Меню Рубрики

Установки для гидротермального синтеза кристаллов

Гидротермальный метод

Гидротермальный синтез – процесс роста кристаллов в условиях высоких температур и давления. Поэтому данный процесс проводят в специальных толстостенных сосудах – автоклавах, изготовленные из специальной антикоррозийной и жаропрочной стали. Автоклав, показанный на рисунке, невелик, его рабочий объем составляет около 250 мл, что позволяет вырастить за один цикл роста около 100 г изумрудных кристаллов. Автоклавы для гидротермального роста кристаллов кварца намного больше – до 6 м3 и позволяют выращивать до полутонны кристаллов за один цикл роста.

Суть гидротермического роста кристаллов изумруда с использованием технологии «Русский Изумруд» заключается в следующем. В нижней части рабочей полости автоклава заполняется заряд (4) – измельченный натуральный берилл, не пригодный для ювелирных изделий. Над ним расположена диафрагма (5) – стальная круглая пластина с отверстиями, разделяющая рабочую полость автоклава на две зоны: растворение (под диафрагмой) и рост (над диафрагмой). В зоне роста помещается рама (6) с одним или несколькими семенами (7) – прямоугольными тонкими пластинами, вырезанные из кристаллов изумруда самого высокого качества, выращенных в предыдущих циклах. Вдоль внутренней полости добавляется необходимое количество воды и минерализатора (смесь определенной композиции, которая увеличивает растворимость берилла в гидротермальном растворе). В качестве минерализатора в технологии выращивания “Русского Изумруда” используются соли, которые присутствуют в реальных пегматитовых процессах, в которых происходит образование природных кристаллов берилла.
Таким образом, в качестве исходных продуктов в технологии выращивания “Русского Изумруда” используются природные вещества, либо их полные аналоги. Загруженный автоклав запечатывается в верхней части и помещается в специальную вертикальную печь, в которой автоклав нагревается до примерно 600 ° С, а давление в нем увеличивается до 1500 атм.

Более того, нижняя часть автоклава (зона растворения) нагревается до более высокой температуры, чем верхняя (зона роста). В зоне растворения гидротермальный комплекс зарядовых компонентов (берилл) крайне насыщен. Насыщенные растворы из зоны растворения в результате естественной тепловой конвекции входят в зону роста, где они охлаждают и становятся перенасыщенными. Избыток вещества из пересыщенного раствора оседает на затравочных пластинах – так и растет кристалл изумруда. Общая продолжительность одного цикла роста составляет 1 месяц, в течение которого один или несколько кристаллов изумруда вырастают до 100 г общего веса с общей длиной до 19 см и толщиной до 2,5 см.

источник

Гидротермальный синтез кристаллов

Основы и сущность метода гидротермального синтеза кристаллов, использование автоклавов для проведение опытов. Методические источники гидротермального синтеза на примере кварца. Особенности процессов получения кристаллов из растворов и из расплавов.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Глава 1. Сущность метода гидротермального синтеза кристаллов

Глава 2. Выращивание кристаллов кварца гидротермальным методом

Глава 3. Получение кристаллов изумруда

3.1 Выращивание кристаллов изумруда из расплавов

3.2 Выращивание кристаллов изумруда из растворов

Для большого количества веществ растворимость при сравнительно низких температурах — ниже 100° С, столь мала, что выращивание кристаллов становится практически невозможным. Один из путей увеличения растворимости — повышение температуры раствора. Разнообразные способы кристаллизации веществ из высокотемпературных водных растворов при высоких давлениях пара (раствора) объединяют общим термином «гидротермальный способ» выращивания кристаллов. Этот способ характеризуется наличием водной среды, температур выше 100° С и давлений выше атмосферного.

Термин «гидротермальный» геологического происхождения. Минералы, образованные в постмагматической стадии минералообразования в присутствии воды при повышенных температурах и давлениях, относят к минералам гидротермального происхождения. Первые попытки искусственного получения кристаллов в гидротермальных условиях были предприняты минералогами с целью изучения условий природного минералообразования; размер кристаллов в таких исследованиях обычно не превышал тысячных — сотых долей миллиметра. Первые разработки гидротермального метода выращивания монокристаллов были сделаны Сенармоном и Специя, выращивавшими кристаллы б-кварца.

