05_Минералы_пояснит. текст

Минералы

Термин «минерал» в той или иной мере известен большинству людей. Из рекламы мы знаем о каких-то комплексах с минералами в еде и косметике, большинство окружающих нас предметов изготовлены из горных пород или их составных частей – минералов. Керамика – из обожженной минеральной массы – смеси полевого шпата, каолина, кварца. Кинескоп телевизора светится за счет люминесценции солей кадмия и цинка (добываются из сфалерита) в потоке электронов. В бумагу помимо основного материала входят минералы каолинит, кальцит (мел), барит. Список этот можно продолжать до бесконечности, так как наш быт без минералов уже невозможен.

В настоящее время известно более четырех тысяч минералов. Ежегодно открывают несколько десятков новых минеральных видов и несколько «закрывают», доказывая, что такой минерал не существует. Четыре тысячи минералов — это очень немного по сравнению с числом известных неорганических соединений (более миллиона), но даже названия всех существующих минералов запомнить невозможно. Для определения минералов геологи пользуются различиями в структуре и свойствах минералов.

Химический состав и структура минералов

Каждый минерал характеризуется своей конституцией – только ему присущим определенным единством его кристаллической структуры и химического состава. Так формулу С – углерод имеют как минимум два минерала – алмаз и графит. В первом случае атомы углерода упакованы плотно и скреплены сильными химическими связями, во втором атомы располагаются слоями. Такие разновидности минералов называют

полиморфными модификациями.

Формулу SiO2 имеют около десяти полиморфных модификаций – кварц, тридимит, стишовит и др. Каждый из них устойчив только при своих значениях температуры и давления.

Взаимосвязью состава, структуры, характера связей в кристаллах различных веществ занимается наука кристаллография.

Кристаллы построены из ионов, атомов или молекул, геометрически правильно расположенных в пространстве. Для описания порядка расположения частиц в пространстве их отождествляют с точками.

В структуре минералов выделяют узлы (атомы, ионы), ряды (узлы на одной прямой) и плоские сетки (плоскости). Плоские сетки отвечают граням кристаллов.

Существует три основных способа изображения кристаллических структур минералов на рисунках и объемных моделях. Первый способ – в узлах кристаллической решетки размещают шарики, их делают разного цвета или размера для атомов разных химических элементов. Второй способ заключается в изображении атомов в виде сфер разного диаметра, целиком заполняющих весь объем модели. Размер шаров соответствует радиусам атомов. При третьем способе структуру изображают с помощью тетраэдров, октаэдров, кубов и пр. Обычно принимается, что в середине каждого полиэдра запакован катион, а их вершины – центры тяжести атомов кислорода, серы или других анионов.

Главнейшими особенностями кристаллических структур являются:

1)однородность (одинаковость узора взаимного расположения атомов во всех частях его объема);

2)анизотропия (изменение физических свойств по разным направлениям);

3)симметричность (закономерная повторяемость на плоскости или в пространстве элементарных частиц).

Ось симметрии, плоскость симметрии, центр симметрии. Формула симметрии.

Кристаллы независимо от огранки характеризуются одной и той же формулой симметрии. Число таких формул не беспредельно, поскольку элементы симметрии связаны между собой. В природе может существовать только 32 сочетания, которые деляться на 7 групп – сингонии кристаллов.

Важнейшим свойством кристаллических веществ является способность самоограняться – т.е. принимать при свободном росте геометрическую форму в соответствии с внутренним строением и условиями роста.

Совокупность граней кристалла, отвечающих одинаковым плоским сеткам, называют кристаллографическими формами. На идеально развитом кристалле все грани одной и той же простой формы одинаковы.

Чаще всего кристаллы огранены комбинацией нескольких простых кристаллографических форм. Доказано, что в мире кристаллов число простых кристаллографических форм ограничено. Всего их 47.

