Алюминий — один из наиболее распространенных в природе химических элементов. По своему содержанию в земной коре (около 8%) он занимает третье место после кислорода и кремния. Как писал в своем классическом учебнике «Основы химии» Д. И. Менделеев «алюминий есть самый распространенный в природе; достаточно указать на то, что он входит в состав глины, чтоб ясно было всеобщее распространение алюминия в коре земной. Алюминий, или металл квасцов, потому и называется иначе глинием, что находится в глине». Алюминий обладает высокой химической активностью и поэтому встречается только в связанном виде, в форме различных минералов и горных пород. Около 250 различных минералов содержат алюминий, более 40% из них представлены алюмосиликатами. Алюмосиликаты совместно с силикатами формируют каменную оболочку земли, лежащую в основе континентов. Недаром ученые называют ее сиаль — по символам кремния (Si) и алюминия (Al). В результате разрушения алюмосиликатов первичного происхождения (главным образом, полевых шпатов) образовались многочисленные вторичные породы, характеризующиеся более высоким содержанием алюминия (бокситы, алуниты, каолины и др.), в состав которых алюминий входит в виде гидроокисей (диаспора, бемита, гидрааргиллита) или гидросиликатов (например, каолинита, различных слюд). Несмотря на распространенность алюминия в земной коре, не всякая алюминийсодержащая порода может служить сырьем для получения глинозема — полупродукта, из которого методом электролиза получают алюминий.
Оксид алюминия или корунд — продукт вулканического происхождения занимает первое место в таблице важнейших минералов. Твердость по шкале Мосса — 9, удельный вес — 3,8 г/см2.
Это простейший по составу, очень богатый алюминием минерал. Благодаря высокой устойчивости кристаллической структуры корунд мало восприимчив к кислотам и щелочам, поэтому в качестве сырья для производства алюминия этот минерал не используется. Зато его кристаллы известны буквально каждому, что неудивительно, ведь это — ювелирные рубин и сапфир. Рубины и сапфиры украшают шапку Мономаха; венец, державу и скипетр царя Алексея Михайловича. Крупные сапфиры украшают и короны монархов Британской империи. Синтетический корунд, получаемый методом электротермии, используется в абразивной промышленности. Широкое применение в технике находят также искусственно выращенные рубины. Например, механические часы до сих пор ценят по числу использованных в них рубинов, о чем часто сообщается в надписи на крышке или на циферблате. Кристаллы рубина служат важнейшим элементом рубиновых лазеров.
Гидратные формы алюминия (диаспор, бемит, гидраргиллит или гибсит) являются породообразующей частью бокситов — основного сырья для получения алюминия.
В качестве примесей в бокситах обычно присутствуют оксиды кремния (кварц, опал, каолинит), титана (рутил), железа (в форме карбонатов, силикатов, а также водных и безводных окислов) и ряд других соединений. По внешнему виду бокситы представляют собой глиноподобную, а часто каменистую породу, иногда плотного, иногда пористого сложения. Цвет бокситов весьма разнообразен, но чаще всего оттенков красного. Удельный вес колеблется от 1,2 г/см2 до 3,5 г/см2. В столь же широких пределах варьируется и твердость бокситов (от 2 до 7 по шкале Мосса). Пределы колебаний оксида алюминия в промышленно используемых в мире бокситах достаточно широки и могут составлять от 35% до 60%.
Мировое производство глинозема базируется в основном на бокситах тропического происхождения с низким содержанием кремния, которые добывают в Африке, Южной Америке, Юго-Восточной Азии и Австралии.
Первые месторождения бокситов в России были открыты в 1930-1931г.г. на территории Урала. Низкокремнистые бокситы Северного Урала (СУБРа) — сегодня основная сырьевая база производства глинозема в России. В последние годы к ней добавилась Средне-Тиманская группа месторождений в республике Коми. Высококремнистые бокситы Северо-Онежского месторождения в Архангельской области для производства глинозема в настоящее время не используется, хотя соответствующая технология их переработки создана учеными Российского алюминиево-магниевого института (РУСАЛ ВАМИ).
Помимо алюминиевой промышленности бокситы находят также применение в производстве огнеупоров, электрокорунда и цемента.
Алюмосиликаты
Алюмосиликаты — минералы, образовавшиеся при вулканических процессах в характерных для них условиях высоких температур, являются важнейшими по степени распространенности в земной коре. За исключением нефелинсодержащих пород, другие алюмосиликаты не представляют в настоящее время практического интереса для алюминиевой промышленности, но находят широкое применение в других отраслях и сферах производства.
