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
Fе	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[(АlSi₃)О₈] 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 [(А1₂Si₂)О₈] и альбит Nа [(А151₃)О₈] — 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 (R_i)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: R_i Мg²⁺=0,74Å; R_i 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 (R_i Ма⁺ = 0,98 Å, а R_i 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 [(А1Si₃)О₈] и альбит Na [(А1Si₃)О₈] 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).

Контрольные вопросы:

1. Дайте определение понятия «минерал».

2. Что такое минералогия и каковы ее главные задачи?

3. Чем отличаются структурные формулы минералов от эмпирических?

4. Что называется изоморфизмом? Приведите примеры минералов, представляющих изоморфную смесь.

5. Что такое полиморфизм?

6. Назовите полиморфные модификации углерода и FeS₂. Сравните их свойства.