ПОЧВА лесники ответы / 4voprosy_4-9

8

4вопросы 4-9

Планета Земля состоит из минералов и горных пород. Наука, изучающая физико-химические свойства минералов и процессы, связанные с их образованием в земной коре, называется минералогией.

Минерал – это природное химическое соединение, реже самородный элемент. Минералами называются однородные по составу и строению природные вещества, образовавшиеся в результате физико-химических процессов, протекающих в земной коре или на её поверхности.

Вся земная кора, горные породы и месторождения полезных ископаемых состоят из минералов. Размеры минералов различны: от больших, достигающих нескольких тонн весом (полевой шпат, кварц) до мельчайших зёрнышек, видимых в микроскоп.

Минералы могут быть твердыми (кристаллические, SiO₂), жидкими (H₂О) и газообразными (диоксид углерода). Минералы, встречающиеся в твёрдом виде, делятся на аморфные, или некристаллические (лёд, асфальт, опал) и кристаллические (полевой шпат, горный хрусталь, гипс).

Кристаллические минералы являются твёрдыми телами с кристаллической структурой, в которой слагающие их элементарные частицы (атомы, ионы) расположены в строгом порядке в пространстве по определённым кристаллографическим направлениям (куб, призма, ромб, многогранник) и характеризуются симметрией, т.е. закономерной повторяемостью одинаковых рёбер, углов, граней при вращении кристалла в пространстве.

Кристаллические вещества обладают анизотропностью: их физические и оптические свойства зависят от кристаллографического направления.

Аморфные минералы характеризуются беспорядочным расположением ионов и атомов: они не имеют кристаллического строения, характеризуются непостоянством состава и одинаковыми свойствами во всех направлениях.

Коллоидные минералы состоят из мельчайших дисперсных частиц диаметром от 10^-4 до 10^-6 мм и подразделяются на коллоидные растворы (золи) и клеевидные массы (гели). Дисперсные минеральные частицы обладают большой поверхностной энергией и способны адсорбировать на своей поверхности молекулы воды, катионы или анионы.

Минерал имеет более или менее однообразный химический состав и характеризуется такими физическими свойствами: твердость, удельный вес, магнитность, оптические свойства. В природе – 450 видов, в земной коре – более 2800.

Синтетические продукты, близкие по свойствам, составу и структуре к минералам, называются искусственными минералами. Названия минералы получают по характерным физическим свойствам, химическому составу, по месту их обнаружения, в честь ученых их открывших.

Минералы, наиболее часто встречающиеся и образующие основу многих горных пород, называются породообразующими. Их около 50.

Содержание их в земной коре следующее (по А.Е.Ферсману):

полевые шпаты – 55% по массе; пироксены и амфиболы – 15%; кварц и его разновидности – 12%; вода в свободном и поглощённом состоянии – 8,25%; слюды – 3%; оксиды и гидрооксиды – 3%; глинистые минералы – 1,5%; кальцит – 1,5%; фосфаты – 0,75%. Наибольшее распространение получили минералы, содержащие O, Si, Al.

Процессы и условия образования минералов и горных пород чрезвычайно разнообразны, но их можно объединить в три большие группы:

- эндогенные процессы минералообразования связанные с магматическими очагами и приурочены к базальтовому слою земной коры; здесь господствуют высокие температура и давление; минералы формируются из магмы – силикатного огненно-жидкого расплава (кварц, различные силикаты); эндогенные минералы обычно плотные, с большой твёрдостью, стойкие к воде, кислотам, щелочам;

- экзогенные или гипергенные, совершаются в гидросфере, где минералы образуются в процессе выпадения химических осадков из водных растворов (галит, сильвин), и в зоне осадочных пород, особенно в слоях, выходящих на поверхность или близко к ней залегающих при низких температуре и давлении в процессе выветривания (глинистые минералы – каолинит, гидрослюда, железистые сульфиды и оксиды).

Метаморфические процессы – в гранитном слое земной коры и ниже в твёрдой массе глубинных пород под влиянием высокого давления и температур, но недостаточных для перевода минеральной массы в расплавленное состояние; минералы перекристаллизовываются, приобретают плотность, прочность (минералы-силикаты→ роговая обманка, актинолит).

