Самородные элементы (минералы)

ЛЕКЦИЯ № 3 Характеристика минералов по классам

Классификация минералов

Общие сведения о минералах. Диагностические признаки. Классификация минералов

ЛЕКЦИЯ 2

На прошлой лекции мы рассмотрели одно из важнейших свойств минералов - кристаллическое строение, симметрию и способность к самоогранению.

Диагностические признаки.

В этой лекции рассмотрим другие физические свойства. К ним относятся: цвет, блеск, прозрачность; твердость, плотность, спайность, излом и др. свойства.

ЦВЕТ минерала определяется его способностью поглощать определенную часть светового спектра. Ферсман выделил 3 рода окрасок минералов по происхождению:

· идиохроматическую (своя собственная),

· аллохроматическую (алло - чужой),

· псевдохроматическую (псевдо - ложный).

Идиохроматическая - в состав минерала входит элемент, дающий окраску - хромофор. Например, железо дает черную или бурую окраску, свинец - серый, медь- зеленый и т. д.

Аллохроматическая - окраска за счет элементов-примесей, изменяющих окраску минерала. Например, кварц бесцветный минерал, а его разновидности аметист, морион окрашены в фиолетовый или черный цвет за счет примесей атомов железа (Fe).

Псевдохроматическая - обусловлена включениями посторонних минералов. Например, минерал лабрадор обладает темным собственным цветом, но при рассмотрении его под разными углами наблюдается синяя окраска. Она обусловлена тонкими включениями минерала ильменита, который изменяет светопреломление.

Иногда на поверхности минерала появляется радужная окраска, называемая побежалостью - возникает за счет образования тонкой пленки окислов на его поверхности.

МИНЕРАЛЫ - ЭТАЛОНЫ ЦВЕТА

синий - азурит	бурый – лимонит
зеленый - малахит	свинцово-серый – молибденит
красный - киноварь	черный – магнетит
золотисто-желтый - золото	латунно-желтый - халькопирит

ЦВЕТ ЧЕРТЫ – цвет минерала в порошке. Часто цвет черты повторяет цвет минерала, но бывают и отклонения. Например, минералы магнетит и хромит имеют черный цвет, а их цвет в порошке или цвет черты отличаются: у магнетита черта черная, а у хромита - темно-бурая.

ПРОЗРАЧНОСТЬ – способность минерала пропускать свет. По этому признаку минералы разделяются на прозрачные, полупрозрачные и непрозрачные.

БЛЕСК – способность отражать падающий свет. По отражательной способности минералов блеск подразделяется на металлический и неметаллический. Металлический блеск имеют минералы с высокой отражательной способностью. Неметаллический блеск подразделяют на:

- стеклянный,

- жирный,

- перламутровый и т.д.

СПАЙНОСТЬ – способность минералов раскалываться под ударом с образованием ровных поверхностей параллельных граням, ребрам и др. кристаллографическим направлениям. Выделяют спайность:

- весьма совершенная (слюда, тальк),

- совершенная (кальцит, галит),

- средняя (полевые шпаты, роговая обманка),

- несовершенная (оливин, апатит),

- весьма несовершенная (золото, корунд).

ИЗЛОМ – вид поверхности при расколе минерала. Бывает – ровный, ступенчатый, раковистый, занозистый, землистый и т.д.

ПЛОТНОСТЬ – зависит от химического состава и структуры минерала. Все минералы по плотности подразделяются на: легкие (1 - 3 г/см³), тяжелые (3,5 - 9 г/см³), очень тяжелые (9 - 23 г/см³).

ТВЕРДОСТЬ – способность минерала сопротивляться механическому воздействию. Выделяют абсолютную и относительную твердости.

Абсолютную твердость определяют прибором, называемым склерометр в кг/мм³.

Относительная твердость определяется сравнительным путем. Для этого берут минерал с известной твердостью и воздействуют им или на него другим минералом. Существует эталонная шкала для определения относительной твердости минералов. Её разработал австрийский минералог Моос в 1824 г., поэтому названа его именем. В ней подобраны 10 минералов, которые располагаются в порядке возрастания твердости и номер эталонного образца в ней означает величину относительной твердости этого минерала.

