32. Магнитные, электрические свойства.

По магнитным свойствам выделяют магнитные, слабомагнитные и немагнитные ми­нералы. Первые притягиваются простым (постоянным) магнитом. Таких минералов лишь несколько—это магнетит, пирротин, самородное железо, тетраферроплатина, изоферроплатина, железистая платина, некоторые разновидности ильменита, причем кристаллы и зерна магнетита, пирротина, изредка ильменита сами по себе являются природными постоянными магнитами, имеющими силу и полярность настоящего маг­нита. К слабомагнитным относят те минералы, которые не притягиваются простым магнитом, но приобретают магнитные свойства под действием электрического поля.

Таковы, например, разные железистые силикаты, оксиды и гидроксиды железа, иль­менит ГеТЮз, железистый сфалерит. Немагнитно большинство минералов—полевые шпаты, кальцит, кварц и др. Это разделение минералов на три группы удобно в прак­тической работе геолога и используется при обогащении и переработке руд, но, ко­нечно, оно условно, так как определяется уровнем техники изготовления магнитов и электромагнитов и произвольно принимаемыми граничными значениями магнитных свойств минералов в этих трех группах.

Степень магнитности минерала характеризуется удельной магнитной восприимчи­востью х (каппа), ее размерность см3/г

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

В большинстве своем минералы являются плохими проводниками электричества (обладают малой электропроводностью), исключение составляют самородные ме­таллы— золото, медь, серебро и другие, сульфиды, некоторые оксиды (магнетит) и графит, удельное сопротивление которых менее 10 Ом • м.

Ряд минералов обладает одновременно электронной и ионной проводимостью элек­тричества. Таковы в первую очередь марказит, пирит, халькопирит, борнит, сфалерит и другие сульфиды металлов. В поверхностных зонах руд, смоченных грунтовыми и другими подземными водами, на контактах зерен сульфидов возникают микрогальва­нические элементы. Измерения ЭДС показывают, что сульфиды можно выстроить по отношению к водороду в такой же ряд напряжений, как и металлы. Например, для раствора КС1 этот ряд следующий (по Г.Б.Свешникову), ЭДС дана в эВ: марказит +0,55, пирит +0,45, халькопирит +0,40, арсенопирит +0,35, борнит +0,30, пирро­тин +0,25, галенит +0,20, молибденит +0,15, сфалерит +0,10. Возникновение ЭДС возбуждает протекание по контактам зерен различных химических реакций.

На использовании электрических свойств минералов основаны различные методы электроразведки месторождений полезных ископаемых — методы сопротивления, есте­ственного электрического поля, заряженного тела, вызванной поляризации и др.

Сегнетоэлектриками являются минералы с полярными направлениями в их кри­сталлах

34) Механизмы роста кристаллов

Существенный вклад в решение вопросов о механизме роста кристаллов внесли разработанные теории роста идеальных кристаллов. В конце XIX в. американским физиком Дж. Гиббсом (1839-1903), французским физиком П. Кюри и русским кристаллографом Г.В. Вульфом на термодинамической основе была разработана количественная теория зарождения и роста кристаллов. Несколько позже, в 20-х гг. XX в., немецким физиком М. Фольмером (1885-1965) была выдвинута теория самопроизвольного зарождения кристаллов и их роста. Вслед за термодинамическим учением Гиббса в 1927 году наибольшее признание получили теоретические работы немецкого физико-химика В.Косселя (1888 - 1956) и болгарского физика И.Н. Странского (1897 - 1979), положившие начало молекулярно-кинетической теории роста кристаллов. Они рассмотрели рост идеального кристалла при незначительном перенасыщении без учета несовершенств реальных кристаллов и влияния среды кристаллизации. Эта теория объяснила явление послойного роста кристаллов с позиций атомно-молекулярного состояния поверхности растущего кристалла, опираясь на энергетическую выгодность присоединения отдельных частиц вещества в различные позиции на свободной от дефектов поверхности кристаллов. В процессе роста возникают либо атомно-гладкие, либо атомно-шероховатые грани. Атомно-гладкие грани растут путем послойного отложения вещества, т.е. тангенциального перемещения ступеней, и остаются в процессе роста макроскопически плоскими. Такой рост называется тангенциальным или послойным. При этом скорость роста разных граней будет различна. В итоге кристаллы будут расти в идее многогранника.

