Апатит — это группа фосфатных минералов , обычно гидроксиапатит , фторапатит и хлорапатит, с высокими концентрациями ионов OH− , F− и Cl− соответственно в кристалле . Формула смеси трех наиболее распространенных конечных членов записывается как Ca10 ( PO4 ) 6 (OH , F , Cl ) 2 , а формулы элементарных ячеек кристаллов отдельных минералов записываются как Ca10 ( PO4 ) 6 ( OH ) 2 , Ca10 ( PO4 ) 6F2 и Ca10 ( PO4 ) 6Cl2 .
Минерал был назван апатитом немецким геологом Авраамом Готтлобом Вернером в 1786 году, [4] хотя конкретный минерал, который он описал, был переклассифицирован как фторапатит в 1860 году немецким минералогом Карлом Фридрихом Августом Раммельсбергом . Апатит часто путают с другими минералами. Эта тенденция отражена в названии минерала, которое происходит от греческого слова ἀπατάω (apatáō), что означает обманывать . [5] [6]
Апатит — один из немногих минералов, производимых и используемых биологическими микроэкологическими системами. [7] Гидроксиапатит, также известный как гидроксилапатит, является основным компонентом зубной эмали и костного минерала . Относительно редкая форма апатита, в которой большинство групп ОН отсутствует и которая содержит много карбонатных и кислотных фосфатных замещений, является крупным компонентом костного материала. [13]
Фтороапатит (или фтороапатит) более устойчив к воздействию кислот, чем гидроксиапатит; в середине 20-го века было обнаружено, что сообщества, чье водоснабжение естественным образом содержало фтор, имели более низкие показатели кариеса зубов . [14] Фторированная вода позволяет обменивать в зубах ионы фтора на гидроксильные группы в апатите. Аналогично, зубная паста обычно содержит источник анионов фтора (например, фторид натрия, монофторофосфат натрия ). Слишком много фтора приводит к флюорозу зубов и/или скелетному флюорозу . [15]
Треки деления в апатите обычно используются для определения термической истории орогенных поясов и осадков в осадочных бассейнах . [16] (U-Th)/He датирование апатита также хорошо известно из исследований диффузии благородных газов [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] для использования при определении термической истории [24] [25] и других, менее типичных приложений, таких как палеопожарное датирование. [26]
Использует
Основное применение апатита — как источника фосфата в производстве удобрений и других промышленных целях. Иногда его используют как драгоценный камень. [27] Измельченный апатит использовался в качестве пигмента для Терракотовой армии Китая в 3 веке до н. э. [28] и в эмали для металлических изделий династии Цин . [29]
Во время обработки апатита серной кислотой для получения фосфорной кислоты , фтористый водород образуется как побочный продукт из любого содержания фторапатита . Этот побочный продукт является второстепенным промышленным источником плавиковой кислоты . [30] Апатит также иногда является источником урана и ванадия , присутствующих в виде следовых элементов в минерале. [27]
Фторхлорапатит является основой ныне устаревшей системы люминесцентных трубок Halophosphor . Легирующие элементы марганца и сурьмы, менее одного молярного процента — вместо кальция и фосфора — придают флуоресценцию, а регулировка соотношения фтора к хлору изменяет оттенок получаемого белого цвета. Эта система была почти полностью заменена системой Tri-Phosphor. [31]
Апатиты также являются предполагаемым материалом для хранения ядерных отходов , наряду с другими фосфатами. [32] [33] [34]
Геммология
Апатит нечасто используется в качестве драгоценного камня . Прозрачные камни чистого цвета были огранены, а переливчатые образцы были огранены кабошоном . [3] Переливчатые камни известны как апатит кошачий глаз , [3] прозрачные зеленые камни известны как спаржевый камень , [3] а синие камни были названы морокситом . [35] Если кристаллы рутила выросли в кристалле апатита, при правильном освещении ограненный камень демонстрирует эффект кошачьего глаза. Основными источниками драгоценного апатита являются [3] Бразилия, Мьянма и Мексика. Другие источники включают [3] Канаду, Чешскую Республику, Германию, Индию, Мадагаскар, Мозамбик, Норвегию, Южную Африку, Испанию, Шри-Ланку и Соединенные Штаты.