МИНЕРАЛЫ ШКАЛЫ МООСА

1. Тальк Mg3•Si4О10 •(OH)2	6. Ортоклаз К •Al Si2O8
2. Гипс СаSO4 • 2H2 O	7. Кварц SiO2
3. Кальцит СаСО3	8. Топаз Al2 •SiO4 •(F,OH)2
4. Флюорит СаF2	9. Корунд Al2O3
5. Апатит Ca5 •PO4 •3 (F,OH)	10. Алмаз С

Когда нет под рукой эталонной шкалы, пользуются стеклом, гвоздем, стальным ножом или напильником, т.е. заменителями эталонных минералов.

Кроме перечисленных свойств, которые проявляются у всех минералов, существуют свойства присущие отдельным минералам или группе минералов. Их называют особые свойства и к ним относятся:

· Магнитность - определяется по отклонению минералом стрелки компаса;

· Люминесценция – любое излучение минералом света без накаливания. Выделяют: флюоресценцию - свечение минерала происходит при облучении ультрафиолетовыми или рентгеновскими лучами, фосфоресценцию - продолжение свечения минерала после прекращения облучения; люминесценция наблюдается у минералов, содержащих в кристаллической решетке примеси ионов. Так минерал шеелит светится бледно-голубым цветом за счет включений МОЛИБДЕНА.

· Пьезо - и пироэлектрические. Пьезоэлектричество - это явление, когда под действием давления вдоль полярной оси кристалла на её концах концентрируются положительные и отрицательные заряды. Пироэлектричеств о - тоже явление (появление электрических зарядов) только под действием температуры при нагревании.

· Реакция с соляной кислотой - происходит выделение углекислого газа, реакция хорошо наблюдается визуально.

· Вкус и запах - некоторые минералы издают запах, при каком - либо воздействии на них (при ударе и т.п.), другие минералы - соленые или горько-соленые на вкус (каменная соль).

· Радиоактивность - ею обладают минералы, содержащие радиоактивные элементы.

Все основные свойства проявляются (кроме особых) у каждого минерала. Часто разные по химическому составу минералы бывают внешне похожи по одному или нескольким свойствам. Например, по цвету, блеску, прозрачности минералы кварц и кальцит похожи и их трудно отличить по этим свойствам. Но по другим свойствам - твердости и спайности они резко отличаются друг от друга. Эти свойства для них являются диагностическими признаками. Таким образом, свойства минералов, по которым их можно определить или отличить друг от друга являются их диагностическими признаками.

Все свойства минералов изучают:

· макроскопически, т.е. определяют свойства визуально;

· с помощью лабораторных исследований с привлечением разнообразных приборов и анализаторов: так химический состав минерала устанавливается после проведения ряда химических или спектральных анализов для определения элементов, входящих в его состав;

· строение кристаллической решетки определяют с помощью рентгеноструктурного анализа, основанного на отражении и дифракции рентгеновских лучей от кристаллографических плоскостей. В последнее время для изучения структуры минерала применяют электронный микроскоп;

· оптические свойства минералов изучают под микроскопом.

Сейчас создано много приборов, которые позволяют сделать комплекс лабораторных исследований прямо в образце, содержащем исследуемый минерал, т.е. отпадает трудоемкая работа по извлечению минерала в чистом виде, без примесей другого минерала.

Изучение свойств минералов дало толчок экспериментальным исследованиям для получения минералов в лабораторных условиях. Такие исследования позволяют моделировать условия образования минералов, что представляет несомненный научный интерес. Практическое значение таких исследований - получение искусственных минералов для ювелирной промышленности, радиоэлектроники и других отраслей.

О названиях минералов - многие пришли из древних времен:

- на основе физических свойств или химического состава (например - магнетит, никелин),

- по географическому месту открытия (ильменит - в Ильменских горах, арагонит - по испанской провинции);

- по имени великих ученых или деятелей – уваровит (министр просвещения Уваров), шеелит (в честь ученого химика Шееле открывшего элемент W).

Многие минералы, кроме основного, имеют одно или несколько других названий, называемых синонимами. Например, флюорит - плавиковый шпат, сфалерит- цинковая обманка и т.д.

