Мінерали штучні

Визначення і загальна характеристика

МІНЕРА́ЛИ ШТУ́ЧНІ — тверді неорганічні речовини (хімічні сполуки кри­сталічної будови), утворені методом синтезу в наукових лабораторіях чи на промислових під­приємствах. На по­значе­н­ня М. ш. часто вживають термін «синтет. мінерали» (дехто з укр. учених вважає, що такий термін краще від­повід­ає змісту явища). М. ш. є продуктами людської діяльності, за хім. складом, структурою та властивостями аналогічні або близькі до від­повід. природ. мінералів (напр., алмаз, корунд, кварц, рубін, слюди та ін.). Водночас синтезують М. ш., що в природі не існують (напр., аліт, беліт). Цікавим є той факт, що окремі мінерали спочатку отримали штучно, а згодом їх знаходили в природі (йдеться, зокрема, про карборунд, або карбід кремнію, який ще в 19 ст. синтезували для пром. потреб; згодом природну речовину аналог. структури зна­йшли серед уламків заліз. метеорита в США, яку на­звали муас­саніт). Перші спроби отрима­н­ня М. ш. ві­домі від­давна, однак систематично цією справою почали за­йматися в 19 ст. Особливістю М. ш., на від­міну від мінералів, утворених у природ. умовах, є від­сутність у них хім. і мех. домішок. За при­значе­н­ням М. ш. поділяють на ювелірні (коштовні й напів­коштовні камені) й тех. (кри­стали, що за­стосовують для виготовле­н­ня будматеріалів, в абразив., керам. та багатьох ін. галузях промисловості). Цей поділ доволі умовний, оскільки в його основі — ступінь досконалості кри­сталів синтетич. мінералів, а не ви­окремле­н­ня їхніх видів (напр., алмаз використовують як у ювелір. справі, так і в промисловості для виготовле­н­ня різал. інструментів). У ювелір. галузі роз­різне­н­ня природ. мінералів і М. ш., а також їхніх під­робок має особливе значе­н­ня, а сукупність знань про ювелірні мінерали та методи верифікації їхнього походже­н­ня називається ґемологією. Окрім практичного, синтезува­н­ня М. ш. має велике теор. значе­н­ня, оскільки до­зволяє науковцям глибоко ви­вчати процеси мінерало­утворе­н­ня (див. Мінералогія та Геологія). Ви­вче­н­ням і роз­робле­н­ням технологій їхнього виробництва за­ймаються, напр., в Ін­ституті надтвердих матеріалів НАНУ, Ін­ституті про­блем матеріало­знавства НАНУ, Ін­ституті фізики НАНУ, Ін­ституті геохімії, мінералогії та рудо­утворе­н­ня НАНУ (усі — Київ) та Ін­ституті монокри­сталів НАНУ (Харків), де 2009 вдалося виростити найбільший у світі кри­стал масою 504 кг. В Україні наук. про­блеми М. ш. висвітлюють, за­звичай, у «Мінералогічному журналі». У природі кри­стали мінералів формуються в основному з водних роз­чинів природ. мінералізаторів внаслідок тривалих геотермал. процесів. Для отрима­н­ня М. ш. природні умови моделюють, використовуючи методи кри­сталізації із роз­плавів, роз­чинів і газу. В Україні виготовляють бл. 30 різних видів М. ш. Напр., синтет. алмази (адаманти) одержують із суміші вуглецю з додава­н­ням заліза, нікелю й кобальту та каталізаторів під дією високого тиску (1000–5000 МПа) і високої температури (1200–2000 °С). Є й інші способи синтезу алмазів, зокрема методом вибуху або вирощува­н­ням. Перший перед­бачає штучне отрима­н­ня алмазів у спец. камері під дією детонац. хвилі вибух. речовини, що забезпечує досягне­н­ня необхід. рівня тиску й температури. Другим — алмази отримують шляхом обдува­н­ня