3.4. Минералы

Минералы (лат. "минера"- руда) - это однородные по составу, внутренней структуре и свойствам природные химические соединения, которые образуются в недрах земли в результате естественных физико-химических реакций и обладают определенным химическими составом и комплексом физических свойств.

В настоящее время идентифицировано около 4 000 минеральных видов. Половина из них открыта за последние полвека с помощью современных ультрамикроскопических методов и не имеют широкого распространения. Более того, 96% относительной распространенности минералов приходится всего на 5 минеральных групп: полевые шпаты; силикаты Fe, Mg, Ca; кварц; окислы железа и слюды (табл. 3.7.). Из них больше половины приходится всего на одну группу – полевых шпатов. Такое соотношение связано с тем, что элементы, слагающие эти минералы, составляют основную массу земной коры – 98,5%. На все остальные минералы остается всего 4% от общей минеральной массы земной коры. Земная кора - это область, где идут геохимические процессы, постоянное перераспределение вещества.

Таблица 3.7. Относительная распространенность различных групп минералов

В практическом отношении наибольший интерес представляют далеко не те минералы, которые имеют максимальное распространение. Новые технологии требуют все больше цветных металлов, редких, рассеянных и радиоактивных элементов. В связи с развитием техносферы миграционные циклы отдельных элементов в поверхностных частях земной коры все более ускоряются. Они же часто создают наибольшее экологическое давление на среду обитания человека.

Основные диагностические (отличительные) признаки минералов. По физическому состоянию минералы делятся на 3 группы:

1. аморфные (не имеющие упорядоченной кристаллической структуры – это, преимущественно, природные смолы и стекла),

2. жидкие (например, самородная ртуть, вода),

3. твердые (кристаллические).

Физические свойства минералов определяются их химическим составом и внутренним строением. Каждый минерал обладает определенным набором характеристик (признаков). Основные признаки минералов: внешний вид (форма выделения), цвет, цвет минерала в порошке (цвет черты или цвет следа), блеск, внутренние рефлексы, удельный вес (плотность), спайность, излом, твердость, особые свойства (такие как: теплопроводность, электропроводность, радиоактивность, а также оптические, люминесцентные, магнитные и др. свойства). Каждый минерал рассматривают в комплексе этих характеристик.

Внешний вид (форма выделения). Минералы встречаются в виде кристаллов, кристаллических двойников, сростков, зернистых сплошных, масс землистых, скоплений, налетов, натеков, жидкостей и т.д. Минимальный объём минерала, отражающий его характерные физико-химические особенности, называется "элементарной ячейкой".

Кристаллы - (греч. "кристаллос" - лёд) имеют форму замкнутых многогранников. Кристаллы обладают симметрией, определяемой их кристаллической решеткой. Атомы и ионы в кристаллической решетке располагаются в постоянных точках (узлах) - в строго определенном для каждого минерала порядке. Углы между гранями кристалла также всегда постоянны. Основными элементами кристаллической решетки являются центры, оси и плоскости симметрии.

Плоскость симметрии делит фигуру кристалла на две зеркально-подобные части. При повороте кристалла вокруг оси симметрии эта фигура совмещается сама с собой. Основными кристаллографическими константами такой ячейки являются ребра и углы между ними. Изучение их взаимоотношений позволило установить 32 класса симметрии кристаллов.

Сингония (симметрия) (греч. "син" - вместе, "гониа" - угол). Каждый кристалл ограничен гранями одной или нескольких простых форм. Среди них по степени симметрии выделяют семь сингоний.

Высшая сингония - кубическая. В ней ребра кристаллов расположены под прямыми углами по трем осям координат и равны между собой.

Средняя сингония - это тетрагональная (ребра по двум осям равны, все углы прямые), гексагональная (ребра по двум осям равны, два угла прямые, один равен 120) и тригональная (все ребра равны, углы не равны 90) сингонии.

К низшим сингониям относятся ромбичеческая, моноклинная, триклинная. Они характеризуются неравенством ребер, прямыми (ромбическая) или не равными 90 углами.

Подсчитано, что около 38% минералов кристаллизуется в триклинной и моноклинной, 23% - в ромбической, 10% - в тригональной, 7,5% - в гексагональной, 9,5% - в тетрагональной, 12% - в кубической сингониях.

Форма кристалла. Различают кристаллы:

• вытянутые в одном направлении (призматические, столбчатые, игольчатые, волокнистые);

• вытянутые в двух направлениях (таблитчатые, пластинчатые, листоватые, чешуйчатые);

• одинаково развитые по трем измерениям - изометричные (куб, октаэдр и др.).

