Основные понятия минералогии
Объектом исследования минералогии является минерал. Минерал в переводе с латинского («minera») означает штуф, кусок руды. Считается, что впервые термин «минерал» был предложен итальянским учёным Бернардо Цезием в первой половине 17 века (1636 г.). Однако термином широкого пользования он стал лишь спустя столетиие, в середине VIII века. Зародившись на заре человечества, имея богатую историю, наука минералогия лишь во второй половине XX века смогла сформулировать строгое определение понятия «минерал», принятое Международным минералогическим конгрессом.
Минерал – это химически и физически индивидуализированный неорганический продукт природной физико-химической реакции, находящийся в кристаллическом состоянии или утративший его в результате метамиктного распада. В определении понятия минерал зафиксировано 4 основных положения, а именно минерал имеет конкретный химический состав (химически индивидуализирован) и конкретную кристаллическую структуру, является неорганическим соединением и возникает в ходе природного геологического процесса. «Физически индувидуализированный» обозначает то, что каждый минерал обладает индивидуальным для него комплексом свойств. В природе нет и быть не может минералов с одинаковым набором физических свойств. Справедливость этого заключения вытекает из ниже приведенных рассуждений.
При строгом понимании вещество, не имеющее хотя бы одного из четырех перечисленных признаков, не может называться минералом. В связи с этим появляется ряд дополнительных терминов. Так все некристаллические (аморфные) вещества природного неорганического и органического происхождения называются минералоидами, что дословно переводится как подобные минералам. К ним относятся битумы, газы, рассолы, природные стёкла, янтарь, аморфные продукты изменения минералов, опал, гидрогётит, ртуть и др.
Природные кристаллические и аморфные химические вещества, возникшие в природных процессах с участием органики, получили название биоминералов.
Химические соединения, полученные в лабораторных или промышленных условиях, имеющие природные аналоги по химическому составу и структуре, называют синтетическими минералами, например, синтетический рубин, синтетический изумруд, синтетический кварц.
Неорганические кристаллические химические соединения, спонтанно возникающие в результате производственной и непроизводственной деятельности человека, получили название техногенных или антропогенных минералов. К ним относятся многочисленные новообразования в нефтепроводах и продукты горения угольных терриконов, зачастую не имеющие аналогов в природе.
Кристаллические и аморфные вещества, целенаправленно полученные в лабораторных или производственных условиях, не имеющие природных аналогов, называются искусственными продуктами. Свойства некоторых искусственных продуктов позволяют использовать их в качестве имитаций природных минералов в ювелирных изделиях. К ним можно отнести фианит (кубическая модификация ZrO2), стёкла, пластмассы и т.п.
Почему же каждый минерал обладает присущим лишь ему комплексом физических свойств? Оказывается таким постоянством и индивидуальностью свойств минералы обязаны химическому составу и структуре, которая определяется типом химической связи структурных элементов, их пространственным расположением. Иными словами, каждый минерал индивидуален только потому, что он состоит из конкретных химических элементов, образующих определённую кристаллическую структуру. По этой же причине и условия образования минералов различны. Одни и те же химические элементы в одних условиях способны объединяться с образованием одной структуры, а в других – уже другой. В результате с участием одних и тех же элементов в разных условиях образуются разные минералы.
Из двух основных характеристик минерала структура является более устойчивой, как говорят, более консервативной характеристикой. Оставаясь в целом неизменной, она допускает появление отдельных точечных дефектов в виде дополнительных единичных структурных элементов или в виде вакансий (незанятых структурных позиций), называемых дырками. Что касается химического состава, то он менее консервативен и достаточно изменчив в некоторых вполне конкретных границах. Трудно ожидать в природных образованиях строгого соответствия химического состава минералов идеальным формулам, приводимым в справочной литературе. Изменчивость химического состава минералов связана с появлением в нем разнообразных примесных элементов, занимающих в структуре позиции основных, как говорят, видообразующих элементов.
Практически неизбежное появление примесей в составе минералов стало поводом введения в отечественной научной литературе более ёмкого понятия – «минеральный вид», в котором учитывают допустимые изменения химического состава минералов.
Минеральный вид – это совокупность минералов одинаковой структуры, состав которых отвечает индивидуализированному химическому соединению (минералу) и может непрерывно меняться в пределах, ограничивающихся изменением структуры либо в условно принятых границах.