Использование в качестве рудного минерала
Апатит иногда обнаруживается содержащим значительные количества редкоземельных элементов и может быть использован в качестве руды для этих металлов. [36] Это предпочтительнее традиционных редкоземельных руд, таких как монацит , [37] поскольку апатит не очень радиоактивен и не представляет экологической опасности в хвостохранилищах . Однако апатит часто содержит уран и его столь же радиоактивные нуклиды цепи распада . [38] [39]
Город Апатиты на арктическом севере России получил свое название в честь добычи этих руд.
Апатит — рудный минерал на проекте по добыче редкоземельных металлов в Хойдас-Лейк . [40]
Термодинамика
Стандартные энтальпии образования в кристаллическом состоянии гидроксиапатита, хлорапатита и предварительное значение для бромапатита были определены с помощью калориметрии реакции-раствора . Предположения о существовании возможного пятого члена семейства кальциевых апатитов, иодоапатита, были выведены из энергетических соображений. [41]
Структурные и термодинамические свойства кристаллических гексагональных апатитов кальция, Ca 10 (PO 4 ) 6 (X) 2 (X = OH, F, Cl, Br), были исследованы с использованием полностью атомного потенциала Борна-Хаггинса-Майера [42] методом молекулярной динамики. Точность модели при комнатной температуре и атмосферном давлении была проверена по данным о структуре кристаллов с максимальными отклонениями около 4% для галоапатитов и 8% для гидроксиапатита. Были выполнены прогоны моделирования высокого давления в диапазоне 0,5–75 кбар для оценки коэффициента изотермической сжимаемости этих соединений. Деформация сжатых твердых тел всегда упруго анизотропна, причем BrAp демонстрирует заметно отличное поведение от поведения, демонстрируемого HOAp и ClAp. Данные pV высокого давления были подобраны к уравнению состояния Парсафара-Мейсона [43] с точностью лучше 1%. [44]
Моноклинные твердые фазы Ca 10 (PO 4 ) 6 (X) 2 (X = OH, Cl) и расплавленное соединение гидроксиапатита также были изучены методом молекулярной динамики. [45] [46]
Лунная наука
Лунные камни, собранные астронавтами во время программы «Аполлон», содержат следы апатита. [47] После получения новых сведений о наличии воды на Луне, [48] повторный анализ этих образцов в 2010 году выявил воду, запертую в минерале в виде гидроксила , что привело к оценкам содержания воды на лунной поверхности в размере не менее 64 частей на миллиард — в 100 раз больше предыдущих оценок — и вплоть до 5 частей на миллион. [49] Если бы минимальное количество воды, запертой в минерале, было гипотетически преобразовано в жидкость, оно покрыло бы поверхность Луны примерно одним метром воды. [50]
Биовыщелачивание
Эктомикоризные грибы Suillus granulatus и Paxillus involutus могут высвобождать элементы из апатита. Выделение фосфата из апатита является одним из важнейших видов деятельности микоризных грибов, [51] которые увеличивают поглощение фосфора растениями. [52]
Группа и супергруппа апатита
Апатит является прототипом класса химически, стехиометрически или структурно подобных минералов, биологических материалов и синтетических химикатов. [53] Те, которые наиболее похожи на апатит, также известны как апатиты, такие как свинцовый апатит ( пироморфит ) и бариевый апатит ( альфорсит ). Более химически непохожие минералы супергруппы апатита включают беловиты , бритолиты , эллестадиты и гедифаны .
Апатиты исследовались на предмет их потенциального использования в качестве пигментов (легированные медью щелочноземельные апатиты), в качестве люминофоров , а также для поглощения и иммобилизации токсичных тяжелых металлов.
