак, мы добыли боксит, получили из него глинозем, запаслись криолитом. Все готово для последней стадии – электролизу алюминия. Электролизный цех является сердцем алюминиевого завода и не похож на цеха других металлургических предприятий, производящих, например, чугун или сталь. Он состоит из нескольких прямоугольных корпусов, протяженность которых зачастую превышает 1 км. Внутри рядами установлены сотни электролизных ванн, последовательно подключенных массивными проводами к электричеству. Постоянное напряжение на электродах каждой ванны находится в диапазоне всего 4-6 вольт, в то время как сила тока составляет 300 кА, 400 кА и более. Именно электрический ток является здесь главной производственной силой – людей в этом цехе крайне мало, все процессы механизированы.

Ток для производства алюминия

Для запуска двигателя автомобильный аккумулятор должен обеспечить электрический ток в 300-350 А в течение 30 секунд. То есть в 1000 раз меньше, чем нужно одному электролизеру для постоянной работы.

В каждой ванне происходит процесс электролиза алюминия. Емкость ванны заполняется расплавленным криолитом, который создает электролитическую (токопроводящую) среду при температуре 950°С. Роль катода выполняет дно ванны, а анода – погружаемые в криолит угольные блоки длиной около 1,5 метров и шириной 0,5 метра, со стороны они выглядят как впечатляющих размеров молот.

Каждые полчаса при помощи автоматической системы подачи глинозема в ванну загружается новая порция сырья. Под воздействием электрического тока связь между алюминием и кислородом разрывается – алюминий осаждается на дне ванны, образуя слой в 10-15 см, а кислород соединяется с углеродом, входящим в состав анодных блоков, и образует углекислый газ.

Примерно раз в 2-4 суток алюминий извлекают из ванны при помощи вакуумных ковшей. В застывшей на поверхности ванны корке электролита пробивают отверстие, в которое опускают трубу. Жидкий алюминий по ней засасывается в ковш, из которого предварительно откачан воздух. В среднем, из одной ванны откачивается около 1 тонны металла, а в один ковш вмещается около 4 тонн расплавленного алюминия. Далее этот ковш отправляется в литейное производство.

При производстве каждой тонны алюминия выделяется 280 000 м³ газов. Поэтому каждый электролизер независимо от его конструкции оснащен системой газосбора, которая улавливает выделяющиеся при электролизе газы и направляет их в систему газоочистки. Современные «сухие» системы газоочистки для улавливания вредных фтористых соединений используют ни что иное, а глинозем. Поэтому перед тем как использоваться для производства алюминия, глинозем на самом деле сначала участвует в очистке газов, которые образовались в процессе производства металла ранее. Вот такой замкнутый цикл.

Для процесса электролиза алюминия требуется огромное количество электроэнергии, поэтому важно использовать возобновляемые и не загрязняющие окружающую среду источники этой энергии. Чаще всего для этого используются гидроэлектростанции – они обладают достаточной мощностью и не имеют выбросов в атмосферу. Например, в России 95% алюминиевого мощностей обеспечены гидрогенерацией. Однако есть в места в мире, где угольная генерация пока доминирует – в частности, в Китае на нее приходится 93% производства алюминия. В результате для производства 1 тонны алюминия с использованием гидрогенерации в атмосферу выделяется чуть более 4 тонн углекислого газа, а при использовании угольной генерации – в пять раз больше – 21,6 тонны.

Углекислый газ

Для сравнения — за один солнечный день 1 гектар леса поглощает из воздуха 120-280 кг углекислого газа и выделяет 180-200 кг кислорода.

Литейное производство

Расплавленный алюминий в ковшах доставляется в литейный цех алюминиевого завода. На этой стадии металл все еще содержит небольшое количество примесей железа, кремния, меди и других элементов. Но даже доли процента, приходящиеся на примеси, могут изменить свойства алюминия, поэтому здесь их удаляют методом переплавки в специальной печи при температуре 800°С. Полученный чистый алюминий разливают в специальные формы, в которых металл приобретает свою твердую форму.