Кристаллы с атомно-шероховатыми гранями могут присоединять частицы с макроскопической точки зрения практически в любой точке поверхности. Поэтому поверхность грани в процессе роста перемещается по нормали к самой себе в каждой своей точке. Такой рост называется нормальным. При этом скорости роста граней кристалла в разных направлениях будут примерно одинаковы и кристаллы приобретут округлые формы изотерм кристаллизации. Исследование морфологии кристаллов дает информацию об атомных процессах, происходящих на поверхности растущего кристалла.

Рост на атомно-шероховатых плоскостях и торцах ступеней требует лишь потенциальных барьеров для встраивания отдельных атомов или молекул. Рост же атомно-гладких поверхностей требует еще и образования ступеней, т.е. для роста каждого нового слоя необходимо появление на поверхности нового зародыша, а это не всегда возможно из-за недостатка пересыщения. В этом случае рост происходит лишь путем движения уже имеющихся ступеней. Таким образом, первый процесс с энергетической точки зрения оказывается более выгодным.

Кроме того, грани реальных кристаллов практически никогда не бывают идеальны. На их поверхности всегда имеются нарушения - дефекты, благодаря которым возникают винтовые и краевые дислокации. Нарастание граней происходит по спирали путем навивания одного слоя на другой. И такой рост может происходить при сколько угодно малых пересыщениях и даже из паров. Дислокации, следовательно, являются непрерывно действующим источником возникновения слоев и снимают необходимость появления на поверхности растущей грани двухмерных зародышей.

Однако такие представления оказались неприменимы для сильно пересыщенных растворов и расплавов. В условиях больших пересыщений возможны и другие механизмы роста. Исследования морфологии поверхностей роста дает возможность сделать важные выводы о механизмах кристаллизации. Существует много методов исследования поверхностей граней, главными из которых являются оптическая и электронная микроскопия; кроме того, структура и состав поверхности изучаются методами дифракции медленных электронов, масс-спектроскопии, ультрафиолетовой и рентгеновской спектроскопии и т.д.

Формы роста кристаллов При различных отклонениях от идеальных условий кристаллизации (например, в вязких, загрязненных или сильно пересыщенных средах) вырастают экзотические образования. Опыт показывает, что при малых пресыщениях и переохлаждениях на фронте роста возникают совершенные - гранные - формы кристаллов. С увеличением отклонения от равновесия кристаллы меняют свой облик, превращаясь в скелеты, дендриты (от греч. Дендрон - дерево), нитевидные образования или кристаллы сферической формы. Указанные формы различаются тем, что скелетные кристаллы - это монокристаллы, а дендриты - чаще всего поликристаллические агрегаты.

Дефекты кристаллов Нарушение правильности в расположении частиц, слагающие структуры реальных кристаллов, т.е. отклонения от их идеальной структуры, порождают дефекты. Для исследователя дефект - это источник информации о событиях, произошедших с кристаллом.

В реальных кристаллах всегда присутствуют структурные дефекты, которые оказывают существенное влияние на многие свойства твердых тел. К этим свойствам, именуемым структурно-чувствительными, относятся те, которые связаны с движением атомов или электронов. Это механические свойства (прочность и пластичность), ионная и полупроводниковая электропроводность, люминесценция, фотопроводимость, теплопроводность, скорость диффузии и фазовых превращений, и ряд других.

Дефекты -- любые отклонения от периодической структуры кристалла -- классифицируют по их размерам и протяженности областей решетки, на которое распространяется их действие. Выделяют следующие типы дефектов кристаллической решетки:

1) Точечные или нульмерные дефекты -- нарушения в периодичности в изолированных друг от друга точках решетки; во всех трех измерениях они не превышают одного или нескольких междуатомных расстояний (параметров решетки). Точечные дефекты -- это вакансии, междоузельные атомы, атомы примеси, внедренные или в позиции замещения.