К эндогенным процессам относятся: магматические, пегматитовые, пневматолитовые, вулканические.

Магматические процессы минералообразования – минералы образуются при остывании основного минерального расплава магмы. В зависимости от температуры и давления выкристаллизовываются разные минералы: полевые шпаты (лабрадор, микроклин, ортоклаз), слюда биотит, оливин, магнетит, апатит и др.

Пегматитовые процессы – сложные процессы кристаллизации минерального сырья в последние моменты его остывания. Образующиеся минералы называются пегматитами - кварц, микроклин, слюда мусковит, флюорит, редкоземельные минералы, а также уран и радий.

Пневматолитовые процессы – процессы образования минералов при остывании раскалённых газов магматических очагов. При этом совершаются химические реакции и образуются минералы (слюды).

При гидротермальных процессах происходит выпадение минералов из горячих водных источников при их остывании. Минералы, образовавшиеся в трещинах земной коры при остывании из гидротермальных растворов, называются жильными (жильный кварц, халцедон SiO₂, кальцит CaCO₃, золото, серебро, медь, сульфиды – пирит FeS₂, халькопирит CuFeS₂).

Вулканические процессы минералообразования происходят при выбросе магмы на поверхность земной коры при прорыве из магматического очага. Минералы образуются из минерального расплава, газов и паров, и гидротермальных растворов.

Экзогенные процессы минералообразования происходят на поверхности Земли. В результате механического, химического и биологического разрушения (выветривание) горных пород образуются минералы коры выветривания (каолинит, малахит и др.).

Путём последующего переотложения продуктов выветривания горных пород возникают минералы осадочного происхождения. К ним относятся минералы, выпавшие из коллоидных и химических растворов (в условиях жаркого климата, при интенсивном испарении воды и возрастании концентрации солей – тенардит, мирабилит Na₂SO₄·10H₂O), а также возникающие в результате жизнедеятельности организмов (биогенные минералы – биолиты, кальцит) и после их смерти (фосфорит).

Экзогидатогенные процессы – процессы образования минералов из холодных нисходящих водных растворов поверхностного происхождения (фильтрующиеся через почву и рыхлые породы талые и дождевые воды растворяют минеральные соединения; при высоких концентрациях ионов образуются минералы – кристаллы гипса CaSO₄·2H₂O, галита NaCl, кальцита CaCO₃, кварца SiO₂, вивианита Fe₃PO₄·8 H₂O).

Метасоматические процессы – минералы образуются в результате химического воздействия циркулирующих растворов на ранее образовавшиеся минералы. При этом часть катиона содержащегося замещается на другой (в кальците часть кальция замещается магнием и образуется доломит).

Минералы, образовавшиеся из компонентов магмы, называются первичными, а минералы, образовавшиеся на поверхности Земли при процессах выветривания, называются вторичными.

Структура. Минералы обладают кристаллической структурой или бывают аморфными. Большинство минералов имеет кристаллическое строение, в котором атомы расположены в строго определённом порядке, создавая пространственную решётку.

Кристаллическим называется устойчивое фазовое состояние твёрдого тела, у которого структура обладает правильной периодической трёхмерной повторяемостью, строгим расположением частиц: атомов, ионов и молекул. Внешне кристаллы имеют формы различных многогранников – кубов, призм, пирамид и характеризуются симметрией или кристаллографической сингонией, т.е. закономерной повторяемостью одинаковых рёбер, углов, граней при вращении кристалла в пространстве.

Со строением и характером пространственной решётки связаны свойства кристаллических тел: однородность строения, состава и свойств, так как в каждой своей части, вплоть до размеров элементарной ячейки, они обладают одинаковым кристаллическим строением и химическим составом. Свойства минералов могут быть одинаковыми по всем направлениям (изотропные свойства) или разными по различным направлениям (анизотропные свойства).

Аморфное состояние твёрдого тела характеризуется изотропией формы, т. е. независимостью формы от физических, оптических и механических свойств тела, а так же отсутствием чётко выраженных температурных точек плавления. Аморфные минералы имеют беспорядочное расположение ионов и атомов в пространстве, не имеют кристаллической структуры, отличаются непостоянством состава, по своим свойствам изотропны и имеют неправильную внешнюю форму. Со временем они переходят в кристаллические.

