Учреждение образования
«БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра технологии стекла и керамики
КРИСТАЛЛОГРАФИЯ И МИНЕРАЛОГИЯ
Программа, методические указания и контрольные задания
для студентов специальности 1-48 01 01 «Химическая технология
неорганических веществ, материалов и изделий»
заочной формы обучения Минск 2011 УДК 548/549(075.8) ББК 22.37+26.303я7 К82 Рассмотрены и рекомендованы к изданию редакционно-издательским советом университета Составитель И. А. Левицкий Рецензент кандидат технических наук, доцент кафедры химической технологии вяжущих материалов А. А. Сакович По тематическому плану изданий учебно-методической литературы университета на 2011 год. Поз. 133.
Для студентов специальности 1-48 01 01 «Химическая технология неорганических веществ, материалов и изделий» заочной формы обучения.
© УО «Белорусский государственный технологический университет»,
ВВЕДЕНИЕ
Дисциплина «Кристаллография и минералогия» относится к дисциплинам специализации и читается студентам 3-го курса специальности 1-48 01 01 «Химическая технология неорганических веществ, материалов и изделий».Главной задачей дисциплины является изучение основных понятий геометрической и структурной кристаллографии, кристаллохимии оксидных, силикатных и других тугоплавких соединений, определение природных минералов и горных пород, что необходимо при изучении сырьевых материалов, используемых в технологии производства неорганических материалов (стекла, керамики, вяжущих материалов и изделий на их основе, фосфорных, калийных и комплексных удобрений, серной кислоты, продуктов тонкого неорганического синтеза), технологии обогащения полезных ископаемых, а также других силикатных и тугоплавких неметаллических соединений.
Лабораторные занятия по дисциплине предусматривают изучение методов определения и описания основных характеристик кристаллических веществ по моделям кристаллов, оптических свойств минералов, микроструктуры минералов, горных пород и тугоплавких неметаллических и силикатных материалов с помощью поляризационных микроскопов, овладение навыками классификации и определения минералов и горных пород по внешнему виду, физическим свойствам и другим характеристикам.
В результате изучения дисциплины студент должен знать:
– основные сведения о кристалле, его свойствах, симметрии, формах, кристаллической решетке вещества;
– основные понятия кристаллохимии, включая принципы систематики кристаллических структур по типу химической связи и характеру координации;
– особенности строения и свойства силикатов и оксидов;
– условия и природу процессов роста кристаллов, их растворения и регенерации;
– природу явлений изоморфизма и полиморфизма, физические свойства кристаллов, включая механические, тепловые, магнитные, электрические и оптические;
– состав, строение и свойства минералов;
– геологические процессы образования наиболее характерных представителей класса минералов;
– основные горные породы, их минеральный состав, структуру, характеристику типов горных пород, применяемых в качестве сырья для технологии производства неорганических веществ и материалов;
– сущность кристаллооптических методов анализа и проведения исследований природных и технических материалов.
Студент обязан уметь:
– определять форму, элементы симметрии и сингонию кристаллов;
– производить диагностику минералов по внешним признакам;
– исследовать кристаллы и минералы с применением оптических и поляризационных микроскопов;
– осуществлять диагностику горных пород, определять их структуру и текстуру.
Изучение дисциплины «Кристаллография и минералогия» предусмотрено в пятом и шестом семестрах. В соответствии с учебным планом, студент обязан:
1) выполнить две контрольные работы (по одной в каждом семестре);
2) выполнить лабораторные работы (по четыре в каждом семестре) в объеме 16 ч в период лабораторно-экзаменационных сессий;
3) сдать зачет в пятом семестре по разделам дисциплины;
4) сдать экзамен в шестом семестре по программе дисциплины.
Настоящее методическое пособие разработано по дисциплине «Кристаллография и минералогия» для студентов заочной формы обучения и включает введение, общие указания по выполнению контрольных работ, рабочую программу изучаемой дисциплины, содержание контрольных заданий и список рекомендуемой литературы.