2) Линейные дефекты -- одномерные, т. е. протяженные в одном измерении: нарушения периодичности в одном измерении простираются на расстояния, сравнимые с размером кристалла, а в двух других не превышают нескольких параметров решетки. Специфические линейные дефекты -- это дислокации. Неустойчивые линейные дефекты могут возникать из цепочек точечных дефектов.

3) Поверхностные или двумерные дефекты. Простираются в двух измерениях на расстояния, сравнимые с размером кристалла, а в третьем составляют несколько параметров решетки. Это плоскости двойникования у двойников, границы зерен и блоков, дефекты упаковки, стенки доменов, и сама поверхность кристалла.

4) Объемные или трехмерные. Это пустоты, поры, частицы другой фазы, включения.

Кроме перечисленных, можно выделить особую группу дефектов, характерную, в основном, для полупроводниковых кристаллов -- микродефекты. Под микродефектами понимают любые дефекты структуры субмикронных размеров.

35)  Помимо единичных индивидов минералы часто образуют сростки из двух или более кристаллов. В подобных сростках кристаллы имеют закономерную или неправильную взаимную ориентировку. В первом случае сростки называются двойниками, во втором - кристаллическими срастаниями или агрегатами. Двойниковые кристаллы - это закономерное непараллельное срастание кристаллических индивидов одного минерала, связанных друг с другом осью или плоскостью симметрии, которых нет в одиночных кристаллах. Благодаря этому двойники обладают повышенной кристаллографической симметрией. Двойникование обычно происходит на ранних этапах кристаллизации, при срастании двух или более кристаллических индивидов на стадии их зарождения. При этом их закономерная ориентировка относительно главных кристаллографических направлений (плоскостей решетки) обычно сохраняется. Два индивида, составляющие двойник, могут быть мысленно получены один из другого путем отражения в плоскости (двойниковая плоскость) или при повороте на 180 градусов вокруг оси (двойниковая ось). Для большинства двойников характерны входящие углы. Поскольку кристаллы , имеющие входящие углы, растут быстрее, двойники часто выделяются своими размерами.         Среди двойниковых срастаний можно выделить три типа двойников - двойники срастания, прорастания и полисинтетические двойники. В первых индивиды разграничены по плоскости, они как бы соприкасаются друг с другом. Во вторых кристаллы как бы обрастают друг друга либо насквозь проникают один в другой, соприкасаясь по сложной извилистой (ступенчатой) поверхности. В некоторых случаях двойникование приводит к имитации кристаллов более высокой симметрии ("миметические двойники"). Для двойников срастания характерно изменение исходного габитуса кристаллов и двойники часто выделяются среди соседних одиночных кристаллов не только бОльшими размерами, но и своей уплощённой формой. Уплощение в плоскости срастания можно видеть на примерах кальцита, шпинели, галенита.     

       Полисинтетические двойники представляют собой параллельные срастания нескольких, (иногда множества) параллельных друг другу пластинок минерала, находящихся друг относительно друга в перевернутом положении (наподобие ладоней, сложенных пальцами к запястьям). Срастание может состоять как из двух или нескольких кристаллов, так и из пачек множества тонких пластинок. У некоторых минералов, в частности у плагиоклазов,пластинки эти имеют микроскопическую толщину и с плоскостями их срастаний связан характерный оптический эффект -иризация. Полисинтетическое двойникование часто происходит при полиморфных превращениях или распаде твёрдых растворов. Характерный пример - полевые шпаты.         Двойникование также может происходить под влиянием внешних механических воздействий, - обычно от направленного давления (деформационные двойники скольжения у антимонита, самородной серы, сподумена и др).         Двойники срастания характерны для кальцита, халькопирита, титанита, "японский двойник" у кварца, а  двойники прорастания - у ставролита,  киновари, флюорита. В двойниковании могут участвовать больше чем два индивида. Тогда говорят о тройниках, четверниках, множественных двойниковых сростках (церуссит, хризоберилл, александрит).

