Флюорит (также называемый плавиковым шпатом ) — минеральная форма фторида кальция CaF 2 . Он относится к галоидным минералам . Он кристаллизуется в изометрической кубической форме , хотя нередки октаэдрические и более сложные изометрические формы.
Шкала твердости минералов Мооса , основанная на сравнении твердости по царапинам , определяет значение 4 как флюорит. [6]
Чистый флюорит бесцветен и прозрачен как в видимом, так и в ультрафиолетовом свете, но примеси обычно делают его красочным минералом, и камень используется в декоративных и гранильных целях. В промышленности флюорит применяется в качестве флюса при плавке, производстве некоторых стекол и эмалей. Самые чистые сорта флюорита являются источником фторида для производства плавиковой кислоты , которая является промежуточным источником большинства фторсодержащих тонких химикатов . Оптически прозрачные линзы из флюорита имеют низкую дисперсию , поэтому линзы, изготовленные из него, демонстрируют меньшую хроматическую аберрацию , что делает их ценными в микроскопах и телескопах. Флюоритовую оптику также можно использовать в дальнем ультрафиолетовом и среднем инфракрасном диапазонах, где обычные очки слишком непрозрачны для использования.
Слово флюорит происходит от латинского глагола fluere , что означает «течь» . Минерал используется в качестве флюса при выплавке чугуна для снижения вязкости шлака . Термин «флюс» происходит от латинского прилагательного « fluxus» , что означает « текучий, рыхлый, слабый» . Минерал флюорит первоначально назывался плавиковым шпатом и впервые обсуждался в печати в работе 1530 года Bermannvs sive de re Metallica Dialogus [Bermannus; или диалог о природе металлов], Георгиус Агрикола , как минерал, известный своей полезностью в качестве флюса. [7] [8] Агрикола, немецкий учёный с опытом в филологии , горном деле и металлургии, назвал плавиковый шпат неолатинизацией немецкого Flussspat от Fluss ( ручей , река ) и Spat ( что означает неметаллический минерал, родственный гипсу , spærstān, камень-копье , имея в виду его кристаллические выступы). [9] [10]
В 1852 году флюорит дал свое название явлению флуоресценции , которое заметно во флюоритах из определенных мест из-за определенных примесей в кристалле. Флюорит также дал название своему составному элементу фтору . [3] В настоящее время слово «плавиковый шпат» чаще всего используется для обозначения флюорита как промышленного и химического товара, тогда как «флюорит» используется в минералогическом и большинстве других смыслов.
В археологии, геммологии, классических исследованиях и египтологии латинские термины «муррина» и «миррина» относятся к флюориту. [11] В книге 37 своей Naturalis Historia Плиний Старший описывает его как драгоценный камень с пурпурными и белыми крапинками , чьи изделия, вырезанные из него, ценятся римлянами.
Флюорит кристаллизуется в виде кубического узора . Двойникование кристаллов является обычным явлением и усложняет наблюдаемые особенности кристаллов . Флюорит имеет четыре идеальные плоскости спайности, которые помогают образовывать октаэдрические фрагменты. [13] Структурный мотив, принятый флюоритом, настолько распространен, что этот мотив называется структурой флюорита . Замена элемента катиона кальция часто включает стронций и некоторые редкоземельные элементы (РЗЭ), такие как иттрий и церий . [5]
Флюорит образуется как поздно кристаллизующийся минерал в кислых магматических породах, как правило, в результате гидротермальной деятельности. [14] Это особенно распространено в гранитных пегматитах. Это может произойти как жильное отложение , образовавшееся в результате гидротермальной деятельности, особенно в известняках. В таких жильных месторождениях он может ассоциироваться 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 . [14]
Это распространенный минерал, распространенный в основном в Южной Африке, Китае, Мексике, Монголии, Великобритании, США, Канаде, Танзании, Руанде и Аргентине.