Процессы минералообразования в природе происходят по законам физической химии и термодинамики. Главными факторами являются химический состав среды, температура и давление. Все они в процессе минералообразования изменяют свои параметры, т.е. являются величинами переменными. Изменение величины концентрации химических элементов, температуры и давления может протекать плавно и постепенно, или скачкообразно резко. При таких условиях минералы могут кристаллизоваться одновременно - последовательно друг за другом: оливин →пироксен →роговая обманка; или одновременно, например, при интенсивном испарении морской воды в лагунах образуются залежи солей, состоящие из минералов: галит →сильвин →карналит →гипс →сера. Такое совместное нахождение минералов, образовавшихся на определенной стадии процесса минералообразования называется ПАРАГЕНЕЗИС МИНЕРАЛОВ. А минералы, образовавшиеся совместно на какой-то определенной стадии минералообразования называются парагенетической ассоциацией. Знание парагенезисов минералов имеет большое научное и практическое значение. Так было теоретически и практически установлено, что в кимберлитовых трубках совместно с алмазами кристаллизуется минерал группы гранатов - ПИРОП. В Якутии по находкам пиропа были открыты месторождения алмазов.

Сейчас известно ~ 3000 минералов и каждый год их число увеличивается. Как ориентироваться в этом многочисленном и разнообразном мире минералов? Для этого ученые группируют или систематизируют их на основе каких-то признаков. То есть проводят классификацию. В минералогии были попытки создать классификацию на основе разных признаков: например по твердости, блеску или спайности; по условиям образования или генезису. Но есть минералы, которые могут образоваться совершенно в разных условиях. С середины прошлого столетия минералы стали классифицировать по химическому составу – по доминирующему аниону или анионной группе. Но только после появления рентгеноструктурного анализа и определения с его помощью внутреннего строения минералов стало возможным установить тесную связь между химическим составом минерала и его кристаллической решеткой. Это открытие положило начало принципу кристаллохимической классификации минералов. Впервые это сделали ученые Брэгг и Гольдшмидт для силикатов.

За основную единицу при такой классификации принят минеральный вид, обладающий определенной кристаллической структурой и определенным стабильным химическим составом. Минеральный вид может иметь разновидности. Под разновидностью понимают минералы одного вида, отличающиеся друг от друга по какому-то физическому признаку, например по цвету минерал кварц многочисленными разновидностями (черный – морион, прозрачный – горный хрусталь, фиолетовый – аметист).

В процессе минералообразования минералы одного минерального вида могут отличаться друг от друга внешним обликом – размерами кристаллов или формой. В этом случае каждый минерал одного минерального вида называют минеральный индивид.

Существующие классификации объединяют минеральные виды в классы или группы. Их количество у разных авторов колеблется, по мере усовершенствования классификации и получения новых данных о минеральных видах. Мы рассмотрим восемь классов:

· самородные	· карбонаты
· сульфиды	· сульфаты
· оксиды и гирооксиды	· фосфаты
· галоиды	· силикаты

1. Самородные

2. Сульфиды

3. Оксиды и гидрооксиды

4. Галоиды

5. Карбонаты

6. Сульфаты

7. Фосфаты

8. Силикаты

К этому классу относятся минералы, состоящие их одного химического элемента и называемых по этому элементу. Например: самородное золото сера и т.д. Все они подразделяются на две группы: металлы и неметаллы. В первую группу входят самородные Au, Ag, Cu, Pt, Fe и некоторые др., во вторую – As, Bi, S и С (алмаз и графит).

Элементы Свойства	Au	Ag	Cu	Pt	Fe	S	алмаз	графит
Сингония	к у б и ч е с к а я	ромбическая	кубическая	гексагональная
Параметры элементарной ячейки	4.08	4.08	3.6	3.9	2.9
Число молекул в ячейке
Твердость	2.5-3	2.5-3	2.5-3	4-4.5		1.5-2.5		1-2
Плотность	19.3	10.5	8.9	21.54. 14-19	7.8	2.07	3.5	2.09-2.33
Цвет	желт.	серебрян. белый	розово-красный	стально-серый	серый	желтый.	бесцветный до черного	черный

Для элементов металлов характерны:  металлический блеск, электропроводность,  Au и Pt не реагируют с кислотами,  ковкость

Для элементов не металлов характерны: · разная структура · разброс свойств - оптических и механических

Генезис – в основном, образуются при эндогенных процессах в интрузивных породах и кварцевых жилах, S – при вулканизме. При экзогенных процессах происходит разрушение пород, высвобождение самородных минералов (в силу их устойчивости к физическому и химическому воздействию) и их концентрация в благоприятных для этого местах. Таким образом, могут формироваться россыпи золота, платины и алмаза.