Спайность - это свойство минералов раскалываться по ровным плоскостям в определенных кристаллографических направлениях. Оно обусловлено строением кристаллической решетки минералов. Число плоскостей спайности зависит от симметрии (сингонии) кристалла. Так, у сфалерита (кубическая сингония) имеется шесть разно-ориентированных плоскостей спайности.

По степени проявления различают следующие виды спайности: весьма совершенную, совершенную, среднюю и несовершенную (неясную).

Весьма совершенной спайностью обладают такие минералы, кристаллы которых легко расщепляются (например, весьма совершенная спайность у слюды мусковита, биотита и др.).

Совершенную спайность имеют кристаллы, которые при раскалывании образуют гладкие блестящие поверхности (кальцит, флюорит, полевой шпат).

Средней спайностью обладают минералы, на обломках которых наряду с неровными поверхностями отчетливо видны и гладкие блестящие поверхности (например: оливин, пироксены).

Несовершенной (неясной) спайностью обладают минералы, зерна которых ограничены неправильными поверхностями, за исключением граней кристаллов (например, кварц, пирит).

Число спайных направлений и качество спайности являются очень характерным диагностическим признаком минералов.

Минералы с хорошей спайностью, легко раскалывающиеся на пластины, называются "шпатами" (термин шведского происхождения).

Цвет минералов зависит от:

1. структурных особенностей минерала,

2. присутствия в них красящих элементов (хромофоров),

3. механических примесей.

Цвет очень обманчивый признак, так как может меняться в одном и том же минерале (например, флюорит или гранат - красный, зеленый, желтый, черный). Некоторые такие минералы имеют несколько названий в зависимости от своей окраски, например кварц. Чистый бездефектный кварц бесцветен – это горный хрусталь, но некоторые разновидности его окрашены в фиолетовый (аметист), золотистый (цитрин), дымчатый (раухтопаз) и черный (морион) цвета. Такая окраска зависит от посторонних примесей и наличия дефектов кристаллической структуры. С другой стороны есть минералы и с постоянной окраской, например, лазурит имеет всегда чернильно-синий цвет; малахит – зеленый, самородная сера – канареечно желтая. Иногда один и тот же кристалл в разных своих частях может иметь разную окраску. Например, если разрезать длинный кристалл турмалина вдоль оси, то он окажется послойно окрашенным в самые разнообразные цвета: розовые, зеленые, голубые, бурые, черные.

Цвет в порошке («цвет черты», «цвет следа») – цвет следа, остающегося на матовой шероховатой поверхности фарфоровой пластинки, оцарапанной каким-нибудь минералом. Это более устойчивый признак. Обычно цвет черты совпадает с цветом самого минерала. Но иногда между ними наблюдается резкое отличие. Например, темно-серый гематит имеет кроваво-красную черту, а соломенно-желтый пирит - черную.

Блеск – способность отражать свет. Он зависит от закономерностей строения кристаллической решетки минерала, характера химических связей (металлическая, ковалентная или ионная) и формы выделения минерала.

Различают минералы с металлическим, металловидным и неметаллическим блеском. Металлический блеск характерен для непрозрачных самородных металлов (золото, серебро, медь и др.), многих сернистых соединений (галенит, халькопирит и др.) и окислов металлов (магнетит, пиролюзит и др.). Металловидный блеск напоминает блеск потускневших поверхностей металлов. Неметаллический блеск характерен для прозрачных минералов. Различают следующие его виды: алмазный (алмаз, киноварь и др.), стеклянный (кварц, гипс, кальцит и др.), жирный (самородная сера и др.), перламутровый (слюда, гипс и др.), шелковистый (асбест и др.). У некоторых минералов блеск на гранях кристаллов и на изломе различный. Так, например, у кварца на гранях блеск стеклянный, а на изломе — жирный.

Плотность (удельный вес) – масса единичного объема вещества (г/см³). По плотности минералы подразделяются на 4 группы: легкие (до 2500 кг/м3), средние (2500-4000 кг/м3), тяжелые (4000-8000 кг/м3) и весьма тяжелые (более 8000 кг/м3) (табл. 3.8.).

Обычно плотность определяют приблизительно (№1-№3) по весу куска минерала. Средняя плотность всей Земли (с ядром) по расчетам примерно равна 5500 кг/м³. Земная кора (поверхность Земли вглубь до 35 км) имеет среднюю плотность 2500 кг/м³.

Твердость («Шкала Мооса») – способность минералов сопротивляться внешнему воздействию (например, нанесению на них царапин). Твердость минералов обусловлена прочностью их кристаллической решетки, но твердость минерала не является синонимом его прочности (например, алмаз твердый, но он одновременно и хрупкий). Для составления шкалы твердости («Шкалы Мооса», Ф.Моос, 1811 г.) были взяты 10 наиболее известных минералов (минерал-тестов). Для них определили их относительную твердость (по десятибальной шкале) путем царапания более твердым минералом более мягкого (табл. 3.9.).