Мировые запасы флюорита оцениваются в 230 миллионов тонн (Мт), при этом крупнейшие месторождения находятся в Южной Африке (около 41 Мт), Мексике (32 Мт) и Китае (24 Мт). Китай лидирует в мировом производстве с объемом 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). [15] [ нужно обновить ]
Одно из крупнейших месторождений плавикового шпата в Северной Америке расположено на полуострове Бурин , Ньюфаундленд , Канада. Первое официальное обнаружение плавикового шпата в этом районе было зарегистрировано геологом Дж. Б. Джуксом в 1843 году. Он отметил появление «галенита» или свинцовой руды и фторида извести на западной стороне гавани Св. Лаврентия. Зарегистрировано, что интерес к коммерческой добыче плавикового шпата начался в 1928 году, а первая руда была добыта в 1933 году. В конце концов, на шахте Айрон-Спрингс шахты достигли глубины 970 футов (300 м). В районе Св. Лаврентия вены сохраняются на большой длине и некоторые из них имеют широкие линзы . Площадь жил известного рабочего размера составляет около 60 квадратных миль (160 км 2 ). [16] [17] [18]
В 2018 году компания Canada Fluorspar Inc. снова начала добычу на руднике [19] в Сент-Лоуренсе; Весной 2019 года компания планировала построить новый отгрузочный порт на западной стороне полуострова Бурин как более доступный способ продвижения своей продукции на рынки [20] , и они успешно отправили первую партию руды из нового порта на 31 июля 2021 г. Впервые за 30 лет руда была отправлена непосредственно из острова Святого Лаврентия. [21]
Кубические кристаллы диаметром до 20 см были найдены в Дальнегорске , Россия. [22] Самый крупный зарегистрированный монокристалл флюорита представлял собой куб размером 2,12 метра и весом около 16 тонн. [23]
В Астурии ( Испания ) есть несколько месторождений флюорита, известных во всем мире качеством добытых ими образцов. В районе Бербес , Рибадеселла флюорит встречается в виде кубических кристаллов, иногда с додекаэдрическими модификациями, которые могут достигать размера ребра до 10 см, с внутренней цветовой зональностью, почти всегда фиолетового цвета. Он связан с кварцем и листоватыми агрегатами барита. В руднике Эмилио , в Лороне, Колунга , кристаллы флюорита, кубики с небольшими изменениями других фигур, бесцветны и прозрачны. Они могут достигать 10 см края. В руднике Москона , в Виллабоне, кристаллы флюорита, кубические, без изменений других форм, желтые, с краем до 3 см. Они связаны с крупными кристаллами кальцита и барита. [24]
Одним из самых известных из старых известных мест флюорита является Каслтон в Дербишире , Англия , где под названием «Дербиширский Синий Джон» пурпурно-синий флюорит был добыт из нескольких шахт или пещер. В 19 веке этот привлекательный флюорит добывали из-за его декоративной ценности. Минерал Голубой Джон сейчас в дефиците, и каждый год добывается всего несколько сотен килограммов для использования в декоративных и гранильных целях . Добыча до сих пор ведется в пещерах Блу Джон и Трек Клифф . [25]
Недавно открытые месторождения в Китае дали флюорит, окраска и полосы которого напоминают классический камень Блю Джон. [26]
Джордж Габриэль Стоукс назвал явление флюоресценции флюорита в 1852 году. [27] [28]
Многие образцы флюорита демонстрируют флуоресценцию в ультрафиолетовом свете — свойство, получившее свое название от флюорита. [27] Многие минералы, как и другие вещества, флуоресцируют. Флуоресценция включает повышение энергетических уровней электронов за счет квантов ультрафиолетового света с последующим постепенным возвратом электронов в их предыдущее энергетическое состояние, высвобождая при этом кванты видимого света. У флюорита излучаемый видимый свет чаще всего синий, но встречаются также красный, фиолетовый, желтый, зеленый и белый. Флуоресценция флюорита может быть связана с минеральными примесями, такими как иттрий и иттербий , или органическими веществами, такими как летучие углеводороды в кристаллической решетке. В частности, синюю флуоресценцию, наблюдаемую во флюоритах из некоторых частей Великобритании , давшую название самому явлению флуоресценции, объясняют наличием в кристалле включений двухвалентного европия . [29] Также наблюдалось, что природные образцы, содержащие редкоземельные примеси, такие как эрбий , демонстрируют флуоресценцию с повышением конверсии , при которой инфракрасный свет стимулирует излучение видимого света - явление, которое обычно наблюдается только в синтетических материалах. [30]
Одной из флуоресцентных разновидностей флюорита является хлорофан , который имеет красноватый или фиолетовый 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 собран исходный образец; различные примеси были включены в кристаллическую решетку в разных местах. Не все флюориты флуоресцируют одинаково ярко, даже из одного и того же места. Следовательно, ультрафиолетовый свет не является надежным инструментом ни для идентификации образцов, ни для количественного определения минералов в смесях. Например, среди британских флюоритов наиболее постоянно флуоресцируют флюориты из Нортумберленда , графства Дарем и восточной Камбрии , тогда как флюорит из Йоркшира , Дербишира и Корнуолла , если они вообще флуоресцируют, обычно флуоресцируют лишь слабо.