Нефелин — основной породообразующий минерал таких щелочных горных пород, как нефелиновые сиениты, уртиты и др. Твердость нефелина по шкале Мосса — 5-6, удельный вес — 2,6 г/см2. В горных породах он встречается в виде зернистых или сплошных агрегатов. Чистый нефелин бесцветен, но примеси соединений железа, титана и других металлов придают ему серый, зеленый или буровато-красный цвет. Химический состав нефелина в силу особенностей его образования непостоянен и зависит от геологической обстановки, происхождения и состава пород. При погружении в минеральные кислоты он теряет прозрачность, становится студенистым, напоминающим облако, что и отражено в его названии: греч. nephele — облако. В природных условиях под воздействием горячих водных растворов, содержащих ионы CO3, SO4 и др., нефелин легко изменяется и замещается канкринитами, цеолитами и др. В зависимости от содержания в породе собственно нефелина, цветных компонентов — пироксенов, полевых шпатов выделяют уртиты, ийолтты, мальиньиты, ювиты, сиениты и др. Ценность нефелинового сырья заключается в его комплексности. Помимо оксида алюминия из нефелиновых пород извлекаются щелочи в составе соды и поташа, а остаток — белитовый шлам служит сырьем для производства цемента.
В мире производство глинозема из нефелинового сырья реализовано на практике только в России. При этом страна не только располагает значительными его запасами, но и собственной технологией переработки. Основные месторождения нефелиновых руд на территории России — Кукисвумчорские, Юкспорское, Расвумчоррское, Апатитовый цирк (Кольский полуостров, Мурманская область, апатито-нефелиновые руды), Мухальское и Сыннырское (Бурятская АР, уртиты, ийолиты, мельтейгиты, псевдолейцитовые сиениты), Баянокольское (Тувинская АР, полевошпатовые уртиты, ювейт-уртиты), Сакунсокое (Читинская обл., псевдолейцитовые сиениты).
Полевые шпаты и плагиоклазы (ортоклаз, микролин, альбит, анортит, лабрадор) нашли широкое применение в строительстве, стекольной и керамической промышленности. Благодаря удивительной способности лабрадора (изоморфная смесь альбита и анортита) к иризации (от греч. iris — радуга) содержащую его горную породу — лабрадорит — используют для дорогостоящей внутренней отделки зданий. Одна из разновидностей ортоклаза (так называемый лунный камень), обладающая перламутровым блеском с отливами и нежной игрой цветов, используется в ювелирном деле.
Кианит — чистый кианит бесцветен, но примеси хрома и железа часто придают ему нежную окраску: от серо-сизой, зеленовато-голубой — до темно-сине-зеленой и даже желтой. Кианит образуется при перекристаллизации богатых глиноземом осадочных пород, встречается также в кварцевых жилах. Твердость кианита по шкале Мосса — 4,5-7 , удельный вес — 3,5 — 3,7 г/см2. Это ценное глиноземистое сырье для производства высокопрочных огнеупорных и кислотоупорных изделий, керамики, технического фарфора. В России большие запасы кианита обнаружены на Урале, в Республике Карелия и в центральной части Кольского полуострова.
Каолинит — водный алюмосиликат, являющейся основной составной частью каолинов и глин. Глины — это повсеместно встречающиеся глиноземсодержащие породы, образовавшиеся в результате выветривания полевошпатовых пород. В качестве основных примесей в состав глин входят кварц, слюды, карбонаты кальция, магния и др. Мономинеральные глинистые породы белого цвета разных оттенков, состоящие из минералов каолиновой группы (каолинит, накрит, диктит), носят название каолины. Каолины играют большую роль в строении верхней геосферы земного шара, образуя главную часть осадочных пород. Они собираются в моренах ледников, на дне озер, в болотах, в дельтах рек, образуют илы дна океанических глубин. Из них состоят мощные отложения последних оледенений Евразии, Северной Америки, а также Гренландии.
Существует свыше 20 различных производств, использующих глины в качестве основного или вспомогательного сырья (строительная, литейная, нефтяная, бумажная, керамическая, фарфоровая и др. промышленности). Эффективной технологии использования глин для производства глинозема до настоящего времени не разработано.
В России месторождения глин многочисленны и расположены в разных частях страны — в Центральном регионе, в Карелии, на Урале.