метаном зародк. кри­сталу при т-рі бл. 1100 °С. 1961 в Ін­ституті надтвердих матеріалів НАНУ під керівництвом В. Бакуля роз­роблено ефективну пром. технологію синтезу штуч. алмазів, а від 1963 налагоджено серійне їх виробництво. Укр. науковцям належить пріоритет у встановлен­ні особливих умов синтезу дріб. порошк. алмазів, одержан­ні щільних полікри­сталів та вирощуван­ні великих про­зорих досконалих монокри­сталів. Синтет. корунд — ще один найважливіший синтет. мінерал, який отримують під час на­гріва­н­ня гібситу, діаспору до температури понад 1000 °С. У промисловості добувають обпале­н­ням та плавле­н­ням бокситів і глинозему. Для вирощува­н­ня монокри­сталів корунду використовують методи Вернейля й Чохральського. Завдяки своїм властивостям його широко за­стосовують у виробництві вогнетрив. і керам. матеріалів. У свою чергу, корунд. кераміка є необхідною в машинобудуван­ні, оптиці, електроніці, світлотехніці. Монокри­стали корунду за­стосовують у ювелір. промисловості, виробництві точних приладів, годин­ник. каменів, оптич. генераторах (лазерах). Синтет. кварц і синтет. силікатні мінерали на його основі (муліт, форстеріт, кордієрит) — важлива група М. ш. Кварц. кераміка й плавлений кварц — матеріали з високою вогнетривкістю та майже від­сутнім тепл. роз­шире­н­ням, здатні без руйнува­н­ня витримувати різкі пере­пади температури. За­стосовують у скляній і легкій, хім. і маш.-буд. пром-стях, а також як кон­струкц. матеріал у косміч. техніці. Крім цього, пʼєзо­електр. властивості кварцу використовують як основу кри­сталіч. осциляторів в електроніці, напр., в електрон. годин­никах. Синтет. фотон­ні кри­стали — аналоги природ. опалу, структура яких характеризується періодич. зміною показника заломле­н­ня в простор. напрямках. Завдяки цьому фотон­ні кри­стали виконують функцію оптич. фільтра й за­стосовуються в тонкоплівк. оптиці, дис­плеях нового поколі­н­ня, оптич. «суперлінзах», які фокусують світло в точку з роз­мірами, меншими за довжину хвилі, тощо. Існує багато методів виготовле­н­ня фотон. кри­сталів, і нові методи продовжують зʼявлятися. Синтет. цеоліти — каркасні алюмосилікати лужних і лужноземел. металів, які не містять, на від­міну від природ. цеолітів, т. зв. цеоліт. води. Із багатьох різновидів синтет. цеолітів лише кілька за складом і властивостями від­повід­ають природ. мінералам, решта не мають аналогів у природі. Штучно синтезовані цеоліти знаходять широке за­стосува­н­ня у водоочис. установках як адсорбенти, іонооб­мін­ники, молекулярні сита. Також їх широко за­стосовують як каталізатори багатьох процесів у нафтохімії та нафтопереробці; у с. госп-ві — для осуше­н­ня газів і очище­н­ня природ. вод.

Літ.: Лазаренко Є. К. Курс мінералогії. К., 1970; Балицкий В. С., Лисицина Е. Е. Синтетические аналоги и имитации природных драгоцен­ных камней. Москва, 1981; Хаджи В. Е. Синтез минералов: В 2 т. Москва, 1987; Пирогов Б. Методологія технологічної мінералогії та природа технологічних властивостей мінералів // Мінералог. зб. Львів. університету. 2007. № 57, вип. 2; Алмаз Украины: Пятидесятилетие работы Ин­ститута сверхтвердых материалов им. В. Н. Бакуля (1961–2011 гг.). К., 2011; The complete technology book on minerals and mineral processing. New Delhi, 2017.

В. М. Павлiков

Завантажити статтю