В апатитовых минералах стронций , барий и свинец могут замещать кальций; арсенат и ванадат — фосфат; а конечный балансирующий анион может быть фторидом (фторапатиты), хлоридом (хлорапатиты), гидроксидом (гидроксиапатиты) или оксидом (оксиапатиты). Синтетические апатиты добавляют гипоманганат , гипохромат, бромид (бромоапатиты), йодид (йодоапатиты), сульфид (сульфоапатиты) и селенид (селеноапатиты). Доказательства естественного замещения сульфида были обнаружены в образцах лунных пород. [54]
Кроме того, компенсирующее замещение одновалентных и трехвалентных катионов на кальций, двухосновных и четырехосновных анионов на фосфат и балансирующего аниона может происходить в большей или меньшей степени. Например, в биологических апатитах наблюдается заметное замещение натрия на кальций и карбоната на фосфат, в беловите натрий и церий или лантан замещают пару двухвалентных ионов металла, в германат-пироморфите германат замещает фосфат и хлорид, а в эллестадитах силикат и сульфат замещают пары фосфатных анионов. Металлы, образующие более мелкие двухвалентные ионы, такие как магний и железо, не могут в значительной степени замещать относительно большие ионы кальция, но могут присутствовать в небольших количествах. [55]
^ По словам самого Вернера (Werner, 1788), стр. 85, название «апатит» впервые появилось в печати в:
Герхард, Калифорния, Grundriss des Mineral-systems [Очерк системы минералов] (Берлин, (Германия): Кристиан Фридрих Химбург, 1786), с. 281. Со с. 281: «Von einigen noch nicht genau bestimmten und ganz neu entdeckten Mineralien. Ich rechne hierzu folgende drei Körper: 1. Den Apatit des Herrn Werners.…» (О некоторых еще точно не определенных и совсем недавно открытых минералах. К ним я отношу и следующие три вещества: 1. апатит г-на Вернера…).
Вернер довольно подробно описал минерал в статье 1788 года.
Вернер, А.Г. (1788) «Geschichte, Karakteristik, und kurze chemische Untersuchung des Apatits» (История, характеристики и краткое химическое исследование апатита), Bergmännisches Journal (Горняцкий журнал), vol. 1, стр. 76–96. На стр. 84–85 Вернер объяснил, что, поскольку минералоги неоднократно ошибочно классифицировали его (например, как аквамарин ), он дал апатиту имя «обманщик»: «Ich wies hierauf diesem Foßile, als einer eigenen Gattung, sogleich eine Stelle in dem Kalkgeschlechte an; und ertheilte im, – weil es bisher alle Mineralogen in seiner Bestimmung re geführt Hatte, – den Namen Apatit , den ich von dem griechischen Worte απατάω (decipio) bildete, und welcher so viel as Trügling sagt». (Затем я немедленно назначил этой окаменелости [т. е. материалу, добытому из-под земли], как отдельному типу, место в родословной извести; и присвоил ей — поскольку она ранее вводила в заблуждение всех минералогов своей классификацией — название «апатит» ", которое я образовал от греческого слова απατάω [apatáō] (обманываю) и которое говорит то же самое, что и [слово] "обманщик".)
^ "ἀπατάω". Logeion . Архивировано из оригинала 22 февраля 2023 г. . Получено 22 февраля 2023 г. .
^ "Информация и данные о минерале фторапатит". mindat.org . Получено 30 января 2018 г. .
^ abc Nesse, William D. (2000). Введение в минералогию . Нью-Йорк: Oxford University Press. стр. 349. ISBN9780195106916.
^ Группа минералов апатита. minerals.net. Получено 14 октября 2020 г.
^ Гулбрандсен, РА (август 1966 г.). «Химический состав фосфоритов фосфоритовой свиты». Geochimica et Cosmochimica Acta . 30 (8): 769–778. Бибкод : 1966GeCoA..30..769G. дои : 10.1016/0016-7037(66)90131-1.
^ Бернетт, Уильям С. (1 июня 1977 г.). «Геохимия и происхождение фосфоритовых месторождений у берегов Перу и Чили». Бюллетень GSA . 88 (6): 813–823. Bibcode : 1977GSAB...88..813B. doi : 10.1130/0016-7606(1977)88<813:GAOOPD>2.0.CO;2.
