СЕКЦИЯ 2. МИНЕРАЛОГИЯ, ГЕОХИМИЯ И ПЕТРОГРАФИЯ

139
СЕКЦИЯ 2. МИНЕРАЛОГИЯ, ГЕОХИМИЯ И ПЕТРОГРАФИЯ
КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ В КАПЛЕ
С.С. Налобина
Научный руководитель доцент О.Ю. Перфилова
Сибирский Федеральный университет, г. Красноярск, Россия
К сожалению, мы практически не имеем возможности непосредственно наблюдать за процессами
зарождения и роста кристаллов минералов в природе. Но зато мы можем увидеть эти процессы в лаборатории.
Существуют многочисленные методы выращивания кристаллов веществ, аналогичных по составу и структурам
природным минералам. Но большинство этих методов требуют специального оборудования и больших затрат (не
только экономических, но и времени). Но можно понаблюдать за ходом таких процессов и с помощью совсем
несложных экспериментов, если, например, вырастить кристалл медного купороса (аналог минерала
халькантита) из водного раствора. Но особенно интересно наблюдать под микроскопом за тем, как происходит
образование кристалликов в капле раствора, помещенной на предметное стекло по мере испарения растворителя.
Кроме того, весь процесс занимает совсем немного времени – от 15 минут до получаса (в зависимости от состава
исходного раствора и температуры в помещении). Исследование микрокристаллов различных веществ под
микроскопом химики и геологи проводят давно, на этом даже основан метод микрокристаллохимического
анализа, позволяющего выявить наличие тех или иных химических элементов в растворе [1]. Но, как правило,
исследователей почти всегда интересовал лишь конечный результат, а не сам процесс образования и роста
кристаллов.
При наблюдении под микроскопом процессов кристаллизации, происходящих в капле раствора, за
короткий промежуток времени можно получить интересные и неожиданные результаты. Кристаллы, как и живые
существа, способны зарождаться, расти, развиваться и изменяться. Природа наградила их уникальными
свойствами, которые еще не до конца исследованы. В процессе работы решались следующие вопросы: почему в
одном случае кристаллы вырастают в виде геометрически правильных многогранников, а в других – их рост
отклоняется от идеальных форм, какие условия нужны для роста и возникновения дендритов, сферолитов,
почему у одних веществ кристаллизация начинается от краев капли, а у других от ее центра? Проведены
эксперименты по наблюдению кристаллизации в капле раствора следующих веществ: кальций хлористый,
хлорид натрия, медный купорос, алюмоаммонистые квасцы, натрий сернокислый кристаллический, натрий
серноватистокислый, монофосфат аммония, красная кровяная соль, бихромат калия. Наиболее показательными
были опыты в растворе смеси кальция хлористого с медным купоросом и монофосфатом аммония, в результате
быстрой кристаллизации образовались сферолиты, а по краям начался рост неправильных кристаллов. Также
показательной была кристаллизация натрия серноватистокислого и алюмоаммонистых квасцов, – этот опыт дает
нам представление о росте дендритов. При кристаллизации натрия сернокислого кристаллического с добавкой
глицерина образовались дендриты, а на их веточках выросло множество нормальных кристаллов (похожих на
почки деревьев). Добавив в раствор медного купороса каплю глицерина, мы можем наблюдать образование и
дендритов, и расщепленных кристаллов. При добавлении к раствору хлорида натрия небольшого количества
раствора красной кровяной соли (не более 5 %) происходит образование вместо правильных кубических
многогранников сложных вершинных скелетных кристаллов и дендритов (рис. 1).
