11. Принципы систематики и общая характеристика основных классов минералов.

Классификация минералов построена на химическом составе и кристаллической структуре. Вещества одного химического типа часто имеют близкую структуру, поэтому минералы сначала делятся на классы по химическому составу, а затем на подклассы по структурным признакам.

• Раздел I. Самородные элементы и интерметаллические соединения

• Раздел II. Карбиды, нитриды и фосфиды.

• Раздел III. Сульфиды, сульфосоли и им подобные соединения.

  • 1 класс. Простые и двойные сернистые и им подобные соединения.

  • 2 класс. Сульфосоли.

• Раздел IV. Галоидные соединения (галогениды).

  • 1 класс. Фториды.

  • 2 класс. Хлориды, бромиды и иодиды.

• Раздел V. Окислы.

  • 1 класс. Простые и сложные окислы.

  • 2 класс. Гидроокислы.

• Раздел VI. Кислородные соли.

  • 1 класс. Иодаты.

  • 2 класс. Нитраты.

  • 3 класс. Карбонаты.

  • 4 класс. Сульфаты и селенаты.

  • 5 класс. Хроматы.

  • 6 класс. Молибдаты и вольфраматы.

  • 7 класс. Фосфаты, арсенаты и ванадаты.

  • 8 класс. Арсениты.

  • 9 класс. Бораты.

  • 10 класс. Силикаты.

    • А. Островные силикаты.

    • Б. Цепочечные силикаты.

    • В. Ленточные силикаты.

    • Г. Слоистые силикаты.

    • Д. Каркасные силикаты.

Самородные элементы. В самородном состоянии в земной коре устанавливается свыше 30 химических элементов, главным образом металлов. Сюда же относятся ряд газов и редко встречающиеся элементы в жидком состоянии. Некоторые химические элементы в природе встречаются исключительна или почти исключительно в самородном состоянии и носят название благородных элементов. К числу их прежде всего относится группа благородных газов: Не, Ne, Аr, Кr, Хе и Rn. Особое положение в таблице занимает также группа благородных металлов (Ru, Rh, Pd, Ag, Os, Ir, Pt и Au).  Самородные элементы, встречающиеся в твердом состоянии, обладают различными кристаллическими структурами. По типу сил связей между атомами преобладающее значение имеют атомные структуры плотнейшей упаковки с металлической связью, иногда с признаками связей, переходных к гетерополярной и вандерваальсовской. Этими особенностями обусловлен ряд важных общих свойств самородных металлов.

Из всех природных веществ самородные металлы обладают наилучшей электропроводностью и теплопроводностью. Все они в полированном виде обладают сильным металлическим блеском, т. е. высокой отражательной способностью. Показатели преломления, от которых зависит блеск, являются наивысшими. Лишь для золота, серебра и меди они меньше 1,0, но это также обусловливает высокую отражательную способность (см. рис. 20). Точно так же и показатели поглощения света исключительно высоки.

Цвет преобладающего большинства самородных металлов серебряно- или оловянно-белый. Бросающимся в глаза исключением являются цвета золота и меди. Эти элементы могут обнаруживать более высокие валентности, чем следует по их положению в таблице элементов (CuCl₂, АuСl₃).

Из всех известных минералов самородные металлы обладают наибольшими удельными весами (особенно минералы элементов платиновой группы). Металлы, структура которых характеризуется координационным числом 12 и отсутствием направленных сил связей, обладают высокой ковкостью, отсутствием ясно выраженной спайности в изломе и обычно невысокой твердостью В отношении твердости исключение составляют лишь иридий и минералы, содержащие этот элемент в значительных количествах.

Физические свойства группы полуметаллов (мышьяка, сурьмы и висмута), характеризующихся как бы частично искаженными кубическими решетками, несколько отличаются от свойств типичных металлов. Меньшие отклонения в строении кристаллической решетки наблюдаются у висмута, который обладает наибольшим в данной группе блеском, наименьшей хрупкостью, наименьшей твердостью и др. Общими для всех трех металлов являются морфологические особенности кристаллов и направления спайности, что строго согласуется с особенностями их кристаллического строения.

Сульфиды. Кристаллическая структура сульфидов обусловлена плотнейшей кубической и гексагональной упаковкой ионов S²⁻, между которыми располагаются ионы металлов. Основные структуры представлены координационными (галенит, сфалерит), островными (пирит), цепочечными (антимонит) и слоистыми (молибденит) типами.

