Лекция 8 самородные элементы, их систематика

В самородном состоянии в земной коре устанавливается свыше 30 химических элементов, главным образом металлов. Сюда же относятся ряд газов и редко встречающиеся элементы в жидком состоянии (ртуть, некоторые амальгамы). Общее весовое значение самородных элементов в земной коре очень невелико (не превышает 0,1% всей массы земной коры). Из этого количества на долю азота приходится около 0,04%, кислорода –0,01-0,02%. Все остальные элементы, встречающиеся в самородном виде, составляют, следовательно, не больше 0,05%. Из них в наибольших относительных количествах представлены: водород, аргон, гелий, углерод, сера, золото, элементы платиновой группы, медь и висмут. Некоторые химические элементы в природе встречаются исключительно или почти исключительно в самородном состоянии и носят название благородных элементов. К их числу прежде всего относится группа благородных газов: Не, Ne, Ar, Kr, Xe и Rn.

Особое положение в таблице занимает также группа благородных металлов (Ru, Rh, Pd, Ag, Os, Ir, Pt и Аи). Характерно, что в этих периодах атомные радиусы элементов в вертикальных группах почти тождественны. Это обстоятельство играет очень важную роль в химизме этих элементов в природных условиях, особенно в образовании изоморфных смесей для благородных металлов.

Из остальных встречающихся в самородном состоянии металлов, распространены так называемые полуметаллы: As, Sb и Bi. Несмотря на общность некоторых химических свойств этих элементов, они в природе наблюдаются в разных условиях. Лишь иногда мышьяк и сурьма дают интерметаллическое соединение AsSb.

Из неметаллических элементов водород в свободном состоянии с примесью других газов довольно часто устанавливается в некоторых горных породах и месторождениях полезных ископаемых. Азот и кислород, как известно, в значительных количествах входят в состав атмосферы. Для углерода характерно нахождение его в двух различных по кристаллическому строению модификациях.

Самородная сера в главной своей массе возникает путем частичного окисления H₂S, реже при восстановлении SO₂, а также некоторых сернокислых и органических соединений, богатых серой.

Общее число минеральных видов и разновидностей, относящихся к данному разделу, по химическому составу достигает 80, т. е. оно значительно больше, чем число элементов, в них входящих.

Некоторые элементы устанавливаются в двух или более полиморфных модификациях (алмаз, графит, а-сера, β-сера и др.). Ряд элементов, кроме того, что встречается в чистом виде, образует твердые растворы друг с другом, например: электрум (Au,Ag), палладистая платина (Pt,Pd).

Из всех природных веществ самородные металлы обладают наилучшей электропроводностью и теплопроводностью. Все они в полированном виде обладают сильным металлическим блеском, т. е. высокой отражательной способностью. Показатели преломления, от которых зависит блеск, являются наивысшими. Лишь для золота, серебра и меди они меньше 1,0, но это также обусловливает высокую отражательную способность. Точно так же и показатели поглощения света исключительно высоки.

Цвет преобладающего большинства самородных металлов серебряно- или оловянно-белый. Бросающимся в глаза исключением являются цвета золота и меди. Из всех известных минералов самородные металлы обладают наибольшими удельными весами (особенно минералы элементов платиновой группы).

Благородные металлы, характеризующиеся лантанидным сжатием атомных объемов, более устойчивы в химическом отношении. Вследствие этого золото и минералы платиновой группы широко распространены в россыпях речных долин.

Золото – Аu. Золото является одним из металлов, известных человеку с древнейших времен. Среди минералов рассматриваемой группы оно пользуется наибольшим распространением в природе.

Химический состав. В химически чистом виде золото встречается исключительно редко. Так называемое самородное золото в подавляющем большинстве случаев содержит в виде изоморфной примеси серебро (обычно от 4 до 15% по весу). Встречаются разности и более богатые серебром, которые относят к самостоятельному минеральному виду (электрум).

К числу разновидностей золота относятся следующие: медистое золото (купроаурид); порпецит – палладистое золото; висмутистое золото (бисмутоаурит).

Сингония кубическая. Обычно наблюдается в виде неправильной формы зерен, включенных в кварцевую или рудную массу. Размеры их могут быть самые различные, но чаще встречаются микроскопически мелкие зерна, иной раз с трудом различимые даже в полированных шлифах при больших увеличениях под микроскопом. В россыпях речных долин при промывке песков нередко находят самородки окатанной формы весом от нескольких граммов, крайне редко до десятков килограммов. В зонах выветривания месторождений удавалось находить мелкие сталактитообразные формы самородков вторичного происхождения. В рудах коренных месторождений среди пустот наряду с кристалликами встречались дендритообразные кристаллические сростки и пластины сетчатого рисунка. Цвет самородного золота золотисто-желтый (у богатых серебром разностей – бледно желтый). Черта металлическая желтая. Блеск типичный металлический. Твердость 2,5-3,0. Ковко и тягуче. Легко расплющивается в тончайшие листочки. Спайность отсутствует. Уд. вес 15,6-18,3 (для чистого золота 19,30). Обладает высокой тепло- и электропроводностью. Не растворяется в кислотах, кроме царской водки.