В структурах минералов широко распространены двухфазные дисперсные системы с размером частиц от 1 до 0,0001 мм – коллоиды.

В зависимости от характера расположения электронов в пространстве в кристаллохимии выделяют ионные, ковалентные, металлические, ван-дер-ваальсовые (остаточные) и химические связи.

Ионная связь (между противоположно заряженными ионами) развита у большинства минералов земной коры – силикатов и оксидов.

Ковалентная связь - (между атомами) приводит к образованию молекул и в этом отношении она наиболее универсальна. Характерна для жидких и газообразных веществ и менее характерна для кристаллических.

Ван-дер-ваальсовые связи возникают при определенных сближениях молекул, когда между ними появляются особые силы сцепления. Эти силы характерны для газов, жидкостей и твердых тел.

Связи между молекулами одного и того же вещества называют когезией, разных веществ - адгезией. В некоторых силикатах, оксидах проявляются водородные связи. Они возникают в результате взаимодействия атомов водорода одной молекулы или ее радикала с атомом азота, кислорода, фтора, хлора соседних молекул. Эти связи несколько прочнее остаточных. Кристаллы (галит, кварц) с одним типом связи называются гомодесмическими, со многими типами связей – гетеродесмическими. У минералов преобладают гетеродесмические и ионные структуры — силикаты и другие кислородные соединения, галогениды.

Кристаллическое состояние вещества определяется правильным распределением в пространстве частиц, слагающих кристалл, то есть пространственной, или кристаллической решеткой. Центры размещения частиц в кристалле представляют собой узлы кристаллической решетки. Каждая частица в кристалле окружена определенным числом соседних частиц. Это число соседних частиц называют координационным (КЧ).

В зависимости от характера частиц, находящихся в узлах .кристаллической решетки, и природы химической связи выделяют четыре типа кристаллических решеток: ионные, атомные, металлические и молекулярные.

Ионная, или гетерополярная, решетка характеризуется тем, что в ее узлах располагаются противоположно заряженные ионы разных элементов, которые притягиваются, и между ними возникает связь, называемая ионной. Кристаллы с ионной решеткой обладают прочной связью, твердостью, малой сжимаемостью, высокой температурой плавления и кипения, хорошей спайностью. Такую решетку имеют минералы группы силикатов — полевые шпаты, оксиды.

Атомная решетка характеризуется расположением в их узлах атомов элементов, между которыми существует ковалентная (гомеополярная) связь. Решетки такого рода весьма прочны, так как ковалентная связь имеет квантовую природу. В результате между электронами возникают своеобразные «электронные мосты». Кристаллы с атомной решеткой имеют большую твердость, высокую температуру плавления и кипения (алмаз).

Металлическая решетка существует между атомами металлов и типична для «истинных» металлов — меди, золота. Для такой решетки характерно одновременное наличие ковалентных связей между нейтральными ионами и кулоновского притяжения между ионами и свободными электронами. Прочный каркас металлической решетки формируется только положительно заряженными ионами металла, что определяет их высокую электро- и теплопроводность, металлический блеск, ковкость.

Молекулярная решетка имеет место тогда, когда остаточные, межмолекулярные (ван-дер-ваальсовые) связи действуют между молекулами, что связано с особенностями строения электронов оболочек молекул, несущих на себе электростатические заряды. В этих случаях отдельные молекулы разделяются промежутками с нулевой электронной плотностью.

Остаточные связи непрочны. Они устанавливаются в слоевых силикатах — в пакетах каолинита Al₄(OH)₈[Si04], монтмориллонита (А1,Mg)₂[S0₄](OH)₂∙nH₂O и других минералах глин. Осуществляются такие связи между пакетами, а внутри пакетов наблюдается ионная связь. Структурные связи в глинистых породах могут образоваться в результате: простого прилипания минеральных поверхностной пленки; склеивания (цементации) частиц с новыми минеральными или органическими веществами, сорбированными на поверхности минеральных частиц или заполняющими поры между ними.

