7. Морфология кристаллических агрегатов минералов. Сферолиты.

Морфология – внешний вид кристалла (Общий внешний вид кристалла того или иного минерала, зависит от того, какая элементарная форма, присущая определенному химическому веществу, преобладает в его составе  и от условий их образования). Разнообразие существующих форм кристаллов можно подразделить на три типа: изометричные, вытянутые в одном направлении (призматические) и вытянутые в двух направлениях (уплощенные). Изометричные — имеющие близкие размеры во всех направлениях: кубы (галенит, пирит), тетраэдры (сфалерит), октаэдры (магнетит, пирохлор), бипирамиды (циркон, касситерит), ромбододекаэдры (гранат), ромбоэдры (кальцит) и др. Вытянутые в одном направлении — призматические, столбчатые, шестоватые, игольчатые, волокнистые кристаллы (турмалин, берилл, пироксен, амфибол, рутил и др.). Вытянутые в двух направлениях (уплощенные) — таблитчатые, пластинчатые, листоватые, чешуйчатые кристаллы (слюды, хлориты, молибденит, графит и т.д.). Минеральные агрегаты — это срастания минеральных индивидов одного и того же или разных минералов. Агрегаты бывают, зернистые, землистые, шестоватые, волокнистые. пластинчатые, чешуйчатые. Зернистые агрегаты различаются по величине зерна: крупнозернистые (размер зерна более 5 мм в поперечнике), среднезернистые (зерна от 1 до 5 мм), мелкозернистые (с зернами менее 1 мм). По характеру распределения составляющих их зерен разделяются на: равномернозернистые и неравномерозернистые. Землистые агрегаты в основном характерны для рыхлых, порошковатых минералов. К таким относятся и часть осадочных горных пород - глины (каолин), бокситы. Друзы (щетки) - незакономерные сростки правильных, хорошо образованных кристаллов, выросших в полостях (пустотах) горных пород.  Конкреции — шарообразные или неправильной формы стяжения и желваки, образующиеся в рыхлых осадочных породах (илах, глинах, песках и др). Конкреции разрастаются от какого-либо центра (обломочного зерна, органического остатка и т.д.), вокруг которого образуется сгусток коллоидального вещества, впоследствии раскристаллизованного. Секреции (жеоды, миндалины) - форма отложения минералов в полостях горных пород. Здесь рост минералов направлен от краев к центру. Жеодами называют секреции, размер которых более 2 см. в диаметре, все, что меньше, называют миндалинами. Такая форма выделения, как правило, имеет плотно заросшие края и пустой центр.  Дендриты - форма минералов, имеющая ветвистое, древовидное строение. Зачастую такая конструкция напоминает отпечаток растения. Дендриты образуются благодаря отложению частиц питающих растворов по тонким трещинкам вмещающей породы. Дендриты очень частая форма выделения самородной меди и окислов марганца. Последние могут создавать причудливые, пейзажные рисунки на кремнистых известняках.  Оолиты – агрегат, состоящий из мелких шариков, размер которых может достигать 2 см. В разрезе, такие шарики имеют концентрическое или радиальнолучистое строение. Оолиты образуются в водной среде, когда раствор вещества группируется вокруг песчинок, пузырьков воздуха. К оолитам, так же относят все минералы, имеющие оолитовое строение, независимо от условий образования. Почковидные агрегаты или натеки – распространены среди поверхностных образований. Могут иметь вид сосулек растущих сверху (сталактиты) или растущих снизу (сталагмиты). Натечная форма выделения встречается у малахита, гематита, халцедона. Налеты и примазки - тонкие пленки различных вторичных минералов, покрывающие поверхность кристаллов или пород. Таковы, например, пленки лимонита на кристаллах горного хрусталя.   Выцветы - переодически появляющиеся в сухую погоду и исчезающие в дожди рыхлые корочки, пленки, часто пушистые или моховидные. Эти образования сложены чаще всего легкорастворимыми водными хлоридами, сульфатами разных металлов или другими воднорастворимыми солями.  Землистые массы - рыхлые, мягкие, мучнистые агрегаты аморфного или скрытокристаллического строения. Чаще всего образуются при химическом выветривании горных пород или в зоне окисления руд (напр. руд марганца).   Псевдоморфозы. Псевдоморфозами называют минералы, которые, образуясь, имеют не свойственные им формы. Классическим примером является псевдоморфоза лимонита по пириту. Рождение такой формы, происходит так: пирит (FeS2) попав в зону окисления, разрушается и переходит в гидроокисел железа (Fe2O3 x nH2O), лимонит, который и заполняет оставшуюся от выщелачивания форму пирита. Параморфоза – та же псевдоморфоза, только минерал, который замещает исходный, имеет идентичный с исходным минералом химический состав. Сфероли́т — сложный минеральный агрегат округлой формы, состоящий из тонких игольчатых кристаллов и встречающийся в природе в виде шариков радиально-лучистого строения. Сферолиты встречаются в магматических и осадочных горных породах. Под термином «сферолит» принято объединять ряд близких к сферическим сложных минеральных форм, сложенных волокнистыми, игольчатыми, столбчатыми или пластинчатыми составными элементами, расположенными по радиусам вокруг общего центра (типичный и хорошо знакомый всем пример — шарообразные почковидные выделения малахита). Сферолиты могут быть плотными с видимой гладкой или мозаичной поверхностью ("закрытые сферолиты"), а могут иметь вид пушистых шариков или игольчатых пучков, если состоят из отделившихся друг от друга тонких субиндивидов ("открытые сферолиты"),- в зависимости от соотношения скорости роста концов волокон и скорости их разрастания в стороны. Встречаются как наросшими на стенках открытых полостей (поодиночно либо в виде сферолитовых корок), так и включенными в массемагматических или метаморфических пород, где могут быть продуктом как кристаллизации из расплава, так и метасоматического роста.

