МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

Учебно-методическое объединение высших учебных заведений

Республики Беларусь по химико-технологическому образованию

УТВЕРЖДЕНА

Министерством образования

Республики Беларусь

«03» апреля 2009 г

Регистрационный № ТД-I.133 /тип.

КРИСТАЛЛОГРАФИЯ И МИНЕРАЛОГИЯ

Типовая учебная программа для высших учебных заведений по специальности 1-48 01 01 Химическая технология неорганических веществ, материалов и изделий Минск 2009 2 УДК 548/549(073) ББК 22.37 + 26.303 я К Рекомендована к утверждению в качестве типовой:

кафедрой технологии стекла и керамики учреждения образования «Белорусский государственный технологический университет»

(протокол № 14 от 26.05.2008 г.);

научно-методическим советом учреждения образования «Белорусский государственный технологический университет»

(протокол № 1 от 24.09.2008 г.);

научно-методическим советом по химическим технологиям учебнометодического объединения вузов Республики Беларусь по химикотехнологическому образованию (протокол № 6 от 03.10.2008 г.) Составитель:

И.А. Левицкий, заведующий кафедрой технологии стекла и керамики учреждения образования «Белорусский государственный технологический университет», профессор, доктор технических наук Рецензенты:

Кафедра «Геотехника и экология в строительстве» Белорусского национального технического университета;

Н.В. Аксаментова, главный научный сотрудник Института геохимии и геофизики, доктор геолого-минералогических наук

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

Типовая программа дисциплины «Кристаллография и минералогия»

разработана в соответствии с образовательным стандартом для специальности 1-48 01 01 «Химическая технология неорганических веществ, материалов и изделий».

Целью дисциплины является формирование инженерных знаний и навыков в области кристаллографии, минералогии и петрографии, обеспечивающих теоретическую и практическую базу для подготовки студентов в области химической технологии производства и переработки неорганических материалов. Эти знания необходимы для выработки у студентов знаний и умений по рациональному и комплексному использованию природного сырья и синтеза продукции с заранее заданными свойствами и структурой.

Основными задачами при изучении дисциплины являются:

изучение основных принципов геометрической и структурной кристаллографии, а также физических свойств кристаллов, включая кристаллооптические свойства, систематику кристаллохимических типов кристаллов, законов геометрической кристаллографии;

изучение общих характеристик минералов, их свойств, основных методов определения и описания;

изучение горных пород, условий их образования, форм залегания, классификации и описания;

изучение силикатных материалов(керамики, огнеупоров, ситаллов, вяжущих материалов, пороков стекла) при помощи поляризационных микроскопов.

Знание дисциплины «Кристаллография и минералогия» поможет усвоению студентами теоретических законов строения неорганических веществ и материалов и изучение природных минералов, руд, горных пород, продуктов химической промышленности и технологии неорганических веществ.

Химику-технологу необходимы знания по кристаллографии, минералогии и петрографии, так как они помогают в освоении технологии процессов производства неорганических веществ и материалов, направляя ее на использование новых видов минерального сырья, создание более совершенных методов его переработки и использования.

В результате изучения дисциплины «Кристаллография и минералогия»

выпускник должен знать:

– структурные типы кристаллов и систематику структур по кристаллохимическим и координационным признакам;

– 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;

– классификацию минералов и горных пород, их внешние характеристики, основные физические и химические свойства, оптические характеристики;

уметь:

– определить 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.

На изучение данной дисциплины отводится 224 часа, из них 120 аудиторных, в т.ч. 52 часа лекций и 68 часов лабораторных занятий.

Примерный тематический план № пп Наименование разделов, тем Лекции Лабораторные темы, (часы) занятия раздела (часы) Введение – Раздел 1. Кристаллография 1 22 Общие представления. Основы геометрической и структурной кристаллографии Основы кристаллохимии оксидных, силикатных и других соединений Элементы кристаллофизики – 1.3 Оптические свойства кристаллов 1.4 2 Кристаллооптические методы исследования 1.5 4 Характеристика минералов Магматические горные породы Осадочные горные породы Метаморфические породы ских веществ, материалов и изделий Техническая петрография

СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

Содержание, задачи и основные разделы курса. Исторические сведения по кристаллографии и кристаллохимии. Связь курса с дисциплинами химикотехнологического профиля. Значение курса в системе подготовки инженеровхимиков-технологов.

Основные понятия и определения (кристалл, минерал, горная порода).

Минеральное сырье - основа химической технологии получения неорганических материалов. Проблемы рационального и комплексного использования минерального сырья. Развитие энергосберегающих и малоотходных технологий. Охрана земных недр и окружающей среды.

Раздел 1. Кристаллография 1.1. 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 двухгранных 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. Индицирование 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).

1.2. 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.

1.3. 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.

1.4. Оптические свойства кристаллов Понятие о преломлении, двупреломлении, поляризации и интерференции света. Оптическая индикатриса и ее ориентировка в кристаллах высшей, средней и низшей категории.

1.5. 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 1.6. 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.

Раздел 2. Минералогия 2.1. 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 другие. Морфология минералов и их агрегатов, формы нахождения минералов в природе.

