1.2 Плотность химических элементов и минералов

Плотность химических веществ тем выше, чем больше они содержат атомов значительной относительной атомной массы и чем плотнее они упакованы в единице объема.

Плотность химически чистых простых твердых веществ характеризуется постоянным, строго определенным значением. Наименьшую плотность имеют литий – 0,53 г/см³ и калий – 0,86; наибольшую – осмий и иридий – 22,5.

Для каждого ряда элементов, имеющих одинаковые главные квантовые числа, т. е. для каждого периода Периодической системы элементов, наблюдается возрастание плотности и уменьшение атомного радиуса элементов в первой половине ряда и понижение плотности и увеличение атомного радиуса во второй половине ряда (рис. 1.1). Максимальная плотность элементов в каждом ряду увеличивается от периода к периоду по мере повышения атомной массы.

Рисунок 1.1 – Характеристика физических свойств

И атомного строения элементов:

I – плотность; II – скорость распространения продольных волн;

III – атомный радиус; IV – относительная атомная масса;

26 – периоды Периодической системы элементов

Плотность минералов тем выше, чем больше они содержат атомов значительной относительной атомной массы и чем плотнее атомы упакованы в единице объема. Упаковку определяют атомные (ионные) радиусы, валентности и тип связи частиц. Основное влияние на плотность рудных минералов оказывает их средневзвешенная относительная атомная масса, а на плотность породообразующих минералов – упаковка.

Важнейшие породообразующие минералы (кальцит, кварц, олигоклаз, нефелин и др.) сравнительно мало отличаются по средневзвешенной относительной атомной массе, и она сравнительно невелика, поэтому плотностная дифференциация этих сред обусловлена в основном их структурой – плотностью упаковки частиц в монокристаллах. Влияние радиуса частиц легко показать, сравнивая плотность ионных кристаллов сильвина и галита. Хотя в состав сильвина входит атом калия с большей относительной массой, чем атом натрия, находящийся в молекуле галита, плотность сильвина (1,99 г/см³) меньше плотности галита (2,12,2 г/см³) за счет различия в ионных радиусах К и Na, равных соответственно 0,0133 и 0,098 нм.

Зависимость плотности от валентности ионов, входящих в состав минералов, объясняется так. Крупные ионы (например, О^2-, S^2-, Сl^-) многих минералов образуют плотнейшие упаковки. Катионы меньшего радиуса располагаются между ними. Причем катионов между анионами может быть тем больше, а плотность минерала тем значительнее, чем меньше их валентность и выше валентность анионов.

Зависимость плотности от структуры минерала и плотности упаковки его атомов или молекул может быть показана на примере одинаковых по химическому составу, но различных по структуре минералов. Хотя графит и алмаз имеют идентичные химические составы, структура их резко различна. Графит характеризуется слоистой структурой при расстоянии между слоями 0,34 нм и расстоянии между атомами в слое 0,142 нм, а алмаз – более плотной структурой с расстоянием между атомами 0,154 нм, это сказывается на плотностях этих минералов, равных соответственно 2,2 и 3,5 г/см³. Различие в структуре обычно также для арагонита и кальцита. Арагонит имеет более плотную структуру, и это определяет его большую плотность (2,552,94 г/см³), чем плотность кальцита (2,73 г/см³).

Плотность минералов изменяется от 0,98 г/см³ для льда до 22,5 г/см³ для иридистого осмия.

Минералы классифицируются на плотные (_т>4 г/см³), средней (_т=2,54,0 г/см³) и малой (_т<2,5 г/см³) плотности.

Большая часть всех минералов имеет среднюю плотность. Незначительное число минералов (1015 %) малой плотности.

К плотным минералам относятся: селен, теллур, самородные металлы (золото, серебро, медь и др.), сульфиды, за редким исключением, более половины из окислов и гидроокислов и др.

К минералам малой плотности принадлежат следующие: из самородных неметаллов – графит и сера; некоторые из окислов и гидроокислов (лед, опал); многие минералы класса силикатов (галлуазит, монтмориллонит); некоторые из боратов (бура); водные карбонаты (сода); водные сульфаты (мирабилит), из хлоридов – галит, сильвин.

Таблица 1.1 – Значения плотности породообразующих и рудных минералов

Минерал	, г/см3	Минерал	, г/см3
Лед	0,98	Кварц	2,67
Каменные угли	1,252,27	Кальцит	2,7
Сильвин	2,0	Мусковит	2,83,1
Галит	2,1	Ангидрит	2,96
Графит	2,2	Магнезит	2,97
Гипс	2,3	Роговая обманка	3,13,2
Ортоклаз	2,53	Халькопирит	4,1
Микроклин	2,55	Пирит	4,5
Каолинит	2,58	Магнетит	4,7