Характерны следующие общие физические свойства: металлический блеск, высокая и средняя отражающая способность, сравнительно низкая твёрдость и большой удельный вес. Все сульфиды, за исключением некоторых разностей цинковой обманки, непрозрачны и имеют темную или окрашенную черту. Цвет у большинства сульфидов постоянный, характерный для каждого из них. Сульфиды с металлическим блеском в большинстве случаев тяжелые, с неметаллическим блеском — легкие.

Наиболее типичное происхождение сульфидов — гидротермальное. В поверхностных условиях сульфиды большей частью представляют соединения неустойчивые — они более или менее легко выветриваются и образуют сернокислые, углекислые, кислородные, водные соединения и покрываются коркой.

Оксиды. Почти все относящиеся к данному разделу соединения обладают кристаллическими структурами, для которых характерна ионная связь структурных единиц.

Оксиды и гидроксиды – представляют один из наиболее распространенных классов с более 150 минеральными видами, в которых атомы или катионы металлов образуют соединения с кислородом или гидроксильной группой (ОН). Это выражается общей формулой АХ или АВХ – где Х-атомы кислорода или гидроксильная группа. Наиболее широко представлены оксиды Si, Fe, Al, Ti, Sn. Некоторые из них образуют и гидрооксидную форму. Особенность большинства гидрооксидов – снижение значений свойств по сравнению с оксидной формой того же атома металла. Яркий пример – оксидная и гидрооксидная форма Al: Корунд – тв 9, блеск алмазный, Бемит – твердость 3-4, тусклый.

Оксиды по химическому составу и блеску можно разделить на: металлические и неметаллические. Для первой группы характерны средняя твердость, темные цвета (черный, серый, бурый), средняя плотность. Пример – минералы гематит и касситерит. Вторая группа характеризуется низкой плотностью, высокой твердостью 7–9, прозрачностью, широкой гаммой цветов, отсутствием спайности. Пример – минералы кварц, корунд.

Генезис – при эндогенных и экзогенных процессах.

Галогениды. Наиболее широко распространены фториды и хлориды – соединения катионов металлов с одновалентным фтором и хлором.

Фториды – минералы светлые, средней плотности и твердости. Представитель – флюорит CaF2. Хлоридами являются минералы галит и сельвин (NaCl и KCl).

Для галогенидов общими являются – низкая твердость, кристаллизация в кубической сингонии, совершенная спайность, широкая цветовая гамма, прозрачность. Особыми свойствами обладают галит и сильвин – соленый и горько-соленый вкус.

По генезису фториды и хлориды отличаются. Флюорит – продукт эндогенных процессов (гидротермальный), а галит и сильвин – образуются в экзогенных условиях за счет осаждения при испарении в водоемах.

Карбонаты – соли угольной кислоты, общая формула АСО3 – где А – Са, Мg, Fe и др.

Общие свойства – кристаллизуются в ромбической и тригональной сингониях (хорошие кристаллические формы и спайность по ромбу); низкая твердость 3–4, преимущественно светлая окраска, реакция с кислотами (HCl и HNO3) с выделением углекислого газа.

Свойства: твердость безводных карбонатов никогда не бывает высокой. Обычно она колеблется от 3 до 5. Растворимость карбонатов в воде повышенная. Карбонат Cu²⁺ встречается только в виде основных солей, и преобладают интенсивные окраски карбонатов меди в зеленый и синий цвета. Все остальные карбонаты либо бесцветны, либо окрашены в бледные тона. Из оптических свойств для карбонатов очень характерным является весьма высокое двупреломление (Ng-Np).

Наиболее распространенными являются: кальцит СаСО3, магнезит Mg СО3, доломит СаМg (СО3) 2, сидерит Fe СО3.

Карбонаты с гидроксильной группой (ОН):

Малахит Cu2 CO3 (OH) 2 – зеленый цвет и реакция с НС l,

Азурит Cu3 (CO3) 2 (OH) 2 – синий цвет, прозрачен в кристаллах.

Генезис карбонатов разнообразен – осадочный (химический и биогенный), гидротермальный, метаморфический.

Это породообразующие минералы осадочных пород (известняки, доломиты и др.) и метаморфических – мрамор, скарны.

Сульфаты – соли серной кислоты, т.е. имеют радикал SO4. Наиболее распространенные и известные сульфаты Ca, Ba, Sr, Pb. Общими свойствами для них являются – кристаллизация в моноклинной и ромбической сингониях, светлая окраска, низкая твердость, стеклянный блеск, совершенная спайность.

Минералы: гипс CaSO4 •2H2O, ангидрит CaSO4, барит BaSO4 (высокая плотность), целестин SrSO4.

Образуются в экзогенных условиях, часто совместно с галогенидами. Некоторые сульфаты (барит, целестин) имеют гидротермальный генезис.