Флюорит также проявляет свойство термолюминесценции . [31]
Флюорит аллохроматичен, то есть его можно окрашивать элементными примесями. Флюорит бывает самых разных цветов, поэтому его называют «самым ярким 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 цветовое зонирование или полосатость. Цвет флюорита определяется такими факторами, как примеси, воздействие радиации и отсутствие пустот центров окраски .
Флюорит является основным источником фторида водорода , химического вещества, используемого для производства широкого спектра материалов. Фтороводород выделяется из минерала под действием концентрированной серной кислоты :
Образующийся HF преобразуется во фтор, фторуглероды и различные фторидные материалы. По состоянию на конец 1990-х годов ежегодно добывалось пять миллиардов килограммов. [32]
Существует три основных типа промышленного использования природного флюорита, обычно называемого в этих отраслях «плавиковым шпатом», соответствующих различным степеням чистоты. Металлургический флюорит (60–85% CaF 2 ), самый низкий из трех сортов, традиционно использовался в качестве флюса для снижения температуры плавления сырья при производстве стали , чтобы способствовать удалению примесей, а затем и при производстве алюминий . Флюорит керамического сорта (85–95 % CaF 2 ) применяется при производстве опалового стекла , эмалей , кухонной утвари. На высший сорт, «кислотный флюорит» (97% или более CaF 2 ), приходится около 95% потребления флюорита в США, где он используется для производства фторида водорода и плавиковой кислоты путем реакции флюорита с серной кислотой . [33]
На международном уровне кислотный флюорит также используется в производстве AlF 3 и криолита (Na 3 AlF 6 ), которые являются основными соединениями фтора, используемыми при выплавке алюминия. Глинозем растворяют в ванне, состоящей в основном из расплавленных Na 3 AlF 6 , AlF 3 и флюорита (CaF 2 ), чтобы обеспечить электролитическое восстановление алюминия. Потери фтора полностью восполняются добавлением AlF 3 , большая часть которого реагирует с избытком натрия из глинозема с образованием Na 3 AlF 6 . [33]
Природный минерал флюорит имеет декоративное и гранильное применение. Флюорит можно просверливать в бусы и использовать в ювелирных изделиях, хотя из-за его относительной мягкости он не получил широкого распространения в качестве полудрагоценного камня. Он также используется для декоративной резьбы, причем профессиональная резьба использует зональность камня.
В лаборатории фторид кальция обычно используется в качестве материала окна как для инфракрасных , так и для ультрафиолетовых волн, поскольку он прозрачен в этих диапазонах (от 0,15 до 9 мкм) и демонстрирует чрезвычайно низкое изменение показателя преломления в зависимости от длины волны. Кроме того, материал подвергается воздействию небольшого количества реагентов. На длинах волн всего 157 нм, обычной длины волны, используемой при производстве полупроводниковых шаговых двигателей для литографии интегральных схем , показатель преломления фторида кальция демонстрирует некоторую нелинейность при высоких плотностях мощности, что затрудняет его использование для этой цели. В первые годы XXI века рынок фторида кальция рухнул, и многие крупные производственные предприятия были закрыты. Canon и другие производители использовали в линзах синтетически выращенные кристаллы компонентов фторида кальция, чтобы улучшить апохроматический дизайн и уменьшить дисперсию света . Это использование в значительной степени было заменено новыми очками и компьютерным дизайном. В качестве инфракрасного оптического материала фторид кальция широко доступен и иногда известен под торговым названием Eastman Kodak «Иртран-3», хотя это обозначение устарело.