Самые маленькие слитки алюминия называются чушками, они имеют вес 6 до 22,5 кг. Получив алюминий в чушках, потребители вновь расплавляют его и придают тот состав и форму, которые требуются для их целей.

Самые большие слитки – 30-тонные параллелепипеды длиной 11,5 метров. Их изготавливают в специальных формах, уходящих в землю на примерно 13 метров. Горячий алюминий заливается в нее в течение двух часов – слиток «растет» в форме как сосулька, только в обратном направлении. Одновременно его охлаждают водой и к моменту завершения выливки он уже готов к дальнейшей транспортировке. Прямоугольные слитки называются слябами (от англ. slabs) – они используются для проката в тонкие листы и производства алюминиевой фольги, банок для напитков или, к примеру, автомобильных кузовов.

Алюминий в форме цилиндрических слитков достигает в длину 7 метров – их используют для экструзии, то есть выдавливание через отверстие необходимой формы. Именно так производится большая часть алюминиевых изделий.

В литейном цехе алюминию придают не только разные формы, но и состав. Дело в том, что в чистом виде этот металл используется гораздо реже, чем в виде сплавов.

Сплавы производятся путем введения в алюминий различных металлов (так называемых легирующих добавок) – одни повышает его твердость, другие плотность, третьи приводят к изменению его теплопроводности и т.д. В качестве добавок используются бор, железо, кремний, магний, марганец, медь, никель, свинец, титан, хром, цинк, цирконий, литий, скандий, серебро и др. Кроме этих элементов, в алюминиевых сплавах могут присутствовать еще около десятка легирующих добавок, таких как стронций, фосфор и другие, что значительно увеличивает возможное число сплавов. На сегодняшний день в промышленности используется свыше 100 марок алюминиевых сплавов.

Новые технологии

Производители алюминия постоянно совершенствуют свои технологии, дабы научиться производить металл наилучшего качества с наименьшими затратами и минимальным воздействием на экологию. Уже сконструированы и работают электролизеры, мощность силы тока у который по 400 и 500кА, модернизируются электролизеры прошлых поколений.

Одна из передовых мировых разработок – производство металла с использованием инертного анода. Эта уникальная революционная технология позволит алюминщикам отказаться от использования угольных анодов. Инертный анод, упрощенно говоря, вечен, но что самое важное – при его использовании в атмосферу выделяется не углекислый газ, а чистейший кислород. Причем 1 электролизная ванна сможет вырабатывать столько же кислорода, сколько 70 га леса. Пока эта технология секретна и проходит промышленные испытания, но кто знает – может быть, в будущем она сделает из алюминиевой промышленности еще одни легкие нашей планеты.

Переработка

Алюминий обладает полезным свойством – не терять своих свойств в процессе использования, поэтому изделия из него могут подвергаться переплавке и вторичной переработке в уже новые изделия. Это позволяет сохранить ту колоссальную энергию, затраченную на производство алюминия впервые.

По расчетам Международного алюминиевого института с 1880 года в мире произведен почти 1 млрд тонн алюминия и три четверти всего этого объема до сих пор используется. Около 35% в зданиях и сооружениях, 30% – в электрических кабелях и оборудовании и 30% – в транспорте.

Здания и сооружения

Электрические кабели

Транспорт

По всему миру собирают отходы алюминия – в быту это, в основном, алюминиевые банки из-под напитков. Подсчитано, что 1 кг собранных и сданных в переработку банок позволяет сэкономить 8 кг боксита, 4 кг различных фторидов и 14 кВт/ч электроэнергии. Кроме этого, это позволяет существенно сократить экологический урон от все разрастающихся свалок. Развитие экологической ответственности делает все более популярной идею раздельного сбора мусора во всем мире.

Алюминиевая банка – самый часто перерабатываемый продукт. Примерно через 6 недель после использования они вновь оказываются на полках магазинов.