Кристаллографические формы. Твердые тела — кристаллы имеют форму различных многогранников - кубов, призм, пирамид, тетраэдров, ромбоэдров, октаэдров. В кристаллах выделяют грани - плоскости многогранников, ребра - линии пересечения граней, вершины - точки пересечения трех и более ребер. Куб (гексаэдр) - форма, состоящая из шести квадратных граней. Призма - форма, имеющая три (или больше) попарно параллельные грани, пересекающиеся в одной точке. По форме поперечного сечения призмы называют ромбическими, гексагональными. Пирамида - форма, состоящая из трёх (или больше) равных граней, пересекающихся в одной точке. Тетраэдр - форма, имеющая четыре равносторонние треугольные грани. Октаэдр - форма, состоящая из восьми равносторонних треугольных граней.

Различают следующие элементы симметрии:

- плоскость симметрии - это воображаемая плоскость, которая делит кристалл на две равные части, причем одна из них является как бы зеркальным отражением другой;

- ось симметрии (L)—прямая линия, при вращении вокруг которой на 360° кристалл несколько раз повторяет свое начальное положение в пространстве. Число повторений начального положения кристалла при вращении вокруг оси симметрии называют ее порядком. В кристаллах могут быть только оси симметрии второго L², третьего L³, четвертого L⁴ и шестого порядков. В одном и том же кристалле может быть несколько осей симметрии одного порядка или разных порядков;

- центр симметрии—точка внутри кристалла, вокруг которой правильно повторяются элементы ограничения. В кристаллах возможны 32 комбинации элементов симметрии. Эти комбинации называют кристаллографическими классами или видами симметрии. Кристаллографические классы объединяют в сингонии.

Таблица 1. - Характеристика кристаллографических сингоний

Каждый минерал характеризуется определённым химическим составом, но могут встречаться минералы сходного химического состава. В этом случае они имеют различное внутреннее строение, а, следовательно, различную внешнюю форму.

Химический состав кристаллических минералов выражается кристаллохимической формулой, которая одновременно показывает количественные соотношения элементов и характер их взаимной связи в пространственной решётке (каолинит – Al₂[Si₄O₁₀](OH)₈). Химическая формула аморфных минералов отражает только количественное соотношение элементов.

В составе многих минералов экзогенного происхождения содержится молекулярная и химически связанная вода. Молекулярная вода не входит в пространственную решётку минерала и легко удаляется при нагревании без её разрушения. Химически связанная вода входит в пространственную решётку в виде группы (ОН) и её удаление приводит к разрушению минерала.

Физические свойства минералов. Каждый минерал имеет определённые физические или диагностические свойства, по которым его можно распознать. К ним относятся: внешняя форма, оптические характеристики (цвет, прозрачность, блеск), показатели твёрдости, спайность излом, плотность и др.

Внешняя форма минералов разнообразна. Они редко встречаются в виде отдельных кристаллов, чаще всего образуют скопления – агрегаты. Различают следующие формы:

- друзы - группа кристаллов, имеющих общее основание;

- дендриты – сростки многочисленных кристаллов, расположенных в одной плоскости (подобны ветке дерева, характерны для окислов марганца, серебра, меди);

- секреции – образуются в результате заполнения неправильной формы пустот минеральным веществом, при этом заполнение идёт от стенок к центру; крупные секреции называются жеодами;

- конкреции или желваки – тела сферических очертаний; возникают путём отложения минерального вещества вокруг какого-либо центра и растут от центра к периферии (фосфорит, пирит);

- оолиты – по способу образования сходны с конкрециями; характеризуются выраженной концентрической структурой, иногда скорлуповатостью; размер 5…10мм; оолиты не обладающие концентрической слоистостью называются бобовинами;

- натёчные формы возникают за счёт коллоидных растворов(гелей) в пустотах горных пород; постепенно, теряя воду, эти растворы густеют и под влиянием силы тяжести свисают с верхних частей пустот в виде сталагмитов, почковидных, гроздевидных и других форм, а затем затвердевают; в нижней части за счёт падающих капель возникают растущие кверху конусообразные сталактиты;

- корки, налёты, выцветы – тонкие слои минералов, покрывающие поверхность горных пород, трещин, пустот;

- землистые массы – мягкие мучнистые образования, в которых отдельные зёрна невозможно различить даже с помощью лупы; возникают в виде корок или скоплений на месте разрушения горных пород.