Слюда — прозрачный листовой щелочной или щелочно-земельный алюмосиликат сложного состава, бесцветный или желтой окраски. Твердость по шкале Мосса 2,8-3,2, удельный вес — 2,6-3,2 г/см2. В природе листовая слюда встречается редко. Способность слюды расщепляться на очень тонкие прозрачные листочки, при этом сохраняя гибкость, упругость и прочность, была известна с давних времен. Например, до появления стекла слюда использовалась для «застекления» окон Теремного дворца в Кремле и богатых боярских усадеб. Сегодня слюда широко используется в электротехнике, производстве красок, лаков, шпатлевок, жидких обоев и других видов строительных и отделочных материалов. Хорошо знакомая нам перламутровая автомобильная эмаль, входящая в состав краски «металлик», обязана своим блеском именно мелким кристалликам слюды. Слюда нетоксична и поэтому используется и в косметической промышленности для придания кремам и мазям перламутрового блеска. В результате обжига дробленой слюды получают материал, называемый вермикулит («вспученная слюда»), который применяют при изготовлении теплоизоляционных изделий, звукопоглощающих материалов, штукатурных растворов; а также в качестве наполнителя резин, пластмасс, красок, ядохимикатов, а в сельском хозяйстве — для улучшения структуры почв.
Цеолиты — особая группа природных каркасных вторичных алюмосиликатов, пустоты в структуре которых заполнены молекулами воды. В природе цеолиты образуются в результате выветривания полевых шпатов, нефелина; при вулканических извержениях, выделяясь в пустотах лавы и различных вулканических породах. Обезвоженный цеолит способен поглощать воду, причем вода заполняет все полости очень быстро, вытесняя находящийся в них воздух. Кажется, что минерал, попав в воду, закипает. Этим и объясняется название минерала: в переводе с греческого цеолит — «кипящий камень» (от греч. zéo — киплю и lithos — камень). Цеолиты нашли широкое применение в качестве молекулярных сит в химической промышленности, катионнообменных материалов в атомной энергетике, катализаторов реакций в нефтехимической промышленности. В России цеолитами богаты Камчатка, Бурятия, Сахалин, Приморский край.
Содалиты — каркасные щелочные алюмосиликаты, получившие название от латинского слова sodium. Часто образуются при изменении нефелина. Твердость по шкале Мосса 5,5-6, удельный вес — 2,3 г/см2. В Хибинских горах Кольского полуострова наиболее известна разновидность содалита — гакманит, содержащий серу. На воздухе этот минерал постепенно тускнеет и обретает окраску вновь только при облучении. Это свойство, называемое фотохромизмом, позволяет использовать некоторые синтетические разновидности этого минерала в радиоэлектронике и телевидении. Природные содалиты достаточно широко используются в качестве поделочного камня.
Алунит — продукт воздействия на алюмосиликаты природных кислых вод. В минералогическом плане алунит представляет собой алюминиевые квасцы, в состав которых вместо калия или наряду с ним может входить и натрий. В алунитовой руде помимо минерала алунита присутствуют также кварц, каолинит, щелочные алюмосиликаты (серцит, пирофиллит и др.). В мировой практике алунитовая руда для производства глинозема в настоящее время не используется. Специалистами Российского алюминиево-магниевого института (ВАМИ) был разработан и промышленно освоен на Гянджинском глиноземном заводе (республика Азербайджан) способ комплексной переработки алунитов Закликского месторождения на глинозем, серную кислоту и сульфат калия. В настоящее время данное производство закрыто. На территории России месторождение алунитов имеется на Дальнем Востоке.
Драгоценные, полудрагоценные и поделочные камни
Большое число природных алюмосиликатов находит применение в ювелирной промышленности. Это:
Берилл — в зависимости от примесей кристаллы берилла могут иметь самую разную окраску. Зеленые камни называют изумрудами, голубые — аквамаринами, желтые и оранжевые — гелиодорами, красные — биксбиитами, розовые — воробьевитами. Встречаются, но редко бесцветные бериллы. Наибольшей известностью среди бериллов пользуется изумруд. «Он зелен, чист и нежен, как трава весенняя, и когда смотришь на него долго, то светлеет сердце», — так поэтически описал его Куприн в своей повести «Суламифь». Главным поставщиком изумрудов в древнем мире была Африка. В России первые изумруды нашли в 1831 году, причем случайно: на берегу реки Токовой на Урале. Открытые в этих местах богатые месторождения были названы изумрудными копями. Сейчас в коллекции Минералогического музея имени А. Е. Ферсмана хранится изумруд весом 11 000 карат.