Ежегодно в мире производится более 220 млрд банок для напитков, в Европе 90% из них вторично перерабатываются – причем зачастую снова в банки, поэтому именно алюминиевую банку называют вечной. Но переработать можно что угодно – и корпуса автомобилей, и использованную фольгу для запекания, и раму велосипеда.

В статье использованы фотоматериалы © Shutterstock и © Rusal.

Архитектор, урбанист и Максим Галкин — о скульптуре «Большая глина № 4» на Болотной набережной

16 августа 2021, 19:46
Культура

close

100%

В Москве установили 12-метровую скульптуру «Большая глина № 4» Урса Фишера. Москвичи раскритиковали алюминиевую копию комков глины, сравнив ее с фекалиями. Народный художник России Андрей Ковальчук и автор Telegram-канала «Архитектурные излишества» Павел Гнилорыбов прокомментировали «Газете.Ru» появление неоднозначного арт-объекта в центре столицы.

На Болотной набережной завершилась установка вертикальной скульптуры «Большая глина № 4» швейцарского художника Урса Фишера. Она представляет собой 12-метровую алюминиевую копию положенных друг на друга кусков глины, которые когда-то разминал скульптор.

View this post on Instagram
A post shared by Ник (@nick_nokk)

Фотография арт-объекта собрала множество негативных комментариев в соцсетях — чаще всего скульптуру сравнивают с «горой фекалий».

Председатель правления Союза художников России Андрей Ковальчук отчасти разделяет мнение москвичей. Скульптор рассказал, что видел инсталляцию на фото, и она ему не понравилась.

«Мне скульптура не нравится, скажу честно. Потому что я сам скульптор, и опусов может быть очень много, но не каждый опус нужно увеличивать до 12 метров, — считает народный художник России.

— С другой стороны, я должен окончательно посмотреть в натуре, потому что бывают иногда фотографии непонятные. Но первое ощущение у меня — не положительное».

Он отметил, что искусство может быть актуальным или традиционным. В данном случае, по мнению Ковальчука, эксперты оценили эту работу как актуальную для выставления в центре Москвы.

«Значит, руководители и владельцы музея современного искусства, напротив которого установлена скульптура, посчитали, что она будет интересна зрителю. А они имеют право высказываться, — заявил скульптор. — Существуют законы и нормативные акты по установкам объектов в Москве. Если скульптура установлена на частной территории, владелец имеет право ее сохранить. Но если москвичам она мешает, они тоже могут высказываться в соцсетях, писать градоначальнику и так далее».

View this post on Instagram
A post shared by Khristian Torres (@khristiantorres)

По мнению урбаниста и автора проекта «Архитектурные излишества» Павла Гнилорыбова, реакция москвичей обусловлена отставанием об общемировых тенденций. Он отметил, что российская художественная и скульптурная школа около 50 лет развивалась почти в полной изоляции.

«Для среднего обывателя вершина понимания — это передвижники и бытовой реализм, а вот с Малевичем уже сложности. Цель установки подобных скульптур — скорее образовательная и просветительская. Нужно показать людям, что мир скульптуры гораздо многограннее, чем просто памятник очередному усатому мужику на коне», — сказал Гнилорыбов.

Он также выразил надежду, что со временем россияне привыкнут к необычным арт-объектам и научатся воспринимать их как искусство.

«Будут ли сравнивать с горой фекалий? Будут, но через такую иронию. Сначала отрицание, а затем уже через принятие идет вовлечение в область современного искусства», — подчеркнул урбанист.

Одним из ярых критиков «Большой глины №4» стал телеведущий Максим Галкин, посвятивший ей разгромный пост в Instagram.

«Это реально ужасно, отвратительно, мерзко! Там нет реально никакого смысла, никакого искусства. Почему никто не скажет, что такие художники — это просто бездарные люди, которые прячут свою бесталанность за какой-то свободой формы», — заявил шоумен.

Инсталляция «Большая глина №4» приурочена к открытию в Москве нового центра современного искусства — Дома культуры «ГЭС-2».

