Флюорит (также называемый плавиковым шпатом ) — минеральная форма фторида кальция CaF2 . Он относится к галогенидным минералам . Кристаллизуется в изометрической кубической форме , хотя октаэдрические и более сложные изометрические формы нередки.
Шкала твердости минералов Мооса , основанная на сравнении твердости царапания , 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, а камень имеет декоративное и гранильное применение. В промышленности флюорит используется в качестве флюса для плавки, а также в 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 чистый прозрачный флюорит имеет аномальную частичную дисперсию , то есть его показатель преломления изменяется в зависимости от длины волны света способом, который отличается от показателя преломления обычно используемых стекол, поэтому флюорит полезен для изготовления апохроматических линз и особенно ценен в фотографической оптике. Оптика из флюорита также пригодна для использования в дальнем ультрафиолетовом и среднем инфракрасном диапазонах, где обычные стекла слишком непрозрачны для использования. Флюорит также имеет низкую дисперсию и высокий показатель преломления для своей плотности.
Слово флюорит происходит от латинского глагола fluere , что означает течь . Минерал используется в качестве флюса при выплавке чугуна для уменьшения вязкости шлака . Термин флюс происходит от латинского прилагательного fluxus , что означает текучий, рыхлый, вялый . Минерал флюорит изначально назывался плавиковым шпатом и впервые обсуждался в печати в работе 1530 года Bermannvs sive de re metallica dialogus [Берманнус; или диалог о природе металлов] Георгия Агриколы как минерал, известный своей полезностью в качестве флюса. [7] [8] Агрикола, немецкий ученый, специалист в области филологии , горного дела и металлургии, назвал плавиковый шпат неолатинизацией немецкого Flussspat от Fluss ( ручей , река ) и Spat (что означает неметаллический минерал, родственный гипсу , spærstān, копьевидный камень , ссылаясь на его кристаллические выступы). [9] [10]
В 1852 году флюорит дал свое название явлению флюоресценции , которое заметно во флюоритах из определенных мест из-за определенных примесей в кристалле. Флюорит также дал название своему составляющему элементу фтору . [3] В настоящее время слово «плавиковый шпат» чаще всего используется для обозначения флюорита как промышленного и химического товара, в то время как «флюорит» используется в минералогии и в большинстве других значений.
В археологии, геммологии, классических исследованиях и египтологии латинские термины murrina и myrrhina относятся к флюориту. [11] В 37-й книге своей «Естественной истории » Плиний Старший описывает его как драгоценный камень с пурпурными и белыми пятнами и отмечает, что римляне ценили вырезанные из него предметы.
Флюорит кристаллизуется в кубическом мотиве . Двойникование кристаллов является обычным явлением и добавляет сложности наблюдаемым кристаллическим привычкам . Флюорит имеет четыре идеальные плоскости спайности, которые помогают производить октаэдрические фрагменты. [13] Структурный мотив, принятый флюоритом, настолько распространен, что его называют структурой флюорита . Замещение элемента для 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 активности. [14] Он особенно распространен в гранитных пегматитах. Он может встречаться в виде жильного месторождения, образованного в результате гидротермальной активности, особенно в известняках. В таких жильных месторождениях он может быть связан с галенитом , сфалеритом , баритом , кварцем и кальцитом . Флюорит также может быть найден в качестве компонента осадочных пород либо в виде зерен, либо 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), крупнейшие месторождения находятся в Южной Африке (около 41 Мт), Мексике (32 Мт) и Китае (24 Мт). Китай лидирует в мировом производстве с ежегодным объемом около 3 Мт (в 2010 г.), за ним следуют Мексика (1,0 Мт), Монголия (0,45 Мт), Россия (0,22 Мт), Южная Африка (0,13 Мт), Испания (0,12 Мт) и Намибия (0,11 Мт). [15] [ требуется обновление ]