Основные массы минералов образуют кристаллически-зернистые или обломочно-зернистые агрегаты.

Плотность минералов колеблется в широких пределах от 1 до 21 г/см³. По плотности минералы подразделяются на: лёгкие (пл. до 2,5 г/см³, сера гипс галит), средние (пл. от 2,5 до 4 г/см³, кварц, полевые шпаты, слюды, роговая обманка, авгит, кальцит), тяжёлые (пл. более 4 г/см³, рудные минералы, самородные минералы).

Твёрдость – способность минералов противостоять внешним механическим воздействиям.

Степень сопротивления минерала проникновению острия определяется царапанием по свежей невыветрелой поверхности остриём тела, твёрдость которого известна (эталон твёрдости). Если данное тело царапает минерал при лёгком надавливании, то минерал мягче эталона твёрдости. Эталонами твёрдости в минералогии приняты 10 минералов, расположенных в порядке возрастания твёрдости и образующих шкалу твёрдости (шкала Мооса), по которой можно определить относительную твёрдость испытываемого минерала.

В шкале твёрдости каждый предыдущий минерал чертится минералом последующим, более твёрдым по шкале Мооса, и определяется порядковым номером по этой шкале.

Таблица 2. – Твёрдость минералов

Твёрдость минерала с известным приближением можно определить при царапании его карандашом (тв. 1), ногтем (тв 2,5), бронзовой монетой (тв. 3),железным гвоздём (тв. 4), стеклом (тв. 5), остриём стального ножа (тв. 6), остриём напильника или бритвы (тв. 7). Твёрдость минерала можно определить с помощью прибора - склерометра с алмазным или металлическим остриём.

Цвет минералов - самый разнообразный и для очень многих минералов он постоянен. Названия некоторых минералов даны по этому признаку (н. хлорит - зелёный, альбит - белый рубин – красный). Однако иногда один и тот же минерал окрашивается в разные цвета в зависимости от красящих примесей, состояния ионов, с изменением строения кристаллической решётки и т. д. Цвет минерала говорит о месте его образования. Более тёмные цвета бывают у минералов возникших на глубине при высокой температуре, ближе к поверхности чаще всего бывают светлые, бесцветные и белые цвета. Цвет определяется на глаз.

Побежалость - поверхность минерала может переливаться различными цветами в зависимости от угла падения световых лучей, (халькопирит).

Цвет черты (порошка). Многие минералы в тонкораздробленном состоянии имеют другой цвет. Определить цвет черты можно при проведении по белой шероховатой поверхности фарфора минералом. Черта остаётся в том случае, если твёрдость минерала меньше твёрдости фарфора

Для некоторых минералов цвет черты является основным признаком (красный, бурый и магнитный железняк в кусках могут иметь одинаковую окраску, а по цвету черты различаются).

Блеск – способность поверхности минералов отражать в различной степени свет. Некоторые минералы имеют матовую поверхность, другие блестящую.

Виды блеска:

- металлический - сильный блеск, свойственный металлам и рудам;

- полуметаллический или металловидный блеск, свойственный поблекшим поверхностям металлов (графит);

- алмазный - очень сильный блеск, характерный для алмаза и цинковой обманки;

- стеклянный - напоминающий блеск стекла, очень распространён среди прозрачных и полупрозрачных минералов;

- перламутровый - минералы, переливающиеся радужными цветами; этот блеск обусловлен отражением света от внутренних плоскостей минерала (тальк, слюда);

- жирный - характеризуется тем, что поверхность минерала как будто смазана маслом (нефелин)

- шелковистый - получается от тонковолокнистого строения минерала (асбест, волокнистый гипс).

Прозрачность - способность минералов пропускать свет. По этому признаку минералы делятся: на прозрачные (горный хрусталь, каменная соль), через которые видны предметы; полупрозрачные (халцедон, гипс) - через которые можно распознать только очертания предметов; просвечивающиеся (полевой шпат), через которые свет проходит лишь в тонком слое, причём предметы через них не различимы; непрозрачные (пирит, графит) - через которые свет не проходит.