«Большая глина № 4» посвящена осмыслению акта созидания и преображения материи в руках человека, — говорится в Instagram «ГЭС-2». — Произведение апеллирует к тому непреодолимому импульсу, который все мы испытывали с детства, сжимая в ладони кусок пластилина, — импульсу к трансформации податливого материала и приданию ему определенной формы».

Впервые скульптуру Фишера установили в 2015 году на Манхэттене. Через полгода ее демонтировали, а в 2017-м поставили на площади Синьории во Флоренции. Там она находилась четыре месяца. В Москве «Большая глина №4» тоже простоит несколько месяцев, но сколько именно, пока неизвестно. В 2016 году работы Урса Фишера приезжали в музей «Гараж», где проходила персональная выставка скульптора «Маленький топор».

Подписывайтесь на «Газету.Ru» в Новостях, Дзен и Telegram.
Чтобы сообщить об ошибке, выделите текст и нажмите Ctrl+Enter

Новости

Дзен

Telegram

Картина дня

Военная операция РФ на Украине. День 264-й

Онлайн-трансляция военной спецоперации РФ на Украине — 264-й день

08:13

«Знаем, откуда это координируется». В Стамбуле намекнули на причастность США к теракту

Глава МВД Турции Сойлу отказался принять соболезнования США после теракта в Стамбуле

18:52

«Вытри сопли, бичиха». Смерть пациентки в Хабаровском крае проверяет прокуратура

СК начал проверку после смерти женщины в больнице №7 Комсомольска-на-Амуре

16:33

Песков подтвердил проведение американо-российских переговоров в Анкаре

18:18

Небензя назвал «юридически ничтожной» резолюцию ГА ООН о репарациях Украине

18:39

МИД РФ: Россия внесла актера Джима Керри в черный список

18:09

РИА Новости: ВСУ не дают жителям Херсона уехать из города

17:56

Новости и материалы

На Украине продлят плановые отключения электричества

19:14

Changan начала продажи нового пикапа Lantazhe

19:11

«Ангел» Victoria’s Secret Эльза Хоск появилась на публике в «голом» платье без белья

19:10

СМИ сообщили, что Сычевой может продолжить карьеру в Сербии

19:10

В Оренбурге может появиться памятник звездам «Ласкового мая»

19:08

Минфин США разрешил ряд сделок с оператором деловой авиации на Мальте Emperor Aviation

19:08

Британия выведет из Мали своих военных

19:07

Пашинян не исключил переговоров с Баку на основе российского варианта мирного договора

19:05

Власти Херсонской области сообщили о репрессиях ВСУ в отношении мирных жителей

19:04

Личные данные клиентов сервиса аренды электросамокатов выставили на продажу

19:00

Регина Тодоренко призналась, что «в ужасе» от аллергической реакции на своем лице

18:56

Судмедэксперт Решетун рассказал, могут ли привезти в морг еще живого человека

18:56

Губернатор Гладков сообщил о работе ПВО в Белгороде, Белгородском районе и Яковлевском округе

18:52

В Китае археологи обнаружили терракотовые фигурки танцоров

18:52

Марго Робби показала рельефный пресс на обложке Vanity Fair

18:48

Рублев обыграл Медведева в стартовом матче на Итоговом турнире АТР

18:48

WP: конгресс США стремится усилить поставки оружия Тайваню из-за опасений «вторжения» Китая

18:48

Белый дом: Байден и Си Цзиньпин договорились о визите Блинкена в КНР

18:45

Все новости

«Привезли ребенка и отдельно пальчик в пакетике». Что произошло в школе под Иркутском

Мама и одноклассники школьника из Сибири, которому оторвало палец дверью, назвали версии инцидента

15:57

«Полиция бежала. От мародеров защищались плетками и ножами»

Как Арабская весна уничтожила власть и экономику Египта

08:02

«Я хотела отдать им фекалии. Но ведро проскользнуло и опрокинулось»

