15

Министерство высшего и специального образования Р.Ф.

Кубанский государственный университет.

Реферат на тему:

Шпинель. Структура шпинели.

Выполнил студент

2-го курса 1-й группы

химического факультета

Косенко М. М.

Проверила

Стороженко Т. П.

Краснодар 2002.

Содержание:

1. Химический состав. Разновидности шпинелоидов. ………………… 3.

2. Строение благородной шпинели. …………………………………….. 6.

3. Практическое применение соединений типа X²⁺Y₂³⁺O₄^2-……………12.

4. Синтез шпинели состава MgAl₂O₄ . …………………………………..14.

5. Список используемой литературы. …………………………………...15.

Формула главного представителя группы шпинели — MgAl₂O₄.

Н азвание, вероятно, происходит от лат. “спинелла” — маленький шип, что связано с октаэдрической формой кристаллов.

Химический состав — содержание (в %): MgO — 28,2; Аl₂О_з — 71,8; обычны примеси железа, хрома, цинка, марганца. Цвет — зеленовато-синий, синий до черного, розовый, красный (обусловлен примесями).

Черта — белая.

Блеск — стеклянный.

Прозрачность — от непрозрачной до прозрачной

Твердость — 8.

Плотность — 3,6 г/см ³.

Излом — раковистый.

Сингония — кубическая, гексаоктаэдрический вид симметрии.

Спайность — несовершенная по (111).

Элементарная ячейка.

Встречается преимущественно в форме октаэдрических кристаллов (другие простые формы редки) обычно небольших размеров. Характерны двойники срастания по (111} — по шпинелевому закону. Менее распространены изометрические зерна и зернистые агрегаты. У реальных кристаллов шпинели обычно наиболее развита одна или пара противоположных граней октаэдра. При этом шпинелевые двойники приобретают характерный треугольно-пластинчатый облик с раздвоенными (входящими) углами.

Окраска шпинели определяется в основном изоморфной примесью Fe²⁺ (плеонаст и герцинит — зелено-бурая до черной), Fе³⁺ (хлоршпинель — травяно- и оливково-зеленая), Fe²⁺ , Fe³⁺, и Сг (пикотит — желто-зеленая, зеленая), Zn (ганошпинель — зеленовато-синяя, темно-синяя).

Типичный минерал магнезиальных скарнов, ассоциирующий с форстеритом, энстатитом, диопсидом, кальцитом и др. В основном минералы группы шпинели присутствуют в качестве акцессорных в основных изверженных породах, некоторых пегматитах, метаморфизованных глинозёмистых осадочных породах и глинозёмсодержащих ксенолитах в изверженных породах, а также в контактово-метаморфических известняках. При их разрушении образуются пески, содержащие шпинель (Шри-Ланка, Бирма). Герцинит обычно встречается в богатых железом и обеднённых кремнекислотой глинозёмистых контактовых роговиках и их ксенолитах, в гранулитах, метаморфизованных пироксенитах и ультраосновных породах. Ганит распространён мало, известен в гранитных пегматитах. Галаксит редок.

Магнетит широко распространён как неотъемлемый акцессорный минерал изверженных пород и присутствует в составе так называемых черных песков, образованных при их разрушении. Также он нередко встречается совместно с ильменитом в породах габбровой серии (Эгерсунн, Норвегия, ЮАР), а в ассоциации с апатитом – в сиенит-порфирах известного месторождения Кируна в Швеции. Вследствие метоморфизма магнетит образуется в пластовых кремнистых железных рудах докембрийского возраста. Часто содержит титан. Отмечается в фумарольных отложениях Долины Десяти Тысяч Дымов на Аляске. Франклинит является основным минералом цинковых месторождений, залегающих в кристаллических известняках во Франклин-Фернас, Нью-Джерси. Другие члены подгруппы магнетита редки.

Хромит неизменно связан с перидотитами (или с развитыми по ним серпентинитами), норитами и анортозитами. Его сегрегации в магматических породах часто имеют форму латерально выдержанных слоёв, аккумулирующих большие запасы хромита. Крупные месторождения находятся на Урале, ЮАР, Зимбабве, Кубе и т.д.

Ульвошпинель встречается практически только в виде микроскопических выделений в магнетите, параллельных {100}. Эти очень тонкие выделения, развивающиеся по двум плоскостям под прямым углом друг к другу, образуют так называемую коробчатую или тканевую структуру, которая наблюдается в шлифах. Маггемит является продуктом окисления магнетита.

Прозрачная разновидность минерала — благородная шпинель — является драгоценным камнем. Крупные (размер по ребру более 10 мм) непрозрачные трещиноватые кристаллы розовой шпинели используются как коллекционный материал. Находки такого материала связаны преимущественно с магнезиальными скарнами (месторождение Кухилал на Памире). Наибольший интерес представляют образцы кальцифиров, содержащие мелкие прозрачные кристаллы розово-красной шпинели в ассоциации с оранжевым дравитом и клиногумитом. Коллекционное значение имеют также крупные (5—10 см), хорошо ограненные кристаллы шпинели темно-синего и черного цвета, включенные в кальцифиры (Алданский р-он Якутии). Очень декоративны штуфы кристаллов шпинели и диопсида в белой или розоватой кальцитовой массе. Прекрасные кристаллы темно-зеленой и черной хлоршпинели в ассоциации с диопсидом, гранатом, везувианом, хлоритами встречаются в хлоритовых скарнах (месторождения Шишимское и Назямские горы в Челябинской обл.).