Рис. 1. Дендриты хлорида натрия, образовавшиеся в капле раствора
с добавлением 5 % красной кровяной соли
Рост дендритов начинается по краям капли, так как в результате интенсивного испарения жидкости в
тонком слое по периферии капли резко меняются концентрации растворенного вещества, а в центральной части
капли в это время происходит самопроизвольное
зарождение и рост правильных кристаллических
многогранников. Иногда на конечных стадиях кристаллизации полногранные красталлы преобразуются в
скелетные кристаллы или дендриты. Если мы добавим к почти высохшей капле новую порцию свежего раствора,
то происходит геометрический отбор и на «веточках» дендритов начинают расти полногранные кристаллы .Если
рост кристалла происходит очень медленно, при постоянных или почти постоянных условиях (температура,
ПРОБЛЕМЫ ГЕОЛОГИИ И ОСВОЕНИЯ НЕДР
140
давление, концентрация вещества, необходимого для роста), то в результате получится совершенный
кристаллический многогранник с плоскими гранями. Необходимые условия для образования скелетных
кристаллов и дендритов – крайне неравномерные, резко меняющиеся условия (перепад температур, изменение
концентрации.) Подобные условия могут возникать при большом переохлаждении, неравномерном интенсивном
испарении растворителя или недостаточном перемешивании.
Рис 2. Природные дендриты пиролюзита, образованные в трещинах микросиенитов.
Гора Николаевская Сопка
Таким образом, нам удалось в ходе простых экспериментов наблюдать за процессами образования
дендритов самородной меди, а так же за образованием скелетных кристаллов и дендритов целого ряда веществ.
Условиями образования и роста необычных кристаллов и их агрегатов (скелетных кристаллов и дендритов)
являются неравновесные условия кристаллизации (очень быстрый неравномерный рост, перепад температуры,
давления, резкое изменение концентрации вещества в расплаве или растворе, наличие посторонних химических
или механических примесей). Похожие процессы, вероятно, происходят и в природе при метасоматическом и
гидротермальном (в тонких трещинах) минераллообразовании, когда раствор присутствует в небольшом
количестве в виде очень тонкой пленки в межзерновом пространстве (рис. 2). Таким образом, процессы,
наблюдаемые в капле раствора под микроскопом, могут служить простейшей моделью, позволяющей понять и
наглядно представить процессы возникновения скелетных кристаллов и сферолитов минералов.
Литература
1.
Шубников А.В. Образование кристаллов. – М.: Изд. АН СССР, 1947. – 72 с.
ИССЛЕДОВАНИЕ БРАЗИЛЬСКИХ АЛМАЗОВ МЕТОДОМ ИК-СПЕКТРОСКОПИИ
Ю.В. Нефедов
Научный руководитель профессор А.В. Козлов
Санкт-Петербургский государственный горный университет, г. Санкт-Петербург, Россия
Исследование бразильских алмазов из коллекции Горного музея производилось в лаборатории СПГГИ
на спектрометре Vertex 70 с ИК-микроскопом Hyperion1000. Стандартное разрешение спектрометра 0,4 см-1.
Скорость сканирования прибора более 10 спектров в секунду при разрешении 8 см-1.
Цель исследования: выявление специфических особенностей кристаллов алмаза бразильских
алмазоносных проявлений.
Метод инфракрасной спектрометрии основан на селективном поглощении электромагнитного
излучения кристаллической структурой изучаемого вещества. ИК спектры содержат информацию о структуре,
составе и поэтому являются специфичными для различных соединений и кристаллических веществ. По числу и
положению пиков в ИК спектре поглощения можно судить о природе вещества (качественный анализ), а по
интенсивности полос поглощения – о количестве вещества (количественный анализ).
Главной примесью в кристаллах алмаза является азот. Концентрация азота может составлять более 0,2
атомных процента.
Известно, что степень агрегации азотных дефектов зависит от содержания азота в алмазе, температуры
и длительности его нахождения при данной температуре. Эти параметры обычно анализируют с использованием
диаграммы Тейлора. Диаграмма Тейлора отражает температурную зависимость между величиной концентрации
азота и степенью агрегации азотных дефектов [2]. Диаграмма Тейлора расчитывается на период пребывания
алмазов в мантии в течение 3 млрд лет [1], а нанесенные на нее изотермы позволяют наглядно увидеть
температурные диапазоны образования кристаллов.