Введение
Минеральная группа, фосфат кальция.
Геология
Апатит очень распространен как акцессорный минерал в магматических и метаморфических породах, где он является наиболее распространенным фосфатным минералом. Однако, его проявления обычно представлены мелкими зернами, которые часто видны только в шлифах. Крупнокристаллический апатит обычно встречается в пегматитах, гнейсах, образованных из карбонатных осадков, скарнах или мраморе. Апатит также обнаруживается в кластических осадочных породах в виде зерен, выветренных из материнской породы. Фосфорит – это богатая фосфатами осадочная порода, содержащая до 80% апатита, представленного криптокристаллическими массами, называемыми коллофаном. Значительные количества апатита иногда встречаются также в нефелиновом сиените или карбонатитах. Апатит – один из немногих минералов, вырабатываемых и используемых биологическими микросредами. Флюорапатит (или фторапатит) более устойчив к воздействию кислот, чем гидроксиапатит; в середине XX века было установлено, что в сообществах, где водоснабжение естественным образом содержит фтор, заболеваемость кариесом ниже. Фторирование воды обеспечивает обмен ионов фтора на гидроксильные группы в апатите в зубах. Соответственно, зубная паста обычно содержит источник фторид-анионов (например, фторид натрия, монофторфосфат натрия). Избыток фтора приводит к флюорозу зубов и/или скелета. Следы деления в апатите широко используются для определения температурной истории орогенных поясов и осадочных отложений в осадочных бассейнах. (U Th)/He датирование апатита также хорошо зарекомендовало себя благодаря исследованиям диффузии благородных газов и применяется для определения температурной истории, а также в других, менее типичных областях, таких как датирование древних лесных пожаров.
Применение
Основное применение апатита — как источник фосфатов в производстве удобрений и для других промышленных целей. Иногда его используют как драгоценный камень. Измельчённый апатит применялся в качестве пигмента для терракотовой армии Китая III века до н.э., а также в эмалях династии Цин для металлоизделий. При разложении апатита серной кислотой для получения фосфорной кислоты, фтороводород образуется как побочный продукт из любого содержания фторапатита. Этот побочный продукт является незначительным промышленным источником фтористоводородной кислоты. Апатит также иногда служит источником урана и ванадия, присутствующих в минерале в виде микроэлементов. Флюорохлорапатит является основой устаревшей системы люминофоров галофосфорных ламп. Добавки марганца и сурьмы в концентрации менее одного мольпроцента вместо кальция и фосфора придают люминесценцию, а регулировка соотношения фтора и хлора изменяет оттенок белого свечения. Эта система практически полностью заменена системой трифосфоров. Апатиты также рассматриваются как перспективный материал-носитель для хранения ядерных отходов, наряду с другими фосфатами.
Гемология
Апатит редко используется как драгоценный камень. Прозрачные камни чистого цвета подвергались огранке, а экземпляры с астеризмом обрабатывались в виде кабошонов. Если в кристалле апатита образовались кристаллы рутила, то при определенном освещении ограненный камень демонстрирует эффект "кошачьего глаза". Апатит предпочтительнее традиционных редкоземельных руд, таких как монацит, поскольку он малорадиоактивен и не представляет экологической опасности в отвалах горных работ. Однако, апатит часто содержит уран и его не менее радиоактивные продукты распада. Город Апатиты на арктическом севере России получил свое название благодаря разработке месторождений этих руд. Апатит является рудным минералом в проекте по добыче редкоземельных элементов озера Хойдас.
Термодинамика
Стандартные энталпии образования в кристаллическом состоянии гидроксиапатита, хлорапатита и предварительное значение для бромапатита были определены методом реакционной калориметрии. На основе энергетических соображений высказываются предположения о возможном существовании пятого члена семейства кальциевых апатитов – йодоапатита. Структурные и термодинамические свойства кристаллических гексагональных кальциевых апатитов Ca10(PO4)6(X)2 (X = OH, F, Cl, Br) были исследованы с использованием потенциала Борна-Хэггинса-Майера для всех атомов методом молекулярной динамики. Точность модели при комнатной температуре и атмосферном давлении была проверена на основе данных о кристаллической структуре, с максимальными отклонениями около 4% для галоапатитов и 8% для гидроксиапатита. Для оценки коэффициента изотермической сжимаемости этих соединений были проведены расчеты при высоком давлении в диапазоне 0,5–75 кбар. Деформация сжатых твердых тел всегда эластически анизотропна, причем BrAp демонстрирует существенно отличающееся поведение по сравнению с HOAp и ClAp. Данные pV, полученные при высоком давлении, были аппроксимированы уравнением состояния Parsafar-Mason с точностью лучше 1%. Моноклинные твердые фазы Ca10(PO4)6(X)2 (X = OH, Cl) и расплавленный гидроксиапатит также были исследованы методом молекулярной динамики.
Наука о Луне
Лунные камни, собранные астронавтами в ходе программы "Аполлон", содержат следы апатита. Новые данные о наличии воды на Луне позволили повторно проанализировать эти образцы в 2010 году, в результате чего была обнаружена вода, заключенная в минерале в форме гидроксильных групп. Это привело к оценкам содержания воды на лунной поверхности в объеме не менее 64 частей на миллиард – что в 100 раз превышает предыдущие оценки, – и до 5 частей на миллион. Если бы минимальное количество воды, заключенной в минерале, гипотетически преобразовалось в жидкую форму, то она покрыла бы поверхность Луны слоем примерно в один метр.
Биологический выщелачивание
Грибы эктомикоризы Suillus granulatus и Paxillus involutus способны высвобождать элементы из апатита. Высвобождение фосфата из апатита – одно из важнейших действий микоризных грибов, способствующих увеличению поглощения фосфора растениями.
Апатитная группа и супергруппа
Апатит является прототипом класса минералов, биологических материалов и синтетических химических веществ, схожих по химическому составу, стехиометрии или структуре. Минералы, наиболее близкие к апатиту, также известны как апатиты, например, свинцовый апатит (пироморфит) и бариевый апатит (альфорсит). К более химически отличным минералам супергруппы апатитов относятся беловиты, бритолиты, эллистадиты и гедифаны. Апатиты изучались на предмет их потенциального использования в качестве пигментов (апатиты щелочноземельных металлов, легированные медью), в качестве люминофоров, а также для поглощения и фиксации токсичных тяжелых металлов. В минералах апатитов стронций, барий и свинец могут замещать кальций; арсенат и ванадат – фосфат; а в качестве завершающего балансирующего аниона могут выступать фтор (фторапатиты), хлор (хлорапатиты), гидроксид (гидроксиапатиты) или кислород (оксиапатиты). В синтетические апатиты добавляют гипоманганат, гипохромат, бромид (бромоапатиты), йодид (йодоапатиты), сульфид (сульфоапатиты) и селенид (селеноапатиты). Свидетельства естественной сульфидной замены обнаружены в образцах лунных пород. Кроме того, может происходить компенсационная замена одновалентных и трехвалентных катионов на кальций, дибазических и тетрабазических анионов на фосфат, а также балансирующего аниона – в большей или меньшей степени. Например, в биологических апатитах наблюдается значительная замена натрия на кальций и карбоната на фосфат, в беловите натрий и церий или лантан замещают пару двухвалентных металлических ионов, в германатовом пироморфите германат замещает фосфат и хлорид, а в эллистадитах силикат и сульфат замещают пары фосфатных анионов. Металлы, образующие меньшие двухвалентные ионы, такие как магний и железо, не могут в значительной степени замещать относительно крупные ионы кальция, но могут присутствовать в небольших количествах.