ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТКА МИНЕРАЛОВ ПО КЛАССАМ
Класс минералов «Окислы и гидроокислы»
Окислы – соединения металлов и неметаллов с кислородом. Окислы подразделяются на безводные (простые и сложные) и гидроокислы. Химические связи большинства окислов – ионные, иногда молекулярные, обусловленные силами Ван-дер-Ваальса.
Простые окислы – химическое соединение одного элемента с кислородом. Например, SiO2 – минерал кварц.
Сложные окислы – химическое соединение нескольких элементов с кислородом. Например, MgAl2O4 – минерал шпинель.
Гидроокислы – окислы, в состав которых входит гидроксильная группа [ОН]1-. Например, Mg[OH]2 – минерал брусит. Иногда в химической формуле гидроокислов молекулу воды показывают в явном виде, например, Fe2O3*n H2O – минерал лимонит.
Общее весовое количество свободных окислов в литосфере составляет около 17%. Из них на долю кремнезема SiO2 приходится 12,6%. Окислы и гидроокислы железа составляют 3,6%. Из остальных наибольшее значение имеют окислы и гидроокислы алюминия, марганца, титана и хрома.
Основная масса разнообразных по составу окислов и гидроокислов сосредоточена в самых верхних частях земной коры- на границе ее с атмосферой, содержащей свободный кислород. Глубина проникновения свободного кислорода в земную кору контролируется в основном уровнем грунтовых вод. Кора выветривания горных пород вместе с зонами окисления рудных месторождений – область химических реакций, приводящих к образованию различных минералов, среди которых доминирующую роль играют окислы и гидроокислы металлов.
Весьма существенное значение в образовании окислов и гидроокислов имеет не только свободный кислород воздуха, но и дождевая вода, которая с растворенными в ней кислородом и углекислым газом, просачивается с поверхности в земную кору.
Для характеристики структуры химических соединений (в том числе и минералов) используется понятие координационное число.
Координационное число в кристаллографии - число ближайших к данному атому или иону соседних атомов или ионов в кристалле. Прямые линии, соединяющие центры ближайших атомов или ионов в кристалле, образуют координационный многогранник, в центре которого находится данный атом.
Одному и тому же координационному числу могут соответствовать разные многогранники. В структуре алмаза, сфалерита координационное число равно 4, а координационный многогранник — тетраэдр. В структуре NaCI каждый ион Na окружен шестью ионами Cl, а каждый ион Cl — шестью ионами Na, т. е. для обоих типов ионов координационное число равно 6, многогранник — октаэдр. В структуре флюорита CaF2 для ионов Са координационное число равно 8, многогранник — куб; для ионов F координационное число равно 4, многогранник — тетраэдр. Наивысшее возможное координационное число равно 12, что характерно для металлов с плотнейшей кубической или гексагональной упаковкой. Для металлов с объёмно-центрированной решёткой координационное число равно 8. Для полупроводниковых кристаллов, не имеющих плотнейшей упаковки атомов, характерны координационные числа равные 4 или 6.
В кристаллических структурах окислов катионы всегда находятся в окружении анионов кислорода О2- (или гидроксильной группы [ОН]1-), и координационные числа кристаллических решеток являются важной характеристикой этих минералов.
Катионы и координационные числа в изученных кристаллических структурах безводных окислов приведены в таблице.