В настоящее время синтетические кристаллы широко используют в ювелирных изделиях, квантовой электронике(составляющие лазеров), телефонной и радиоаппаратуре в стекольной и керамической промышленности.

Цель работы: изучить специфику гидротермального синтеза. Выяснить его значение в повседневной жизни.

* ознакомиться с основами гидротермального синтеза кристаллов

* рассмотреть по методическим источникам гидротермальный синтез на примере кварца

* ознакомиться с особенностями процессов получения кристаллов из растворов и из расплавов

Глава 1. Сущность метода гидротермального синтеза кристаллов

Гидротермальный синтез кристаллов и минералов самый сложный в создании искусственных минералов. В экспериментальной минералогии он занимает особое место, так как именно в таких условиях из минерализованных водных растворов при высоких температурах и давлениях в природных условиях образуется большинство минералов.

В поисках сред для выращивания кристаллов учёные обратились к сведениям оприродных гидротермах. В естественных кристаллах ряда минералов были обнаружены мелкие пузырчатые включения, заполненные жидкими растворами. Анализируя их, геологи и минералоги установили, что в них сохраняются летучие и нелетучие компоненты подходящего кристаллизационного раствора, из которого вырастал минерал, содержащий эти включения. Хотя состав включений родственен и связан с вмещающим их минералом, тем не менее, он не всегда соответствует первоначальному составу кристаллизационного раствора. Но это относится, как правило, к тем элементам, которые находились в гидротермальном растворе в крайне незначительных количествах. Главные компоненты минерализованного раствора, породившего исследуемый материал, наиболее полно представлены в жидкостных включениях.

Косвенные сведения о природе гидротермальных растворов дополняются анализами вулканических и природных гидротермальных вод, встречаемых там, где продолжается вулканическая деятельность (Камчатка, Курильские острова) и обнаруживаемых при бурении скважин в зонах современной тектонической активизации земной коры (на Кавказе, Тянь-Шане, Памире, и т. д.).

Проводя многочисленные исследования, ученые установили, что минералы из гидротермальных растворов образуются при температурах выше 100°С. В их составе обнаружены катионы и анионы, указывающие на присутствие солей в природных гидротермах. Установлено также, что растворы, в которых образуются природные минералы, много компонентны и имеют сложный состав. И все же ученые пришли к выводу, что природные гидротермальные растворы по качественному составу не особенно разнообразны. Среди них различаются хлоридные, бикарбонатные и сульфатные [2].

Изучив природные образования, ученые перешли к лабораторным опытам. Родился гидротермальный синтез — процесс создания искусственных минералов путем химических реакций в герметических сосудах при температуре, превышающей 100°С, но не достигающей обычно 1100°С, высоком давлении в присутствии воды. Впоследствии гидротермальный синтез приобрел важное значение в производстве технических монокристаллов. Главным преимуществом их выращивания из гидротермальных растворов является то, что таким путем удается получить наиболее совершенные и чистые монокристаллы любой величины, разнообразной формы, с заданными свойствами. В частности, на этом методе основано производство всех кристаллов кварца и некоторых других минералов, хотя другими методами, о которых говорилось выше, эти минералы в ряде случаев могут быть получены проще и быстрее. Кроме того, оказалось, что гидротермальный метод обеспечивает кристаллизацию тугоплавких и термостойких минералов при относительно низких (сотни градусов) температурах. При этом могут быть получены наиболее однородные и слабо напряженные монокристаллы [2].

Существует три основных варианта гидротермального синтеза минералов: гидротермальная обработка, гидротермальное превращение и метод перепада температур [4].

В первом случае гидротермальной обработке при высоком давлении подвергаются несовершенные кристаллы природных минералов. При этом удаляются нежелательные примеси и нередко уменьшаются дефекты кристаллической решетки — свойства кристалла улучшаются [4].

