Классификация минералов

МИНЕРАЛ – природное химическое соединение кристаллической структуры, образовавшееся на земле как результат геологических и геохимических процессов или эквивалентных процессов на внеземных телах вселенной.

К минеральному виду относятся все минеральные индивиды, характеризующиеся одинаковой структурной группой, хим. составом, непрерывно изменяющимся в определенных пределах и равновесным существованием в определенных термодинамических условиях.

В земной коре содержится от 3 до 4 тыс. видов минералов.

Минеральные разновидности одного вида без изменения структуры различаются физическими, кристалломорфологическими и хим. свойствами (корунд – сапфир, рубин; кварц – аметист, горный хрусталь, цитрин).

Классификация минералов:

1. Гомоатомные (3,67 %) – самородные элементы (золото, серебро, платина), интерметаллиды (сера, алмаз, графит). 100 минералогических видов.

2. Сульфиды (16,02 %) – 450 видов (сульфид железа FeS₂, свинца PbS, цинка ZnS, меди СuFeS₂).

3. Кислородные соединения (75,12%) – оксиды, гидроксиды, силикаты, фосфаты, сульфаты, бораты, карбонаты, вольфрамиты, хроматы и др. 400 мин.видов (оксид кремния, железа; гидроксид железа, магния, алюминия).

4. Галоидные соединения (4,59) – хлориды, фториды. 120 мин.видов (хлорид натрия).

Формы природных выделений минералов

В природе минералы встречаются в виде одиночных кристаллов или их сростков, либо в виде скоплений минеральных зерен, называемых минеральным агрегатом.

Монокристаллы – это единичные сравнительно хорошо ограненные кристаллы, образующиеся в условиях свободного роста, трещинах, пустотах. Бывают: изометрические, вытянутые в одном или двух направлениях.

Рис. 3.1. Три основные группы кристаллов, обладающих характерным обликом (габитусом):

I — изометрические (а – магнетит, б – пирит, в – гранат):

II – вытянутые в одном направлении (г – барит, д – антимонит, е – кварц); III — вытянутые в двух направлениях при сохранении третьего короткого (ж — барит, з — хлорит).

Сростки – возникают если срастание или прорастание кристаллов происходит по к-то опр. кристаллографическим направлениям (прямая). Они называются двойниками или тройниками – при закономерном срастание.

Друза – незакономерные сростки кристаллов. Это сростки более или менее правильных кристаллов, нарастающих на единое основание. Кристаллы обладают близкими размерами, одинаково ориентированы и соприкасаются друг с другом – щетки. Скопление на едином основание очень мелких кристалликов – кристаллические корки.

Минеральные агрегаты – встречаются в земной коре чаще. По морфологии минеральные агрегаты делятся на зернистые, землистые, плотные, округлые, натечные, тонкие пленки.

Зернистые – возникают при одновременной кристаллизации из растворов или расплавов большого числа минеральных зерен. Как правило не имеют правильной огранки и приобретают форма пространства в котором они находятся. Размер 1-5мм.

Землистые и плотные – отдельные линии минерального зерна не видны невооруженным глазом. Частицы легко отделяются друг от друга, малое сцепление (пачкают руки).

Округлые – секреции, конкреции, оолиты. Секреции образуются при заполнение минеральным веществом округлых пустот в горной породе, заполняя полость от периферии к центру (мелкие – миндалины, крупные – жеоды). Конкреции представляют собой образование шарообразной или неправильной округлой формы. Формируются за счет отложений минерального вещества вокруг какого-то центра кристаллизации. Оолиты – это мелкие, до 10мм, сцементированные, округлые выделения, схожие по внутреннему строению с конкрециями. Образуются при выделение минеральных веществ из горных сред.

Натечные – формируются в пустотах при медленной кристаллизации мин.в-ва из коллоидных р-ов или их испарение. Форма может быть столбчатой, почковидной, гроздевидной, неправильной. Натеки стекающие сверху – сталактиты, поднимающиеся снизу – сталагмиты, срастаясь они образуют сталогматы.