37)ГАБИТУС КРИСТАЛЛОВ

Во внешней форме кристаллов отражена как внутренняя симметрия, так и особенности роста, во многом обусловленные средой их формирования. Для характеристики внешних элементов, присущих тому или иному кристаллу, имеется специальный термин — габитус. [Габитус (по-латыни — внешность, наружный вид) — характерная форма или комбинация форм кристалла, включая характерные неправильности. В отечественной литературе эти особенности морфологии кристаллов обозначаются термином «облик кристалла».] Габитус указывается целым рядом определений, например: — игольчатый (кристаллы игловидной формы); — волосовидный (волосо- или нитевидные кристаллы) ; — столбчатый (с субпараллельными столбо- или колонкообразными кристаллами); — дендритовый (кристаллы древовидной формы); — пластинчатый (удлиненные пластинообразные кристаллы);— таблитчатый (кристаллы с широкими плос кими формами); — клиновидный (утоняющиеся к одному концукристаллы).

36) Под этим названием в геологии понимают включения посторонних веществ в минералах, из которых слагаются горные породы. Включения эти могут быть разбиты на три группы: 1) включения стекла, 2) включения микролитов, 3) включения жидкости. Включения стекла образуются в минерале в том случае, когда кристалл этого минерала, выделяющийся из расплавленной магмы, захватывает, при быстром остывании, частицы этой последней. Включения стекла, обыкновенно снабженные неподвижными пузырьками воздуха служат несомненным доказательством того, что горная порода, в минералах которой располагаются подобные включения, находилась некогда в огненно-жидком состоянии. Включения стекла бывают в большинстве случаев микроскопических размеров и иногда располагаются с известной правильностью. Встречаются они в авгите, роговой обманке, кварце, лейците и других минералах, входящих в состав фонолитов, базальтов, мелафиров и других вулканических пород, а также в стекловатых породах, как, напр., в смоляном камне. В некоторых минералах, как, напр., в лейцитах Везувия включения встречаются в таком большом количестве, что как бы пропитывают собой весь минерал. Иногда из включений стекла выделяются небольшие кристаллические образования, что носит название процесса расстеклования. К этой же группе относятся включения фельзитовой или микрокристаллической основной массы в порфировидных выделениях горных пород порфирового типа. Включения микролитов в породообразующих минералах — явление очень распространенное. Микролиты (микроскопические кристаллические образования, природу которых не всегда бывает можно распознать) большею частью располагаются без всякого порядка в заключающем их минерале, иногда же они распределяются с известной закономерностью, напр. по зонам, параллельно очертаниям кристалла. В виде микролитов чаще других встречаются следующие минералы: полевой шпат, роговая обманка, авгит, магнитный железняк и др. Среди микролитов, природу которых не всегда удается определить, различают белониты — мелкие прозрачные образования различной формы, трихиты — непрозрачные кристаллические образования, иногда являющиеся в форме отдельных призмочек, иногда же изогнутые наподобие волоса (откуда и название θρίξ, τριχός — волос) и проч. Иногда микролиты располагаются в виде потока, обнаруживая так наз. "микрофлюидальную структуру". Включения жидкости — в кварце, топазе, каменной соли, гипсе и других минералах достигают иногда таких размеров, что могут быть видимы простым глазом (напр. в кварце с о-ва Арран). В большинстве же случаев размеры их не превышают 0,06 мм. Включения эти имеют различную форму: овальную, яйцевидную и т. п. и обыкновенно содержат подвижныйпузырек, чем отличаются от включений стекла. В качестве жидкости может служить вода, раствор хлористого натрия, жидкая углекислота. В случае этой последней, пузырек при нагревании до 32°С исчезает. Включения жидкости также иногда располагаются по группам или по зонам. Кроме указанных включений, в минералах нередко наблюдаются и поры, выполненные различными газами, иными словами, включения газов, характерные своими темными контурами, подобно пузырькам воздуха, наблюдаемым в микроскопическом препарате.

