2. Кристалографічні властивості та форми мінералів у природі
Мінералами називаються природні хімічні сполуки або самородні хімічні речовини, утворені внаслідок складних фізико-хімічних процесів у надрах земної кори чи на її поверхні. Це саме ті первісні "цеглинки", з яких побудована Земля. Їх налічують понад 2000, а з різновидами – понад 6000, хоча найбільше поширення мають лише декілька сотень так званих "породоутворювальних" мінералів. У природі мінерали трапляються найчастіше в твердому вигляді, хоча відомі й рідкі та газоподібні мінерали.
Втім, існує і дещо відмінне трактування поняття мінерала. Так, під мінералом розуміють кристалічну складову частину гірських порід, руд та інших (у тому числі й колоїдно-дисперсних) агрегатів неорганічного світу, утворену внаслідок фізико-хімічних процесів, що відбуваються в земній корі й у суміжних з нею оболонках. Тобто в цьому разі рідкі й газоподібні тіла не вважають мінералами.
Переважна більшість твердих мінералів – це кристалічні утворення і лише незначна кількість їх – аморфні. Кристалічні форми мінералів вивчає певна наука – кристалографія. Як відомо, будова кристалів характеризується закономірним розташуванням у просторі складових частинок (атомів, йонів, молекул), в аморфних речовин елементарні частинки розташовуються хаотично. Елементарні частинки в кристалічних мінералах утворюють так звані кристалічні решітки, які визначають їхні основні властивості.
Кристалічні тіла характеризуються анізотропністю – фізичні властивості їх (теплопровідність, твердість тощо) однакові лише в паралельних напрямках і різняться в непаралельних.
Цю властивість кристалічних тіл часто ілюструють простим дослідом. Кусочок кристалічного гіпсу вмочують у розплавлений віск, дають останньому застигнути, а потім торкаються до поверхні гіпсу гарячою голкою. Розтоплений віск має форму еліпса, що вказує на те, що теплопровідність гіпсу різна в різних напрямках.
Аморфні тіла – ізотропні (однакові властивості в різних напрямках).
Ще одна властивість кристалічних тіл – здатність до самоогранення, тобто утворення у відповідних умовах правильних багатогранників-кристалів. Мінерали з аморфною структурою утворюють землисті маси, натічні форми тощо.
Утворення кристалів можна спостерігати, якщо, наприклад, у посудину з перенасиченим розчином кухонної солі опустити на нитці так звану затравку. З часом вона перетвориться на кристалик солі кубічної форми.
Кристал, як геометричне тіло, характеризується гранями, ребрами і вершинами.
Грані – це площини, які обмежують кристал; вони відповідають плоским сіткам граней кристалічної решітки.
Ребра – лінії, по яких перетинаються сусідні грані, відповідають рядам частинок, за якими перетинаються сітки граней решітки.
Вершини – точки, в яких перетинаються ребра, відповідають вузлам кристалічної решітки, де розташовані йони (атоми, молекули).
Кути, утворені сусідніми гранями, називаються гранними. Вченими трьох країн (данцем Н. Стено, французом Р. де Ліллем і росіянином М. В. Ломоносовим) незалежно один від одного було з'ясовано, що гранні кути в кристалів одного й того самого мінералу постійні – закон постійності гранних кутів. Закон має важливе практичне значення, оскільки, вимірюючи з допомогою спеціальних приладів – гоніометрів – кути між однотипними гранями в кристалах, можна діагностувати мінерали в найдрібніших кристаликах.
Більшість мінералів у породі утворюють мікрокристалічні агрегати, зернисті маси тощо. І лише в деяких випадках, за сприятливих умов рівномірного надходження однорідної речовини до кристала, що росте, можуть утворюватися правильні багатогранники, які мають симетрію, тобто їхні елементи (грані, ребра, вершини) закономірно повторюються в просторі. Симетрію кристалів характеризують площина, вісь і центр симетрії, які називають ще елементами симетрії (рис. 1.5.).
Рис. 1.5. Елементи симетрії кристалів:
а – площини симетрії; б – осі симетрії; в – центр симетрії
Площина симетрії (Р) – це уявна площина, яка ділить кристал на дві дзеркально симетричні частини.
Вісь симетрії (L) – уявна лінія, при обертанні навколо якої на 360° кристал декілька разів (2, 3, 4, 6) повторює своє початкове положення в просторі. В кристалі можуть бути представлені декілька осей симетрії – вісь симетрії другого порядку L2, вісь симетрії третього порядку L3 і, відповідно, - L4 і L6 (рис. 1.5, б). Вісь другого порядку називають віссю нижчого найменування, а осі симетрії L3, L4, L6 – осями вищого найменування.
Центром симетрії (С) називають точку всередині кристала, в якій перетинаються і діляться навпіл всі прямі лінії, що сполучають відповідні точки на поверхні кристалу. Центр симетрії є в тих кристалів, кожній грані яких відповідає грань того самого кристала, рівна і паралельна розглядуваній. В кожному кристалі є певна сукупність елементів симетрії чи певна комбінація їх. Російський кристалограф А. В. Гадолін показав (1869 р.), що в кристалах можливі лише 32 комбінації елементів симетрії, названих кристалографічними класами, або видами симетрії.
Наприклад, у кубі є три осі симетрії четвертого порядку, чотири осі симетрії третього порядку, шість осей другого порядку, дев'ять площин симетрії і центр. Вид симетрії куба записують у такому вигляді: 3L44L36L29РС.
Таблиця 1.2.
Кристалографічні сингонії та їх категорії
Всі види симетрії об'єднують умовно за ступенем складності в сім груп, які називають сингоніями, які, в свою чергу, групуються в три категорії (табл. 1.2). Для того, щоб віднести кристал до тієї чи іншої сингонії, слід визначити його елементи симетрії, записати їх у вигляді формули і скористатися табл. 1.2.
