Криолит

Криолит — это редкий минерал из класса природных фторидов, химическая формула Na₃AlF₆ (гексафтороалюминат натрия). В природе встречается в виде бесцветных, белых, серых или желтоватых кристаллов кубической сингонии, обладает стеклянным блеском и низкой твёрдостью (2,5–3 по шкале Мооса). Криолит известен прежде всего как основной компонент электролита при промышленном производстве алюминия, а также применяется в стекольной, керамической и сварочной промышленности.

История открытия и происхождение названия

Минерал был впервые описан в 1798 году датским химиком и минералогом Христианом Фридрихом Шумахером (нем. Christian Friedrich Schumacher). Название происходит от греческих слов «kryos» (холод, лёд) и «lithos» (камень), что связано с его внешним сходством со льдом и способностью легко плавиться при нагревании. Первоначально криолит был обнаружен на юго-западе Гренландии, в районе города Ивиттуут (ранее — Ивигтут), где находилось единственное в мире промышленно значимое месторождение этого минерала.

Долгое время криолит добывался исключительно в Гренландии. С конца XIX века, с развитием электролитического способа получения алюминия, потребность в нём резко возросла. К середине XX века запасы гренландского месторождения истощились, и с 1987 года его добыча была полностью прекращена. В настоящее время природный криолит практически не используется в промышленности — его заменил синтетический криолит, получаемый химическим путём.

Физические и химические свойства

Физические свойства

• Цвет: бесцветный, белый, сероватый, желтоватый, иногда красноватый или бурый из-за примесей.
• Блеск: стеклянный, на плоскостях спайности — жирный.
• Прозрачность: от прозрачного до полупрозрачного.
• Твёрдость: 2,5–3 по шкале Мооса (легко царапается ножом).
• Плотность: 2,95–3,0 г/см³.
• Спайность: совершенная по кубу (три направления под прямым углом).
• Излом: неровный, ступенчатый.
• Сингония: кубическая (моноклинная при низких температурах).

Химические свойства

• Химическая формула: Na₃AlF₆.
• Молекулярная масса: 209,94 г/моль.
• Растворимость: практически нерастворим в воде, но растворим в концентрированной серной кислоте.
• Температура плавления: около 1000 °C (в чистом виде), однако в смеси с глинозёмом (Al₂O₃) плавится при 950–960 °C.
• Поведение при нагревании: при нагревании до 1000 °C плавится без разложения; при дальнейшем нагревании разлагается с выделением фтористого водорода.

Криолит является двойным фторидом натрия и алюминия. В природе часто содержит примеси: железо, кальций, кремний, магний, которые придают ему различные оттенки.

Месторождения и добыча

Природный криолит

Единственное крупное промышленное месторождение природного криолита находилось на юго-западе Гренландии, в районе Ивиттуут (Ивигтут). Оно было открыто в 1794 году, а его активная разработка велась с 1854 по 1987 год. За это время было добыто около 3,5 млн тонн криолита. Месторождение представляло собой жилу в гранитных пегматитах, содержащую криолит в ассоциации с сидеритом, кварцем, топазами и флюоритом.

Мелкие проявления криолита встречаются также в России (Кольский полуостров, Восточная Сибирь), США (Колорадо), Канаде, Чехии и Намибии, но они не имеют промышленного значения.

Синтетический криолит

В связи с истощением природных запасов с середины XX века промышленность перешла на использование синтетического криолита. Его получают несколькими способами:

• Фторидный метод: взаимодействие фтористого водорода с гидроксидом алюминия и карбонатом натрия.
• Сульфатный метод: обработка алюминиевых руд серной кислотой с последующим осаждением криолита.
• Из отходов алюминиевого производства: регенерация криолита из отработанных электролитов.

Синтетический криолит по химическому составу идентичен природному, но может содержать незначительные примеси. Основные производители синтетического криолита — Китай, Россия, США, Канада и страны Европы.

Применение

Производство алюминия

Основное и наиболее массовое применение криолита — в качестве растворителя (флюса) при электролитическом получении алюминия по методу Холла — Эру (1886). В электролизёре криолит расплавляется при 950–960 °C, в нём растворяется глинозём (Al₂O₃). Через расплав пропускают постоянный электрический ток, в результате чего на катоде выделяется жидкий алюминий, а на аноде — кислород. Криолит не расходуется в процессе (теоретически), но на практике частично теряется с отходящими газами и шлаками. На производство 1 тонны алюминия расходуется 30–50 кг криолита.

Стекольная и керамическая промышленность

Криолит используется как глушитель (опалесцирующий агент) при производстве молочного и опалового стекла, а также в составе глазурей и эмалей. Он придаёт изделиям белый цвет, непрозрачность и повышает химическую стойкость.

Сварочное производство

В составе сварочных флюсов и электродных покрытий криолит служит для защиты сварочной ванны от окисления, облегчает удаление шлака и улучшает качество шва.

Другие области

• Металлургия: как компонент флюсов для рафинирования стали и цветных металлов.
• Производство абразивов: входит в состав связок для абразивных кругов.
• Химическая промышленность: для получения фтористых соединений, в частности фторида алюминия.
• Зубная паста: ранее использовался в качестве абразива (в настоящее время вытеснен диоксидом кремния).

Токсикология и безопасность

Криолит относится к веществам 2-го класса опасности (высокоопасные). При попадании в организм может вызывать острое отравление, проявляющееся тошнотой, рвотой, болями в животе, судорогами. Хроническое воздействие фторидов, входящих в состав криолита, приводит к флюорозу — поражению зубов и костей. Предельно допустимая концентрация (ПДК) криолита в воздухе рабочей зоны составляет 1 мг/м³ (по фтористому водороду). При работе с криолитом необходимо использовать средства индивидуальной защиты (респираторы, защитные очки, перчатки).

Интересные факты

• Криолит обладает уникальным свойством: при нагревании он становится невидимым в воде, так как его показатель преломления (1,338) близок к показателю преломления воды (1,333).
• В XIX веке криолит использовался для производства соды (карбоната натрия) по способу Юлиуса Томсена, но этот метод был вытеснен более дешёвым аммиачным способом.
• В Гренландии из криолита изготавливали сувениры и ювелирные изделия, однако из-за низкой твёрдости и хрупкости они не получили широкого распространения.
• Месторождение в Ивиттууте было настолько богатым, что криолит добывали открытым способом, а в годы Второй мировой войны США и Великобритания поставляли его в СССР по ленд-лизу для нужд алюминиевой промышленности.