Распространенность элементов в земной коре

Краткий справочник для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению «Строительство»

Распространенность элементов в земной коре

Хозяйственная деятельность человека тесно связана с использованием природных богатств, в том числе залегающих в недрах земной коры. Поэтому полезно напомнить некоторые общие сведения о земной коре.

Толщина земной коры в горных районах достигает 50-70 км и падает до 5-10 км в океане. Большинство геологов принимают среднюю толщину земной коры в 16 км. С известной долей достоверности можно считать, что наиболее распространенные элементы О, Si, и А1 составляют по массе 82.58 %, а первые по распространенности, 12 элементов - О, Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, К, Н, Cl, Ti, С - 99.29 %. Следовательно, на долю остальных элементов приходится только 0.71%.

Примерное содержание наиболее распространенных минералов (в % по массе) в земной коре таково: Кварц, опал, халцедон и др. разновидности SiO2 12.0 Глины 1.5 Мета - и ортосиликаты 15.0 Полевые шпаты 54.0 Слюды 3.0 Доломит 1.0 Кальцит 1.5 Минералы, содержащие железо 3.0 Осадочные породы являются главным сырьем промышленности (табл.3.1), в них содержится примерно 70 % глин, около 20 % - песков и пес-чанников, 5 % - карбонатов.

Таблица 3.1.

Содержание оксидов в земной коре ____и продуктах промышленного производства (по А.Е.Ферсману) Оксиды Магматические породы, % Осадочные породы, % Продукты промышленного производства SiO2 А1203 59.12 15.34 58.53 13.07 63.0 12.0 Fe203 FeO 3.08 3.80 6.88 3.37 2.0 5.37 9.0 CaO Na20 MgO K2O 5.16 3.84 3.49 15.62 3.13 5.44 1.10 2.51 11.86 2.81 13.0 H20 C02 1.15 4.28 4.94 3.0 Известна роль воды и углекислоты в процессах минералообразования. Если в изверженных породах содержание воды состовляет 1.15 %, а СO2 практически отсутствует, то в осадочных породах содержание H2O повышается до 4.2 % , a CO2 - до 4.94 %. Следует подчеркнуть, что на 1 молекулу СОг в осадочных породах приходится 2.44 молекулы воды; велика ее роль в геологических процессах выветривания, которые идут при относительно низких температурах.

В производстве строительных материалов и изделий давно используется обработка исходного сырья при высоких температурах (800 - 2000 °С) и нормальном атмосферном давлении. Только автоклавная технология использует относительно низкие температуры (100-300 °С) при повышенных давлениях парогазовой среды. Именно такие условия очень часто имеют место в верхних слоях земной коры, где идут интенсивные процессы образования осадочных и метаморфических горных пород.

Образование минералов и горных пород в земной коре идет в широком диапазоне температур и давлений. Известно, что на каждые 100 м температура увеличивается на 1 °С, на глубине 100 км температура достигает 1100 -1300 °С. Об увеличении давления по мере углубления дают представление следующие данные:

Глубина, км Давление, МПа 100 3100.0 600 21300.0 600 68000.0 3600 230000.0 6370 350000.0 Вещество в твердом состоянии сохраняет форму и объем, что позволяет широко использовать его для инженерных целей. Вещество в жидком состоянии сохраняет только объем; с понижением температуры, упорядоченность его строения увеличивается, а с повышением температуры - уменьшается, и жидкость приближается к газообразному состоянию. У вещества в газообразном состоянии упругость формы отсутствует, а упругость объема имеет односторонний характер (сопротивление только сжатию).

Для технологии строительных материалов особое значение имеет твердое состояние вещества. Твердые тела принято делить на кристаллические и аморфные. Все кристаллы имеют упорядоченное строение - кристаллическую решетку. При одинаковом химическом составе кристаллы обладают меньшей энергией, чем аморфные тела. Физические свойства кристаллов могут меняться в различных направлениях (анизотропия), что обусловлено строением кристаллической решетки.