Геологические процессы образования минералов: эндогенные, экзогенные и метаморфические.

2.2. Классификация минералов Принципы классификации минералов (генетическая, кристаллографическая). Систематика минералов: типы, классы, подклассы, отделы, группы, подгруппы, виды. Характеристика минералов различных классов.

2.3. 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, сидерит, содовые минералы – сырье для производства неорганических веществ, азурит, малахит.

Сульфаты кальция: гипс и ангидрит, целестин, барит; 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, гидробороцит), 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.).

Раздел 3. Петрография 3.1. Общая характеристика горных пород Основные сведения о горных породах. Минеральный и химический состав, структура и текстура горных пород. Генезис и систематика горных пород на его основе.

3.2. Магматические горные породы Структура и текстура магматических пород. Формы их залегания. 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, диориты, 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.

3.3. Осадочные горные породы Классификация, минеральный состав, строение и генезис. Разрушение, осадконакопление и уплотнение осадков. Особенности структуры и текстуры.

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).

3.4. 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.

3.5. Сырьевая база для производства неорганических веществ, материалов и изделий Классификация (кадастр) источников минерального сырья и отходов производства (золы, шлаки, шламы, бой стекла, керамики и др.). Использование отходов производства.

Полезные ископаемые и минеральное сырье Республики Беларусь и их использование. Особенности формирования горных пород и минералов в антропогеновой толще Беларуси.

3.6. 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).

3.7. Техническая петрография Исследование минерального состава и микроструктуры технических силикатных материалов (виды кристаллических включений в стеклах; шамотные и динасовые огнеупоры; фарфор и фаянс; портланд-цемент и др.).

Виды кристаллических включений в стекле (кварц, тридимит, дивитрит, кристобалит, нефелин и др.).

ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ТЕМ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

1. Определение элементов симметрии, сингонии и категории кристаллов.

2. Определение формы кристаллов различных сингоний.

3. Установка кристаллов. Определение символов (индексов) граней кристаллов.

4. Определение типов пространственной решетки и ее элементов.

5. Зарождение и рост кристаллов.

6. Изучение физических свойств минералов и диагностика их по внешним признакам.

7. Микроскопическое исследование минералов в шлифах в проходящем свете при одном николе.

8. Микроскопическое исследование минералов в шлифах в скрещенных николях.

9. Иммерсионный метод минералогических исследований.

10. Изучение морфологических особенностей и свойств самородных минералов и сульфидов.

11. Изучение морфологических особенностей и свойств карбонатов, фосфатов и боратов.

12. Изучение морфологических особенностей и свойств оксидов и гидроксидов.

13. Изучение морфологических особенностей и свойств галогенидов, сульфатов и нитратов.

14. Изучение морфологических особенностей и свойств силикатов.

15. Изучение состава и свойств магматических горных пород.

16. Изучение состава и свойств осадочных горных пород.

17. Изучение состава и свойств метаморфических горных пород.

18. Искусственные тугоплавкие силикатные материалы и их петрографическое изучение.

ЛИТЕРАТУРА

1. Торопов, Н.А. Кристаллография и минералогия / Н.А. Торопов, Л.А.

Булак. – Л.: Издательство литературы по строительству, 1972. – 352с.

2. Бондарев, В.П. Основы минералогии, кристаллографии с элементами петрографии / В.П. Бондарев. – М.: Высшая школа, 1986. – 192с.

3. Булах, А. Г. Общая минералогия / А. Г. Булах. – СПб.: Изд-во С.– Петербургского университета, 1999. – 356 с.

4. Батти, Х. Минералогия для студентов / Х. Батти, А. Принг. – М.:

Мир, 2001. – 429 с.

1. Егоров-Тисменко, Ю.К. Кристаллография / Ю.К. Тисменко, Г.П.

Литвинская, Ю.Г. Загальская. – М.: Издательство Московского университета, 1992. – 287с.

2. Бондарев, В.П. Основы минералогии и кристаллографии / В.П. Бондарев. – М.: Высшая школа, 1972. – 192с.

3. Заварицкий, А. Н. Изверженные горные породы / А. Н. Заварицкий. – М.: АН СССР,1956. – 479 с.

4. Годовиков, А. А. Минералогия / А. А. Годовиков. – М.: Недра, 1975.

– 519 с.

5. Смольянинов, Н. А. Практическое руководство по минералогии / Н.

А. Смольянов. – М.: Недра, 1972. – 360 с.

6. Торопов, Н. А. Лабораторный практикум по минералогии / Н.

А. Торопов, Л. Н. Булак. – Л.: Стройиздат, 1969. – 240 с.

7. Музафаров, В. Г. Определитель минералов, горных пород и окаменелостей / В. Г. Музафаров. – М.: Недра, 1979. –327 с.

8. Шаскольская, М.П. Кристаллография / М.П. Шаскольская. – М.:

Высшая школа, 1984. – 392с.

9. Белоусова, О. Н. Общий курс петрографии / О.Н. Белоусова, В.В. Михина. – М.: Недра, 1972. – 344 с.