Существуют такие минеральные ряды, в которых при неизменной структуре состав минералов меняется так, что примесный элемент может присутствовать в любом количестве от 0 до 100 %, становясь в последнем случае уже основным компонентом. Такие минеральные ряды названы изоморфными (равноформными). Традиционно в изоморфных рядах выделяется 3 минеральных вида, проводя границу по содержанию одного из компонентов. Для первого минерального вида оно составляет 0-25 % примесного компонента, для второго – 25-75 %, для третьего – 75-100 %. Реже в изоморфных рядах выделяют другое количество минеральных видов. Их число для отдельных изоморфных рядов может достигать шести. Примером изоморфного ряда, включающего 6 минеральных видов являются плагиоклазы. В трёхкомпонентных системах, содержащих 3 изоморфных ряда, количество минеральных видов может равняться 7. Примером является семейство оливина.
В случае ограниченного вхождения примесного компонента в состав минерала возникает разрыв смесимости. При этом выделяется лишь 2 минеральных вида при отсутствии минерального вида промежуточного состава.
Поскольку физические свойства минералов определяются химическим составом и структурой минерала, то вхождение в минерал примесей несколько меняет химический состав минерала, а следовательно должно сопровождаться и некоторым изменением физических свойств. В минералах, имеющих некоторые особенности химического состава, не выходящие за рамки минерального вида, отдельные физического свойства, находясь в целом в пределах диапазона их изменений для минерального вида, проявляются несколько иначе, приобретая некоторую индивидуальность. В связи с этим в пределах минерального вида выделяются разновидности. Чаще всего выделяются разновидности по химическому составу, цвету, агрегатному состоянию. Известно, что одной из причин изменения цвета минералов является появление в них тех или иных примесных элементов либо дефектов структуры. Чаще разновидности по цвету оказываются и разновидностями по химическому составу. Ярким примером тому может служить сфалерит, для которого в зависимости от содержания железа выделяют разновидности по цвету. Это клейофан – светло-желтая маложелезистая разновидность и марматит – темно-бурая сильножелезистая разновидность. Для весьма известного минерала кварца выделяется много цветовых разновидностей, появление которых обязано возникновению дефектов структуры или вхождению примесей. Так известен бесцветный водяно-прозрачный кварц – горный хрусталь, фиолетовый кварц – аметист, жёлтый кварц – цитрин, дымчатый кварц – раухтопаз, черный кварц – морион. Разновидности по агрегатному состоянию появляются в связи с особенностями условий минералообразования. Примером разновидности по агрегатному состоянию можно назвать халцедон, который представляет собой скрытокристаллический кварц. Другим примером разновидности по агрегатному состоянию является селенит, являющийся параллельноволокнистой разновидностью гипса. Нефрит также является примером разновидности по агрегатному состоянию и представляет собой скрытокристаллическую спутанноволокнистую разновидность амфиболов. У большинства минералов имеется то или иное количество разновиднотей в разной степени важных для минерала.
Количество известных минеральных видов в природе достаточно ограниченно. Однако, благодаря совершенствованию физических методов исследования минерального сырья, их количество постоянно увеличивается. И тем не менее в настоящее время число минеральных видов лишь несколько превышает 4600. Это небольшая цифра по сравнению с количеством синтезированных химических соединений, которых насчитывается более 500 000. Расчеты показывают, что из 90 устойчивых в пределах земной коры химических элементов возможно образование гораздо большего числа соединений, которые потенциально могли бы быть минералами. Обычно ограниченность количества минеральных видов в природе объясняется действием в пределах земной коры законов геохимии и термодинамики. Первая, вероятно, главная причина заключается в том, что в природных процессах по сравнению с лабораторными условиями несоизмеримо ограничены пределы изменения таких параметров, как температура и давление. Следовательно, для ряда химических элементов просто не возникают условия их воссоединения, а значит, не возникают потенциально возможные минералы такого состава. Второй причиной является крайне неравномерное распределение химических элементов в пределах земной коры, что также препятствует их соединению с образованием соответствующих минеральных видов.
К основным понятиям минералогии относится также понятие минерального вида. Существование минеральных индивидов отражает прерывистость минерального мира. Согласно определению, предложенному Д.П.Григорьевым, минеральный индивид – это образовавшееся в природе твёрдое обособление однородного химического вещества (минерала), отделённое от других физическими поверхностями раздела. Проще говоря, минеральный индивид – это кристаллическое неделимое любой формы и размера. Из этого следует, что минеральными индивидами являются отдельные кристаллы и зёрна минералов. Размеры минеральных индивидов колеблются в весьма широких пределах от микроскопических до гигантских, что зависит от условий минералообразования. Известны кристаллы весом десятки и даже сотни тонн. В природе практически исключено существование совершенно одинаковых индивидов. Минералогической сенсацией последних десятилетий признана находка в 2000 г. на севере Мексики на одном их свинцо-цинково-серебряных рудников на глубине 300 м полости с гигантскими (до 11 м) кристаллами гипса.