Во втором случае путем гидротермальной обработки в автоклавах при высоком давлении можно превращать одни минералы в другие. Так, например, известно, что в природе в процессе гидротермального изменения оливин (широко распространенный породообразующий минерал ультраосновных и основных пород) превращается в серпентин — минерал из группы силикатов, разновидностью которого является хризотил-асбест (горный лен). Оба минерала относятся к одной группе силикатов типа солеобразных химических соединений, содержащих кремнезем, но отличаются друг от друга внутренним строением кристаллических решеток. Если в оливине компоновка атомов и ионов объемная, то в серпентине — послойная. При обработке оливина в лабораторных условиях растворами углекислой соли и сернистого натрия при температуре 300°С взаиморасположение атомов и ионов в кристаллической решетке изменяется и он превращается в асбест (серпентин). Из асбеста при нагревании до 600°С отделяется часть кремнезема (SiO2) и вновь образуется оливин. Если продолжить нагрев, то при 1000°С оливины вновь реагируют с избытком кремнезема и образуется энстатит — минерал группы силикатов, но уже с цепочечным расположением атомов и ионов [4].

Читайте также:  Установка cwm recovery на fly

Известны случаи, когда в процессе подобного изменения кристаллической структуры минералов искусственным путем в них заменяются одни ионы на другие. Однако природа этого явления не ясна и гидротермальный синтез с использованием метода замены катионов и анионов не получил распространения [4].

Метод перепада температур, является основным для выращивания совершенных крупных монокристаллов с наиболее ценными свойствами. На этом методе основано промышленное производство крупных монокристаллов кварца. При методе перепада температур существует зависимость между растворимостью шихты, температурой, давлением, концентрацией растворителя и теми свойствами кристаллов, которые мы желаем получить. Поэтому исследования по гидротермальному синтезу минерального сырья начинаются с определения этих зависимостей: построения по опытным данным математической модели процесса, составления, в конечном итоге, графика растворимости того или иного минерала в растворе солей, кислот и щелочей. Многократные опыты позволяют наметить пути достижения первых положительных результатов в сложных и длительных поисках способов получения каждого нового искусственного минерала. Таким способом можно выращивать сапфиры, рубины, изумруды, рутил, турмалин и другие ценные кристаллы многих минералов [4].

Гидротермальные реакции протекают при температуре 100—800°С, когда давление в лабораторных установках достигает 4—5 тысяч атмосфер. Для проведения опытов используются герметически закрытые сосуды (автоклавы) из особых жаростойких сортов стали. Объем автоклавов, в зависимости от поставленных задач опыта, варьирует в больших пределах. Они применяются в начальной стадии изучения процесса роста кристаллических веществ, при промышленном гидротермальном синтезе искусственных минералов[2].

Обычно автоклавы имеют удлиненную цилиндрическую форму. В нижнюю часть их загружается исходная смесь природных минералогических веществ в твердом состоянии (шихта), а в верхней части на проволоке подвешивается затравочный кристалл. Затем сосуд заполняется раствором подобранного реагента (жидкости со строго определенным химическим составом) в количестве и объеме, которые при достижении требуемых для данного опыта давления и температуры обеспечат необходимые условия термодинамического режима проводимого эксперимента[2].

Автоклав, заполненный исходными материалами, герметически закрывается и помещается в электрическую печь с донным нагревателем. При нагревании жидкость в автоклаве расширяется и вскипает, образуя весьма агрессивный газово-жидкий раствор (флюид), который существует при высоком давлении в замкнутой системе. Ничего похожего в окружающем нас мире мы наблюдать не можем, но глубоко в недрах земли происходят аналогичные процессы[2].

Рис.2. Устройство автоклава

В автоклаве благодаря использованию данного нагревателя температура в верхней его части устанавливается на несколько градусов (15—30°С) меньше, чем в нижней. Образованный газово-жидкий раствор (флюид) вступает в физико-химическую реакцию со смесью химических веществ, помещенных на дне автоклава, в результате чего в нижней части сосуда получается насыщенный кристаллизационный раствор. Он близок по составу с затравочным кристаллом, подвешенным в верхней части автоклава. Пересыщенный раствор горячими конвекционными токами, образующимися в замкнутом сосуде, поднимается в зону более низких температур-в верхнюю часть автоклава. Здесь он становится пересыщенным и избавляется от излишка растворимого вещества, которое отлагается на затравочном кристалле. Рост последнего продолжается до тех пор, пока существует шихта (твердые химические соединения на дне автоклава) и поддерживаются необходимые для образования кристалла давление, температура, перепад температур внутри сосуда. Поскольку все эти величины не постоянны и изменяются в процессе проведения опыта, становится очевидной вся сложность гидротермального синтеза минералов и выращивания монокристаллов[2].