Экс-депутат из Первоуральска обжалует штраф за разлитое в офисе «Водоканала» ведро с экскрементами

15:14

«Вы знаете, что это территория РФ». Песков — о визите Зеленского в Херсон

Песков назвал территорией России город Херсон, в который сегодня приехал Зеленский

16:19

Коротко стриглась, родила в 19 от женатого, служила в разведке: 10 фактов об Астрид Линдгрен

115 лет назад родилась «мама» Карлсона Астрид Линдгрен

14:26

«Россияне спрашивают — что случилось?» Лавров сделал селфи из отеля на Бали

Лавров опроверг сообщения о своей госпитализации на Бали и прислал селфи

13:49

Скандальный уход из «Блестящих» и поздняя беременность. Ольге Орловой — 45

Теракт в Стамбуле. Задержана подозреваемая — женщина в милитари-брюках

Турецкие СМИ опубликовали кадры задержания подозреваемой в организации взрыва в Стамбуле

11:11

«Мы приехали показаться врачу, а оказалось — пора рожать»: звезды — о родах с супругами

Семь знаменитостей поделились своим отношением к партнерским родам

08:04

«Лучше перевскрыть, чем недовскрыть»: как судмедэскперты ищут причину смерти

Судмедэксперт Решетун рассказал, как по трупным пятнам определить причину смерти

08:03

«Нужен пересмотр позиции по Крыму». В США просят Украину быть «реалистичнее»

WSJ: Салливан попросил Киев подумать о более «реалистичных требованиях» на переговорах с Россией

13.11.2022, 23:46

«Теракт совершила женщина». Что известно о взрыве в центре Стамбула

В результате взрыва в Стамбуле погибли 6 человек, пострадал 81, двое в тяжелом состоянии

13.11.2022, 21:14

Интервью с Павлом Табаковым — о роли в «Суперпозиции», съемках с Оксимироном и любимых фильмах

Павел Табаков рассказал о съемках в сериале «Суперпозиция»

13.11.2022, 18:46

глиняный минерал | Определение, структура, состав, использование, типы, примеры и факты

листовая структура кремнеземных тетраэдров

Просмотреть все материалы

Связанные темы:: монтмориллонит
вермикулит
сепиолит
хлорит
каолинит

Просмотреть весь связанный контент →

Резюме

Прочтите краткий обзор этой темы

глинистый минерал , любой из группы важных гидроалюмосиликатов со слоистой (пластообразной) структурой и очень мелким размером частиц. Они могут содержать значительное количество железа, щелочных металлов или щелочноземельных металлов.

Общие соображения

Термин глина обычно применяется к (1) природному материалу с пластическими свойствами, (2) частицам очень мелкого размера, обычно определяемым как частицы размером менее двух микрометров (7,9 × 10 ^-5 дюймов) и (3) очень мелкие минеральные фрагменты или частицы, состоящие в основном из водослоистых силикатов алюминия, хотя иногда содержащие магний и железо. Хотя, в более широком смысле, глинистые минералы могут включать практически любой минерал с указанным выше размером частиц, определение, адаптированное здесь, ограничено представлением силикатов с водным слоем и некоторых родственных алюмосиликатов ближнего порядка, которые встречаются либо исключительно, либо часто очень мелкого размера.

Развитие методов рентгеновской дифракции в 1920-х годах и последующее усовершенствование микроскопических и термических методов позволили исследователям установить, что глины состоят из нескольких групп кристаллических минералов. Внедрение электронно-микроскопических методов оказалось очень полезным для определения характерной формы и размеров глинистых минералов. Более современные аналитические методы, такие как инфракрасная спектроскопия, нейтронографический анализ, мессбауэровская спектроскопия и спектроскопия ядерного магнитного резонанса, помогли расширить научные знания о кристаллохимии этих минералов.

