prosdo.ru
добавить свой файл
1 2 ... 6 7
МИНЕРАЛЫ

ПОНЯТИЕ О МИНЕРАЛЕ И МИНЕРАЛОГИИ
Минералы — это природные вещества (химические соединения, реже элементы) с определенными химическими и физическими свойствами. Слово «минерал» означает рудный штуф, кусок руды.

Горную породу, например, гранит, также продукт геологических процессов в земной коре, нельзя назвать минералом, так как она неоднородна физически и химически в разных частях. Гранит включает в себя как кварц со своим составом и строением, так и полевой шпат, слюду, отличающиеся от кварца и друг от друга.

Минералогия — наука, изучающая минералы. Современная, минералогия изучает происхождение (генезис) минералов, закономер­ности их распространения в природе (парагенезис), а также условия превращения их в другие минералы, так как каждый из минералов образуется и устойчив в определенном интервале температуры, давления и концентрации химических элементов. В задачу минералогии входит также изучение морфологии (внешнего вида), физических свойств, химического состава и внутренней структуры минералов.

Минералы имеют важное значение в народном хозяйстве: их используют в качестве строительных материалов, драгоценных и полудрагоценных камней, руд черных, цветных и редких металлов, агроруд и др.

Поиски их рациональны лишь на основе знания законов обра­зования минералов в определенной природной обстановке.

Минералогия тесно связана со всем циклом геологических наук: геологией, петрографией и геохимией, учением о полезных ископаемых. Связана минералогия и с циклом физико-химических наук: химией, физикой, кристаллографией.

Земная кора состоит из минералов. Известно их около 2000. Большая часть минералов в природе находится в твердом состоянии; известны также жидкие минералы (ртуть, вода, нефть и др.) и газообразные (углекислый газ, горючие газы, сероводород, сер­нистый газ и др.).

Люди уже давно научились создавать синтетические продукты, близкие по свойствам, составу и структуре к минералам. Их называют искусственными минералами (например, кварц, корунд, слюда и др.).


Названия минералов даются по характерным физическим свойствам (например, магнетит), по химическому составу (серный колчедан) или по месту первого обнаружения (Лабрадор по названию полуострова Лабрадор в Северной Америке), в честь ученых или общественных деятелей (биотит — черная слюда, в честь физика Био). Большинство минералов имеет несколько названий.

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ И ФОРМУЛЫ МИНЕРАЛОВ
Состав минерала определяют при помощи химического анализа в лаборатории. Вначале выявляют содержание окислов или отдельных элементов в процентах, затем полученные данные выражают химической формулой минерала.

Например, химический анализ медного колчедана (халькопирита) дает такой состав: Fе = 30,27%; Сu= 34,98%; S = 35,75%.

Для определения химической формулы надо цифры, полученные при анализе, разделить на соответствующие атомные или молекулярные веса. Далее атомные или молекулярные количества элементов или окислов сравнивают между собой и находят их кратные отношения. Они служат коэффициентами в химической формуле минерала (табл. 3).

Таблица 3.

Пример определения формулы халькопирита


Химические элементы

Кол-во вещества, %

Атомные количества

Отношение между атомными количеcтвами

Формула



30,27



1

СuFеS2

Сu


34,98



1

S

35,75



2


Формула халькопирита выражает его количественный состав, но не дает представления о сочетаниях и способах связи между элементами. Коэффициенты в химической формуле показывают лишь, в каком отношении находятся между собой элементы, входящие в состав этого минерала.

Наряду с эмпирическими химическими формулами используют­ся также структурные формулы, которые дают представление не только о химическом составе, но и пространственном положении

атомов в минерале и их связи между собой. Например, эмпирическая формула минерала малахита Н2Сu2СO5, а структурная, изображенная на плоскости:



С учетом сказанного приведенную выше формулу минерала малахита можно написать в следующем виде: Сu2(ОН)2СО3. Из этой основанной на структурном принципе формулы следует, что вода связана с медью прочно, не в виде Н2О, а в виде гидроксила (ОН)1-.