При гидротермальном способе выращивания искусственных кристаллов на их рост кроме температурного режима в значительной степени влияют состав и концентрация образующегося газово-жидкого раствора, высота расположения и площадь затравочного кристалла, его кристаллографическая ориентировка и т. д. Нарушение хотя бы одного из этих требований приводит к отрицательным результатам. Условия протекания гидротермального синтеза весьма сложны. Пока еще не существует научной теории, которая могла бы с математической точностью объяснить процессы кристаллизации твердых минералов из газово-жидких растворов[4].

гидротермальный синтез кристалл автоклав

Глава 2. Выращивание кристаллов кварца гидротермальным методом

Среди минералов, которые представляют собой промышленно важный объект, на первом месте стоит кварц. Кварц используется в оптических приборах, в генераторах ультразвука, в телефонной и радиоаппаратуре (как пьезоэлектрик), в электронных приборах («кварцем» в техническом сленге иногда называют кварцевый резонатор-компонент устройств для стабилизации частоты электронных генераторов). В больших количествах потребляется стекольной и керамической промышленностью (горный хрусталь и чистый кварцевый песок). Также применяется в производстве кремнезёмистых огнеупоров и кварцевого стекла. Многие разновидности используются в ювелирном деле. Казалось бы, не стоит синтезировать кварц только из-за его декоративных свойств, однако синтез кварца для поделочных целей широко распространен, и некоторые его искусственные разновидности трудно отличить от их природных аналогов. Дело в том, что техническая ценность кварца способствовала развитию его промышленного синтеза в широких масштабах. Если к монокристаллу кварца приложить давление в соответствующем направлении, то на кристалле возникает электрический заряд, а если к вырезанной из кварца пластинке приложить переменное напряжение, эта пластинка начнет вибрировать заданным образом. Однако большая часть природных кристаллов кварца не соответствует требованиям, предъявленным промышленностью, поскольку в них часто развиты двойникование и другие несовершенства (это портит пьезоэлектрические свойства кварца). В период второй мировой войны природного кварца оказалось недостаточно, чтобы удовлетворить растущую потребность, жизненно необходимыми стали работы по получению синтетического материала. К концу войны из природных кристаллов изготовлялись кварцевые пластинки общей стоимостью 1млн.долл. И дальнейшее снабжение промышленности сырьем становилось затруднительным. Хотя кварц является широко распространенным минералом, найти пригодные для разработки месторождения подходящего для технических целей сырья нелегко.

Выращивание гидротермальным методом. Процесс, используемый в лабораторных условиях для выращивания кристаллов кварца, почти всегда по своей сущности тот же, что и в природе. Кварц растворяется в воде при достаточно высокой температуре (необходимые температуры воды могут быть достигнуты, только под давлением). Помещенный в сосуд высокого давления (автоклав) с соответствующим образом контролируемыми температурой и давлением, кварц будет растворяться в одной части сосуда и отлагаться — в другой. Это метод транспортного гидротермального роста. В качестве шихты используется крошка из природного кварца, а новые кристаллы образуются на специально подготовленной затравке.

Лабораторное выращивание кварца начали проводить в середине XIX в., и первым, кому удалось вырастить кварц гидротермальным методом, был Сенармон. Он пользовался запаянной стеклянной трубкой, в которой были вода, бикарбонат натрия, щелочной силикат и одно из соединений мышьяка, по-видимому, реальгар. Трубка помещалась в ружейный ствол, который затем нагревался. В результате образовались микроскопические кристаллики кварца[5].

Читайте также:  Установка заднего спойлера на калину универсал

Кварц, не растворимый в воде при комнатной температуре, начинает растворяться по мере приближения температуры и давления к критической точке воды в замкнутой системе. Повышения температуры до точки кипения недостаточно, поскольку растворимость при этом почти не увеличивается. Кристаллизационный сосуд обычно заполняют водой на 85%, герметически закупоривают и нагревают. При температуре выше 100?С давление начинает возрастать, поскольку вода частично закипает. Это повышает точку кипения воды. При 200?С большая часть воды превращается в пар, который при дальнейшем увеличение температуры становится перегретым. Давление растет за счет расширения пара, приближаясь к 1360 кг/смІ при 300°С [5].