Таблица
Катионы и координационные числа простых и сложных окислов
|
Координационное число |
Катионы |
|
4 |
Be2+,Mg2+,Fe2+,Mn2+,Ni2+,Zn2+,Cu2+,Si4+ |
|
6 |
Mg2+,Fe2+,Mn2+,Al3+,Fe3+,Cr3+,Ti4+,Zr4+,Sn4+,Ta5+,Nb5+ |
|
8 |
Zr4+,Th4+,U4+ |
|
12 |
Ca2+,Na1+, Ce3+,La3+ |
Гидроокислы, содержащие гидроксильные группы - [ОН]1-, например Mg[OH]2(минерал брусит), а также окислы, содержащие в качестве катиона водород Н1+, например НАlO2(минерал диаспор), по своему строению весьма существенно отличаются от типичных окислов. Замена ионов О2- дипольными анионами [ОН]1- приводит к образованию типичных слоистых решеток с ионной связью в слоях и вандерваальсовской связью между слоями. При этом снижается симметрия кристаллической решетки. Например, MgO кристаллизуется в кубической решетке типа NaCl, тогда как Mg[ОН]2 - в гексагональной слоистой решетке. Точно также Аl2O3 кристаллизуется в тригональной сингонии, а Аl[ОН]3 ( минерал гиббсит, синоним гидраргилит) - в моноклинной и т. д.
Тип и прочность химической связи обусловливают физические свойства химических соединений, в том числе и минералов.
Для окислов, большинство из которых обладают ионной химической связью, характерны высокая твердость – 6-9 по шкале Мооса, высокая химическая стойкость, тугоплавкость, очень низкая растворимость и т. д.
Безводные окислы образуются преимущественно при эндогенных процессах. Окислы, образующиеся в эндогенных условиях, обычно имеют высокую твердость, стойки к истиранию, характеризуются значительным удельным весом и поэтому часто накапливаются в россыпях (рутил, касситерит, хромшпинелиды, магнетит и др.). Этим минералам свойственна тенденция к образованию кристаллов.
Некоторые окислы, образуются на поверхности, т.е. имеют экзогенное происхождение. Например, двуокись марганца — пиролюзит, окислы меди — куприт и тенорит и др. Такие окислы чаще всего бывают мягкими до сажистых, мажущихся масс и нередко встречаются в виде сплошных землистых скоплений, пленок, примазок и т. п.
Гидроокислы, обладающие слоистыми кристаллическими решетками, ввиду слабых (вандерваальсовских) связей между слоями характеризуются значительно меньшей по сравнению с окислами твердостью. Многие гидроокислы могут легко расщепляться по спайности на тонкие листочки. Твердость гидроокислов двухвалентных металлов низкая; при замене их катионами трехвалентных металлов твердость увеличивается и особенно возрастает при наличии в решетках ионных групп [ОНО]3- (диаспор – твердость 6,5-7). Большинство гидроокислов обладает очень низкой растворимостью в воде. Поэтому при интенсивных процессах окисления гидроокислы способны образовывать сильно пересыщенные растворы. Этим обусловлено, что гидроокислы часто наблюдаются в виде скрытокристаллических и коллоидных масс.
В природе различные гидроокислы алюминия, железа и марганца находятся в тонкодисперсных агрегатах, отдельные составные части которых различаются с большим трудом; такие образования известны под собирательными названиями — боксит, лимонит, псиломелан (вад). Часто минералы всех указанных групп встречаются совместно, образуя тонкие механические смеси между собой, а также с глинистыми продуктами.
Наиболее широко распространенные формы выделений гидроокислов — плотные тонко- и скрытокристаллические, рыхлые, землистые, пористые или натечные агрегаты, различные налеты, корочки, пленки и т. п.; часто встречаются аморфные разности (твердые гели). Для многих минералов характерны широкие колебания состава и физических свойств. Содержание воды в гидроокислах всегда значительно, но обычно непостоянно; при нагревании они теряют воду: частью уже при температурах ниже 110° С, частью при более высоких. В гидротермальных условиях гидроокислы (исключая опал) образуются редко.
Гидроокислы возникают обычно в окислительных условиях, вследствие чего элементы переменной валентности (железо, марганец) присутствуют в них в высоких степенях окисления; с этим связана темная, преимущественно бурая и черная, окраска гидроокислов железа и марганца. Светлые сами по себе гидраты глинозема — минералы бокситов — из-за постоянного присутствия гидроокислов железа часто окрашены в красно-бурые тона.
При процессах регионального метаморфизма, протекающих на умеренных глубинах, за счет гидроокислов происходит образование кристаллически-зернистых масс безводных окислов.