8. Химический состав минералов. Изоморфизм, твердые растворы, явление упорядочения и распад твердых растворов. В состав минералов входит большинство химических элементов периодической системы. Различают видообразующие элементы – Si, O, H, Al, Ca, Na, Mg, Cu, Pb, S, и др. Минералы представлены следующими основными типами химических соединений: ●простыми веществами или самородными элементами – самородная сера, графит, самородная медь, золото, платина и др.; ●оксидами и гидрооксидами: корунд Al₂O₃, рутил TiO₂, куприт Cu₂O и др.; ●солями различных кислородсодержащих и бескислородных кислот: галит NaCl, пирит FeS₂, кальцит CaCO₃, барит BaSO₄ и др. Для многих солей характерны комплексные анионы (радикалы): в силикатах [SiO₄]⁴⁺, в карбонатах [СО₃]^2-, в фосфатах [РО₄]^3- и др. Изоморфизм - способность атомов, ионов или молекул замещать друг друга в кристаллических структурах минералов без нарушения их строения. В результате изоморфизма образуются твёрдые растворы замещения. Вещества, которым присущ изоморфизм, называют изоморфными. . Изоморфизм обусловлен близостью свойств атомов и ионов, а также воздействием температуры, давления, концентрацией компонентов.  Изоморфные вещества могут кристаллизоваться совместно, давая смешанные кристаллы - изоморфные смеси (изоморфные смеси = твердые растворы). Эти смеси образуются лишь тогда, когда замещающие друг друга частицы (атомы, ионы, молекулы) близки по своим эффективным размерам. Согласно правилу Гольдшмидта, образование изоморфных смесей с широким диапазоном концентраций возможно при тождестве знака заряда и близкой поляризуемости замещающих друг друга атомов или ионов, если их ионные радиусы различаются не более чем на 15%. Если два вещества дают изоморфные смеси любых концентраций (непрерывный ряд твердых растворов), то изоморфизм называют совершенным. В противном случае говорят о несовершенном (или ограниченном) изоморфизме. Совершенный изоморфизм характерен только для изоструктурных веществ, имеющих сходное пространственное расположение атомов или ионов и поэтому сходные по внешней форме кристаллы. Для ограниченного изоморфизма условие изоструктурности необязательно.

Различают три вида твёрдых растворов:

1) Твёрдые растворы замещения; Согласно полуэмпирическим правилам Юм-Розери, непрерывный ряд твёрдых растворов замещения в металлических системах образуются лишь теми элементами, которые, во-первых, имеют близкие по размерам атомные радиусы (отличающиеся не более чем на 15 %) и, во-вторых, находятся не слишком далеко друг от друга в электрохимическом ряду напряжений. При этом элементы должны иметь один и тот же тип кристаллической решётки. В твёрдых растворах на основе полупроводников и диэлектриков, благодаря более «рыхлым» кристаллическим решёткам образование твёрдых растворов замещения возможно и при большем различии атомных радиусов.

2) Твёрдые растворы внедрения; Если атомы компонентов существенно различаются по размерам или электронной структуре, возможно внедрение атомов одного элемента в междоузлия решётки, образованной другим элементом. Подобные твёрдые растворы часто образуются при растворении неметаллов (B, H₂, O₂, N₂, C) в металлах.