Закупоренный сосуд будет содержать пар с удельным весом 0,85, поскольку изначальное заполнение водой составляло 85%. Если допустить дальнейший подъем давления, то сосуд может взорваться (отсюда его второе название- «бомба»). Величина растворимости в 0,1% по массе достигается при давлении около 1400 бар, но для хорошего роста кристалла требуется более высокая растворимость. Чтобы ее повысить, к воде добавляют минерализаторы. Можно взять любой минерализатор, лишь бы он реагировал с кварцем с образованием устойчивого соединения. На практике большей частью применяется едкий натр или сода (NaOH или Na2CO3 )[5].

Шихта в виде раздробленного природного кварца помещается на дно сосуда, а тонкие затравочные пластинки (толщина их может быть около 1 мм) располагается над шихтой на серебряной решетке. Добавляется минерализатор и сосуд закупоривается. Так как при росте давление повышается, были разработаны специальные запорные устройства. Нагреватель располагается вокруг сосуда, и вся система помещается на нагреваемую плиту внутри хорошо закрывающегося бокса из стальных листов. Нередко весь аппарат помещают под землю, чтобы свести к минимуму последствия возможного взрыва, или же применяют защиту в виде брони [5].

Нагреватель и нагреваемая плита должна создавать температурный градиент около 40°С. Тогда в нижней части сосуда будет образовываться насыщенный кварцем раствор; происходящее при этом повышение плотности компенсируется увеличением температуры, вызывающим термическое расширение и снижение плотности. Различие в плотности приводит к образованию конвекционных потоков и заставляет насыщенный раствор подыматься кверху. При достижении верхней части сосуда этот раствор уже не может удержать весь содержащийся в нем кварц, и избыточное количество кварца осаждается на затравочных пластинках. Охлажденный раствор вновь спускается вниз, и процесс повторяется[5]. Чтобы достичь более быстрого роста нижних затравочных пластин и обеспечить равномерное отложение кварца, между нижней и верхней частями сосуда помещается перегородка. Она имеет форму пластинки с многочисленными отверстиями. Ее назначение-регулировать конвекцию. Скорость роста варьирует в значительных пределах в соответствии с условиями роста и требованиями к кристаллу, однако для получения высококачественных кристаллов оптимальная скорость роста-около1 мм в сутки [5].

Рис.3 Футерованный серебром автоклав, для гидротермального выращивания кварца. 1 — термоизоляция; 2 — затравочные пластинки; 3- дырчатая перегородка; 4- исходный материал (шихта); 5 — обогащенный кремнеземом водный раствор; 6-серебряная футеровка; 7-электрический нагреватель

Применяя затравочные кристаллы разной кристаллографической ориентировки, можно определить удельные относительные скорости роста разных граней. Независимо от условий выращивания выдерживается следующий порядок скоростей. Очень быстро растет базис (так называемый Z-срез || <0001>), затем следует малый ромбоэдр (r-срез || <01 1 1>), основной ромбоэдр (R-срез || <10 1 1>) и призма (m-срез || <10 1 0>) [3].

Обычно в качестве затравочных пластинок применяют Z-срезы. После выращивания базисные грани с обеих сторон зародыша покрыты мозаикой, состоящей из отдельных бугров. Стороны бугров являются гранями пирамиды. В центре бугра в большинстве случаев можно обнаружить треугольные ямки, которые кристаллографически ориентированы. При возрастании пересыщения отдельные бугры становятся крупнее. Грани пирамиды и треугольные ямки отсутствуют. С возрастанием толщины слоя роста увеличивается также поперечное сечение бугра [3].

В качестве шихты применяют крупные куски (длина ребра 4мм) бразильского кварца- во многих случаях только так называемые lascas, головки кварца- которые могут попасть в камеру роста. Кварц худшего качества применять в качестве шихты можно при работе с растворами Na2CO3 — NaOH — NaF с добавкой Al +3 (0,05 -0,125%)[3].