Одно из крупнейших месторождений плавикового шпата в Северной Америке находится на полуострове Бурин , Ньюфаундленд , Канада. Первое официальное признание плавикового шпата в этом районе было зафиксировано геологом Дж. Б. Джуксом в 1843 году. Он отметил наличие «галены» 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 конечном итоге, на руднике Айрон Спрингс шахты достигли глубины 970 футов (300 м). В районе Св. Лаврентия жилы сохраняются на большой длине, и некоторые из них имеют широкие линзы . Площадь с жилами известного рабочего размера составляет около 60 квадратных миль (160 км 2 ). [16] [17] [18]
В 2018 году компания Canada Fluorspar Inc. снова начала добычу [19] в Сент-Лоуренсе; весной 2019 года компания планировала построить новый порт отгрузки на западной стороне полуострова Бурин в качестве более доступного способа доставки своей продукции на рынки [20] , и 31 июля 2021 года они успешно отправили первую партию руды из нового порта. Это первый случай за 30 лет, когда руда была отправлена напрямую из Сент-Лоуренса. [21]
Кубические кристаллы размером до 20 см в поперечнике были найдены в Дальнегорске , Россия. [22] Самый большой задокументированный монокристалл флюорита представлял собой куб размером 2,12 метра и весом около 16 тонн. [23]
В Астурии ( Испания ) есть несколько месторождений флюорита, известных на международном уровне качеством образцов, которые они добывают. В районе Бербес , Рибадеселья , флюорит появляется в виде кубических кристаллов, иногда с додекаэдрическими модификациями, которые могут достигать размера до 10 см ребра, с внутренней цветовой зональностью, почти всегда фиолетового цвета. Он ассоциируется с кварцем и листоватыми агрегатами барита. В шахте Эмилио , в Лороне, Колунга , кристаллы флюорита, кубы с небольшими модификациями других фигур, бесцветны и прозрачны. Они могут достигать 10 см ребра. В шахте Москона , в Виллабона, кристаллы флюорита, кубические без модификаций других форм, желтые, до 3 см ребра. Они ассоциируются с крупными кристаллами кальцита и барита. [24]
Одним из самых известных из старых известных мест добычи флюорита является Каслтон в Дербишире , Англия , где под названием «Derbyshire Blue John» пурпурно-синий флюорит добывался из нескольких шахт или пещер. В 19 веке этот привлекательный флюорит добывался из-за его декоративной ценности. Минерал Blue John сейчас редок, и только несколько сотен килограммов добываются каждый год для декоративного и ограночного использования. Добыча все еще ведется в пещерах Blue John и Treak Cliff . [25]
Недавно открытые месторождения в Китае содержат флюорит с окраской и полосами, похожими на классический камень Блю Джон. [26]
Джордж Габриэль Стокс дал название явлению флюоресценции флюорита в 1852 году. [27] [28]
Многие образцы флюорита демонстрируют флуоресценцию под ультрафиолетовым светом , свойство, которое получило свое название от флюорита. [27] Многие минералы, а также другие вещества, флуоресцируют. Флуоресценция включает в себя повышение уровней энергии электронов квантами ультрафиолетового света, за которым следует постепенное падение электронов в их предыдущее энергетическое состояние, высвобождая в этом процессе кванты видимого света. Во флюорите излучаемый видимый свет чаще всего синий, но встречаются также красный, фиолетовый, желтый, зеленый и белый. Флуоресценция флюорита может быть вызвана минеральными примесями, такими как иттрий и иттербий , или органическими веществами, такими как летучие углеводороды в кристаллической решетке. В частности, синяя флуоресценция, наблюдаемая во флюоритах из некоторых частей Великобритании, ответственных за название самого явления флуоресценции, была приписана наличию включений двухвалентного европия в кристалле. [29] Также было обнаружено, что природные образцы, содержащие редкоземельные примеси, такие как эрбий, демонстрируют апконверсионную флуоресценцию , 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, испускаемого при флуоресценции образца флюорита, зависит от того, где был собран исходный образец; различные примеси были включены в кристаллическую решетку в разных местах. Также не все флюориты флуоресцируют одинаково ярко, даже из одной местности. Поэтому ультрафиолетовый свет не является надежным инструментом для идентификации образцов или для количественной оценки минерала в смесях. Например, среди британских флюоритов наиболее стабильно флуоресцируют флюориты из Нортумберленда , графства Дарем и восточной Камбрии , тогда как флюориты из Йоркшира , Дербишира и Корнуолла , если они вообще флуоресцируют, как правило, только слабо флуоресцируют.