Степень идиоморфизма и габитус зависят от кристаллической структуры и условий роста. Возникают кристаллы различного облика (габитуса) - изометрического (например, галит, галенит, сфалерит, оливин и др.), листоватого и чешуйчатого (например, молибденит,'слюды, тальк), дощатого (барит), столбчатого и игольчатого (рутил, актинолит, турмалин) . На некоторых кристаллах наблюдается характерная штриховка, а также формы роста и растворения. Ограненные минеральные индивиды правильной формы называются идиоморфными, например, кристаллы алмаза, кварца в эффузивных горных породах, магнетита в метаморфических породах, циркона в щелочных пегматитах, мельчайшие частицы каолинитовой глины.

Неограниченные или частично ограниченные минеральные индивиды имеют неправильную форму или повторяют очертания других индивидов, с которыми находятся в срастаниях, и называются ксеноморфными.

Морфология минеральных индивидов (рис. 4.3), характеризующаяся степенью изометричности, выражается в различном соотношении их длины, ширины и толщины.

В зависимости от этого выделяют морфологические типы, подтипы и разновидности минералов. Изометричные кристаллы или зерна имеют одинаковые размеры во всех трех направлениях, например, кристаллы алмаза, магнетита, граната, сфалерита и пирита.

Обычно изометричные неограниченные зерна минералов, таких, как кварц, полевые шпаты, оливин, кальцит, слагают различные горные породы (33]. Среди минералов удлиненного типа встречаются столбчатые, игольчатые.

волокнистые или нитевидные разновидности. Примером удлиненных минералов служат турмалин, берилл, натролит, скаполит, джемсонит, хризолит-асбест и др.

Уплощенные минералы представлены таблитчатыми, тонкотаблитчатыми, листовыми и тонкочешуйчатыми разновидностями.

Обычно уплощенный облик имеют ильменит, гематит, биотит, хлорит, торбернит и др.; уплощенно- удлиненный - волластонит, сподумен, кианит, антимонит и др. и удлиненно-уплощенный - колумбит, гипс, барит.

38)Понятия "минеральный индивид" и "минеральный агрегат" являются узловыми в онтогении минералов. Оба понятия в конкретном применении несут элементы противоречивости, двойственности. Например, понятие индивид, с одной стороны, отражает то частное и неповторимое, что свойственно отдельным кристаллам и зернам, а с другой, отражает ряд общих признаков, позволяющих подойти к классификации индивидов. То же можно сказать и об агрегатах (Дымков, 1963).  Определение понятий минеральный индивид и минеральный агрегат имеет и прямое прикладное значение, так как служит отправным моментом для классификации структур и текстур руд.  Понятие "минеральный индивид" имеет две основные линии взаимосвязи с сопоставимыми понятиями, характеризующие его с различных сторон: одна из них с понятием минеральный вид, другая с понятием минеральный агрегат.  Первая линия взаимосвязи рассмотрена Д. П. Григорьевмм. Согласно более раннему определению (Григорьев, 1956) минеральный индивид это отдельные кристаллы и зерна, представляющие собой природные вещества. Согласно более позднему определению (Григорьев, 1961), индивид это образовавшееся в природе обособление однородного химического вещества, физически отделенное от других естественными поверхностями раздела. Здесь минеральный индивид выступает как конкретная форма минерального вида, минеральный вид как содержание данного индивида.  Понятия индивид и агрегат относятся между собой как часть и целое и в какой-то степени являются взаимно проникающими противоположностями. Любой агрегат состоит из частей индивидов, но каждый индивид в отдельности также представляет собой целое по отношению к слагающим его частям (например, блокам). Таким образом, в общем виде понятия агрегат и индивид относительны, абсолютна лишь соподчиненность между ними в каждом конкретном случае.  Характерным признаком, который может быть положен в основу определения понятий индивид и агрегат, поскольку речь идет о твердых, кристаллических телах, является способность этих тел образовывать при росте в идеальных условиях правильные симметричные фигуры. Невозможность образования симметричных фигур или появление такой возможности в результате роста или растворения минерала является крупным качественным скачком. Индивид - устойчивая для данных условий форма существования минерального вида, обладающая в силу своей внутренней определенности при идеальном развитии или дорастании в свободных условиях всеми признаками правильных геометрических фигур, и прежде всего четкими элементами симметрии.  Агрегат - скопление разобщенных, либо сросшихся индивидов, не обладающее при идеальном развитии четкими признаками симметричных фигур.  Внутреннюю определенность в предлагаемом определении понятия индивид можно охарактеризовать как упорядоченность субиндивидов, отражающую степень совершенства кристаллической решетки. Идеальное развитие в определениях индивида предусматривает отсутствие случайного искажения форм.  Форма выделений минерала определяется, с одной стороны, составом и структурой, т. е. кристаллохимическими особенностями вещества, с другой, средой, в которой минерал образуется. Большое значение при этом имеет симметрия среды (Шафрановский, 1960), ее состав и физические свойства, возможность возникновения пересыщений, в какой-то мере определяющих появление тех или иных граней (Евзикова, 1958), и т. д.