Происхождение. Наибольшая масса золота распространена в типичных гидротермальных месторождениях, генетически связанных с интрузивами кислых изверженных пород. Парагенетически оно всего чаще связано с кварцем и сульфидами (пиритом, арсенопиритом, блеклыми рудами, халькопиритом, реже с галенитом, сфалеритом), иногда с теллуридами золота и серебра и др. Весьма характерно, что так называемое видимое золото, как правило, выделяется в числе самых последних минералов, нередко приурочиваясь к трещинкам в ранее образовавшихся минералах. Кроме видимого, различают также «связанное» золото, открываемое в существенных количествах химическими анализами в сульфидах, главным образом в пирите и арсенопирите (FeAsS), лишь частично наблюдаемое под микроскопом. Как новообразование самородное золото встречается в зонах окисления сульфидных месторождений в ассоциации с лимонитом, азуритом, свинцовыми, висмутовыми, сурьмяными охрами и др.

Практическое значение. Как известно, золото является основным валютным и денежным металлом. Расходуется также на украшения, предметы роскоши, физические и химические приборы, в зубоврачебном деле и для других целей.

Медь Сu. Обычно бывает химически чистой. В качестве примесей иногда содержатся Fe, Ag, Аu в виде твердого раствора. Сингония кубическая. Правильно образованные кристаллы редки. Встречаются двойники срастания. Цвет меди медно-красный, часто с побежалостью. Черта металлически блестящая. Блеск типичный металлический. Твердость 2,5-3. Обладает ковкостью. Излом крючковатый Спайность отсутствует. Уд. вес 8,5-8,9. Прекрасный проводник электричества. В разбавленной HNO₃ легко растворяется. В НС1 растворяется с трудом, образуя хлорид меди.

Происхождение. Самородная медь образуется в восстановительных условиях при различных геологических процессах. Типичные гидротермальные месторождения, имеющие самостоятельное значение, очень редки. В виде микроскопических выделений медь нередко наблюдается в гидротермально измененных основных изверженных породах, где она могла образоваться в результате разложения медьсодержащих сульфидов. Наиболее обычно нахождение меди в нижних частях зон окисления медносульфидных месторождений в ассоциации с купритом (Си2О), малахитом, иногда халькозином (Cu2S) и другими медными минералами. В виде пластинок и неправильной формы пластинчатых ветвистых образований она может быть встречена в трещинах боковых пород по соседству с месторождением.

Известны месторождения меди в осадочных породах, преимущественно песчаниках, в виде цемента между песчинками или в виде неправильной формы конкреций, иногда в ассоциации с купритом, малахитом, азуритом и др., без видимой связи с первичными медными месторождениями.

Псевдоморфозы самородной меди известны по куприту, халькозину, изредка по органическим остаткам (чаще по обломкам древесины).

Практическое значение. Применение меди как металла общеизвестно в электротехнике, машиностроении, для изготовления различных приборов, посуды и т. д.).

Минералы, входящие в подгруппу самородной платины, представлены довольно большим числом минеральных видов и их разновидностей, представляющих твердые растворы металлов Pt, Fe, Ir, Pd, Rh, иногда Ni, Сu, изредка Аи, Os, Sn (иногда в существенных количествах), а также РЬ, Zn, Ag, Со, Мп, Мо. Из всех этих минеральных видов наибольшим распространением в земной коре пользуются поликсен и палладистая платина. Характерной особенностью минералов подгруппы самородной платины является то, что в их составе Ru и Os в виде изоморфных примесей не участвуют совершенно. Несмотря на то что все шесть элементов платиновой группы обладают многими общими признаками как в физическом, так и химическом отношениях, поведение их в природных условиях все же не совсем одинаково.

Платина, Pt. Природная платина является твердым раствором очень сложного состава. Крайне редка. Встречается в ультраосновных горных породах мантийного происхождения в виде мельчайших включений. В условиях земной коры вовлекается в процессы преобразования и дает начало ряду минералов – тетраферроплатине, изоферроплатине, самородному Os и Ir, купериту PtS. Эти минералы платины являются главными формами ее концентрации. При выветривании ультраосновных пород и последующем размыве кор выветривания платина, тетраферроплатина и изоферроплатина накапливаются в россыпях, откуда они добываются для получения чистой платины. Все минералы платины – первичные и вторичные – встречаются совместно в общих зернах и самородках, многофазность их внутреннего строения распознается только в микроскопах большой разрешающей способности. Цвет зерен и самородков меняется от серебряно-белого до зелено-черного, твердость колеблется в пределах 4-4,5, плотность от 15 до 19. Самородная платина магнитна и электропроводна.

Практическое применение. Главнейшими ценными свойствами платиновых металлов являются: трудноплавкость, электропроводность и химическая стойкость. Эти свойства обусловливают их использование в химической промышленности (для изготовления лабораторной посуды, в производстве серной кислоты и пр.), электротехнике и других отраслях промышленности. Значительные количества платины расходуются в ювелирном и зубоврачебном деле. Добываемая «сырая» платина поступает на аффинажные заводы, где производятся сложные химические процессы разделения ее на составляющие чистые металлы.