Рентгеновский метод дает возможность выявить связи между атомами в кристаллических структурах минералов, а иногда также расположение последних в пространстве. Вопросами связи химиз­ма со строением вещества и его свойствами занимается наука кри­сталлохимия.

В настоящее время применяется много способов написания химических формул минералов в зависимости от того, что именно хотят передать формулой. Например, структурная формула ортоклаза К[(АlSi38] характеризует тип химического соединения и взаимные связи между отдельными элементами. Для отражения качественного состава важнейших компонентов (элементов) и их количественных соотношений следует формулу ортоклаза предста­вить в виде окислов К2О•А12O3-6Si02.


Химический состав большинства минералов нельзя точно выразить формулой. Это зависит от различных механических приме­сей в минералах и от способности некоторых соединений образовывать изоморфные смеси или твердые растворы.

Примеси могут быть либо механическими, грубыми, легко от­деляемыми, либо очень тонкими, отделяющимися с большим тру­дом. Появление примесей происходит в связи с захватом растущим минералом постороннего вещества. Наличие обычных грубых при­месей не отражается на формуле минерала.

Изоморфизм (от греч. «изос» — равный и «морфэ» — форма) — это способность веществ, близких по химическому составу и кри­сталлографическим свойствам, давать смешанные кристаллы, т.е. строить общую кристаллическую решетку при кристаллизации из расплавов или растворов. Такие кристаллы называются изоморфными смесями. Они имеют переменный состав; иначе их называют твердыми растворами.

С точки зрения химизма и строения кристаллической решетки различают два главных вида изоморфизма: изовалентный и гетеровалентный.

При изовалентном изоморфизме взаимозамещающие ионы имеют одинаковую валентность, в кристаллической решетке происходит замена частиц одинаковой валентности — одного иона другим. Это наиболее простой случай образования смешанных кристаллов. Химические формулы изоморфных веществ в этом случае совершенно подобны, отличаясь лишь одним ионом, обычно катионом, как, например, в оливинах. Оливины, кристаллизующиеся в ромбической сингонии, представляют собой изоморфную смесь двух веществ: форстерита Мg2 [SiO4] и фаялита Fе2 [SiO4], которые встречаются и в виде самостоятельных минералов (также ромбической сингонии); формула оливинов имеет вид: (Мg, Fе)2 [SiO4]. Запятая меж­ду ионами Мg2+ и Fе2+ в этой формуле означает, что они могут за­мещать друг друга в любых количествах, образуя непрерывный ряд соединений промежуточного состава. На первое место обычно ставится преобладающий элемент.


Гетеровалентный изоморфизм более сложный: в кристалличе­ской решетке происходит замена ионов разной валентности, но электростатический баланс восстанавливается так, что сумма ва­лентности замещающих пар равна. Классическим примером такого сложного замещения являются минералы из группы полевых шпатов — плагиоклазы. Плагиоклазы представляют собой непрерывный изоморфный ряд минералов, кристаллизующихся в три-клинной сингонии, где пара ионов Са2+ А13+ замещается парой Na+ Si4+. Крайние члены этого ряда — анортит Са [(А12Si28] и альбит Nа [(А15138] — встречаются также и в виде самостоятельных минералов. В данном случае имеется одинаковая суммарная валентность замещающих групп (5 и 5); при вычитании NaSi из формулы альбита и СаА1 из формулы анортита для обеих формул остаток одинаков — АlSi2О8.

Если содержание изоморфных примесей в минералах невелико, оно совсем не показывается в их формулах (хотя эти примеси могут иметь большое практическое значение). Например, металл кадмий добывается из руд цинка, в формуле которых он даже не обозначается вследствие низкого его содержания.

В соответствии с изменением состава изменяются и физические свойства изоморфных веществ. Например, у плагиоклазов изме­няются оптические свойства, на чем основана их диагностика при кристаллооптическом изучении. У оливинов изменяется окраска минерала от зеленой до черной, а также понижается температура плавления с повышением содержания фаялита.