Контрольное задание является важной частью самостоятельной подготовки студента. Оно должно отражать степень и глубину проработки ответов на поставленные вопросы с использованием при этом основной и дополнительной литературы.
По изучаемой дисциплине студенты выполняют 2 контрольные работы, которые включают теоретические вопросы и практические задания.
Контрольная работа должна иметь поле для замечаний рецензента и быть выполнена до начала экзаменационной сессии.
Номера выполняемых контрольных заданий по обеим контрольным работам выдаются студентам в период установочной сессии преподавателем, читающим лекции по данной дисциплине, из числа заданий, приведенных в разделе 3 «Контрольные задания».
Контрольная работа № 1 включает 2 теоретических вопроса по разделу «Кристаллография» и 1 теоретический вопрос по разделу «Минералогия». Четвертым вопросом является практическое задание.
При выполнении данной контрольной работы ответы на вопросы по разделу «Кристаллография» следует иллюстрировать схематическими чертежами изображения кристаллов, их осей, кристаллической решетки и ее элементов, элементарных ячеек различных сингоний, изображения структур координационных многогранников и других рисунков, необходимых для изложения ответов на вопросы. Чертежи и рисунки следует выполнять с помощью компьютера или от руки карандашом графически аккуратно и сопровождать необходимой нумерацией и поясняющими надписями.
Не допускается приведение иллюстративного материала в виде наклеенных ксерокопий.
Все излагаемые ответы на вопросы следует подтверждать примерами из отдельных разделов курса, т. е. ответы на вопросы по разделу «Кристаллография» необходимо подтверждать примерами из раздела «Минералогия» и наоборот.
Ответы на вопросы № 2 и 3 данной контрольной работы следует излагать во взаимосвязи с химическим составом и строением вещества, его структурой, используя современную терминологию. При описании классов минералов, отдельных видов и индивидов необходимо пользоваться развернутой минералогической схемой, избегая применения популярной литературы и литературы для средних специальных учебных заведений, не рекомендуемой к использованию студентами высшей школы.
Практическое задание (вопрос № 4) предусматривает изучение основных элементов ограничения по выполненному студентами чертежу фигуры в соответствии с заданием, написание формулы элементов симметрии с указанием вида симметрии, сингонии и категории кристалла. Здесь же дается обозначение кристаллографических осей с установкой рассматриваемой фигуры относительно них.
Контрольная работа № 2 выполняется во 2-м семестре по разделу «Петрография» и включает 2 теоретических вопроса и 1 практическое задание.
При ответе на теоретические вопросы особое внимание следует обратить на особенности структуры и текстуры горных пород, их состав и происхождение. Нужно четко различать понятия «мономинеральная порода» и «минерал».
Практическое задание (вопрос № 3) контрольной работы № 2 выполняется студентом по выбранным им минералу или горной породе, применяемым на предприятии в качестве сырьевых материалов, либо минералу или горной породе, выбранным произвольно.
При описании минерала должны быть указаны следующие характеристики: основное и дополнительное названия (если такие имеются), класс минерала, подкласс, химическая формула, твердость по шкале Мооса, блеск, цвет, цвет черты, спайность, излом, особые диагностические свойства и применение в технологии неорганических веществ.
При описании горной породы должны быть указаны ее тип, характеристика структуры по относительным и абсолютным размерам зерен, текстура, минеральный состав, диагностические характеристики, основные пути использования в технологии неорганических веществ.
Описываемые в работе минерал или горная порода представляются студентом преподавателю при защите контрольной работы.
2. РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
Содержание, задачи и основные разделы курса. Исторические сведения о кристаллографии и кристаллохимии. Связь курса с дисциплинами химико-технологического профиля. Значение курса в системе подготовки инженеров-химиков-технологов.Минеральное сырье – основа химической технологии получения неорганических материалов. Проблемы рационального и комплексного использования минерального сырья. Охрана земных недр и окружающей среды.