3) Твёрдые растворы вычитания, возникающие за счёт появления в кристаллической решётке вакантных узлов, образуются при растворении одного из компонентов в химическом соединении и характерны для нестехиометрических соединений.

При высоких температурах в результате расширения кристаллической решетки пределы допускаемых замещений становятся менее жесткими, и возможности образования твердых растворов возрастают, т.е. поля составов расширяются. При охлаждении минерала, состав которого, устойчивый при высоких температурах, становится неустойчивым при понижении температуры, в зависимости от минерального состава и скорости охлаждения кристалла могут развиваться следующие процессы: Если охлаждение происходит резко, т. е. если кристалл подвергается закалке, то его высокотемпературная структура оказывается замороженной. При менее резком охлаждении атомы успевают перегруппироваться, принимая частично или полностью упорядоченное пространственное расположение. В конечном счете, структура может разрушиться с образованием двух веществ, имеющих различный состав, но близкую структуру. Этот последний процесс называется распад твердого раствора (экссолюция)

Упорядоченность твердых растворов

Возможно четыре варианта упорядоченности замещающих атомов:

1. Распределение атомов совершенно произвольно, вероятность встретить «белый» и «черный» атомы в любой точке кристаллической структуры пропорциональна относительному количеству тех и других атомов. Этот случай соответствует полной неупорядоченности.

2. Однако между этими двумя случаями можно расположить еще два промежуточных. В случае Б имеется упорядоченность в ближайших координационных сферах — упорядоченность ближнего порядка. На рисунке не найдется ни одной пары «черных» атомов, располагающихся на кратчайшем друг к ДРУГУ расстоянии а или же на расстоянии а*(2)^½. Все имеющиеся сведения о тонком строении твердых растворов указывают на то, что именно такое расположение характеризует подавляющее большинство твердых растворов.

3. Случай В характеризуется не только ближним порядком, в нем наблюдается и дальний порядок. Однако он не достигает 100 %. Большинство интерметаллических соединений характеризуется именно такой степенью упорядоченности, причем ее часто выражают определенным процентом от идеальной упорядоченности.

4. Распределение полностью упорядоченно взаимного расположения атомов в пространстве. Практически при таком распределении примеси образуется новое соединение промежуточного состава. Примером можно назвать доломит — промежуточное соединение между магнезитом и кальцитом. Таковы структуры многих неорганических соединений.

Из сказанного ясно, что не существует резких границ между твердым раствором и соединением. Упорядоченные твердые растворы и не полностью упорядоченные соединения являются теми самыми случаями, которые обычно реализуются в природе и в лаборатории.