Аморфные вещества не имеют организованной структуры. Они, как правило, изотропны и обладают избытком свободной энергии. Вещества в аморфном состоянии, как менее устойчивые, при соответствующих условиях переходят в кристаллические с выделением тепла, процесс перехода из аморфного состояния в кристаллическое необратим. Получить аморфное вещество из кристаллического удается только в качестве побочного продукта химических процессов, например при обезвоживании А1 (ОН)з или Са(ОН)2, либо в результате предельно тонкого измельчения, когда размеры зерен достигают порядка 10"7 см и меньше, удельная поверхность характеризуется величиной 500-1000 м2/г. К этой огромной внешней поверхности следует добавить внутреннюю (трещины, каверны и т.п.). Практически достигнуть такого диспергирования чрезвычайно трудно, так как после определенного уровня создаются благоприятные условия для развития обратных процессов (образования флокул, рекристаллизации и др.). Упругость пара аморфных фаз больше упругости пара кристаллических фаз аналогичного состава, что определяет их неустойчивость и обуславливает возможность перехода в кристаллическое состояние. Технический синтез новообразований требует меньших энергозатрат при использовании исходных компонентов аморфного, стеклообразного строения или тонкоизмельченных кристаллических.

Кристаллическое состояние является следствием периодичности поля кристаллической решетки и распределения электронной плотности в объеме кристалла. Устойчивые структурные формы подчиняются требованиям минимума свободной энергии, энергетическая прочность кристалла характеризуется энергией решетки (ионный кристалл) или энергией атомизации (атомный кристалл), механическая прочность - удельной свободной поверхностной энергией.

Строение кристаллической решетки связано с химическим составом вещества. Чем проще химический состав, тем выше симметрия кристаллов. 50 % элементов и 70 % бинарных соединений образуют кубические кристаллы, 75 - 85 % соединений с четырьмя-пятью атомами в молекуле образуют призматические и ромбические кристаллы. Родственные по строению молекулы кристаллизуются в сходных кристаллических формах.

В узлах кристаллической решетки находится одна элементарная ячейка. Она представляет собой наименьший объем, который можно выделить, причем в этом объеме сохраняются все свойства кристалла. Расстояние между узлами - элементарными ячейками - в кристаллах измеряется в ангстремах (1

А = 10~8 см). Обычный кристалл состоит из простых, плотно уложенных блоков размером 10"5 - 10~6 см. Реальный кристалл отличается от идеального. По ряду причин в нем возникают дефекты «грубого» строения (трещины, искривления, примеси посторонних веществ) размером в несколько десятков ангстрем и дефекты «тонкой» структуры, если внутрь решетки войдет мень-

ший или больший посторонний ион. В идеальном кристалле расположение ионов, атомов, молекул в узлах пространственной решетки характерно для конкретного минерала, т.е. является его качественной характеристикой. Прочность идеального кристалла очень велика - десятки тысяч мегапаскалей. Прочность же реальных кристаллов много ниже. Так, наиболее распространенные строительные материалы имеют прочность 1.0 - 300.0 МПа. Поэтому полезно так организовать технологический процесс, чтобы обеспечить получение кристаллических продуктов с наиболее искаженными решетками. В частности, известно, что, чем крупнее кристалл, тем более вероятно возникновение различных дефектов. На 3.7 показано изменение прочности монокристалла в зависимости от площади поперечного сечения. Более устойчивы структуры, в которых обеспечена плотнейшая упаковка и имеется выгодное число и направление связей.

В зависимости от особенностей силикатных кристаллов различают решетки: ионные, ковалентные, молекулярные; широко распространены решетки промежуточных форм.

Заметим, что технология минеральных строительных материалов в известной мере имитирует процессы, происходящие в недрах земной коры. Огонь - первая природная стихия, которой человек давно научился управлять и которую он энергично эксплуатирует для бытовых и промышленных целей. Так, основным способом производства строительных материалов является огневая - температурная обработка (таблица 3.2.).

В металлургии в подавляющем большинстве случаев процесс ведется в восстановительной атмосфере при высоких температурах, обеспечивающих расплавление продуктов с последующей термической обработкой охлажденного металла (закалка, отпуск, цементация и т.п.) для фиксации заданных свойств.

Таблица 3.2. Классификация минеральных образований Группы природга ых минеральных Ленду Группы минеральш лх образований о А.В. Нехорошеву Температурный Технологические Температурный Технологические интервал, °С условия интервал, °С условия 1000 и выше 600 Воды мало Вода присутству- Выше 900-1000 Термические Пневмотолито- - 1000 ет в значительных количествах Вода 600-900 (1000) термические Пневмотолито- 375 - 600 ниже

375 играет существенную роль То же 200-375 (600) ниже 200 гидротермальные Гидротермальные Технология минеральных строительных материалов применяет: высокие температуры, обеспечивающие полное или частичное расплавление и низкие температуры вплоть до нормальных; вакуум, атмосферное и высокое давление; восстановительную, окислительную и нейтральную атмосферу.