Общие представления. Основы геометрической и структурной кристаллографии. Понятие о кристалле, монокристалле и поликристаллических веществах. Кристаллическая решетка и ее элементы.
Основные свойства кристаллов: статичность, однородность, анизотропность, способность к самоогранению, симметричность. Элементы симметрии I и II рода, сложные оси симметрии. Теоремы взаимодействия элементов симметрии.
Гониометрия. Устройство гониометров. Закон двугранных углов.
Теория симметрии кристаллов: элементы симметрии, категории, классы, сингонии. Формы кристаллов. Понятие о простой, сложной форме (комбинации). Сростки кристаллов (закономерные и незакономерные). Простые формы и их вывод в кристаллах различных сингоний. Формы реальных кристаллических многогранников. Явление двойникования и эпитаксии в кристаллах. Элементы двойникования.
Кристаллографические символы. Элементарная ячейка кристаллической решетки и ее параметры. Кристаллографические координатные оси и установка кристаллов относительно координатных осей.
Индексирование граней кристаллов – определение их символов. Закон рациональности отношений параметров – закон Гаюи. Обозначение узлов, рядов и узловых сеток. Символы Миллера (hkl, hkil) для узловой сетки и межплоскостные расстояния (d, нм).
Основы кристаллохимии оксидных, силикатных и других соединений. Основные сведения о кристаллохимии. Симметрия кристаллических структур. Кристаллохимические радиусы. Характеристика и типы структур кристаллов (островная, цепочечная, ленточная, кольцевая, слоевая, каркасная, координационная).
Решетки Браве и их типы. Кристаллохимические характеристики.
Определение и подсчет количества атомов в элементарных ячейках.
Пространственные группы и типы решеток по Е. С. Федорову.
Координационные числа атомов в структуре и координационные полиэдры. Правила Л. Полинга, применяемые для описания структур соединений. Кристаллохимические радиусы.
Плотнейшие шаровые упаковки. Типы междоузлий в них: тетраэдрические и октаэдрические. Полиэдрическое изображение кристаллических структур (метод Полинга – Белова). Основные категории кристаллохимии: морфотропия, полиморфизм, политипия, изоморфизм.
Систематика кристаллохимических типов кристаллов по характеру химических связей. Систематика структурных типов по координационным признакам и геометрическому характеру, структурные мотивы.
Основы кристаллохимии силикатов, оксидов и других соединений.
Элементы кристаллофизики. Физические свойства кристаллов:
плотность, твердость, спайность, отдельность. Тепловые, магнитные (диа-, пара-, ферри-, ферромагнетики) и электрические (пиро-, сегнето- трибо- и пьезоэффекты) свойства кристаллов. Термоэлектрические свойства.
Оптические свойства кристаллов. Понятие о преломлении, двупреломлении, поляризации и интерференции света. Оптическая индикатриса и ее ориентировка в кристаллах высшей, средней и низшей категорий.
Кристаллооптические методы исследования. Виды и значение поляризационных микроскопов. Подготовка образцов к исследованиям. Методы кристаллооптических исследований: исследование без анализатора (линейные замеры, определение формы зерен, цвета, плеохроизма, спайности и др.), исследование с анализатором (интерференционная окраска, эффект погасания, осность и определение на их основе оптических характеристик кристаллов).
Определение показателей преломления изотропных и анизотропных веществ.
Методы исследования внутреннего строения кристаллов. Дифракционные методы исследования.
Кристаллогенезис. Образование, рост и разрушение кристаллов.
Структурные дефекты кристаллов. Факторы, влияющие на внешний облик кристаллов. Скульптура граней кристаллов, форма их роста.
Морфологические особенности реальных кристаллов, формы роста кристаллов. Методы выращивания кристаллов из растворов и расплавов (тигельный и бестигельный методы), из газообразных сред.
Понятие о минералах. Основные сведения о минералах. Минеральный индивид, минеральный вид. Химический состав и строение минералов. Вода и газово-жидкие включения в их структуре. Написание кристаллохимических формул минералов.