Флюорит также проявляет свойство термолюминесценции . [31]
Флюорит аллохроматичен, что означает, что он может быть окрашен элементарными примесями. Флюорит имеет широкий спектр цветов и, следовательно, был назван «самым красочным минералом в мире». Каждый цвет радуги в различных оттенках представлен образцами флюорита, наряду с белыми, черными и прозрачными кристаллами. Наиболее распространенными цветами являются фиолетовый, синий, зеленый, желтый или бесцветный. Менее распространенными являются розовый, красный, белый, коричневый и черный. Обычно присутствует цветовая зональность или полосатость. Цвет флюорита определяется такими факторами, как примеси, воздействие радиации и отсутствие пустот в цветовых центрах .
Флюорит является основным источником фтористого водорода , товарного химиката, используемого для производства широкого спектра материалов. Фтористый водород выделяется из минерала под действием концентрированной серной кислоты :
Полученный 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», соответствующие различным степеням чистоты. Металлургический флюорит (60–85% CaF 2 ), самый низкий из трех сортов, традиционно использовался в качестве флюса для понижения температуры плавления сырья при производстве стали , чтобы способствовать удалению примесей, а позднее и при производстве алюминия . Керамический флюорит (85–95% CaF 2 ) используется в производстве опалесцирующего стекла , эмалей и кухонных принадлежностей. Самый высокий сорт, «кислотный флюорит» (97% или более CaF 2 ), составляет около 95% потребления флюорита в США, где он используется для производства фтористого 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 фтористыми соединениями, используемыми при выплавке алюминия. Глинозем растворяется в ванне, которая в основном состоит из расплавленного Na 3 AlF 6 , AlF 3 и флюорита (CaF 2 ), что позволяет электролитически извлекать алюминий. Потери фтора полностью замещаются добавлением AlF 3 , большая часть которого реагирует с избытком натрия из глинозема, образуя Na 3 AlF 6 . [33]
Природный минерал флюорит имеет декоративное и гранильное применение. Флюорит можно сверлить в бусины и использовать в ювелирных изделиях, хотя из-за своей относительной мягкости он не так широко используется как полудрагоценный камень. Он также используется для декоративной резьбы, причем искусные резчики используют преимущества зональности камня.
В лабораторных условиях фторид кальция обычно используется в качестве оконного материала для инфракрасных и ультрафиолетовых длин волн, поскольку он прозрачен в этих областях (примерно от 0,15 мкм до 9 мкм) и демонстрирует крайне низкое изменение показателя преломления с длиной волны. Кроме того, материал подвергается воздействию немногих реагентов. На длинах волн до 157 нм, обычной длине волны, используемой для производства полупроводниковых шаговых двигателей для литографии интегральных схем , показатель преломления фторида кальция показывает некоторую нелинейность при высоких плотностях мощности, что препятствует его использованию для этой цели. В первые годы 21-го века рынок шаговых двигателей для фторида кальция рухнул, и многие крупные производственные предприятия были закрыты. Canon и другие производители использовали синтетически выращенные кристаллы компонентов фторида кальция в линзах для облегчения апохроматического дизайна и для уменьшения рассеивания света . Это использование в значительной степени было вытеснено более новыми очками и автоматизированным проектированием. Фторид кальция широко доступен как инфракрасный оптический материал и иногда был известен под торговой маркой Eastman Kodak «Irtran-3», хотя это обозначение устарело.