Флюорит не следует путать со стеклом с фтор-краном (или фтор-краном), типом стекла с низкой дисперсией , 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 линзы, в которых для изготовления ахроматических линз используются традиционные, менее дорогие элементы из крон-стекла и бесцветного стекла . В оптических группах используется комбинация стекол разных типов; Каждый тип стекла преломляет свет по-своему. Используя комбинации различных типов стекол, производители линз могут устранить или значительно уменьшить нежелательные характеристики; Хроматическая аберрация является наиболее важной. Лучшие из таких конструкций линз часто называют апохроматическими (см. выше). Стекло с флюоро-коронкой (например, Schott FK51), обычно в сочетании с соответствующим «кремневым» стеклом (например, Schott KzFSN 2), может обеспечить очень высокие характеристики объективов телескопов, а также объективов микроскопов и телеобъективов камер. Флюоритовые элементы аналогичным образом сочетаются с дополнительными «кремневыми» элементами (такими как Schott LaK 10). [35] Преломляющие свойства флюорита и некоторых кремневых элементов обеспечивают более низкую и более равномерную дисперсию по всему спектру видимого света, тем самым сохраняя цвета более сфокусированными. Линзы, изготовленные из флюорита, превосходят линзы на основе флуорокоронки, по крайней мере, для двойных объективов телескопов; но их сложнее производить и они дороже. [36]
Использование флюорита для изготовления призм и линз изучал и пропагандировал Виктор Шуман в конце XIX века. [37] Встречающиеся в природе кристаллы флюорита без оптических дефектов были достаточно большими для изготовления объективов микроскопа.
С появлением в 1950-60-х годах синтетически выращенных кристаллов флюорита его можно было использовать вместо стекла в некоторых высокопроизводительных оптических телескопах и элементах объективов фотоаппаратов . В телескопах флюоритовые элементы позволяют получать изображения астрономических объектов с высоким разрешением и большими увеличениями . Компания Canon Inc. производит синтетические кристаллы флюорита, которые используются в лучших телеобъективах . Использование флюорита для линз телескопов сократилось с 1990-х годов, поскольку новые конструкции с использованием стекла с флюоровой коронкой, включая тройные, предлагали сопоставимые характеристики по более низким ценам. Флюорит и различные комбинации фторидных соединений можно превратить в синтетические кристаллы, которые находят применение в лазерах и специальной оптике для УФ и инфракрасного диапазона. [38]
В инструментах экспонирования для полупроводниковой промышленности используются флюоритовые оптические элементы для ультрафиолетового света с длиной волны около 157 нанометров . Флюорит обладает уникально высокой прозрачностью на этой длине волны. Флюоритовые объективы производятся крупными фирмами по производству микроскопов (Nikon, Olympus , Carl Zeiss и Leica). Их прозрачность для ультрафиолетового света позволяет использовать их для флуоресцентной микроскопии . [39] Флюорит также служит для коррекции оптических аберраций в этих линзах. Компания Nikon ранее производила как минимум один объектив с флюоритовым и синтетическим кварцевым элементом (105 мм f/4,5 УФ) для получения ультрафиолетовых изображений . [40] Konica выпустила флюоритовый объектив для своих зеркальных фотоаппаратов — Hexanon 300 мм f/6,3.
В 2012 году первый источник природного газообразного фтора был обнаружен во флюоритовых рудниках в Баварии, Германия. Ранее считалось, что газообразный фтор не встречается в природе, поскольку он очень реактивен и быстро реагирует с другими химическими веществами. [41] Флюорит обычно бесцветен, но некоторые различные формы, найденные поблизости, выглядят черными и известны как «зловонный флюорит» или антозонит . Минералы, содержащие небольшое количество урана и его дочерних продуктов, выделяют достаточно мощное излучение, чтобы вызвать окисление анионов фтора внутри структуры до фтора, который задерживается внутри минерала. Цвет зловонного флюорита преимущественно обусловлен оставшимися атомами кальция . Твердотельный ЯМР фтора-19 , проведенный на газе, содержащемся в антозоните, выявил пик при 425 м.д., который соответствует F 2 . [42]
В эту статью включены общедоступные материалы из плавикового шпата (PDF) . Геологическая служба США .
.jpg/1280px-Fluorite_crystals_(Cullen_Hall_of_Gems_and_Minerals).jpg)