Физические свойства минералов: цвет, побежалость, блеск, прозрачность, спайность, излом, плотность, хрупкость и др. Морфология минералов и их агрегатов, формы нахождения минералов в природе.
Геологические процессы образования минералов: эндогенные, экзогенные и метаморфические.
Классификация минералов. Принципы классификации минералов (генетическая, кристаллографическая). Систематика минералов:
типы, классы, подклассы, отделы, группы, подгруппы, виды. Основные свойства минералов различных классов.
Характеристика минералов. Самородные элементы: неметаллы (сера, графит и др.), металлы (медь, золото, серебро, платина, железо и др.).
Сульфиды: колчеданы (пирит, халькопирит, пирротин, марказит), обманки (аурипигмент, сфалерит), блески (галенит) и их характеристика.
Галогениды: флюорит, сильвин, галит, карналлит и др.
Карбонаты: кальцит, доломит, магнезит, содовые минералы – сырье для производства неорганических веществ.
Сульфаты кальция: гипс и ангидрит; сульфаты натрия: мирабилит и тенардит. Области промышленного использования минералов.
Оксиды и гидроксиды. Кристаллические, скрытокристаллические и аморфные разновидности кварца. Кварц, опал, халцедон – породообразующие минералы горных пород. Оксиды и гидроксиды железа (гематит, лимонит, магнетит и др.) – примесные минералы в песках и глинах. Оксиды и гидроксиды алюминия и их применение в производстве неорганических материалов. Рутил, пиролюзит, периклаз, шпинель, ильменит, перовскит, касситерит и их характеристика. Нитраты (индийская и чилийская селитры), фосфаты (апатит, фосфорит), бораты (борацит, бура, гидроборацит), их характеристика и применение.
Силикаты – породообразующие минералы горных пород. Общая характеристика (состав, структура, свойства), применение в химическом производстве.
Принципы систематики структур силикатов на основе структурных мотивов. Проявление амфотерных свойств алюминия в структуре силикатов, координационное состояние анионов.
Островные силикаты с изолированными кремнекислородными тетраэдрами в кристаллических структурах (оливин, минералы группы гранатов, циркон, силлиманит, дистен, топаз, титанит). Силикаты с изолированными группами тетраэдров (эпидот, берилл, кордиерит, турмалин).
Силикаты с непрерывными цепочками тетраэдров (пироксены:
энстатит, диопсит, авгит, эгирин). Ленточные силикаты (волластонит, родонит, амфиболы: тремолит, актинолит, роговая обманка). Слоистые (листовые) силикаты: слюдистые минералы (мусковит, биотит, флогопит, тальк), глинистые минералы (каолинит, монтмориллонит), хлориты, гидрослюды (глауконит, вермикулит), хризотил-асбест и др.
Каркасные силикаты и алюмосиликаты.
Алюмосиликаты натрия и кальция (полевые шпаты, плагиоклазы), алюмосиликаты калия (ортоклазы и микроклины), фельдшпатоиды (нефелин, лейцит, лазурит, содалит), цеолиты (натролит, шабазит, гейландит и др.).
Общая характеристика горных пород. Основные сведения о горных породах. Минеральный состав, структура и текстура горных пород. Генезис и систематика горных пород на его основе.
Магматические горные породы. Формы залегания магматических пород, структура и текстура. Характеристика главных типов пород магматического происхождения. Изверженные породы: ультраосновные (перидотит, пироксенит и др.), основные (габбро, базальты, диабазы), средние (диориты, сиениты, трахиты, андезиты и др.), кислые (граниты, пегматиты, риолиты и др.), ультракислые (аляскиты), щелочные (нефелиновые сиениты, нефелиниты, фойяиты и др.).
Жильные породы (аплиты, гранит-порфиры, жильный кварц).