Флюорит не следует путать со стеклом фтор-кроун (или фтор-кроун), 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 те, которые используют обычные, менее дорогие элементы из стекла крон и флинтгласа для изготовления ахроматической линзы . Оптические группы используют комбинацию различных типов стекла; каждый тип стекла преломляет свет по-разному. Используя комбинации различных типов стекла, производители линз могут отменить или значительно уменьшить нежелательные характеристики; хроматическая аберрация является наиболее важной. Лучшие из таких конструкций линз часто называют апохроматическими (см. выше). Стекло фтор-кроун (такое как Schott FK51), как правило, в сочетании с соответствующим стеклом «флинт» (таким как Schott KzFSN 2) может обеспечить очень высокую производительность в объективах телескопов, а также объективах микроскопов и телеобъективах камер. Элементы флюорита аналогичным образом сочетаются с дополнительными элементами «флинт» (такими как Schott LaK 10). [35] Преломляющие свойства флюорита и некоторых элементов флинта обеспечивают более низкую и равномерную дисперсию по всему спектру видимого света, тем самым сохраняя цвета более сфокусированными вместе. Линзы, изготовленные из флюорита, превосходят линзы на основе фтор-кроун, по крайней мере, для дублетных объективов телескопов; но их сложнее производить и они более дороги. [36]
Использование флюорита для призм и линз изучалось и пропагандировалось Виктором Шуманом в конце 19-го века. [37] Кристаллы флюорита, встречающиеся в природе без оптических дефектов, были достаточно большими только для производства объективов микроскопов.
С появлением синтетически выращенных кристаллов флюорита в 1950-х - 60-х годах его можно было использовать вместо стекла в некоторых высокопроизводительных оптических телескопах и элементах объективов камер . В телескопах элементы флюорита позволяют получать изображения астрономических объектов с высоким разрешением при большом увеличении . Canon Inc. производит синтетические кристаллы флюорита, которые используются в их лучших телеобъективах . Использование флюорита для линз телескопов сократилось с 1990-х годов, поскольку новые конструкции с использованием стекла фтор-кроун, включая триплеты, предлагают сопоставимые характеристики по более низким ценам. Флюорит и различные комбинации фторидных соединений могут быть превращены в синтетические кристаллы, которые применяются в лазерах и специальной оптике для УФ и инфракрасного диапазона. [38]
Инструменты экспозиции для полупроводниковой промышленности используют флюоритовые оптические элементы для ультрафиолетового света на длинах волн 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 исправления оптических аберраций в этих линзах. Nikon ранее изготовила по крайней мере один флюоритовый и синтетический кварцевый элементный объектив для камеры (105 мм f/4.5 UV) для получения ультрафиолетовых изображений . [40] Konica выпустила флюоритовый объектив для своих зеркальных камер — Hexanon 300 мм f/6.3.
В 2012 году первый источник природного фтористого газа был обнаружен в шахтах по добыче флюорита в Баварии, Германия. Ранее считалось, что фтористый газ не встречается в природе, поскольку он очень реактивен и быстро реагирует с другими химическими веществами. [41] Флюорит обычно бесцветен, но некоторые разнообразные формы, найденные поблизости, выглядят черными и известны как «зловонный флюорит» или антозонит . Минералы, содержащие небольшие количества урана и его дочерних продуктов, испускают излучение, достаточно энергичное, чтобы вызвать окисление анионов фтора внутри структуры до фтора, который оказывается запертым внутри минерала. Цвет зловонного флюорита в основном обусловлен оставшимися атомами кальция . Твердотельный ЯМР фтора-19 , проведенный на газе, содержащемся в антозоните, выявил пик при 425 ppm, что согласуется с F 2 . [42]
В данной статье использованы материалы из общедоступного источника Fluorspar (PDF) . Геологическая служба США .
.jpg/1280px-Fluorite_crystals_(Cullen_Hall_of_Gems_and_Minerals).jpg)
