Татьяна Здорик - Приоткрой малахитовую шкатулку
Развитие техники вызывало к жизни все новые и новые области применения флюорита. Стремительное вторжение алюминия в машино- и самолетостроение стало возможным только после того, как был разработан и освоен электролизный метод получения этого металла. Ведь выплавить алюминий из руды, как, скажем, медь, железо или олово, практически нельзя. А при электролизе необходимы, помимо самой алюминиевой руды, ускоритель и удешевитель электролиза, фтористый минерал криолит. Основное сырье в этом процессе — наш новый знакомец — флюорит. Выходит, при получении алюминия флюорит — компонент № 2.
Желтый кристалл флюорита
Освоение атомной энергии потребовало разделения изотопов урана. Это удалось сделать только при помощи его фтористых соединений, однако применить эти фтористые соединения было не так-то просто: фтор разъедал все оборудование. Но оказалось, что обезвредить всепожирающий фтор может только сам фтор, точнее, его соединения с углеродом — фторуглероды. Фторопластовые покрытия широко применяются не только в химическом машиностроении, но и в ракетостроении. Из фторополимеров изготовляют и такую специфическую деталь нашей сегодняшней жизни, как магнитофонные ленты. Из них делают, например, и искусственные покрытия лыжных трамплинов, позволяющих проводить тренировки летом, и даже «запчасти» нашего организма: кровеносные сосуды и тромбозадерживающие фильтры. Спрос на фтор, на флюорит возрастает с каждым днем.
А кристаллы флюорита? С тех пор как синтез твердых и сверкающих корундов и шпинелей стал повседневным делом, в ювелирной практике флюорит не применяется. У него открылось иное, сугубо индивидуальное свойство, делающее его много дороже большинства самоцветов, роль которых навязывали флюориту веками. Оказалось, что флюорит прозрачен к инфракрасным невидимым лучам. Инфракрасная оптика позволяет фотографировать со спутников, водить самолеты и корабли в полном тумане, изучать атмосферу далеких планет и внутреннюю структуру сплавов и минералов — вот области сегодняшнего применения горного цветка — флюорита. Годен для оптики лишь бесцветный и абсолютно прозрачный флюорит. В природе такого сырья очень мало, и оно очень дорого. Но и тут мы научились подражать природе: если расплавить светлый (даже и не идеально бесцветный) и хотя бы отчасти прозрачный флюорит, из расплава можно получить оптически чистое сырье. Ведь окраски флюорита в отличие от других самоцветов определяются не только и даже не столько примесями. Вот здесь и настало время попытаться разобраться в вопросе, поставленном еще в самом начале книжки:
Кто, когда и давно ли налил
Во флюорит лиловых чернил?
Как раз этим вопросом занимается, в частности, физик и минералог А. Н. Платонов, изучающий природу окраски минералов. Оказывается, что «чернила» эти — дело совсем не простое. Сравнительно прост состав минерала флюорита — ион кальция и два иона фтора (CaF2). Проста структура его кристаллической решетки: ионы кальция «сидят» по вершинам куба и по центрам кубических граней, образуя гранецентрированные кубы, а ионы фтора — в центрах каждого из восьми маленьких кубиков, на которые можно мысленно разделить эти большие гранецентрированные кубы.
Но ни кальций, ни фтор, ни хромофоры одним своим присутствием не могут вызвать цвет. Откуда же берется эта густо-лиловая, да еще пятнами, как чернила, расползающаяся по кристаллу окраска? Ведь как раз эти чернильно-черные флюориты обычно почти не содержат примесей. Правда, иногда фтора в них несколько больше, чем положено по формуле. Вот на этот-то избыточный фтор и обратили внимание ученые. И еще на запах озона: стоит разбить такой вот чернильно-фиолетовый кусок флюорита, и в воздухе появится ощутимая примесь озона. Недаром одно из названий флюорита «вонючий шпат». В свое время была выдвинута такая гипотеза: избыточный фтор, соединяясь с влагой воздуха (Н2О), быстро образует атомы фтористого водорода HF и ОН. Ионы ОН также быстро разлагаются на водород и озон. А озон, очень сильный окислитель, способен моментально окислить самую ничтожную примесь марганца, которая и обуславливает фиолетовую окраску. Значит, все-таки примесь?
Но случается, что и малой примеси не удается обнаружить, а окраска появляется пятнами, неровная. Скажем, в бесцветном, беспримесном флюорите можно вызвать чернильную окраску, пропуская через кристалл разряды электрического тока. Значит, причину окраски надо искать и не в примеси? Легко представить, что под действием внешних причин (разряда тока или радиации) решетка кристалла может исказиться, в ней образуются дефекты. Особенно много дефектов может появиться в кристаллической решетке, если в минерале имеется хотя бы незначительная примесь урана или тория. Такая примесь словно расшатывает решетку изнутри. Известно, что именно чернильно-черные флюориты сопровождают урановую минерализацию.