По степени совершенства изоморфных замещений можно выде­лить два случая. В первом случае замещение одного элемента дру­гим может быть в пределах до 100% — это совершенный, или пол­ный, изоморфизм (оливины, плагиоклазы). Во втором случае замещение может быть частичным — от сотых долей до нескольких процентов. Это несовершенный, или ограниченный, изоморфизм. Так, кальцит Са [СО3] и магнезит Мg [СО3] дают лишь одно соединение промежуточного состава — доломит СаМg [СО3]2. Отсутствие в формуле доломита запятой между Са и Мg указывает на то, что здесь мы имеем химическое соединение определенного состава, а не изоморфную смесь.


Элементы, способные замещать друг друга в узлах кристалли­ческой решетки (занимать в ней одинаковое положение) без на­рушения ее строения, называются изоморфными между собой и относятся к одному изоморфному ряду. Понятие об изоморфных рядах элементов, связанных с периодической системой Менделее­ва, было разработано академиком В.И.Вернадским. В разных термодинамических оболочках земной коры эти изоморфные ряды различны, т.е. изменяются под влиянием температуры и давления. Почему же атомы или ионы данного элемента могут замещать в кристаллической решетке атомы (ионы) только некоторых, а не всех элементов? Чтобы это понять, попытайтесь представить себе кристаллическую решетку не как систему точек, разделенных боль­шими пустыми промежутками (как обычно изображается простран­ственная решетка), а как систему соприкасающихся шаров. Каж­дый шар — сфера действия атома (иона), т. е. пространство, внутрь которого не могут в соответствии с законами взаимодействия элек­трических зарядов проникнуть другие атомы (ионы), окруженные своими атомными (ионными) сферами.

Таким образом, расстояния между определенными атомами (ионами) решетки при определенных условиях температуры и давления строго постоянны и определяются законами электростатики. Постоянны и радиусы сфер действия атомов (ионов), называемые атомными (ионными) радиусами (Ri)1 .

Измерение атомных и ионных радиусов показало, что между собой изоморфны только те элементы, атомные (ионные) радиусы которых близки между собой. Разница в размерах радиусов взаимно замещающих ионов не должна превышать 15% от радиуса мень­шего из ионов.

Поясним сказанное примерами. Непрерывный изоморфный ряд известен для карбонатов магнезита Мg [СО3] и сидерита Fе [С03] вследствие большой близости атомных (ионных) радиусов магния и закисного железа: Ri Мg2+=0,74Å; Ri Ре2+=0,80Å. Члены этого ряда могут быть выражены формулой (Мg, Fе) [СО3] или (Fе, Мg) [СО3]; здесь запятая показывает, что ионы Мg и Fе ведут себя подобно атомам одного элемента. А вот у галита NаС1 и сильвина КС1, кристаллизующихся в кубической сингонии, при аналогии химического состава изоморфных отношений не наблюдается (при обык­новенной температуре), так как размеры их ионных радиусов силь­но отличаются (Ri Ма+ = 0,98 Å, а Ri K+= 1,33 Å).


Явление изоморфных замещений не остается неизменным при различных внешних условиях. При высоких температурах замеще­ние идет легче, и многие вещества, не изоморфные при обычной температуре, становятся изоморфными при высоких температурах. Так, например, щелочные полевые шпаты, ортоклазы К [(А1Si38] и альбит Na [(А1Si38] при кристаллизации из магмы образуют непрерывный изоморфный ряд (К, Na) [(А1Si3)08], но затем при по­нижении температуры эта изоморфная смесь вновь распадается в твердом состоянии на два самостоятельных минерала: один с пре­обладающим содержанием калия — ортоклаз и другой с преобла­дающим содержанием натрия — альбит. Это явление получило название распада твердых растворов.
1 Ионные (атомные) радиусы измеряются в ангстремах (Å); 1 Å = 10-8см.
Большинство минералов в тех или иных количествах содержит изоморфные примеси. Важнейшие и наиболее распространенные группы силикатов (оливин, пироксены, амфиболы, полевые шпаты) представляют собой изоморфные смеси.

Изоморфизм помогает понять причины многочисленных ассоциаций элементов в земной коре и дает возможность предвидеть в ряде случаев наличие тех или иных промышленно-ценных редких (рассеянных) элементов во многих широко распространенных минералах. Так, например, германий маскируется кремнием, цезий, рубидий — калием и т. д.