Тонкие пленки – покрывают поверхность горных пород и минералов, стенки трещин. Бывают в идее налетов, примазок, выцветов. Их образование связано с процессами выветривания.

КАМНИ – весьма распространенный материал для художественных изделий самого разного характера, от монументальных сооружений до ювелирных украшений. Применяются камни и в промышленности, как в качестве инструментального материала (алмазные резцы и фрезы, абразивы), так и в качестве конструкционного (рубиновые, агатовые, халцедоновые приборные и часовые подшипники, призмы весов и др.).

Классификация камней:

1) по происхождению

– естественные (натуральные)

а) минеральные – гранит, яшма, мрамор, горный хрусталь, известняк, топаз,

б) органические – янтарь, коралл, жемчуг.

– искусственные

а) минеральные – рубин, сапфир, алмаз и др.

б) органические – искусственно выращиваемый жемчуг.

Синтетическим путем получают также ювелирные камни, не встречающиеся в природе: фианит, фабулит (диагем), линобат.

2) по назначению

– строительные,

– декоративные,

– поделочные,

– ювелирные камни.

Многие из них не всегда можно отнести однозначно к одной определенной группе: малахит (в архитектуре, предметы интерьерного декора – как вазы, торшеры, кабинетную пластику, письменные приборы, вставки из малахита применяются в ювелирных изделиях из драгоценных металлов.

Драгоценные, полудрагоценные и поделочные камни называют самоцветами. Профессиональные ювелиры собственно драгоценными считают лишь пять камней: алмаз, рубин, сапфир, изумруд и александрит.

3) по твердости

К твердым камням относят авантюрин, агат, алмаз, амазонит, аметист, базальт, бирюзу, гранит, жадеит, кварцит, корунд, кремень, лазулит, лазурит, обсидиан, опал, ортоклаз, родонит, топаз, яшму. Твердость этих камней по шкале Мооса составляет 7-10 баллов.

Камнями средней твердости считают азурит, доломит, мраморовидный известняк, малахит, мрамор, нефрит, флюорит. Их твердость – 4-6 баллов Мооса.

Мягкими камнями называют агальмотолит, алебастр, гагат, известняк обычный, кальцит, мергель, песчаник, селенит, серпентин, сланец, тальк, янтарь, твердость которых не превышает 3 баллов Мооса.

Сравнительные единицы твердости камней

Шкала Мооса			Микротвердость
Эталонный минерал	Балл НМ	ГПа		кг×мм^2
Тальк	1	0,024		2,4
Каменная соль, гипс	2	0,36		36
Кальцит	3	1,09		109
Флюорит	4	1,89		189
Апатит	5	5,36		536
Ортоклаз, полевой шпат	6	7,95		795
Кварц	7	11,2		1 120
Топаз	8	14,27		1 427
Корунд	9	20,6		2 060
Алмаз	10	100,6		10 060

ЮВЕЛИРНЫЕ КАМНИ – природные минералы и минеральные агрегаты, применяемые в ювелирном деле и обладающие высокой декоративностью, износостойкостью, редкостью (уникальностью). В настоящее время в ювелирном деле используется около 300 разновидностей природных образований, однако популярны немногие из них. Чаще всего минералы, используемые в качестве вставок в ювелирные изделия, представлены в виде прозрачных, реже просвечивающих, цветных или бесцветных твердых кристаллов. Такие камни являются ограночным сырьем для ювелирных изделий.

В целом в группе ювелирных камней можно выделить две подгруппы: традиционные и нетрадиционные ювелирные камни.

К традиционным относятся те, которые издавна и широко используются в ювелирном деле, такие, как алмаз, рубин, сапфир, изумруд, александрит, аквамарин, гелиодор, воробьевит, опал, группа гранатов, полевые шпаты, шпинель, топаз, турмалин, кварц и его разновидности, хризолит, диопсид, циркон, бирюза, лазурит, жадеит, нефрит, родонит, малахит, обсидиан, серпентин, яшмы.