Глинистые минералы состоят в основном из кремнезема, глинозема или магнезии, или того и другого, и воды, но железо заменяет алюминий и магний в различной степени, а также часто присутствуют заметные количества калия, натрия и кальция. Некоторые глинистые минералы можно выразить с помощью следующих идеальных химических формул: 2SiO ₂ · Al ₂ O ₃ · 2H ₂ O (каолинит), 4SiO ₂ · Al ₂

3 O 3_{·H ₂ O (пирофиллит), 4SiO ₂ ·3MgO·H ₂ O (тальк) и 3SiO ₂ ·Al ₂ O ₃ ·5FeO·4H ₂ O (шамозит). Соотношение SiO ₂ в формуле является ключевым фактором, определяющим типы глинистых минералов. Эти минералы можно разделить на основе вариаций химического состава и атомной структуры на девять групп: (1) каолин-серпентин (каолинит, галлуазит, лизардит, хризотил), (2) пирофиллит-тальк, (3) слюда (иллит, глауконит, селадонит), (4) вермикулит, (5) смектит (монтмориллонит, нонтронит, сапонит), (6) хлорит (судоит, клинохлор, шамозит), (7) сепиолит-палигорскит, (8) межслоистые глинистые минералы (например, ректорит, корренсит, тосудит) и (9) аллофан-имоголит. Информация и структурные схемы для этих групп приведены ниже.}

Викторина «Британника»

(Кровати) Камни и (Кремень) Камни

Бриллианты могут быть лучшим другом девушки, но кто является ближайшим родственником этого минерала? Проверьте свои знания о горных породах, минералах и обо всем, что связано с yabba dabba doo, в этой викторине.

Каолинит происходит от широко используемого названия каолин , которое является искажением китайского Gaoling (Pinyin; латинизация Уэйда-Джайлса Kao-ling), что означает «высокий хребет», название холма недалеко от Цзиндэчжэня, где встречается минерал известен еще во 2 веке до н. э. Монтмориллонит и нонтронит названы в честь местностей Монмориллон и Нонтрон, соответственно, во Франции, где эти минералы были впервые обнаружены. Селадонит от французского céladon (что означает серовато-желто-зеленый) в намеке на его цвет. Поскольку сепиолит — легкий и пористый материал, его название основано на греческом слове, обозначающем каракатицу, кость которой похожа на природу. Название сапонит происходит от латинского sapon (что означает мыло) из-за его внешнего вида и очищающей способности. Вермикулит происходит от латинского vermiculari («разводить червей») из-за его физических свойств расслаивания при нагревании, что заставляет минерал демонстрировать эффектное изменение объема от мелких зерен до длинных червеобразных нитей. Бейлихлор, бриндлеит, корренсит, судоит и тосудит являются примерами глинистых минералов, названных в честь выдающихся минералогов глины — Стерджеса У. Бейли, Джорджа У. Бриндли, Карла У. Корренса и Тосио Судо соответственно.