Свойства минералов

Свойства минералов условно можно разделить на физические и химические. К физическим относятся оптические, механические, электрические, магнитные, теплофизические свойства. К химическим – степень реакционной способности, растворимость и пр.

Окраска (цвет) минерала

Окраска минералов бывает самой разнообразной. Одни минералы всегда имеют только один характерный цвет (зеленый малахит, синий азурит), другие – разную окраску, иногда меняющуюся по разным направлениям (многоцветные турмалины, бериллы).

Существуют также чужие или чужеродные окраски, которые обусловливаются вростками пигментирующих веществ, цветными пленками различной природы.

Цвет минерала очень часто является его специфическим свойством, поэтому он используется при диагностике минералов. Важным приемом при этом служит определение цвета минерала не только в его естественных кристаллах и зернах, но и в его порошке – по цвету черты, оставленной минералом на шероховатой пластинке. Цвет черты и цвет минерала могут сильно различаться.

Блеск

Блеск определяется величиной отражательной способности полированной поверхности кристалла. Выделяют блеск металлический, полуметаллический (пирит, магнетит) и стеклянный (кварц).

Для минералов с шероховатыми поверхностями выделяют шелковистый, перламутровый (гипс, кальцит) или жирный (кварц в изломе, нефелин) блеск.

Блеск одних и тех же минералов на гранях кристаллов, в их изломах и агрегатах обычно разный.

Люминесцентные свойства

Люминесценцией называется способность кристаллов светиться под влиянием разного рода излучений за пределами длин волн видимого света. В зависимости от вида излучения, используемого для возбуждения люминесценции, различают фотолюминесценцию (возбуждение ультрафиолетовыми лучами), рентгенолюминесценцию (рентгеновскими лучами), катодолюминесценцию (потоком электоронов) и др .

Наиболее просто люминесценция минералов наблюдается в ультрафиолетовых лучах в темноте. Нелюминесцентные минералы остаются черными, у других появляется свечение различного цвета – фиолетовое, синие, голубое, зеленое, желтое, оранжевое или красное.

Плотность

Плотность минералов изменяется в широких пределах – от 0,8 г/см3 (природные углеводороды) до 22,7 г/см3 (осмистый иридий).

Плотность возрастает с ростом компактности кристаллической структуры вещества, увеличением атомного номера слагающих минерал химических элементов, уменьшением их радиусов.

Механические свойства

К механическим свойствам относятся: твердость, спайность, отдельность, пластичность, ковкость и пр.

Твердость

Под твердостью понимают сопротивление, оказываемое кристаллом царапающему, сверлящему или давящему предмету. Для быстрой диагностики минералов их твердость определяется методом царапания с помощью эталонов твердости. До сих пор с этой целью используется 10 эталонов по старинной шкале, предложенной Моосом в 1824 г. В этой шкале каждый последующий минерал своим острым концом царапает предыдущий минерал.

Иногда приходится пользоваться подручными эталонами, хотя они и менее точны – ногтем (тв. 2,5), стеклом (тв. 5), ножом (тв. 5,5-6). При определении твердости испытывают всегда свежую поверхность минерала. У некоторых кристаллов из общего закона анизотропии твердость различна для различных граней кристалла.

Спайность

Спайность – это способность кристаллов раскалываться параллельно определенным направлениям в соответствии с их внутренней структурой.

Обычно, чтобы охарактеризовать спайность, надо определить степень ее совершенства и простую форму, по которой кристалл раскалывается.

Качество спайности определяется по следующей шкале:

Весьма совершенная – минерал легко раскалывается на тонкие пластинки и листы (слюда, тальк, гипс).

Совершенная – кристаллы раскалываются на более толстые пластинки, бруски с ровными поверхностями (кальцит).

Средняя – поверхность скола на всегда ровная и блестящая (полевой шпат).