Полиморфизм (от греч. «поли» — много и «морфэ» — форма), или многоформность, — это способность вещества кристаллизо­ваться при том же химическом составе в различных структурах, относящихся к различным видам симметрии или сингониям. Отдельные разновидности одного и того же вещества, имеющие раз­ное строение, отличаются и по своим свойствам. Они представляют собой минералы — полиморфные разновидности (модификации) данного вещества. Возникновение таковых объясняется различными физико-химическими условиями их образования (температуры, давления) и характером окружающей среды. Полиморфным разновидностям одного и того же химического соединения дают разные названия или же обозначают буквами греческого алфавита α, β, γ.


Классическим примером полиморфизма является углерод. Он кристаллизуется в двух системах: кубической — алмаз и гексагональной — графит. По свойствам эти два минерала резко отлича­ются друг от друга. Алмаз замечателен своей высокой твердостью, является самым твердым из всех известных нам минералов, не про­водит электричество. Бесцветные и прозрачные кристаллы его име­ют необычайно сильный блеск.

Совершенно другими свойствами обладает графит. Твердость его небольшая (графитовые карандаши), легко расщепляется на чешуйки, хорошо проводит электрический ток. Агрегаты графита отличаются своей непрозрачностью и черным или стально-серым цветом.

Плотности их также резко различны: у алмаза плотность 3,5 — 3,6, у графита — 2,2.

Алмаз образуется при высокой температуре и очень высоком давлении, на большой глубине внутри Земли, графит — на меньшей глубине, при меньших температурах и давлении.

Причина различных свойств алмаза и графита объясняется их структурой, т.е. расположением атомов углерода. У графита связь атомов углерода менее прочная, чем в алмазе. Структура графита характеризуется плотным размещением атомов углерода в параллельных плоскостях (рис. 25). В каждом слое атомы расположены по углам правильных шестиуголь­ников и между ними существует прочная связь. По вертикальному направлению слои удалены друг от друга на большие расстояния, и связь между ними более слабая. Полиморфизм минералов, представляющих собой химические элементы (углерод, сера и др.), называют аллотропией. Хорошо известны гексагональная, ромбическая и моноклинная модификация серы.

В виде различных полиморфных разновидностей встречаются и более сложные образования: CaCO3, FeS2 и др.

Переход одной полиморфной разновидности (модификации) в другую, вызываемый, например, изменением температуры, происходит скачком, с перестройкой структуры при определённой, характерной для данной разновидности (если давление остаётся неизменным) и сопровождается выделением или поглощением тепла.


Хорошо изучен полиформизм кремнезема (SiO2), который образует три основные разновидности: кварц, тридимит и кристобалит, каждая из которых имеет несколько модификций. При повышении температура кварц, устойчивый только до 573°С, переходит последовательно в целый ряд полиморфных модификаций:


α=кварц

573°С



β-кварц

870°С



β-тридимит

1470°С



β-кристобалит

1713°С



кварцевое стекло

тригональная сингония




гексагональная сингония




гексагональная сингония




кубическая сингония




плавится


Знание температур полиморфных преобразований кварца используется для практических целей (например, для получения тридимита – огнеупорного материала, который не испытывает превращений в интервале температур 870-1470°С, кварц предварительно нагревают до температуры выше 870°С).

Наличие полиморфных модификаций у кремнезема позволяет использовать его и в качестве геологического «термометра». По нахождению той или иной полиморфной модификации среди горных пород и жильных месторождений мы можем судить о темпера­турных интервалах, в которых происходило образование породы.

Для образования полиморфной разновидности того или иного вещества необходимы определенные интервалы значении температуры и давления. С изменением этих параметров она становится неустойчивой и теоретически со временем должна перейти в разновидность, устойчивую в новых условиях. Но вследствие очень малой скорости перестройки кристаллической решетки при низких тем­пературах полиморфные разновидности одного вещества могут существовать в одних и тех же условиях практически бесконечно долго: одна — в устойчивом состоянии, другая — в относительно неустойчивом (например, алмаз на поверхности земли).


следующая страница >>