Применение в народном хозяйстве:

1- ювелирное производство и валютные запасы (Au, Pt, Ag, алмазы);

2- культовые предметы и утварь (Au, Ag),

3- радиоэлектроника (Au, Ag, Cu), атомная, химическая промышленность, медицина, режущие инструменты - алмаз;

4- сельское хозяйство - сера.

II. Сульфиды – соли сероводородной кислоты.

Подразделяются на простые с общей формулой А m X p и сульфосоли – А m B n X p, где – А- атом металлов, В- атомы металлов и металлоидов, Х- атомы серы.

(Pb, Cu, Fe и т.д.) (Bi, Sb, As, Sn)

Сульфиды кристаллизуются в разных сингониях – кубической, гексагональной, ромбической и т.д. По сравнению с самородными, у них более широкий состав элементо-катионов. Отсюда большее разнообразие минеральных видов и более широкий диапазон одного и того же свойства.

Общими свойствами для сульфидов являются металлический блеск, невысокая твердость (до 4), серые и темные цвета, средняя плотность.

В то же время, среди сульфидов отмечаются различия по таким свойствам как спайность, твердость, плотность. Например:

минерал	формула	цвет	твердость	плотность	спайность	сингония
Галенит	PbS	серый	2,5	7,6	весьма совершенная	кубическая
Молибденит	MoS2	серый		4,7	весьма совершенная	гексагональная
Арсенопирит	FeAsS	серый		6,1	ясная	триклинная
Антимонит	Sb2 S3	серый		4,63	совершенная	ромбическая

Сульфиды являются основным источником руд цветных металлов, а за счет примесей редких и благородных металлов ценность их использования повышается.

Генезис - различные эндогенные и экзогенные процессы.

III. 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.

минерал	твердость	плотность	блеск
Корунд Al2O3			алмазный
Бемит AlO•OH	3.5-4		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.

В народном хозяйстве наиболее широко используются оксиды и гидрооксиды для получения Fe, Mn, Al, Sn. Прозрачные, кристаллические разновидности корунда (сапфир и рубин) и кварца (аметист, горный хрусталь и др.) используются как драгоценные и полудрагоценные камни.

Генезис – при эндогенных и экзогенных процессах.

IV. Галоиды. 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 галоидов 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.

В народном хозяйстве флюорит используется в оптике, металлургии, для получения плавиковой кислоты. Галит и сильвин находят применение в химической и пищевой промышленности, в медицине и сельском хозяйстве, фотоделе.

V. 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.

Наиболее распространенными являются: кальцит СаСО3, магнезит Mg СО3, доломит СаМg (СО₃)₂, сидерит FeСО₃.

Карбонаты с гидроксильной группой (ОН):

Малахит Cu₂CO₃ (OH)₂ – зеленый цвет и реакция с НСl,

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. Используются в строительстве, оптике, металлургии, как удобрения. Малахит используется как поделочный камень. Большие скопления магнезита и сидерита – источник получения железа и магния.

VI. 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 галоидами. Некоторые сульфаты (барит, целестин) имеют гидротермальный генезис.

Применение – строительство, сельское хозяйство, медицина, химическая промышленность.

IIV. Фосфаты – соли фосфорной кислоты, т.е. содержащие PO₄.

Количество минеральных видов мало, мы рассмотрим минерал апатит Ca(PO₄)₃(F,Cl,OH). Он образует кристаллические и зернистые агрегаты, твердость 5, сингония гексагональная, спайность несовершенная, цвет зелено-голубой. Содержит примеси стронция, иттрия, редкоземельные элементы.

Генезис - магматический и осадочный, где он в смеси с глинистыми частицами образует фосфорит.

Применение - агросырье, химическое производство и в керамических изделиях.

VIII. 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, слоевые, 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 - лигоклаз - 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. Об окраске и говорить нечего - 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.

Многие силикаты являются полезными ископаемыми и применяются в народном хозяйстве. Это строительные материалы, облицовочные, поделочные и драгоценные камни (топаз, гранаты, изумруд, турмалин и др.), руды металлов (Ве, Zr, Al) и неметаллов (В), редких элементов. Они находят применение в резиновой, бумажной промышленности, как огнеупоры и керамическое сырье.

Дата добавления: 2013-12-12