^ Нессе 2000, стр. 99.
^ Синканкас, Джон (1964). Минералогия для любителей . Принстон, Нью-Джерси: Van Nostrand. С. 417–418. ISBN0442276249.
^ «История фторирования». Национальный институт стоматологических и черепно-лицевых исследований. 2008-12-20.
^ «Рекомендации по использованию фторида для профилактики и контроля кариеса зубов в Соединенных Штатах. Центры по контролю и профилактике заболеваний». MMWR. Рекомендации и отчеты . 50 (RR-14): 1–42. Август 2001 г. PMID 11521913.
"CDC выпускает новые рекомендации по использованию фторида для предотвращения кариеса зубов". Центры по контролю и профилактике заболеваний . 2007-08-09. Архивировано из оригинала 2008-03-08.
^ Malusà, Marco G.; Fitzgerald, Paul G., ред. (2019). Термохронология треков деления и ее применение в геологии . Учебники Springer по наукам о Земле, географии и окружающей среде. Учебники Springer по наукам о Земле, географии и окружающей среде. doi :10.1007/978-3-319-89421-8. ISBN978-3-319-89419-5. ISSN 2510-1307. S2CID 146467911.
^ Zeitler, PK; Herczeg, AL; McDougall, I.; Honda, M. (октябрь 1987 г.). «U-Th-He датирование апатита: потенциальный термохронометр». Geochimica et Cosmochimica Acta . 51 (10): 2865–2868. Bibcode : 1987GeCoA..51.2865Z. doi : 10.1016/0016-7037(87)90164-5. ISSN 0016-7037.
^ Wolf, RA; Farley, KA; Silver, LT (ноябрь 1996 г.). «Диффузия гелия и низкотемпературная термохронометрия апатита». Geochimica et Cosmochimica Acta . 60 (21): 4231–4240. Bibcode : 1996GeCoA..60.4231W. doi : 10.1016/s0016-7037(96)00192-5. ISSN 0016-7037.
^ Warnock, AC; Zeitler, PK; Wolf, RA; Bergman, SC (декабрь 1997 г.). «Оценка низкотемпературной термохронометрии апатита U Th/He». Geochimica et Cosmochimica Acta . 61 (24): 5371–5377. Bibcode : 1997GeCoA..61.5371W. doi : 10.1016/s0016-7037(97)00302-5. ISSN 0016-7037.
^ Фарли, КА (2000-02-10). "Диффузия гелия из апатита: общее поведение, проиллюстрированное фторапатитом Дуранго" (PDF) . Журнал геофизических исследований: Твердая Земля . 105 (B2): 2903–2914. Bibcode :2000JGR...105.2903F. doi : 10.1029/1999jb900348 . ISSN 0148-0227.
^ Шустер, Дэвид Л.; Флауэрс, Ребекка М.; Фарли, Кеннет А. (сентябрь 2006 г.). «Влияние естественного радиационного повреждения на кинетику диффузии гелия в апатите». Earth and Planetary Science Letters . 249 (3–4): 148–161. Bibcode : 2006E&PSL.249..148S. doi : 10.1016/j.epsl.2006.07.028. ISSN 0012-821X.
^ Айдлман, Брюс Д.; Цайтлер, Питер К.; МакДаннелл, Калин Т. (январь 2018 г.). «Характеристика выделения гелия из апатита путем непрерывного нагрева с наклонной скоростью». Химическая геология . 476 : 223–232. Bibcode : 2018ChGeo.476..223I. doi : 10.1016/j.chemgeo.2017.11.019. ISSN 0009-2541.
^ McDannell, Kalin T.; Zeitler, Peter K.; Janes, Darwin G.; Idleman, Bruce D.; Fayon, Annia K. (февраль 2018 г.). «Скрининг апатитов для (U-Th)/He термохронометрии с помощью непрерывного нагрева с наклонным изменением температуры: компоненты возраста He и последствия для дисперсии возраста». Geochimica et Cosmochimica Acta . 223 : 90–106. Bibcode : 2018GeCoA.223...90M. doi : 10.1016/j.gca.2017.11.031. ISSN 0016-7037.