Фосфаты, арсенаты – соли фосфорной кислоты, т.е. содержащие PO4.  К этому классу относится сравнительно большое число разнообразных по составу минеральных видов. Общее весовое количество их в земной коре, однако, относительно невелико.

Трехвалентные анионы [PO₄]^3-, [AsO₄]^3- и [VO₄]^3- обладают сравнительно крупными размерами, поэтому наиболее устойчивые безводные соединения типа AXO₄ можно ожидать в сочетании с трехвалентными крупными катионами. Во введении к описанию кислородных солей указывалось, что такими катионами являются ионы редких земель и Bi. Соединения с малыми катионами, как общее правило для всех типичных кислородных солей, гораздо шире представлены водныминормальными солями (с гидратированными катионами).

Из фосфатов двухвалентных металлов, но с дополнительными анионами (ОН, F, О, отчасти Cl) или в виде кислых соединений, наиболее устойчивыми являются соединения также с относительно крупными катионами (Ca, Sr и отчасти Pb), а для арсенатов и ванадатов характерны соединения с Pb, причем добавочным анионом служит Cl, и, наконец, двойные соединения Pb или Ca с Cu, Zn, Mg и отчасти с Mn^••. Для кальция, кроме того, известны водные кислые соли.

Исключительный интерес представляют явления гетеровалентного изоморфизма, нередко устанавливаемые в данном классе соединений, в частности среди фосфатов. Особенно показательные примеры видно по изоморфному замещению анионных радикалов. Так, трехвалентный анион [PO₄]^3- может быть замещен одинаково построенными и равновеликими анионами: двухвалентными [SO₄]^2- и четырехвалентным [SiO₄]^4-. При этом могут иметь место разные случаи.

Силикаты – наиболее распространенный и разнообразный класс минералов (до 800 видов). В основе систематики силикатов – кремнекислородный тетраэдр [SiO4] -4. В зависимости от структуры, которую они образуют, соединяясь друг с другом, все силикаты делятся на:

островные, слоистые, ленточные, цепочечные и каркасные.

Островные силикаты – в них связь между обособленными тетраэдрами осуществляется через катионы. В эту группу входят минералы: оливин, топаз, гранаты, берилл, турмалин.

Слоевые силикаты – представляют непрерывные слои, где тетраэдры связаны ионами кислорода, а между слоями связь осуществляется через катионы. Поэтому у них общий радикал в формуле [Si4O10] 4– Эта группа объединяет минералы-слюды: биотит, тальк, мусковит, серпентин.

Цепочечные и ленточные – тетраэдры образуют цепочки одинарные или сдвоенные (ленты). Цепочечные – имеют общий радикал [Si2O6] 4- и включают группу пироксенов.

Ленточные силикаты с радикалом [Si4O11] 6 – объединяют минералы группы амфиболов.

Каркасные силикаты – в них тетраэдры соединяются между собой всеми атомами кислорода, образуя каркас с радикалом [Si4O8]. В эту группу входят – полевые шпаты и плагиоклазы. Полевые шпаты объединяют минералы с катионами Na и K. Это минералы микроклин и ортоклаз. В плагиоклазах в качестве катионов – Са и Na, при этом соотношение между этими элементами не постоянно. Поэтому плагиоклазы представляют собой изоморфный ряд минералов:

альбит – олигоклаз – андезин – лабрадор – битовнит – анортит. От альбита к анортиту увеличивается содержание Са.

В составе катионов в силикатах наиболее часто присутствуют: Mg, Fe, Mn, Al, Ti, Ca, K, Na, Be, реже Zr, Cr, B, Zn редкие и радиоактивные элементы. Необходимо отметить, что часть кремния в тетраэдрах может замещаться Al и тогда мы относим минералы к алюмосиликатам.

Сложный химический состав и разнообразие кристаллической структуры в сочетании дают большой разброс показателей физических свойств. Даже на примере шкалы Мооса видно, что твердость у силикатов от 1 до 9.

Спайность от весьма совершенной до несовершенной. Окраска – широчайший спектр цветов и оттенков.

В тоже время, внутри каждой структурной группы свойства близки и всегда есть какой-то один или два признака, по которым можно определить минерал. Например, слюды определяют по спайности и низкой твердости.

Часто силикаты группируются по окраске – темноокрашенные, светлоокрашенные. Особенно широко это применяется к силикатам – породообразующим минералам.

Силикаты образуются в основном при формировании магматических и метаморфических пород в эндогенных процессах. Большая группа глинистых минералов (каолин и др.) образуется в экзогенных условиях при выветривании силикатных горных пород.