Плохая или несовершенная В зависимости от внутренней структуры кристалл может раскалываться

по нескольким направлениям. При спайности по пинакоиду – по одному, по ромбической или тетрагональной призме – по двум, гексагональной призме – по трем, кубу – по трем, октаэдру – по четырем, ромбододекаэдру – по шести направлениям.

Магнитные свойства

По магнитным свойствам выделяют магнитные, слабомагнитные и немагнитные минералы. Первые притягиваются простым магнитом (магнетит, пирротин, самородное железо, ильменит). К слабомагнитным относят те минералы, которые не притягиваются простым магнитом, но приобретают магнитные свойства под действием электрического поля (железистые силикаты). Немагнитных минералов большинство – полевые шпаты, кальцит, кварц и др.

Минералы Простые вещества

К этому типу минералов относятся элементарные вещества (самородные элементы) – графит, алмаз, медь, а также интерметаллиды Pt3Sn, Cu7Hg6 – соединения, в которых каждый металл занимает свои строго определенные позиции в кристаллической решетке минерала. Интересно в этом отношении сравнить минерал Pt3Fe (интерметаллид) и минерал (Pt, Fe).

В первом случае соотношение атомов платины и железа строго закономерно, во втором случае лишь часть атомов платины замещена железом в разнообразных пропорциях.

Сера

Обычно химически чистая. Встречается в виде масс, прожилков, а также одиночных кристаллов в вулканических породах.

Кристаллы образованы комбинацией граней дипирамид, призм, пинакоида. Цвет желтый, зеленовато-желтый, грязно-желтый. Блеск жирный в массе, на гранях – алмазный. Хрупкая, мягкая (твердость 1-2). Плавится и загорается в пламени спички.

Промышленные месторождения образуются как продукт кристаллизации вулканических возгонов и в осадочных горных породах. В них сера формируется за счет разложения сероводорода бактериями. Используется для производства серной кислоты.

Графит

Обычно химически чист. Чаще всего встречается в жирных на ощупь массах, реже образует вкрапленность одиночных пластинчатых кристаллов с сильным металлическим блеском. Очень мягкий (тв. 1).

Структура слоистая. Промышленные месторождения графита приурочены к щелочным и метаморфическим горным породам. Графит используется в металлургии, а также для изготовления электродов, карандашных грифелей.

Сернистые соединения

К этому типу относятся около 500 минеральных видов, главные из которых – сернистые соединения металлов и полуметаллов. С позиций общей химии их можно разбить на 4 группы: простые и сложные сульфиды (соли

сероводородной кислоты), сульфосоли (т.е. соли бескислородных кислот), полисернистые сульфиды (соли полисернистой кислоты).

Главные кристаллохимические особенности сульфидов определяются сочетанием в их структуре типичного ионообразователя – серы и типичных металлов – железа, свинца, цинка. В целом сульфиды характеризуются большим разнообразием структур и сложными связями между атомами.

Разнообразие кристаллических структур сульфидов подразделяется на условные типы: координационные, островные, ленточные, слоистые и с комплексными анионами.

Принцип построения координационных структур наиболее наглядно демонстрируется на примере галенита.

Как видно из картинки, закон чередования атомов во всех трех измерениях одинаковый. Свинец и сера взаимно окружают (координируют) друг друга.

Галенит содержит изоморфные примеси Ag, Sb, Se, Te. Кристаллы встречаются в виде кубов и комбинаций куба с октаэдром. Цвет свинцовосерый, блеск металлический. Весьма совершенная спайность по кубу. Мягче кальцита, очень тяжелый.

Островные структуры характерны для пирита и других полисернистых соединений.

Структура пирита является, как и у галенита, аналогом структуры галенита, но в пирите атомы серы не одиночные, а сдвоенные. Они соединены существенно ковалентными связями в двухзарядный комплекс S2, это как бы островная обособленная группировка в структуре минерала.