^ House, MA; Wernicke, BP; Farley, KA; Dumitru, TA (октябрь 1997 г.). «Кайнозойская термическая эволюция центральной Сьерра-Невады, Калифорния, по данным термохронометрии (UTh)/He». Earth and Planetary Science Letters . 151 (3–4): 167–179. doi :10.1016/s0012-821x(97)81846-8. ISSN 0012-821X.
^ Элерс, Тодд А.; Фарли, Кеннет А. (январь 2003 г.). «Апатитовая (U–Th)/He термохронометрия: методы и приложения к проблемам тектонических и поверхностных процессов». Earth and Planetary Science Letters . 206 (1–2): 1–14. Bibcode : 2003E&PSL.206....1E. doi : 10.1016/s0012-821x(02)01069-5. ISSN 0012-821X.
^ Reiners, PW; Thomson, SN; McPhillips, D.; Donelick, RA; Roering, JJ (2007-10-12). "Термохронология лесных пожаров и судьба и транспорт апатита в условиях склонов холмов и рек". Journal of Geophysical Research . 112 (F4): F04001. Bibcode : 2007JGRF..112.4001R. doi : 10.1029/2007jf000759 . ISSN 0148-0227.
^ ab Nesse 2000, стр. 348–49.
^ Герм, К.; Тиме, К.; Эммерлинг, Э.; Ву, YQ; Чжоу, Т.; Чжан, З. (1995). «Анализ живописных материалов полихромной терракотовой армии первого императора Цинь Шихуанди». Arbeitsheft des Bayerischen Landesamtes für Denkmalpflege : 675–84 . Проверено 30 июля 2021 г.
^ Коломбан, Филипп; Кирмызы, Бурку; Чжао, Бин; Клэ, Жан-Батист; Ян, Йонг; Дроге, Венсан (12 мая 2020 г.). «Неинвазивное локальное рамановское исследование пигментов и стекловидной матрицы окрашенных эмалированных китайских металлических изделий XVII–XVIII веков: сравнение с французской технологией эмалирования». Покрытия . 10 (5): 471. doi : 10.3390/coatings10050471 .
^ Виллальба, Гара; Айрес, Роберт У.; Шредер, Ганс (2008). «Учет фтора: производство, использование и потери». Журнал промышленной экологии . 11 : 85–101. doi :10.1162/jiec.2007.1075. S2CID 153740615.
↑ Хендерсон и Марсден, «Лампы и освещение», Edward Arnold Ltd., 1972, ISBN 0-7131-3267-1
^ Oelkers, EH; Montel, J.-M. (1 апреля 2008 г.). «Фосфаты и хранение ядерных отходов». Elements . 4 (2): 113–16. Bibcode : 2008Eleme...4..113O. doi : 10.2113/GSELEMENTS.4.2.113.
^ Ewing, RC; Wang, L. (1 января 2002 г.). «Фосфаты как формы ядерных отходов». Обзоры по минералогии и геохимии . 48 (1): 67399. Bibcode : 2002RvMG...48..673E. doi : 10.2138/rmg.2002.48.18.
^ Ригали, Марк Дж.; Брэди, Патрик В.; Мур, Роберт К. (декабрь 2016 г.). «Удаление радионуклидов апатитом». American Mineralogist . 101 (12): 2611–19. Bibcode :2016AmMin.101.2611R. doi :10.2138/am-2016-5769. OSTI 1347532. S2CID 133276331.
↑ Стритер, Эдвин В., Драгоценные камни и самоцветы, 6-е издание, Джордж Белл и сыновья, Лондон, 1898, стр. 306
^ Salvi S, Williams-Jones A. 2004. Щелочные гранитно-сиенитовые месторождения. В Linnen RL, Samson IM, редакторы. Геохимия редких элементов и месторождения полезных ископаемых. St. Catharines (ON): Геологическая ассоциация Канады. стр. 315–41 ISBN 1-897095-08-2
^ Haxel G, Hedrick J, Orris J. 2006. Редкоземельные элементы — критически важные ресурсы для высоких технологий. Рестон (Вирджиния): Геологическая служба США. Информационный бюллетень USGS: 087-02.