Небольшая добавка олеата натрия может существенно повысить качество и выход кристаллов кварца. Часто после вскрытия автоклава кристаллы растрескиваются. В большинстве случаев это объясняется адсорбцией пузырьков углекислого газа на поверхности растущих кристаллов. Включенный газ находится под высоким давлением предшествующего процесса выращивания и при снятии внешнего давления разрушает кристалл. Олеат натрия, очевидно, препятствует адсорбции пузырьков газа. Растрескивание кварца после процесса выращивания может быть вызвано также механическими напряжениями, если применяются затравочные пластинки, которые вырезаны из кварца, возникшего при другой температуре, нежели температуре выращивания. Конечно, здесь оказывают также влияние поверхностные нарушения затравочных пластинок. Вхождение в кварц Mn +4 вызывает сходную с аметистом окраску. CO -2 замещает Si +4 и дает синюю окраску. Группы [ AlO4 ] в комбинации с щелочными ионами, очевидно, обусловливают окраску синтетического дымчатого кварца. В общем можно констатировать: 4-валентные катионы встраиваются равномерно в решетку кварца с замещением Si, однако концентрируются в определенных зонах роста. Ионы Fe +3 вызывают желтые, а Fe +2 — зеленые полосы. Содержание примесей в различных кристаллографических направлениях различно; это отчетливо видно на кристаллах кварца, окрашенных рентгеновским облучением[3].

Гидротермальный процесс кристаллов кварца в целом достаточно эффективен; единственным затруднением является ежегодное сокращение ресурсов подходящего для шихты природного материала. Поскольку большая часть кристаллов кварца выращивается для нужд радиотехники и электроники, получаемая продукция должна иметь такую форму, которая в дальнейшем потребовала бы минимальной механической обработки. Самые медленно растущие грани наиболее развиты на кристалле после полного окончания процесса роста. Однако при выращивании промышленных кристаллов процесс роста не всегда доводится до естественного окончания, когда грани кристалла уже полностью развиты; в этих условиях преобладают быстро растущие грани. Для синтетического кварца особенно характерна бугристая или неровная поверхность, которая не встречается в природе [5].

Рис.4. Выращенный гидротермальным методом синтетический кристалл кварца с характерной бугристой поверхностью

Глава 3. Получение кристаллов изумруда

3.1 Выращивание кристалловизумруда из расплавов

Сущность данного способа выращивания кристаллов заключается в том, что исходный материал расплавляют, а затем кристаллизуют при тщательно контролируемых условиях (температуры и давления). Данный способ может быть реализован несколькими методами, которые различаются некоторыми технологическими особенностями и применяемой аппаратурой

Метод расплав-реакционный. Отличается от методов, когда кристаллы растят при медленном охлаждении растворов или когда испаряют растворитель, тем, что в нем используется реакционное взаимодействие между составляющими кристалла. В этом методе два главных компонента изумруда, окиси бериллия (ВеО) и алюминия (Al2O3), растворяют в плавне ( растворителе), молибдате лития, а третья составляющая, кремнезем плавает (SiO2), плавает на поверхности раствора. Для того чтобы быть уверенным, что кремнезем плавает, а не погружается, необходимо тщательно регулировать состав плавня, чтобы его плотность была близка к 2,9 , т.е. меньше, чем у изумруда, но больше, чем у кремнезема. Поскольку изумруд относительно легкий минерал, помещали сетчатый платиновый экран для предотвращения всплывания кристаллов, так как в области обогащения расплава кремнеземом растут кристаллы очень низкого качества [4].

Процесс формирования изумруда включает химическую реакцию между кремнеземом и растворенными в молибдатовом плавне окисью бериллия, окисью алюминия и небольшим количеством окиси хрома. Для протекания этой реакции необходимо, чтобы кремнезем сначала растворился в плавне, а затем диффундировал в ту область, где концентрация всех реагентов достаточна для кристаллизации изумруда. Основание тигля должно быть несколько холоднее, чем остальная часть раствора, если кристаллизация изумруда происходит в этой части. После того как начнут расти первые кристаллы, зарождение новых в других частях тигля маловероятно, так как кремнезем в область кристаллизации поступает с достаточно медленной скоростью и полностью расходуется на химическую реакцию, приводящую к росту уже зародившихся кристаллов изумруда. Поэтому успех этого метода определяется поддерживанием очень медленной скорости и очень медленной миграцией кремнезема через раствор. В альтернативном варианте окиси бериллия и алюминия помещают на дно тигля, а кремнезем также плавает в верхней части раствора. В этом случае изумруд растет в средней зоне, куда можно поместить и подвешенные затравочные кристаллы [4].