Пирит содержит изоморфные примеси Co, Ni, As, Cu, Sb. Очень характерны кристаллы в виде куба, на гранях которого обычна грубая штриховка. Цвет пирита соломенно-желтый, блеск сильно металлический. Твердость как у всех персульфидов высокая (6,5). Пирит – самый распространенный сульфид в природе, образуется почти во всех типах минеральных месторождений.

Примером слоистых структур является структура молибденита. Она как бы состоит из трехслойных пакетов, в каждом из них средний слой молибденовый, верхний и нижний – из атомов серы. Общий заряд пакета нулевой, между ними осуществляются остаточные связи.

Для молибденита характерны пластинчатые кристаллы серого цвета с весьма совершенной спайностью и металлическим или жирным блеском.

Структуры с комплексными анионами характерны для сульфосолей. Кислотный радикал в них и является комплексным ионом, занимающим в кристаллической решетке несколько обособленные позиции. Например, в структуру серебряной руды Ag3(SbS3) входят комплексные анионы (SbS3)3-. Они имеют вид низких широких тригональных пирамид с атомами сурьмы в их вершинах и атомами серы в основаниях, между этими комплексными анионами размещаются атомы серебра.

Красные серебряные руды – это минералы непрерывного изоморфного ряда от прустита до пираргирита (Ag3(SbS3) - Ag3(AsS3)). Встречаются в виде тригональных кристаллов и зерен. Цвет красный, блеск алмазный.

Вприроде сульфиды кристаллизуются чаще всего из водных растворов при температурах приблизительно от 600 градусов и ниже.

Оксиды

Коксидам относятся простые по своей природе минералы, такие как кварц, гематит, магнетит и др.

Вокислах единственным анионом является кислород, но разнообразие других компонент очень велико. Их ионы имеют разные размеры и характеризуются стремлением к образованию то ковалентных, то ионных, то металлических, то смешанных химических связей. Все это приводит к большому разнообразию структур оксидов.

Кварц

Воснове структуры кварца плотные тетраэдрические группировки (SiO4)4-, в которых кремний располагается между четырьмя прилегающими друг к другу атомами кислорода.

Связь между кислородом и кремнием смешанная ионно-ковалентная, тетраэдры соединяются друг с другом через свои вершины, образуя бесконечный трехмерный каркас с полостями между тетраэдрами. Разворот тетраэдров друг относительно друга может быть разным, что обусловливает появление различных полиморфных модификаций. Большая доля ковалентных связей и каркасное строение обеспечивают большую твердость кварца (тв. 7 по шкале Мооса) и отсутствие спайности.

Встречается кварц в одиночных кристаллах, и их сростках (друзах, щетках и др). Окраска кварца различна и по цвету и по своей природе. Идеально чистый кварц в крупных бездефектных кристаллах бесцветен и издревле называется горным хрусталем. Кварц с примесью железа 3+ имеет фиолетовый цвет и называется аметистом. Красивые друзы и кристаллы аметиста встречаются преимущественно в Бразилии. Кварц с примесью алюминия окрашивается в бурый цвет и называется морионом. Из числа разновидной кварца с ложной окраской можно назвать молочный кварц. Он наполнен мельчайшими остаточными включениями природных растворов или разбит тончайшими трещинками, что придает минералу молочный цвет.

Интересной разновидностью кварца является кварц-волосатик. Образуется кварц в разных условиях, отмечается практически во всех

типах горных пород.

Магнетит

Состав очень сложен, всегда есть примеси. Fe3O4

Цвет чёрный. Блеск обычно металлический, но иногда бывает жирносмоляной или матовый. Непрозрачен. Твёрдость 5,5—6. Плотность 4,9—5,2. Иногда наблюдается несовершенная спайность по (111). Излом раковистый или неровно-ступенчатый. Магнитный.

Распространён весьма широко, образует большие скопления и рудные залежи. Встречается в виде кристаллов октаэдрического и ромбододекаэдрического облика, нередко образующих друзы,