Твердость (в баллах) эталонных минералов в ней соответствует их номерам. По этой шкале самым мягким оказался тальк (он получил по шкале твердости 1 балл), самым твердым – алмаз (10 баллов). Минералы, имеющие твердость свыше 7 баллов встречаются в природе очень редко.

Табл. 3.9. Шкала Мооса

Особые свойства – это свойства, присущие отдельным минералам, либо небольшим их группам. К особым свойствам относятся вкус, запах, реакци со стандартными реактивами (например, с 10% раствором соляной кислоты), а так же теплопроводность, электропроводность, радиоактивность, магнитность, люминесцентные свойства и т.п.

Классификация минералов.Минералы отличают друг от друга по внешним постоянным диагностическим признакам. Первоначально минералы подразделяли только по внешним признакам. Затем стали использовать химический состав и кристаллическую структуру минералов. Так как минералы – это химические соединения, то в основу их классификации положен химический состав.

Выделяются несколько классов (групп, типов) (обычно - 5) минералов (Рис. 3.10.):

1. самородные элементы,

2. сернистые и близкие к ним соединения (сульфиды, арсениды, антимониды и др.),

3. галоидные соединения (галоиды),

4. оксиды и гидроксиды,

5. кислородные соли, в том числе:

• карбонаты,

• сульфаты, хроматы, врльфраматы, молибдаты,

• фосфаты, арсенаты, ванадаты,

• силикаты (островные силикаты, цепочечные и ленточные силикаты и алюмосиликаты, листовые (слоистые) силикаты), каркасные алюмосиликаты.

• и некоторые другие.

Самородные элементы включают минералы, состоящие из одного химического элемента и существующие в природе в свободном виде (табл.3.11.). Т.е., самородные элементы существуют в виде химически простых веществ, а не в виде соединений с другими химическими элементами. При внимательном изучении эти минералы являются тоже смесями разных химических элементов, но с резким преобладанием в них какого-то одного, главного химического элемента.

Всамородном виде на Земле обнаружено несколько десятков химических элементов. Однако самородки - редкие находки.

В промышленных масштабах в самородном виде встречаются только платина (Pt), золото (Au), медь (Cu), серебро (Ag), сера (S), ртуть (Ng), углерод (С) (алмаз, графит). Значительно реже в самородном виде встречаются железо (Fe) (преимущественно в виде метеоритного железа), мышьяк, сурьма и др.

Некоторые химические элементы (например, рений) в природных процессах не концентрируются и в самородном состоянии не известны.

Самородные металлы, как правило, обладают электропроводностью, металлическим блеском, ковкостью. Среди самородных металлов часто встречаются твердые растворы (например, серебро в золоте, железо в платине и др.).

Самородные элементы играют незначительную роль в строении верхней оболочки Земли, т.к. их содержание невелико – примерно 0,1% от массы вещества литосферы, гидросферы и атмосферы, вместе взятых. Среди них около половины составляют азот и кислород, образующие газовую оболочку нашей планеты.

Сернистые и близкие к ним соединения. К этой группе относятся природные сернистые (сульфиды), а также мышьяковистые, сурьмянистые, селенистые и теллуристые соединения металлов. Сернистые соединения в этой группе резко преобладают.

Сульфиды (лат. "сулфур" - сера) – сернистые минералы, объединяет соединения различных элементов с серой (рис. 3.12.). Эти минералы составляют около 0,15% массы земной коры. Особенно типичны сульфиды тяжелых металлов. С этими элементами сера образует устойчивые соединения, почти нерастворимые в воде.

Сульфиды подразделяются на 2 класса:

• простые сернистые и им подобные соединения. Они образуют руды цветных и редких металлов: галенит, сфалерит (цинковая обманка) и т.д.;

• сложные - сульфосоли, имеющие сложный состав.

Сульфиды и им подобные минералы имеют некоторые характерные свойства металлов, например, металлический блеск, электропроводность.

Среди сернистых соединений имеются важные минералы, такие, как:

• галенит (свинцовый блеск) PbS - свинцовая руда,

• сфалерит (цинковая обманка) ZnS₂ - руда цинка;

• пирит (серный колчедан) FeS₂ - применяется для производства серной кислоты;

• халькопирит (медный колчедан) CuFeS₂ - один из главных источников получения меди.

Особое положение занимает сероводород: большая часть сернистых соединений является его производным.