К нетрадиционным – появившиеся в дизайне ювелирных изделий лишь в последние десятилетия, такие как чароит, танзанит, дианит и ряд других.

Новые ювелирные камни – это сравнительно недавно открытые минералы или разновидности известных минералов, нашедшие применение в качестве ювелирных: агальматолит, амблигонит, бенитоит, бразилианит, везувиан, данбурит, кордиерит, сподумен, синголит, скаполит, тоффеит, фенакит, циозит, эвклаз.

Экзотические камни – это минеральные образования, обладающие красивым цветом, блеском, оптическими эффектами. Они недолговечны и чаще применяются как имитации более дорогих камней. Стоимость подобных камней самая нестабильная и может не только резко возрастать, но и падать: на такие ранее дорогие камни, как азурит, андалузит, гематит, касситерит, родохрозит, смитсонит, флюорит, хризоколла, цена со временем упала.

Наиболее важными СВОЙСТВАМИ ювелирных камней являются их оптические свойства: цвет, прозрачность, показатель светопреломления, блеск, дисперсия, плеохроизм.

Поскольку камень, пригодный для целей украшения, должен привлекать к себе взгляды, наиболее важны с этой точки зрения его оптические свойства. В самом деле, все искусство огранки драгоценных камней состоит в том, чтобы придать камню такую форму, при которой наилучшим образом проявятся именно эти свойства.

ПРОЗРАЧНОСТЬ – способность кристалла пропускать свет без поглощения. Различаются прозрачные минералы (алмаз, топаз, горный хрусталь и др.), полупрозрачные (нефрит, жадеит) и непрозрачные (малахит, родонит). Прозрачные минералы могут быть бесцветными или окрашенными, причем их прозрачность зависит от интенсивности окраски.

ЦВЕТ материала зависит от способности пропускать-отражать какую-то часть видимого спектра.

Так, если материал поглощает всю желто-зеленую часть спектра (например, рубин) и пропускает только красную его часть, то он имеет красную окраску.

Богатство расцветок природных каменных материалов исключительно велико. В большей мере это объясняется тем, что 85 % минералов окрашено природой. Так, 40 % минералов – зеленые, 20 % – желтые, 10 % – красные и коричневые, 7 % — черные, 5 % — синие, 3% — фиолетовые и пурпурные.

Цвет камня зависит от многих причин:

1) собственный цвет химического соединения, образующего данный минерал. Такую окраску называют идиохроматической, она характерна, например, для малахита и диоптаза;

Собственный цвет камня определяется наличием ионов некоторых химических элементов, которые располагаются в углах кристаллической решетки. Эти ионы – хромофоры и придают камню его специфическую окраску. При этом ионы одного и того же элемента в зависимости от структуры минерала и собственной валентности могут придавать камню различный цвет. Так трехвалентный ион хрома в кубической структуре корунда дает ему ярко-красный цвет (рубин), он же в гексагональной структуре берилла – зеленый (изумруд). Кроме ионов хрома хромофорами являются железо, марганец, медь, никель, титан. Окраска некоторых минералов связана с наличием в них дисперсных частиц различных хромофорных примесей. Иногда распределение этих частиц по объему кристалла неравномерное, например концентрическое в агатах.

2) наличие примесей. Тогда окраску называют аллохроматической, а вещества, вызывающие ее, называют хромофорами, т.е. носителями цвета. Им обязаны своим цветом, например, рубин, сапфир, изумруд. К хромофорам относятся также железо, ванадий, кобальт, марганец, медь, титан, хром, а также вольфрам, молибден, уран и редкоземельные элементы. Из них наиболее распространено железо, придающее камням цвета от еле заметных до ярких зеленых, желтых, красных, коричневых, черных, густо-синих. Своим цветом природные пигменты – мумия, охра, сиена, сурик, ультрамарин, умбра – обязаны различным соединениям железа.

3) различное освещение, например, цвет александрита, фиолетового аметиста, рубелита различен при естественном и искусственном освещении.

4) на восприятие цвета камня влияет также фактура поверхности и ее состояние. Мокрый камень выглядит иначе, чем сухой. Полированный камень ярче проявляет красоту своих цветов.