Ralph E. Grim Hideomi Kodama

Структура

Общие характеристики

Структура глинистых минералов в основном определяется методами рентгеновской дифракции. Существенные особенности водослоистых силикатов были выявлены различными учеными, в том числе Шарлем Могеном, Линусом К. Полингом, У.В. Джексон, Дж. Уэст и Джон В. Грюнер с конца 1920-х до середины 1930-х годов. Эти элементы представляют собой непрерывные двумерные тетраэдрические листы состава Si ₂ O ₅, с тетраэдрами SiO ₄ (рис. 1), связанными общими тремя углами каждого тетраэдра, чтобы сформировать шестиугольную сетку (рис. 2А). Часто атомы кремния тетраэдров частично замещены алюминием и в меньшей степени трехвалентным железом. Апикальный кислород в четвертом углу тетраэдров, который обычно направлен перпендикулярно листу, образует часть соседнего октаэдрического листа, в котором октаэдры связаны общими ребрами (рис. 3). Плоскость соединения между тетраэдрическими и октаэдрическими листами состоит из общих апикальных атомов кислорода тетраэдров и неразделенных гидроксилов, которые лежат в центре каждого гексагонального кольца тетраэдров и на том же уровне, что и общие апикальные атомы кислорода (рис. 4). Обычными катионами, которые координируют октаэдрические слои, являются Al, Mg, Fe ³⁺ и Fe ²⁺ ; иногда в значительных количествах замещают Li, V, Cr, Mn, Ni, Cu и Zn. Если двухвалентные катионы ( M ²⁺ ) находятся в октаэдрических листах, то состав M ²⁺ / ₃ (OH) ₂ O ₄ и все октаэдры заняты. При наличии трехвалентных катионов ( M ³⁺ ) состав M ³⁺ / ₂ (OH) ₂ O ₄ и две трети октаэдров заняты, при отсутствии третьего октаэдра. Первый тип октаэдрического листа называется триоктаэдрическим, второй — диоктаэдрическим. Если все анионные группы представляют собой гидроксильные ионы в композициях октаэдрических листов, результирующие листы могут быть выражены как M ²⁺ (OH) ₂ и M ³⁺ (OH) ₃ , соответственно. Такие пласты, называемые гидроксидными пластами, встречаются единично, чередуясь с силикатными прослоями в некоторых глинистых минералах. Брусит, Mg(OH) ₂ и гиббсит Al(OH) ₃ являются типичными примерами минералов, имеющих сходную структуру. Существует два основных типа структурных «основ» глинистых минералов, называемых силикатными слоями. Единичный силикатный слой, образованный путем совмещения одного октаэдрического листа с одним тетраэдрическим листом, называется силикатным слоем 1:1, а открытая поверхность октаэдрического листа состоит из гидроксилов. В другом типе единичный силикатный слой состоит из одного октаэдрического листа, заключенного между двумя тетраэдрическими листами, ориентированными в противоположных направлениях, и называется силикатным слоем 2:1 (рис. 5). Однако эти структурные особенности ограничены идеализированными геометрическими схемами.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.
Подпишитесь сейчас

Реальные структуры глинистых минералов содержат существенные кристаллические деформации и искажения, которые создают нерегулярности, такие как деформированные октаэдры и тетраэдры, а не многогранники с равносторонними треугольными гранями, дитригональная симметрия, модифицированная из идеальной гексагональной симметрии поверхности, и складчатые поверхности вместо плоских плоскости, образованные базальными атомами кислорода тетраэдрического листа. Одной из основных причин таких искажений являются размерные «несоответствия» между тетраэдрическими и октаэдрическими листами. Если тетраэдрический лист содержит только кремний в катионной позиции и имеет идеальную гексагональную симметрию, более длинный единичный размер в базисной плоскости равен 90,15 Å, что находится между соответствующими размерами 8,6 Å гиббсита и 9,4 Å брусита. Чтобы подогнать тетраэдрический лист к размеру октаэдрического листа, чередующиеся тетраэдры SiO ₄ поворачиваются (до теоретического максимума 30 °) в противоположных направлениях, чтобы исказить идеальный шестиугольный массив в дважды треугольный (дитригональный) массив (рис. 2B). ). Благодаря этому механизму искажения тетраэдрические и октаэдрические листы широкого спектра составов, возникающие в результате ионных замещений, могут соединяться вместе и поддерживать силикатные слои. Среди ионных замещений наиболее существенное влияние на геометрические конфигурации силикатных слоев оказывают замещения между ионами резко различающихся размеров.

Еще одна важная особенность слоистых силикатов, благодаря сходству их листовой структуры и гексагональной или почти гексагональной симметрии, заключается в том, что структуры позволяют различными способами укладывать атомные плоскости, листы и слои, что может быть объяснено кристаллографическими операциями, такими как как перемещение или смещение и вращение, что отличает их от полиморфных форм (например, алмаз-графит и кальцит-арагонит). Первые включают одномерные вариации, а вторые обычно трехмерные. Разнообразие структур, возникающих в результате различных последовательностей укладки фиксированного химического состава, называют политипами. Если такое разнообразие вызвано незначительными, но постоянными ионными заменами, их называют политипоидами.