Топаз — наличие в качестве примесей ионов магния, хрома, титана, ванадия обуславливает все разнообразие цветовых оттенков, делая его особо привлекательным для ювелиров. Крупное месторождение голубых топазов в нашей стране было открыто в 1875 году в окрестностях села Мурзинка на Урале. Уральские копи — настоящий кладезь самоцветов. Самый крупный из отечественных топазов дореволюционного времени — зеленовато-голубой камень весом в 32 килограмма. Крупный желтый топаз с двумя жемчужинами украшает «Шапку Казанскую» — царский венец, созданный мастерами Оружейной палаты в 1562 году по приказу Ивана Грозного в память о покорении Казани.
Гранат — общее название группы, включающей до 30 видов минералов. Самый распространенный гранат, в состав которого входит алюминий, — альмандин. Другой представитель группы гранатов, содержащий алюминий, — гроссуляр. Свое название он получил не случайно: цветом и формой он часто напоминает ягоды крыжовника (от лат. grossularia — крыжовник). В 1968 году изумрудно-зеленый гроссуляр был найден в Танзании. Этот минерал, использующийся как ювелирный и поделочный камень, ценится очень высоко. Обладая высокой твердостью, гранаты находят применение при производстве наждачной бумаги и точильных кругов.
Лазурит — довольно мягкий и хрупкий минерал, он легко обрабатывается и полируется. Наиболее ценится камень с вкраплениями золотистого пирита, напоминающий звездное небо. Из бадахшанского лазурита выполнены витые рога, борода, глаза и шерсть на загривке коз из гробниц древнего города Ура (эти памятники датируются серединой третьего тысячелетия до нашей эры), а также 5-метровые центральные колонны иконостаса Исаакиевского собора в Санкт-Петербурге. После того, как в 1851 году было открыто месторождение лазурита в Прибайкалье, русские камнерезные фабрики достигли высокого мастерства в изготовлении художественных изделий из лазурита. В Петергофском дворце (р-н Санкт-Петербурга) находится лазуритовая комната — панели, камины, различные элементы отделки выполнены из этого красивого камня. Ценную лазуритовую краску использовали многие выдающиеся живописцы. Стены и своды храма Спаса Преображения Спасо-Мирожского монастыря в Пскове сплошь покрыты фресками, написанными на ярком лазуритовом фоне. Выполненные в середине XII века, они сохранились до наших дней. Благодаря своему необычному цвету и возможности полировки до зеркального блеска, лазурит широко применяется в наши дни. Из него делают бусы, вазочки, украшения. Лазуритовая крошка используется при изготовлении мозаик, а также высококачественной ультрамариновой краски. В отличие от многих других красок, она не тускнеет на солнце, не боится влаги и высоких температур.
Хризоберилл и благородная шпинель — алюминаты бериллия и магния, не содержат кремния. Очень красив хризоберилл, в котором часть атомов алюминия замещена на атомы хрома. Он носит название александрин. Этот камень при дневном свете кажется изумрудно-зеленым, при искусственном освещении становится красно-фиолетовым, а при облучении ультрафиолетовыми лучами светится ярко-красным. Благородная шпинель, каждая молекула которой содержит два атома алюминия, обычно образует мелкие кристаллы желтого, оранжевого, красного, фиолетового, синего, голубого, зеленого или черного цвета массой не более 10 карат. Самый крупный розовый кристалл шпинели (более 5 кг) был найден на Памире в 1986 году. В древности отдельные виды шпинели часто путали с рубинами и гранатами-пиропами. Так, камни «Рубин Чёрного принца» и «Рубин Тимура» в коронах английских королей — на самом деле шпинели. Название не имеет однозначного толкования. По одной из версий оно происходит от латинского слова spinelia — шипик, что указывает на форму кристаллов. Возможно также, что термин «шпинель» произошел от греческого слова spinos — искра. Действительно, ограненные шпинели в сумерках отражают свет.
Танзанит — самый молодой из природных самоцветов, содержащих алюминий, обнаружен в 1966 г. в Африке. Он получил имя «Мавензи» — по названию второго по высоте пика Килиманджаро. Цвет камня варьируется от синего до густо-фиолетового, но всегда остается ярким и насыщенным. Постепенно танзанит перестал восприниматься как недорогой заменитель синих сапфиров и обрел самостоятельную популярность. Американские ювелиры по праву называют танзанит «самоцветом ХХ века». Подобно другим родственным минералам танзанит обладает одним существенным недостатком — он очень хрупкий. Украшения из него не годятся для повседневного ношения.