Галоиды (галоидные соединения, галогениды) (греч. "галс" - соль, "генезис" - происхождение) – это соли кислот (хлористо-, фтористо-, бромисто-, йодистоводородных кислот) (рис. 3.13.). Широкое распространение имеют лишь отдельные хлориды и фториды. Большая часть галоидных минералов встречается редко.

Галоиды имеют большое практическое значение:

• галит - каменная соль NaCl встречается часто, используется в пищевой промышленности, электротехнике, применяется для получения соляной кислоты, хлорной извести, едкого натра и др. В чистом виде бесцветен, но из-за примесей может быть серым, красным или бурым. Легко растворяется в воде;

• сильвин KCl – чаще красный минерал. Легко растворим в воде. Применяется для производства калийных удобрений, изготовления стекла;

• флюорит - плавиковый шпат CaF. Прозрачный, бесцветный, но обычно окрашен в желтый, зеленый, голубой или фиолетовый тон - из-за воздействия радиоактивного излучения или из-за содержания примесей. При нагревании или при облучении этот минерал светится сине-фиолетово-зеленым светом - флюоресцирует. Используется в металлургии для получения легкоплавких шлаков, для получения плавиковой кислоты, эмали и глазури, а также в оптике для изготовление линз, пропускающих ультрафиолетовое излучение и в ювелирном деле.

Оксиды и гидроксиды - разнообразные соединения различных элементов с кислородом, их более 40. Они составляют около 17% всей массы земной коры, из них (рис. 3.14.):

• соединения кремния (SiO₂) - 12,6%. Разновидности оксида кремния – кварц, халцедон (разновидности халцедона: агат, сердолик, плазма, восковой халцедон, кахолонг), опал, кванцин. Кварц, являющийся кристаллическим оксидом кремния (SiO₂ ) и входящий в состав очень многих горных пород.

• соединения железа - 3,9%. Например, гематит. Несколько синонимов минерала (железный блеск, красный железняк) - важнейшая руда железа. Если данный минерал содержит неопределенное количество воды, его называют гидрогематитом (Fe₂O₃  nН₂О).

• соединения алюминия, марганца, титана, олова – 0,5%.

В виде оксидов в недрах находится ряд важнейших рудных минералов, например, касситерит (оловянный камень) SnO₂ - руда олова, магнетит, лимонит, боксит.

Кислородные соли: фосфаты, карбонаты, сульфаты, силикаты (рис. 3.15.).

Фосфаты - соли фосфорной кислоты. Наиболее распространен среди них минерал апатит. Фосфорит применяется для производства фосфора, фосфорной кислоты, иск. удобрений.

Карбонаты - являются солями угольной кислоты. Главные их минералы:

кальцит CaCO3, (известковый шпат) применяется в оптической и химической промышленности, строительстве и других областях.

доломит CaMg[СО₃]₂, используется в качестве строительного камня, огнеупорного материала, в химической промышленности.

сидерит FeCO₃, (железный шпат) является рудой железа.

магнезит МgCO₃. Магнезит (магнезиальный шпат) применяется для изготовления огнеупорных кирпичей, в абразивной промышленности, строительстве, электротехнике.

Сульфаты - соли серной кислоты:

• гипс СaSO₄2Н₂O. Гипс используется в медицине, строительстве, цементной и бумажной промышленности.

• ангидрит CaSO₄, (безводный сульфат кальция) является сырьем цементной промышленности

• мирабилит (глауберова соль) Na₂SO₄ 10H₂O, применяется для изготовления соды, в медицине, стекольной и красочной промышленности.

• барит BaSO₄ (тяжелый шпат) используется в качестве утяжелителя глинистого раствора при бурении глубоких скважин, в медицине, химической, резиновой и бумажной промышленности.

• целестин SrSO₄.

Силикаты (лат. "силициум" - кремний) - кремний-кислородные неорганические природные соединения. Силикаты – главные породообразующие минералы. Они составляют 75% массы земной коры и треть всего количества известных минералов.

Кремний - после кислорода второй по распространенности в земной коре химический элемент. Он содержится более чем в 430 минералах.

Силикаты многообразны:

• островные (оливин, форстерит, фаялит, гранаты);

• ленточные (а так же цепочечные и кольцевые) силикаты и алюмосиликаты (авгит, эгирин, амфиболы, пироксены, гиперстен, роговая обманка, топаз);

• листовые (слоевые или слоистые) (слюды, биотит, мусковит, тальк, серпентин, хлорит, каолинит, глауконит);

• каркасные алюмосиликаты (полевые шпаты, ортоклаз, микроклин, амазонит, альбит, олигоклаз, андезит, лабрадор, битовнит, анортит, нефелин).