39)Научная номенклатура объектов должна соответствовать их классификации. Но, поскольку любая классификация — явление временное и отражает лишь определен­ный этап развития науки и определенный принцип подхода к объектам, всегда неиз­бежно существование терминологической путаницы: использование устаревших, ста­рых и новых, притом разных, терминов. Если рассматривать минералы как химиче­ские вещества, в минералогии и химии должна быть единая классификация химиче­ских соединений, одни и те же их названия. Однако простое распространение совре­менной номенклатуры неорганической и органической химии на минералы преждевре­менно: здесь имеются свои проблемы и ряд их разных решений, а в международной но­менклатуре неорганических соединений кристаллохимические принципы систематики развиты слабее, чем в минералогии. Любопытный факт: в химических номенклатурах для многих силикатов используются их традиционные и старинные минералогические названия (например, альбит для вещества НаА^зОв и т.д.). Очевидно, только обо­юдное сближение химической и минералогической систематик позволит выработать единую номенклатуру химических соединений. В ней наименование минерала почти обязательно не будет однословным, а особенности структуры могут быть отражены в названии вещества индексами или другими обозначениями по специально разработан­ной условной системе.

40-49 Простые вещества. Общие сведения о минералах

К этому типу минералов относятся, во-первых, элементарные вещества (как говорят, самородные элементы), например, графит С, алмаз С, медь Cu, висмут Bi, их твердые растворы друг в друге, например, минералы состава (Au–Ag), (Au–Cu), (Pt–Fe), (Os–Ir).

Все простые вещества – очень редкие минералы, суммарно они слагают не более 0,02 % массы земной коры. Однако именно в виде таких минералов образуют промышленные концентрации некоторые особо ценные металлы – золото, платина, осмий, иридий, серебро. Значительная доля промышленных запасов серы как химического сырья сосредоточена в виде химически чистого элемента – самородной серы. Некоторые самородные элементы сами по себе являются ценным техническим материалом, например, алмаз и графит из-за своих особых свойств – твердости (алмаз), электропроводности и тугоплавкости (графит).

.Кристаллохимические особенности

Кристаллические структуры минералов простых веществ относительно просты, причем эта простота особо характерна для самородных металлов.

Большинство самородных металлов и их твердые растворы имеют структуру, отвечающую плотнейшим упаковкам – кубической или гексагональной. Например, золото, медь, серебро, алюминий (кубические), цинк, рутений, осмий (гексагональные). Чем сильнее характер связей в веществе отличается от металлической, тем более структура минерала отличается от идеальной плотнейшей упаковки и тем она сложнее, например, алмаз, сера, графит.

Структура серы является молекулярной. В каждой молекуле объединено в виде кольца по восемь атомов, соединенных ковалентными связями (полностью взаимно компенсирующимися, а суммарный заряд такого кольца равен нулю). Кольца накладываются друг на друга в виде колонок, по-разному ориентированных в пространстве. Кольца и колонки связаны между собой остаточными вандерваальсовыми связями. Все это влияет на внешнюю симметрию и огранку кристаллов, а также их физические свойства.

Отдельно характеризуем структуры природных полиморфов углерода – алмаза и графита. В первом атомы углерода располагаются равномерно во всех трех измерения. Кристалла по всему его объему, каждый атом окружен четырьмя соседними, между ними осуществляются ковалентные связи.