9. Физические свойства минералов, их природа и зависимость от химического состава и структуры. Оптические свойства. Цвет – способность минерала отражать или пропускать через себя ту или иную часть видимого спектра. Цвет минерала может быть обусловлен ● наличием в его структуре элементов-хромофоров (Cu, Fe, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni и др. Элементы-хромофоры могут окрашивать минералы в разные цвета в зависимости от их валентности, концентрации, присутствия других химических элементов и соединений и пр.); ● дефектами кристаллической решетки; ● примесями, как изоморфными, т. е. входящими в структуру минерала, так и механическими. (Например зеленый кварц - празем, цвет обусловлен мельчайшими включениями чешуек зеленого хлорита или иголочек актинолита. Механическая примесь гематита часто вызывает красную или бурую окраску минералов, например  сильвина, агатов). В отдельных случаях окраска минерала может быть вызвана иризацией и побежалостью. Иризация – цветной отлив на гранях или плоскостях спайности некоторых минералов (например, лабрадор), обусловленный наличием тонких включений или трещин, вызывающих интерференцию лучей света. Побежалость – цветная пленка на слегка окислившейся поверхности минерала (халькопирит, борнит). Цвет черты – цвет минерала в порошке на белом фоне. Для определения цвета черты используют бисквит. По сравнению с окраской минералов цвет черты является более постоянным и имеет важное диагностическое значение. Минералы с металлическим блеском, как правило, имеют черную черту с разными оттенками, минералы со стеклянным блеском – белую, реже слабоокрашенную. Цвет минерала часто не совпадает с цветом его черты. Блеск – способность минерала отражать свет. Интенсивность и характер блеска зависит от показателя преломления, отражательной способности и характера поверхности, от которой отражается свет. При условии, что свет отражается от ровной гладкой поверхности (грани, плоскости спайности), выделяют следующие типы блеска по возрастанию яркости: стеклянный – характерен для прозрачных и полупрозрачных минералов. Большинство минералов имеют именно этот блеск. алмазный – встречается значительно реже (алмаз, сфалерит, киноварь); полуметаллический - (магнетит); металлический – характерен для непрозрачных минералов, например, пирит Кроме основных типов блеска выделяют: жирный – у минералов со стеклянным и алмазным блеском на скрытобугорчатой поверхности излома (кварц, нефелин); восковый – у скрытокристаллических масс и твердых гелей (кремни, опал); матовый – у пористых тонкодисперсных масс (мел, каолин, лимонит). У минералов, обладающих явно выраженной ориентировкой элементов строения, возникает отлив: шелковистый – в минералах с параллельно-волокнистым строением (асбест, селенит); перламутровый – у прозрачных минералов с весьма совершенной спайностью (мусковит, гипс).  Прозрачность – способность минерала пропускать через себя свет. Оценивается на качественном уровне путем просмотра минерала на просвет. По степени прозрачности минералы условно делят на: прозрачные – горный хрусталь, топаз. полупрозрачные – сфалерит. непрозрачные – магнетит, пирит, графит. Механические свойства. Спайность – способность минерала раскалываться по определенным кристаллографическим направлениям с образованием гладких параллельных поверхностей, называемых плоскостями спайности. Спайность обусловлена внутренней структурой минерала и не зависит от внешней формы кристалла или зерна минерала.  ● По степени совершенства: весьма совершенная – минерал легко раскалывается или расщепляется на тонкие пластинки или листы (минералы со слоистой структурой: слюды, графит и пр.); совершенная – кристаллы колются на более толстые пластинки, бруски с ровными поверхностями (кальцит, галенит); средняя – поверхность скола не всегда ровная и блестящая (полевые шпаты); несовершенная – обнаруживается с трудом, поверхность скола неровная (апатит, нефелин). ● По количеству направлений: по пинакоиду – одно направление по ромбической или тетрагональной призме – два; по гексагональной призме, ромбоэдру и кубу – три; по октаэдру – четыре; по ромбододекаэдру – шесть. Отдельность – расколы кристаллов по плоскостям их физической неоднородности. Плоскостями отдельности могут быть: плоскости срастания двойников (например, корунд ) поверхности зон и секторов роста кристаллов; плоскости мельчайших включений других минералов. Излом – раскол минерала в направлениях, где нет спайности. Различают изломы: ровный или ступенчатый, раковистый, занозистый, землистый, зернистый, неровный. Твердость – степень сопротивления минерала механическому воздействию (давлению, сверлению, царапанию, шлифованию и т.п.) В обычной минералогической практике определяют относительную твердость путем царапанья одного минерала другим. Для этого используют шкалу Мооса, в которой имеется 10 эталонных минералов, пронумерованных в порядке увеличения твердости. Плотность минералов изменяется от 0,8–0,9 (у природных кристаллических углеводородов) до 22,7 г/см3 (у осмистого иридия). Плотность определяется формулой  p = m/V, где m – масса тела, V – объем. Условные группы плотности: легкие – < 2,5 (гипс); средние – 2,5–4,0 (кварц, полевые шпаты); тяжелые  – 4,0–8,0 пирит, халькопирит); очень тяжелые – > 8,0 (киноварь). Преобладают минералы с плотностью 2,5–4,0 г/см3. Плотность минералов возрастает: ● с ростом компактности кристаллической структуры; ● с увеличением атомного номера слагающих его химических элементов; ● с уменьшением их ионных радиусов. Минералы переменного химического состава имеют непостоянную плотность. Ковкость (пластичность)– Способность пластично деформироваться. Хорошей ковкостью обладают: самородные металлы, некоторые их оксиды и сульфиды, глинистые минералы и т.д.

Прочие свойства. В отличие от перечисленных выше, присущи не всем минералам, и по умолчанию, если их нет, в описании не указываются. Если же они есть, они всегда являются диагностическими для данного минерала.

Магнитность — зависит от содержания главным образом двухвалентного железа, обнаруживается при помощи обычного магнита. Полихромная окраска – оптическое свойство, при котором в пределах одного кристалла цвет изменяется в иную хроматическую гамму. Характерно для галогенидов: флюорита(зеленый–белый–фиолетовый), галита (прозрачный– синий) Двулучепреломление – способность прозрачных минералов «раздваивать» линии при просмотре сквозь них. Пример: исландский шпат (разновидность кальцита). Флюоресценция – Способность минералов светиться в ультрафиолетовом свете. Пример: галогениды, в частности – флюорит. Растворимость в воде (вкус) – для минералов класса галоидных соединений это, зачастую единственный способ отличить один от другого. Запах – характерный чесночный запах после механического воздействия на образец отличает арсениды. Кроме того, кристаллы нашатыря обладают характерным запахом.