Большинство окислов и гидроокислов — промышленно ценные рудные минералы. Из них добывают многие широко используемые в промышленности металлы, такие как железо, алюминий, хром, марганец, титан, олово, уран.
Класс минералов «карбонаты»
Карбонаты образуют весьма значительное число минеральных видов, многие из которых пользуются широким распространением в природе. Особенно это относится к кальциту СаСO3, который нередко слагает огромные толщи осадочно-морского происхождения. Часто карбонаты являются также спутниками рудных минералов в месторождениях, а в ряде случаев сами представляют промышленный интерес как источники ценных полезных компонентов.
Среди минералов класса карбонатов различают безводные и водные карбонаты. Наиболее широко распространены безводные карбонаты. В состав некоторых карбонатов входит гидроксильная группа [ОH]1-.
Анион [СO3]2- способен давать устойчивые соединения с катионами двухвалентных металлов, обладающими средними и большими ионными радиусами. Число таких металлов невелико. Главнейшие из них: Mg, Fe, Zn, Мn, Са, Sr, Pb, Ва.
Катионы Сu, Zn, Pb с анионом [СO3]2- способны образовывать карбонаты с дополнительными анионами [ОН]1- и Сl1-.
Одновалентные катионы (Na, К, NH4) с анионом [СO3]2- образуют водные карбонаты. Образовывать безводные карбонаты эти катионы могут лишь при условии, если вместе с ними в решетку входит катион Н1+ - бикарбонаты. Водные карбонаты характерны для катиона Mg2+, склонного к гидратации в водных средах.
Карбонаты трехвалентных металлов известны для редких земель с дополнительным анионом F1-. Из числа трехвалентных катионов с малым ионным радиусом в карбонатах изредка встречается лишь Аl3+, и то в виде двойных и притом водных солей в сочетании с двухвалентными металлами (Сu, Рb).
Редкоземе́льные элеме́нты — группа из 17 элементов, включающая лантан, скандий, иттрий и лантаноиды. Все эти элементы — металлы серебристо-белого цвета, имеющие сходные химические свойства (наиболее характерна степень окисления +3).
Карбонатов четырех- и пятивалентных металлов в природных земных условиях не существует.
Шестивалентный уран дает редкий безводный карбонат - рётзерфордит U(CO3)O2. Остальные известные карбонаты урана являются водными.
Расположим катионы двухвалентных металлов в порядке возрастания ионных радиусов: Mg, Zn, Fe2+, Mn2+, Ca, Sr, Pb, Ba. Ионы с меньшим радиусом, чем Са, образуют изоморфные ряды минералов, кристаллизующихся в тригональной сингонии. Ионы с большим радиусом, чем у Са, образуют карбонаты ромбической сингонии. Карбонат самого кальция является диморфным, т. е. может кристаллизоваться и в тригональной и ромбической сингониях.
Катионы Mg, Zn и Fe2+ широко замещают друг друга, что соответствует соотношению размеров их ионных радиусов. Карбонаты Fe2+ и Мn2+ образуют непрерывный ряд изоморфных смесей.
Особенности физических свойств карбонатов. Твердость безводных карбонатов никогда не бывает высокой. Обычно она колеблется от 3 до 5. Растворимость карбонатов в воде повышенная. Особенно это свойственно карбонатам щелочей и бикарбонатам тех элементов, катионы которых обладают либо относительно малыми ионными радиусами (например, Mg2+,Co2+), либо, наоборот, очень большими радиусами (например, Ва2+). Карбонаты Cu2+ встречаются только в виде солей, содержащих в своем составе ионы гидроксила [ОН]1-, нейтрализующих избыточный положительный заряд катиона. Наличие гидроксильной группы [ОН]1- обусловливает интенсивную окраску карбонатов меди в зеленый и синий цвета. Все остальные карбонаты либо бесцветны, либо окрашены в бледные тона. Из оптических свойств для карбонатов очень характерным является высокое двупреломление (Ng-Np).