Трапляється, що однакові за хімічним складом мінерали утворюють різні кристалічні решітки і належать до різних сингоній, а, отже, мають і відмінні властивості. Таке явище називають поліморфізмом.
Типовий приклад поліморфізму – алмаз і графіт, складені вуглецем. Перший кристалізується в кубічній сингонії, вважається найтвердішим мінералом, другий належить до гексагональної сингонії, дуже м'який.
Зворотне явище, коли мінерали з подібним хімічним складом і подібною кристалічною структурою утворюють і однакові кристалічні форми, називаються ізоморфізмом. У разі ізоморфізму в кристалічній решітці мінералів одні атоми чи йони можуть заміщуватись на інші з близькими атомними чи йонними радіусами. Це спричиняє утворення цілих ізоморфних рядів мінералів.
У природі мінерали перебувають у найрізноманітніших формах. Слід зазначити, що поодинокі кристали (монокристали), про які йшлося раніше, трапляються порівняно нечасто. Набагато частіше мінералогія має справу зі зростками кристалів. Зростки поділяються на закономірні і незакономірні (або мінеральні агрегати). Як приклад закономірних зростків виділяють двійники, які утворюються внаслідок зростання (чи проростання) двох монокристалів і є найхарактернішими для гіпсу. Двійники, утворені зростанням кількох кристалів, називають полісинтетичними, вони типові для польових шпатів (рис. 1.6).
Рис. 1.6. Типи двійників:
а – кристал; б – двійник зростання; в – двійник проростання ортоклазу;
г – полісинтетичні двійники польового шпату
Види мінеральних агрегатів. За формою мінеральні агрегати поділяються на кристалічні, секреції, конкреції, дендрити, натічні форми і псевдоморфози, а також зернисті й землисті (рис. 1.7).
Серед кристалічних агрегатів виділяють друзи і щітки. Друзи – це скупчення кристалів різного розміру на спільній основі. Наприклад – друзи гірського кришталю, аметисту тощо. Виникають при кристалізації мінеральної речовини із розчинів, що циркулювали по тріщинах чи в пустотах гірських порід. Щітки – зростки дрібних кристалів на спільній основі.
Секреції утворюються при заповненні мінералами порожнин у породі. Для них часто характерною є концентрична будова, яка відбиває стадійність мінералоутворення. Процес виповнення порожнини мінеральною речовиною іде від периферії до центра. Дрібні секреції (до 10 мм у діаметрі), повністю виповнені мінералами, називають мигдалинами. Великі секреції, часто із порожниною, стінки якої покриті друзами кристалів або натічними утвореннями, називають жеодами. Секреції утворюються в таких мінералах, як аметист, халцедон, агат тощо.
Рис. 1.7. Природні форми мінералів:
а – друза кварцу; б – жеода кальциту; в – секреція агату; г – конкреція фосфориту; д – ооліти бокситу; е – дендрит самородної міді; є – натічна форма малахіту (нирка)
Конкреції – це сферичні чи більш-менш округлі тіла часто із радіально-променистою будовою всередині. Формуються внаслідок відкладання мінеральної речовини навколо будь-якого центра кристалізації. На відміну від секрецій відкладання речовини спрямовано від центра до периферії. Конкреції особливо характерні для таких мінералів, як фосфорит, марказит, сидерит.
Дрібні конкреції зі шкаралупчастою будовою називають болітами. Вони часто цементуються в агрегати, які, залежно від розмірів кульок, бувають гороховими, ікряними тощо. Оолітова будова характерна для руд алюмінію, заліза, марганцю (боксит, сидерит, лімоніт, піролюзит), для деяких вапняків.
Дендрити – деревоподібні, плоскі, у вигляді плівок агрегати, які утворюються на стінках тріщин порід чи мінералів. Такі форми утворюють самородні елементи – срібло, мідь, золото. Характерні також для оксидів марганцю, заліза. Яскравий приклад – дендрити льоду на вікнах у мороз.
У печерах часто трапляються натічні форми мінеральних агрегатів — сталактити і сталагміти. Утворюються вони при повільному стіканні розчинів, які швидко кристалізуються. Сталактити ростуть згори донизу (звисають зі стелі печери), сталагміти – назустріч їм, наростаючи на дні порожнини, і часто зливаються зі сталактитами в колоноподібні утворення. Найвідоміші сталактити – бурульки льоду на дахах будинків. Такі форми характерні і для кальциту. Натічні форми можуть утворювати також кулеподібні чи неправильної форми тіла, з гладенькою блискучою поверхнею – скляні голови (наприклад, бура скляна голова, червона скляна голова, характерні, відповідно, для лімоніту і гематиту).
Інколи в природі виникають мінеральні утворення, кристалографічна форма яких не властива даному мінералу. Це так звані псевдоморфози. Наприклад, унаслідок окиснення кристал піриту (FeS ,) може бути повністю замінений лімонітом (Fе2O3 nН20), зберігаючи форму попереднього мінералу – куб, не характерну для лімоніту, який утворює землисті маси, ооліти.
Зернисті агрегати – це скупчення зерен одного чи кількох мінералів. Залежно від розміру зерен виділяють грубозернисті (з діаметром зерен понад 5 мм), середньозернисті (1...5 мм) і дрібнозернисті агрегати (до 1 мм). Зернисті агрегати властиві багатьом мінералам – піриту, галеніту, апатиту, корунду.
Землисті агрегати – це пухкі борошнисті маси прихованокристалічної структури, легко розтираються руками. Кришталики їх розрізняються лише з допомогою мікроскопа. До них належать такі мінерали, як каолін, лімоніт, піролюзит тощо