^ Проктор, Роберт Н. (2006-12-01) Затягиваясь полонием – New York Times. Nytimes.com. Получено 24 июля 2011 г.
^ Табачный дым | Защита от радиации | Агентство по охране окружающей среды США. Epa.gov (2006-06-28). Получено 2011-07-24.
^ Great Western Minerals Group Ltd. | Проекты – Hoidas Lake, Saskatchewan Архивировано 01.07.2008 на Wayback Machine . Gwmg.ca (27.01.2010). Получено 24.07.2011.
^ Cruz, FJAL; Minas da Piedade, ME; Calado, JCG (2005). «Стандартные молярные энтальпии образования гидрокси-, хлор- и бромапатита». J. Chem. Thermodyn . 37 (10): 1061–70. Bibcode : 2005JChTh..37.1061C. doi : 10.1016/j.jct.2005.01.010.
^ Смит, СП; Андерсон, AT; Ньютон, Колорадо; Олсен, Э.Дж.; Крю, А.В.; Исааксон, MS (1970). «Петрологическая история Луны, выведенная на основе петрографии, минералогии и петрогенезиса пород Аполлона-11». Geochimica et Cosmochimica Acta . 34, Приложение 1: 897–925. Бибкод : 1970GeCAS...1..897S. дои : 10.1016/0016-7037(70)90170-5.
^ Saal, Alberto E.; Hauri, Erik H.; Cascio, Mauro L.; Van Orman, James A.; Rutherford, Malcolm C.; Cooper, Reid F. (2008). «Летучий состав лунных вулканических стекол и наличие воды в недрах Луны». Nature . 454 (7201): 192–195. Bibcode :2008Natur.454..192S. doi :10.1038/nature07047. PMID 18615079. S2CID 4394004.
^ Маккаббин, Фрэнсис М.; Стил, Эндрю; Хауриб, Эрик Х.; Неквасилк, Ханна; Ямашитад, Шигеру; Рассел Дж. Хемлейя (2010). «Номинально водный магматизм на Луне». Труды Национальной академии наук . 107 (25): 11223–28. Bibcode : 2010PNAS..10711223M. doi : 10.1073/pnas.1006677107 . PMC 2895071. PMID 20547878 .
^ Фазекаш, Эндрю «На Луне в сто раз больше воды, чем предполагалось» National Geographic News (14 июня 2010 г.). News.nationalgeographic.com (14.06.2010). Получено 24.07.2011.
^ Джеффри Майкл Гэдд (март 2010 г.). «Металлы, минералы и микробы: геомикробиология и биоремедиация». Микробиология . 156 (ч. 3): 609–43. doi : 10.1099/mic.0.037143-0 . PMID 20019082.
^ Джордж, Экхард; Маршнер, Хорст; Якобсен, Ивер (январь 1995 г.). «Роль арбускулярных микоризных грибов в поглощении фосфора и азота из почвы». Критические обзоры по биотехнологии . 15 (3–4): 257–70. doi :10.3109/07388559509147412.
^ Дж. К. Эллиотт, Структура и химия апатитов и других ортофосфатов кальция (1994)
^ Brounce, Maryjo; Boyce, Jeremy W.; Barnes, Jessica; McCubbin, Francis McCubbin (июнь 2020 г.). «Сера в лунных базальтах Apollo и ее значение для будущих миссий по возврату образцов». Elements . 16 (5): 361-2. Bibcode :2020Eleme..16..361.. doi :10.2138/gselements.16.5.361.
^ Когарко, Лия (16 ноября 2018 г.). "Химический состав и петрогенетические следствия апатита в апатит-нефелиновых месторождениях Хибин (Кольский полуостров)". Minerals . 8 (11): 532. Bibcode :2018Mine....8..532K. doi : 10.3390/min8110532 .
На Викискладе есть медиафайлы по теме Апатит .
Найдите значение слова «апатит» в Викисловаре, бесплатном словаре.