Продукты вулканической деятельности: пемзы, туфы, обсидианы, перлиты, трассы и пуццоланы. Значение магматических горных пород в производстве вяжущих и минеральных добавок в силикатной промышленности.
Осадочные горные породы. Классификация, минеральный состав, строение и генезис. Разрушение, накопление и уплотнение осадков.
Обломочные породы: гравий, галечник, пески, песчаники, алевриты (лёсс), алевролиты (суглинки), глины (каолиновые, бентонитовые, огнеупорные, тугоплавкие, легкоплавкие). Зависимость технологических свойств глин (спекаемость, температура плавления, адсорбация и др.) от их минералогического состава.
Осадочные породы химического происхождения. Сульфатные породы (гипс, ангидрит), карбонатные породы (мел, известняки, доломиты, магнезиты, мергели), минеральные соли (галитит, сильвинит), кремнистые породы (яшмы, диатомиты, трепелы, опоки, радиоляриты), железистые породы, марганцевые породы, фосфатные породы.
Осадочные породы органогенного происхождения – каустобиолиты (торф, каменный и бурый угли, нефть, горючие сланцы, озокерит, янтарь).
Метаморфические породы. Особенности генезиса метаморфических пород. Их состав, структура и текстура. Типы метаморфизма.
Характеристика главнейших видов метаморфических пород и их использование в силикатной промышленности: гнейсы, кварциты, глинистые сланцы, филлиты, тальковые и пирофиллитовые сланцы, слюдяные и кристаллические сланцы, серпентиниты и др.
Сырьевая база. Классификация (кадастр) источников минерального сырья и отходов производства. Использование отходов производства.
Полезные ископаемые и минеральное сырье Республики Беларусь и их использование. Особенности формирования горных пород и минералов в антропогеновой толще Беларуси.
Основные понятия строения Земли. Физические свойства, строение Земли; понятие о геологических процессах.
Основные понятия исторической геологии. Методы определения возраста минералов и горных пород. Стратиграфические подразделения (эры и периоды).
Техническая петрография. Исследование минерального состава и микроструктуры технических силикатных материалов (виды кристаллических включений в стеклах, шамотные и динасовые огнеупоры, фарфор и фаянс, портландцемент и др.). Виды кристаллических включений в стеклах (кварц, тридимит, кристобалит и др.). Исследование микроструктуры минеральных удобрений, продуктов тонкого неорганического синтеза.
3. КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ
Задание 1. Кристаллическая решетка и ее элементы.2. Принципы систематики кристаллов по типу структурных мотивов.
3. Полевые шпаты и плагиоклазы, их характеристика и описание.
4. Пентагонтритетраэдр. Определить элементы симметрии фигуры, вид симметрии, сингонию, категорию, произвести установку кристалла.
Задание 1. Элементарная ячейка и ее параметры. Симметрия ячеек и их типы для различных сингоний.
2. Принципы систематики минералов по типу химических связей.
3. Характеристика минералов класса карбонатов.
4. Тетрагонтритетраэдр. Определить элементы симметрии фигуры, вид симметрии, сингонию, категорию, произвести установку кристалла.
Задание 1. Единичные направления в кристаллах. Характеристика сингоний и категорий кристаллов.
2. Координационные числа атомов в структуре. Правила Л. Полинга для описания структур оксидов и силикатов.
3. Описание минералов класса боратов и галогенидов.
4. Дитригональная призма. Определить элементы симметрии фигуры, вид симметрии, сингонию, категорию, произвести установку кристалла.
Задание 1. Виды симметрии кристаллов.
2. Принципы систематики минералов по классам. Типы, классы, семейства.
3. Сульфаты и их характеристика. Основные минералы класса.
4. Тригональный трапецоэдр. Определить элементы симметрии фигуры, вид симметрии, сингонию, категорию, произвести установку кристалла.
Задание 1. Основные свойства кристаллов.
2. Элементы кристаллохимического подхода к описанию структур силикатов.
3. Описание минералов класса самородных элементов.
«