Читайте также:  Установки получения сухой лед

Рис.5. Схема затравки кристалла

Используемый процесс характеризуется очень медленным ростом кристаллов, и для выращивания хороших изумрудов требуется время до одного года. В течении этого периода необходимо добавлять в раствор кремнезем, чтобы компенсировать его расход во время роста кристаллов. Полученные кристаллы имели размер до 2 см в поперечнике, но поскольку они содержали включения, вес ограненных камней составлял около 1 карата.

3.2 Выращивание кристаллов изумруда из раствора

В бериллиевой группе наиболее перспективным считается гидротермальный метод, который основан на перекристаллизации исходной шихты. Его суть заключается в растворении исходного материала и переноса растворенных компонентов в относительно менее нагретую зону, где и происходит рост кристаллов [4].

Гидротермальный изумруд также производился для коммерческих целей и ювелирных нужд. Было обнаружено, что вхождению хрома в кристаллическую решетку способствует добавление к водному растворителю кислоты. Такие добавки, которые изменяют характер роста кристаллов, но сами не входят в их состав, называют минерализаторами. Для выращивания изумрудов требуются температура 500-600 0 С и давление 700-1400 атм [4].

Для предотвращения зарождения большого числа мелких кристаллов аналогично необходимо отделить реагенты друг от друга. Оксиды бериллия и алюминия помещают в нижнюю часть реакционного объёма, а кремнезем- в сетчатый контейнер вблизи поверхности раствора. Затравочные кристаллы подвешивают на проволоке в средней части, где они растут со скоростью 0,3 мм в день, то есть значительно быстрее, чем при выращивании кристаллов из раствора в расплаве. Максимальные скорости роста, достигающие 0,8 мм в день, отмечались, когда приготавливали очень кислый раствор [4].

Размер выращиваемых кристаллов ограничен внутренними габаритами сосуда высокого давления, так как применяя этот метод, нельзя добавить питающий материал без охлаждения раствора и сброса давления. Однако те же самые затравки можно помещать в новый раствор три или четыре раза. Более высокие скорости роста при использовании гидротермального синтеза возможны благодаря тому, что затравочные пластины вырезаются так, что кристаллографическая плоскость, для которой характерен наиболее быстрый рост, имеет наибольшую площадь [4].

Растворимость изумруда в воде при комнатной температуре или даже при температуре кипения очень низка, но быстро растет с увеличением ее до 300 или 400 0 С. При таких температурах вода чрезвычайно быстро испаряется, поэтому для гидротермального метода необходимо использовать прочные сосуды, способные выдерживать высокие давления, создаваемые водяным паром при нагреве до высоких температур, превышающие атмосферное примерно в 1000-1500 раз [4].

Рис.6. Изумруд, выращенный гидротермальным синтезом

В данной работе я рассмотрела устройство автоклава, специфику устройства в действии, провела анализ зарождения кристаллов с помощью гидротермального синтеза и изучила три основных варианта гидротермального метода, по методическим источникам.

Гидротермальный синтез в противоположность большинству других методов выращивания обладает тем недостатком, что процессы, происходящие в автоклавах, особенно изменение концентрации растворов и рост кристаллов, не поддаются прямому измерению и наблюдению. Экспериментатор вынужден, с одной стороны, заранее по возможности точно рассчитать опыт, с другой стороны, после опыта должен реконструировать процесс путем исследования продуктов реакции в охлажденном состоянии и при отсутствии давления.

Гидротермальный метод открывает возможность проводить синтез в условиях, близких к равновесию, и получать кристаллы весьма высокого качества. Также этот метод используется не только для генезиса минералов, но и является эффективным способом получения новых неизвестных в природе соединений. В промышленном производстве уже давно используется гидротермальный метод для синтеза кристаллов, применяемых в современной технике.

