Розділ 4 Класифікація мінералів

Значна (багатотисячне) кількість мінералів до даного часу має певну класифікацію. Це пов'язане з різним підходом до мінералів для вирішення конкретних геологічних завдань:

1) поділ мінералів за їх кількісним вмістом й частотою виявлення в земній корі - всі мінерали діляться на дві групи: рідкі й породоутворюючі;

2) генетична класифікація - мінерали розділяються за способом утворення, при цьому враховуються їхні фізичні властивості й зовнішні ознаки;

З) кристалографічна класифікація - за основу взята їх зовнішня форма;

4) кристалохімічна (основна) класифікація - в її основі лежать внутрішня структура й хімічний склад мінералів. Розглянемо це на прикладі формули такого досить поширеного мінералу, як каолініт А1₄[Sі₄О₁₀]·(ОН)₈. За цією формулою можна одночасно судити про структуру кристалічних ґраток мінералу й про його хімічну будову. Ця класифікація найбільш повно відбиває властивості мінералів й умови їхнього утворення в природі.

Згідно з кристалохімічною класифікацією всі мінерали поділяються на 10 основних класів: I - силікати; ІІ - карбонати; ІІІ - оксиди; ІV - гідроксиди; V - сульфіди; VІ - сульфати; VІІ - галоїди; VІІІ - фосфати; ІХ - вольфрамати; Х - самородні елементи.

4.1 Хімічний склад мінералів

Природні мінерали являють собою або хімічні сполуки, або окремі хімічні елементи. Значно поширені мінерали з вмістом води в різному стані.

Кожен мінерал має свій певний хімічний склад, але при цьому слід зазначити: 1) у структурі деяких мінералів можуть бути наявні й інші хімічні елементи (ізоморфізм); 2) мінерали однакового хімічного складу мають, як правило, різну внутрішню будову (поліморфізм).

Ізоморфізм - здатність того самого мінералу при одній і тій самій структурі мати відмінності в хімічній будові. Це пов’язане з взаємозамінністю в його кристалічних ґратках елементів, близьких за своєю хімічною будовою, наприклад, взаємозаміняють один одного натрій і калій, кальцій і магній і т.д. Можна показати на прикладі: у мінералі олівіні (Mg, Fе) SіО₄ іон Mg ізоморфно заміщений на іон Fе.

Поліморфізм - здатність мінералу при одній і тій самій хімічній будові набувати різних зовнішніх форм. Прикладом може служити алмаз. До його складу входить вуглець, а зовнішня форма може бути різною. На рисунку 4.1 показано поліморфні кристали мінералів - алмазу й корунду.

Хімічний склад мінералу може бути виражений у вигляді двох формул: емпіричної й структурної. Емпірична формула створюється на основі хімічного валового аналізу, де кожен хімічний елемент перераховується на оксид, наприклад формула каолініту буде мати такий вигляд: А1₂О₃·2SіО₂ 2Н₂О.

Р исунок 4.1 - Поліморфні форми кристалів мінералів корунду (а) і алмазу (б)

Емпіричні формули виражають кількісний склад хімічних елементів. Структурна формула, крім хімічного складу, дозволяє судити про тип хімічного зв'язку й взаємних зв'язків між окремими хімічними елементами. У цьому випадку формула каолініту буде мати вже інший вигляд - А1₄ [Sі₄О₁₀]·(ОН)₈. З цієї формули можна зробити висновок, що в основі кристалічних ґраток мінералу лежать відособлені групи атомів, у цьому випадку [Sі₄О₁₀], з дуже міцними між собою зв'язками.

Хоча кожна поліморфна модифікація речовини стабільна лише у своїй області температур і тисків, в метастабільному, нестійкому стані — в «чужій» області вона може існувати досить довго. Поліморфізм олова є тут гарним прикладом. Біле олово може переохолоджуватися нижче температури переходу, яка дорівнює +13,2°С, і існувати у вигляді білого металу досить довго. Однак його стан при t<13,2° С не стійкий, тому струс, механічне ушкодження, внесення стабільного запалу викликають різкий стрибкоподібний фазовий перехід, що одержав назву "олов'яної чуми". Перехід з β - в α - модифікацію олова відбувається зі зміною типу зв'язку від металевого до ковалентного й супроводжується різкою зміною обсягу. Коефіцієнт лінійного розширення у сірого олова в чотири рази більше, ніж у білого; тому біле олово, переходячи в сіре, розсипається в порошок.

Не менш відомим прикладом існування метастабільних поліморфних модифікацій є алмаз і графіт-дві кристалічні модифікації вуглецю. Поліморфний перехід графіт - алмаз теж супроводжується зміною типу зв'язку: в алмазі зв'язки чисто ковалентні, у шаруватій структурі графіту зв'язки між шарами Ван-дер-Ваальсові, а всередині шарів ковалентні з деякими частинками металічності β.

Алмаз -кубічний Fd3m, прозорий, твердіший з всіх природних кристалів, діелектрик або напівпровідник.

Графіт - гексагональний, C6/mmc, чорний, непрозорий, один із найм'якших мінералів, гарний провідник електрики.

Алмаз набагато щільніший, ніж графіт: коли алмаз перетворюється в графіт, обсяг матеріалу збільшується на 36%.

При кімнатній температурі й атмосферному тиску стабільною модифікацією є графіт, а алмаз - нестабільна модифікація. Область стабільності алмаза лежить при високих температурах і тисках. Однак швидкість перетворення алмаза в графіт надзвичайно мала, й алмаз існує при звичайних умовах у вигляді цілком стійкої модифікації.

Поліморфне перетворення кристалів вуглецю — наприклад монотропного, тобто необоротного, переходу. При температурі вище 1000° С алмаз легко й швидко переходить у графіт. На противагу цьому перетворити графіт в алмаз вдається лише при температурах більше 3000° С і тисках до 10⁸ Па, тобто при умовах термодинамічної стійкості алмазу. Тому довгі й численні спроби синтезу кристалів алмазу увінчалися успіхом лише в останні роки, коли навчилися створювати високі тиски.

Від фазових переходів I роду, до яких відносять наведені приклади, відрізняються фазові переходи IIроду, при яких немає стрибкоподібної зміни внутрішньої енергії, відповідно немає поглинання або виділення тепла. Стрибком змінюється питома теплоємність (перша похідна енергії). Прикладами фазових переходів II роду можуть служити феромагнітні й сегнетоелектричні переходи, а також зміни ступеня впорядкованості в сплавах.