При оценке цвета природных каменных материалов следует также учитывать блеск минералов, который у полированных камней различен и зависит от микроструктуры поверхности. Выделяют следующие виды блеска: алмазный, восковой, тусклый, жирный, металлический, перламутровый, смоляной, стеклянный, мягкий и яркий блеск.

СВЕТОПРЕЛОМЛЕНИЕ – это отклонение луча света от его первоначального направления после прохождения через кристалл. Это явление связано с изменением скорости света при вхождении луча в более плотную, чем воздух, среду. Показатель преломления определяется по формуле:

п = sin i / sin r,

где i – угол падения, r – угол преломления.

То же самое, отношение скорости света в среде, окружающей камень, к скорости света внутри камня.

Показатель преломления зависит от длины волны излучения и свойств материала, в частности от его плотности. Так, для алмаза показатель преломления для красного цвета равен 2,408, а для фиолетового – 2,452.

ДИСПЕРСИЯ – разложение видимого света в спектр по длине волн. Солнечный свет – видимая его часть – состоит из лучей разного цвета. При прохождении через призму или другие объекты он распадается на ряд цветных полос – спектр. Порядок расположения полос в спектре по длине волн: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый. Длины волн изменяются от красного до фиолетового.

Дисперсия – это разность между показателем преломления в фиолетовом и красном цветах. (в красном конце волны составляет 6870 ангстремов, в фиолетовом конце – 4308) Для алмаза она равна 0,044. При прохождении через кристалл видимый свет разлагается на составляющие. От кристалла отражаются лучи разного цвета подобно радуге. Кристалл играет, сверкает красными, желтыми, синими, фиолетовыми огоньками.

Чем больше дисперсия, тем под большим углом расходятся лучи разного цвета и сильнее игра камня. Наиболее высокие показатели дисперсии у алмаза (0,044), рутила (0,28), демантоида (0,057).

ПЛЕОХРОИЗМ – изменение окраски минералов и ее интенсивности в различных направлениях. Это явление связано с анизотропией кристалла, т. е. зависимостью свойств и, в частности, коэффициента поглощения от направления в кристалле. Кристаллы с кубической решеткой плеохроизмом не обладают, так как их анизотропия выражена слабо. В кристаллах с тригональной, тетрагональной и гексагональной решеткой проявляется дихроизм – два цвета, в кристаллах с триклинной, моноклинной и ромбической решеткой – трихоизм (три цвета).

Физические свойства:

ПЛОТНОСТЬ, выражаемая в г×см^-3 или т×м^-3. Для ювелирных камней важным показателем является также вес, который для драгоценных камней измеряется в каратах (1 карат равен 0,2 г), а для полудрагоценных – в граммах.

Важное значение при использовании камня в дизайне приобретают некоторые механические свойства минеральных образований, определяющие возможности их обработки и износостойкость, такие как твердость и спайность.

ТВЕРДОСТЬ - сопротивление материала любому механическому воздействию - резанию, царапанию или вдавливанию, влияющее на прочность материалов. Твердость минералов определяется сравнительным методом по шкале Мооса по 10 стандартным минералам (1 – тальк, 2 – гипс, 3 – кальцит, 4 – флюорит, 5 – апатит, 6 – полевой шпат, 7 – кварц, 8 – топаз, 9 – корунд, 10 – алмаз) или на специальных приборах - микротвердометрах.

СПАЙНОСТЬ - способность кристаллов раскалываться при ударе или другом механическом воздействии по так называемым плоскостям спайности, т.е. раскалываться в определенных направлениях, образуя плоские поверхности, ровные и блестящие. Спайностью обладают далеко не все минералы.

Спайность связана со структурой кристалла и обусловлена характером атомных связей. Чем выше спайность минерала, тем ниже его технологические свойства, поскольку при обработке камни с высокой спайностью начинают крошиться. В качестве примера для сравнения можно привести прозрачные и черные алмазы. Спайность последних много выше, в связи с чем, их огранка чрезвычайно затруднительна.