Таким образом, гидротермальный метод оказался чрезвычайно перспективным как при поиске соединений с определенными физическими свойствами, так и при решении другой задачи, а именно, при систематическом физико-химическом исследовании сложных многокомпонентных систем в условиях повышенных температур и давлений.

1. Абдрахманова И.Ф. Поверхностная проводимость кварца в присутствии адсорбированных слоев / Дерягин Б.В ДАН СССР. 1958.- Т. 120. — №.1. -С.94-97.

2. Болман A.A. Гидротермальная кристаллизация Теория и практика выращивания кристаллов /Лодиз P.A. М.: Металлургия, 1968. — С.241-265.

3.Вильке К.Т. Методы выращивания кристаллов/Л.:Недра, 1968. — 600с.

4. Хаджи В.Е. Синтез Минералов в 2-х томах. Том1/ Л.И. Циннобер, Л.М. Штеренлихт. Под общей редакцией Хаджи В.Е. — М.: Недра, 1987 , 487 с.,

5. M. O’Donoghue. Quartz. Перевод с английского В.Б. Александрова. М.: Мир, 1990

Подобные документы

Исследование процесса кристаллизации расплавов металлов. Влияние температуры на свободную энергию жидкой и твердой фазы процесса кристаллизации. Охлаждение расплава и образование кристаллов. Регулирование размеров зерен кристаллов. Обзор строения слитка.

реферат [102,2 K], добавлен 16.12.2014

Легирование выращенных кристаллов и объемных кристаллов из жидкой фазы. Пассивные и активные методы выравнивания состава кристалла, механическая подпитка расплава, изменение условий выращивания. Растворимость и взаимодействие между примесными ионами.

реферат [225,2 K], добавлен 14.03.2010

Получение органических соединений, материалов и изделий посредством органического синтеза. Основные направления и перспективы развития органического синтеза. Группы исходных веществ для последующего органического синтеза. Методика органического синтеза.

реферат [1,6 M], добавлен 15.05.2011

Явление ядерного магнитного резонанса, использование для спектрометрии. Преимущества и недостатки метода. Разработка оптического метода регистрации ЯМР для точного определения спектральных свойств кристаллов. Блок-схема импульсного спектрометра.

дипломная работа [1,5 M], добавлен 16.02.2016

Тенденции развития органического синтеза. Синтез-газ как альтернатива нефти. Получение этанола прямой каталитической гидратацией этилена. Замена двухстадийного процесса синтеза ацетальдегида из этилена через этанол одностадийным окислительным процессом.

курсовая работа [116,4 K], добавлен 27.02.2015

Производство и применение катализаторов синтеза аммиака. Строение оксидного катализатора, влияние на активность условий его восстановления. Механизм и кинетика восстановления. Термогравиметрическая установка восстановления катализаторов синтеза аммиака.

дипломная работа [822,5 K], добавлен 16.05.2011

Сущность «псевдоравновесного синтеза». Синтез веществ конгруэнтно растворимых с учетом диаграммы состояния тройных систем. Метод осаждения из газовой фазы. Окислительно-восстановительные реакции в растворах. Физико-химические методы очистки веществ.

контрольная работа [62,9 K], добавлен 07.01.2014

Гомогенная и гетерогенная система. Условия образования непрерывных твердых растворов замещения. Химические и электронные соединения. Кристаллическая структура фаз внедрения. Анализ процесса образования кристаллов кубической и гексагональной симметрии.

лекция [84,9 K], добавлен 29.09.2013

Основные виды присадок — веществ, добавляемых к жидким топливам и смазочным материалам с целью улучшения их эксплуатационных свойств. Физико-химические основы синтеза биметальной присадки. Схема и описание лабораторной установки для осуществления синтеза.

дипломная работа [1,7 M], добавлен 15.04.2015

Определение передаточных функций элементов нескорректированной системы автоматического управления. Проведение синтеза последовательного корректирующего устройства по логарифмическим частотным характеристикам. Расчет кривых переходных процессов в системе.

курсовая работа [172,8 K], добавлен 13.12.2014

источник