Решетка у минерала, как вы помните, ионная, т. е. сколько в ней отрицательных зарядов, столько должно быть и положительных. Если же в каком-то узле решетки возникает избыток или недостаток электронов, то часть ионов перемещается из узлов решетки в промежутки между ними, а в узле образуется пустота — вакантное место, «дырка». Раз дырка — значит дефект. Физики называют ее красиво — «электронно-дырочный центр окраски». Как же «дырка» может влиять на цвет?
Природа вечно стремится к совершенству, устранению любых дефектов. Так и кристаллы стараются «залатать дырки» в своей решетке. Поглотив часть световой энергии, ионы решетки приходят в возбуждение: их электроны «соскакивают» со своих законных орбит (электронных уровней) и захватываются дырками, как «ловушками». Поглощаются при этом, как правило, лучи, близкие тепловым, т. е. красные и оранжевые, а сами минералы окрашиваются соответственно в голубые, синие, лиловые и фиолетовые тона. Как раз эти краски характерны для флюоритов.
Подобные минералы имеют еще одну особенность — электроны, попавшие в «дырки» решетки, обычно закрепляются там непрочно, они легко возвращаются на привычные места — на положенные электронные уровни. При этом они возвращают и захваченную энергию, испуская световые лучи, — минерал светится, люминесцирует, флюоресцирует.
НЕТАЮЩИЙ «КРИСТАЛЛУС» ПЛИНИЯ
(МИНЕРАЛЫ ГРУППЫ КВАРЦА)
Ценность его заключается в прозрачности и сходстве с двумя основами жизни — водой и воздухом
Ал-Бируни, XI в.Рассвет, спускаясь с небес, не достиг еще Нового Кома. Спят домочадцы, рабы, животные. В смутной мгле неведомая птица уверенно возвещает приход нового дня. Часы между ночью и рассветом, первые часы после короткого сна, Плиний любит больше всего. Некогда бесстрашный военачальник, признанный тактик кавалерийской атаки, прокуратор Иберии и Сирии, прославленный историк, Кай Плиний Секунд занят сегодня естественной историей. 37-й том. Минералогия. Глава о «кристаллус», этих удивительных созданиях, что встречаются высоко в горах, там, где льды не тают никогда. О них писал великий Аристотель: «Из воды рождается кристаллус, когда она полностью утрачивает теплоту». В этом убежден и Плиний. «Кристаллус возникает, пишет он, — в результате замерзания жидкости в условиях сильного мороза, подобно тому как образуется лед. Это подтверждается присутствием кристаллуса лишь в тех местах, где выпадает снег и бывают жестокие морозы. Таким образом, можно определенно утверждать, что он представляет собой в действительности лед и ничего более. В связи с этим греки дали ему название «кристаллос», что означает «лед»… В Европе добывают замечательный кристаллус, причем исключительно на вершинах Альп».
Удивительное дело! Везде, где бы ни встретился горный хрусталь, а встречается он повсюду, догадка о его близости льду возникала всегда: «Хрусталь зарождается в самой середине ледяных гор», — считали эскимосы Аляски; «ледяным камнем» назвало его одно из племен североамериканских индейцев; сходного мнения придерживались и по другую сторону Тихого океана — в Китае и Японии. Хрусталь — «это снег, ставший твердым за многие годы», — писали в манускриптах ученые-европейцы в XIV в. Догадка, возникшая из чисто внешнего сходства, силой векового авторитета превратилась в почти азбучную истину.
Однако рано или поздно в науке всегда находятся живые умы, склонные к проверке азбучных истин. Эта держалась особенно долго, только в XVII в. физик Р. Бойль усомнился в тождестве льда и хрусталя. Измерив их удельные веса, он выяснил, что вещества эти абсолютно разные.
Но и после того как вековое заблуждение было опровергнуто, традиционное название «хрусталь» — «лед» осталось за прозрачной разновидностью минерала, а за непрозрачной, молочно-белой, серой или буроватой укрепилось название «кварц». Впервые появилось оно в Рудных горах от подобного немецкого термина «кверклюфтерц» (руда секущих жил), короче — «кверерц», а еще короче — «кварц». Есть и другое, немного смешное объяснение: если растирать крупинки кварца, раздается скрежет: «кварр-кварр-кварр» («кварр» по-немецки — скрежет, кваканье). Почти готовое слово «кварц». Иногда корень ищут в славянском слове «твердый» (у древних славян оно звучало «твруду», а у их западных родичей, часто работавших в Саксонии рудокопами, и вовсе похоже на кварц — «кварду»). Истинно одно — появилось это слово у горщиков в рудных горах, и не случайно.