Многие из физических свойств драгоценных камней непосредственно связаны с атомной структурой и характером действующих в ней связей. Слабые связи делают вещество мягким, а твердость многих драгоценных камней обусловлена преобладанием прочных ионных связей. Еще большую твердость может дать гомеополярпая связь, хороший пример которой мы видим в алмазе.

Спайность обычно оказывается параллельной тем плоскостям в структуре, в которых атомы группируются наиболее тесно; следовательно, направление спайности перпендикулярно направлению наибольшего разделения соседних атомов. Если в структуре имеется два или больше типов связей, то спайность развивается поперек наиболее слабых связей; мягкость и совершенная спайность графита, химически идентичного алмазу, обусловлены слабостью остаточных связей между слоями атомов углерода, внутри же этих слоев связи прочные и тесные.

Природные кристаллы, за малым исключением, имеют гладкие кристаллические грани. В небольших кристаллах эти грани оптически плоские и дают четкие отражения предметов (как в оконном стекле); у более крупных кристаллов грани часто бывают не такими совершенными, и отражения в них оказываются несколько размытыми. Плоские грани — это внешнее выражение правильности внутреннего расположения атомов, характеризующего кристаллическое состояние вещества.

Кристаллы группируются в СИНГОНИИ (системы), которые легко определить по характерным для них элементам симметрии. В Великобритании (как и в Советском Союзе) принято выделять семь таких сингоний.

Триклинная сингония включает все кристаллы, не имеющие ни осей, ни плоскостей симметрии.

Моноклинная сингония включает все крйсталлы, имеющие одну двойную ось или одну плоскость симметрии.

Ромбическая сингония включает все кристаллы, имеющие три взаимно перпендикулярные двойные оси (или их эквиваленты).

Тригональная сингония включает все кристаллы, имеющие одну тройную ось.

Гексагональная сингония включает все кристаллы, имеющие одну гексагональную ось (ось 6-го порядка).

Тетрагональная сингония включает все кристаллы, имеющие одну четверную (тетрагональную) ось (ось 4-го порядка).

Кубическая (правильная, изометрическая) сингония включает все кристаллы, имеющие четыре тройные и три четверные оси. Тройные оси параллельны диагоналям куба и наклонены одна к другой под углом 70°32

1. Тетраэдр	2. Октаэдр
3. Куб	4. Ромбододекаэдр
5. Пентагондодекаэдр	6. Тетрагонтриоктаэдр
7. Ромбоэдр	8. Скаленоэдр
9. Трапецоэдр	10. Трехгранная призма
11. Трехгранная бипирамида	12. Шестигранная призма
13. Шестигранная бипирамида	14. Четырехгранная призма
15. Четырехгранная бипирамида

Алмаз – от арабского альмас – модификация углерода, в ограненном виде называется бриллиантом. Крупные бриллианты называют солитэрами и дают им собственные имена. Ювелирными камнями являются обособленные монокристаллы. Сростки и агрегаты относятся к техническим алмазам, среди которых различают три вида:

борт – неправильные мелкозернистые сростки бесцветных и окрашенных алмазов и трещиноватые монокристаллы;

баллас – сфероидные агрегаты радиально-лучистого строения, от мутно-белых до серо-стальных;

карбонадо – очень тонкозернистые агрегаты, массивные, шлаковидные, коксовидные, пористые. Наиболее ценны карбонадо массивные с эмалевидной корочкой, которая тверже самого алмаза – эта корочка царапает алмаз.

Большинство монокристаллов имеет размеры до нескольких миллиметров и массу до одного карата. Ювелирные алмазы втречаются как бесцветные, так и с различными оттенками: зеленоватые, голубоватые, розоватые, а также довольно интенсивно окрашенные в желтый, бурый, серый, черный цвета. Очень редко встречеются алмазы чистых ярких тонов – синего, зеленого, красного. Плотность алмаза 3,52 г см^-3, дисперсия 0,044. Гранят алмаз бриллиантовой огранкой, сочетают со всеми драгоценными металлами.