Определяется по октаэдрической форме кристаллов и высокой твердости.

Существуют двойники, их структура и строение подчиняются следующему закону:

Теория симметрии кристаллов шпинели.

1)Группа шпинели. В эту группу входят сложные оксиды с общей формулой АВ₂О₄, где A= Mg2+, Fe2+ иногда Zn²+, Mn²+, Be²+ , а B = Fe³+, Al³+, Cr³+, Mn³+. Минералы группы шпинели имеют некоторые обшие свойства. Большинство из них кристаллизуется в кубической сингонии. Все эти минералы образуют хорошо ограненные кристаллы октаэдрического габитуса. У них наблюдается высокая твердость, отсутствует спайность, они химически и термически устойчивы. Для всех шпинелидов характерны высокотемпературные условия образования.В поверхностных условиях большинство их устойчиво и сохраняется в россыпях.

Структура кристалла шпинели.

2)Кристаллическая структура шпинели MgAl₂O₄.

В основе структуры нормальной шпинели MgAl₂O₄ -

трехслойная плотнейшая упаковка атомов О, на которую

указывают слагающие всю структуру гранецентрированные

кубы. Характер заполнения 1/2 октаэдрических и 1/8

тетраэдрических пустот этой упаковки атомами Al и Mg

соответственно приводит к тому, что элементарная ячейка

структуры минерала оказывается составленной из восьми

малых F-кубов. Длина ребра элементарной ячейки около 0,8 нм. В такой увосьмиренной элементарной ячейке атомы Mg располагаются по "алмазному" закону. Это легко увидеть, если первый атом Mg поместить в ближайшую к

началу координат тетраэдрическую пустоту.

Подобное расположение [MgO₄]-тетраэдров задает структуре

шпинели пространственную группу с координатными

клиноплоскостями d, отвергая при этом координатные

зеркальные плоскости пространственной группы ,

описывающей симметрию чистой кубической плотнейшей

упаковки, и сохраняя общие для обеих групп: тип решетки

Браве, диагональные зеркальные плоскости и оси 3-го

порядка, т.е. кубическую симметрию всей структуры.

Переместив начало координат в первый (исходный) атом Mg

(000) и приведя к нему высоты (координаты z) остальных атомов (Mg и O), увидим, что атомы Al располагаются в такой новой большой ячейке в незанятых атомами Mg октантах. Причем четверки из атомов Al

дополняют свободные от атомов Mg кислородные тетраэдры

до кубов. Положения атомов Al подчиняются задаваемым атомами Mg клиноплоскостям d. Таким образом, пространственной группой, описывающей

симметрию структуры шпинели, будет группа , в которой

позиции атомов Mg, находящиеся в тетраэдрическом

окружении атомов О, наследуют симметрию тетраэдра, т.е.

точечную группу , атомы Al оказываются в

центросимметричных позициях , атомы О - в моновариантных

позициях на осях 3-го порядка - 3m:

Mg - 8 (a) : 000,

Al - 16 (d) :

O - 32 (e) 3m :

где х 7/8,

a = 8,11.

Акцентируя внимание при описании структурного типа

Шпинели (АВ₂О₄) на мотиве заполнения октаэдрических и

тетраэдрических пустот кубической плотнейшей упаковки из

атомов кислорода, т.е. рассматривая ее полиэдрическую

модель, легко обнаружить перпендикулярные осям 3-го

порядка октаэдрические слои (111), заполненные атомами

Al по "шпинелевому" закону (заполнены ¾ октаэдрических пустот) и чередующиеся с антишпинелевыи слоями (заполнена 1/4 октаэдрических пустот), что подтверждает отношение Al : O = 1 : 2 в химической

формуле соединения. При этом одиночные Al-октаэдры

"антишпинелевого" слоя садятся на треугольные

"посадочные площадки", образованные ребрами трех

Al-октаэдров предыдущего шпинелевого слоя.

Тройки же ребер верхней грани одиночных октаэдров

являются также общими с ребрами троек Al-октаэдров, но

уже следующего шпинелевого слоя. Таким образом, два

ближайших шпинелевых слоя оказываются связанными точками

инверсии, совпадающими с центрами одиночных октаэдров

антишпинелевого слоя. Основаниями Mg-ортотетраэдров, расположенных в

антишпинелевых слоях, служат треугольные грани пустых

октаэдров из шпинелевого слоя. Вершины

тетраэдров, противоположные их основаниям, являются

общими для трех Al-октаэдров выше- и нижележащих

шпинелевых слоев. Таким образом, пустой октаэдр

шпинелевого слоя оказывается между антипараллельными

гранями двух Mg-тетраэдров, связанных один с другим

второй системой центров инверсии, расположенных в этих

пустых октаэдрах. Ближайшие друг к другу шпинелевые слои смещены косо

расположенной к ним трансляцией, являющейся ребром

примитивного ромбоэдра - ребром основной ячейки

гранецентрированного куба. Пространственная схема пересечения пустот очень сложна. Пересечение слоёв катионов цепочками октаэдеров происходит в направлениях {110}.Связи в структуре шпинели смешанные, ионно-ковалентные. В проекции

полиэдрической модели структуры шпинели на плоскость

(111), перпендикулярную оси 3-го порядка,

хорошо видны зеркальные плоскости симметрии,

пересекающиеся вдоль этой оси. В итоге обнаруживается

пространственной группы, являющаяся в данном случае подгруппой