Спайность - способность минерала раскалываться по одному или нескольким направлениям, образуя гладкие поверхности, называемые плоскостями спайности или плоскостями раскола. Спайность обусловлена внутренним строением кристаллической решётки и не зависит от внешней формы. Различают следующие степени спайности:

- весьма совершенная, когда минералы легко расщепляются на отдельные листочки или пластинки (слюда, гипс, хлорит);

- совершенная, когда минерал раскалывается на пластинки при слабом ударе, при этом поверхности скола гладкие, блестящие (каменная соль, кальцит, барит, полевые шпаты);

- средняя (отчётливая), когда при расколе образуются поверхности как гладкие, так и неровные (авгит, роговая обманка);

- несовершенная, поверхность практически отсутствует или обнаруживается с большим трудом: поверхности излома всегда неровные (кварц, нефелин, апатит). У ряда минералов спайность проявляется не по одному, а по двум или нескольким направлениям.

Излом - вид поверхности разрыва и раскалывания минерала.

Различают изломы:

Раковистый, имеющий выпуклую или вогнутую концентрически волнистую поверхность, напоминающую поверхность раковин (характерно для минералов без спайности);

Занозистый, имеющий поверхность, покрытую ориентированными в одном направлении занозами (характерна для минералов волокнистого или мучнистого строения);

Землистый, характеризующийся шероховатой, матовой поверхностью (каолинит, лимонит);

Зернистый, характерный для агрегатов;

Ступенчатый (излом по спайности) - для минералов, имеющих совершенную спайность по двум или трём направлениям.

Магнитность проявляются в том, что данный минерал действует на магнитную стрелку. Таких минералов немного (магнетит, пирротин). Очень редко у магнетита можно наблюдать полярный магнетизм, выражающийся в том, что образец его может притягивать железные опилки, мелкие гвозди.

Реакция со слабой соляной кислотой – характерна для некоторых минералов – карбонатов. Кальций легко реагирует с НСl, при этом выделяется СО₂ с шипением, доломит вскипает только в порошке.

Вкус характерен для легкорастворимых минералов (солей). По вкусу можно отличить каменную соль от сильвина. (Последний, горький на вкус и щиплет язык).

Классификация минералов основана в основном на их химическом составе. Все минералы разделяются на 10 классов (табл.3).

Простые вещества (самородные элементы) и интерметаллические соединения. Самородные элементы не имеют большого распространения среди минерального царства. Представлены металлами (Au, Ag, Fe, Pt, Cu), полуметаллами (As, Sb, Bi) и металлоидами (сера, алмаз, графит).

Для самородных минералов характерны интерметаллические соединения, отличающиеся определённой стереохимической формулой (Cu₃As, Ag₃Sb), а также соединения переменного состава - твёрдые растворы (изоморфные смеси Au и Ag, Pt и Fe, Pt и Cu). Некоторые минералы данного типа встречаются в виде двух и более полиморфных модификаций (алмаз, графит, α-сера, β- сера и др.).

Таблица 3. Классификация минералов

Самородные металлы обладают хорошей электропроводимостью и теплопроводностью, металлическим блеском, большим удельным весом, ковкостью, отсутствием спайности, невысокой твёрдостью. Полуметаллы и металлоиды характеризуются большим разнообразием свойств.

Сульфиды (сульфиды, селениды, арсениды, антимониды, теллуриды) – сернистые, селенистые, мышьяковистые и другие соединения металлов. Большинство из них рудообразующие минералы. С химической точки зрения они являются производными сероводородной, селеновой, теллуровой и других кислот.

Большинство сернистых минералов гидротермального происхождения. В осадочных породах они образуются в восстановительных условиях при наличии сероводорода, выделяющегося при разложении органического вещества без доступа кислорода. В окислительной обстановке в присутствии воды и кислорода образуются легкорастворимые в воде сульфаты, а затем гидроокислы и окислы, карбонаты и возникают зоны рудных месторождений. Химически стойкие в окислительной обстановке киноварь (HgS).