В природе практически исключено существование совершенно одинаковых индивидов. Изучение формы, внутреннего строения, характера взаимоотношения индивидов между собой позволяют воссоздавать условия их образования. Нетрудно догадаться, что количество минеральных индивидов в природе бесконечно велико. Даже в стандартном образце среднезернистого гранита простым подсчётом удалось установить, что количество минеральных индивидов в нём превышает 27 000 000.
Кристаллическая структура минералов
Минералы по определению являются твердыми веществами. Как известно, твердые вещества могут находиться в аморфном или кристаллическом состоянии. Аморфное состояние вещества характеризуется беспорядочным расположением, слагающих его частиц. Такое состояние вещества характеризуется избыточной энергегией и является неустойчивым. Со временем все аморфные вещества испытывают раскристаллизацию, переходя в более устойчивое и энергетически выгодное кристаллическое состояние. Поэтому отнесение природных аморфных образований к минералоидам представляется оправданным.
Все минералы являются веществами кристаллическими и обладают определенной структурой или, как часто говорят, конституцией, под которой понимается способ пространственной организации составляющих частиц, которыми являются атомы химических элементов, ионы или молекулы.
Атомы химических элементов имеют скомпенсированный положительный и отрицательный заряды и в целом представляют собой незаряженные частицы.
Ионами называют атомы химических элементов, отдавшие или присоединившие один или несколько электронов и приобретшие в результате этого заряд. Атомы, отдавшие электроны, становятся положительно заряженными и называются катионами. Чаще такой способностью обладают атомы металлов, например Na1+, Mg2+, Al3+ , Zr4+. Атомы, присоединившие электроны, становятся отрицательно заряженными и называются анионами. Анионами чаще способны становиться неметаллы, например O2-, F1-, S2-. Величина заряда иона определяется количеством отданных или приобретённых электронов.
При формировании структуры минералов имеют значение размеры атомных и ионных радиусов. Определение размеров ионных радиусов в структурах минералов сопряжено с некоторыми трудностями. Не вдаваясь в детали их расчетов, следует однако сказать, что разными авторами, использовавшими разный подход при решении этой проблемы, получены иногда заметно отличающиеся системы ионных радиусов. Расчётами ионных радиусов в разное время занимались В.М. Гольдшмидт, В.И. Лебедев, А.С. Поваренных, Н.В. Белов, Г.Б. Бокий, Л. Полинг и др. Наибольшее признание получила система ионных радиусов В.М. Гольдшмидта. Проводя научные исследования, сопряженные с использованием размеров ионных радиусов, учитывают эту неоднозначность и придерживаются какой-либо одной выбранной системы.
Вполне очевидно, что ионные радиусы катионов, отдающих электроны, меньше, чем радиусы соответствующих атомов, а ионные радиусы анионов, принимающие электроны, меньше атомных радиусов. Увеличение заряда катиона сопровождается уменьшением его ионного радиуса и наоборот, увеличение заряда аниона влечёт увеличение его ионного радиуса. В целом ионные радиусы катионов меньше, чем ионные радиусы анионов.
В пределах периодической системы элементов Д.И. Менделеева наблюдается определенная закономерность изменения ионных радиусов. Так в пределах рядов ионные радиусы катионов уменьшаются слева направо с возрастанием порядковых номеров соответствующих элемента и с увеличением валентности катионов. Сверху вниз в пределах одной подгруппы с увеличением номера периода и соответственно увеличением заряда ядра и числа электронных оболочек атомов, ионные радиусы катионов увеличиваются. В результате такого поведения ионных радиусов катионов возникает явление, при котором диагонально расположенные катионы имеют близкие ионные радиусы, например, натрий и кальций.
Ионы в составе минералов могут выступать как самостоятельные элементы структуры или образовывать ионные группы, внутри которых межионная связь столь сильна, что такие ионные группы в химических реакциях выступают как единое целое. Такие ионные группы получили название радикалов. При написании формул минералов их помещают в квадратные скобки с указанием общей валентности радикала. В качестве радикалов выступают кислотные остатки известных кислот, например [CO3]2-, [SO4]2-, [PO4]3- , [VO4]3- и др.
Атомы, молекулы, ионы в составе минералов имеют закономерное, повторяющееся в пространстве расположение. Рассматривая структуру минералов, условились положение этих частиц обозначать материальными точками. Тогда структура минералов представляется в виде некоторого решетчатого образования, названного кристаллической решеткой.
Кристаллическая решетка – это бесконечное, трехмерное, закономерно повторяющееся в пространстве образование. Элементами кристаллической решетки являются узлы, ряды и плоские сетки. Узлы – точки, отвечающие положению атомов и ионов в кристаллической решетке. Ряды – совокупноть узлов, лежащих на одной прямой. Плоские сетки – плоскости, проходящие через 3 любых узла кристаллической решетки.