Реферат: Химическая классификация минералов

Содержание

Введение

1. Самородныеэлементы

2. Сульфиды

3. Окислы

4. Карбонаты исульфаты

5. Силикаты и иханалоги

5.1 Островныесиликаты

5.2 Кольцевыесиликаты

5.3 Цепочечные иленточные силикаты

6. Слоистые(листовые) силикаты

7. Каркасныеалюмосиликаты

8. Изоморфизм

9. Полиморфизм

Заключение

Литература

минералкристаллохимический изоморфизм полиморфизм

Введение

Классифицироватьминералы можно по ряду признаков. Можно выделять минералы по ведущему илихарактерному элементу, рассматривая, например, минералы, содержащие медь,свинец и т.д. Существуют генетические классификации, в которых выделяютминералы по их происхождению, например, минералы магматические, пегматитовые,скарновые и т.д. Все эти классификации не удовлетворительны по ряду причин, номогут быть использованы как дополнительный справочный материал.

Наиболеераспространённой является химическая классификация минералов. В основувыделения групп в этой классификации положен химический принцип.Классифицировать минералы нужно по химическому принципу (по типам химическихсоединений, по характеру химической связи) с обязательным учётом структурныхособенностей минералов. Ниже изложены краткие химические, кристаллохимические иморфологические особенности основных групп минералов.

1. Самородныеэлементы

Всамородном состоянии в природе известны около 40 химических элементов, нобольшинство из них встречается очень редко табл. 1.

Таблица 1. Минералы — простые вещества и твердые растворы металлов

Класс Группа Минерал Сингония Твердость Металлы и полуметаллы Меди

Медь Cu

Золото (Au, Ag, Cu)

Серебро (Ag, Au)

Куб.

----

2, 5

Железа

Феррит α-Fe

Тэнит γ-Fe

Куб.

----

Платины

Платина Pt

Осмий Os

Иридий Ir

Осмирид (Ir, Os)

Родий Rh

Палладий Pd

Куб.

Гекс.

Куб.

----

4, 5

Алюминия

Цинка

Свинца

Висмута

Мышьяка

Алюминий Al

Цинк Zn

Свинец Pb

Висмут Bi

Мышьяк As

Куб.

Гекс.

Куб.

Триг.

----

1, 5

3, 5

Неметаллы Серы Сера S Ромб. 1, 5 Углерода

Графит С

Алмаз С

Лонсдейлит С

Чаоит С

Гекс.

Куб.

Гекс.

----

1, 5

Нахождениеэлементов в самородном виде связано со строением их атомов, имеющих устойчивыеэлектронные оболочки. Химически инертные в природных условиях элементыназываются благородными; самородное состояние для них является наиболеехарактерным. К ним относятся золото Au, серебро Ag, платина Pt и элементы группы платины. Оченьчасто в самородном состоянии встречаются углерод С, сера S и медь Cu.

Режевстречаются так называемые полуметаллы: мышьяк As, сурьма Sb,висмут Bi, иридий Ir. Такие минералы как железо Fe, свинец Pb,олово Sn, ртуть Hg, встречаются как самородные крайне редко и нахождение ихпредставляет лишь научный интерес. Некоторые элементы (хром, алюминий) вообщене встречаются в самородном виде.

2. Сульфиды

Сернистыхи аналогичных им минералов насчитывают более 200 видов, но общее содержание ихв земной коре невелико и не превышает 0.15%.

Схимической точки зрения они являются в основном производными сероводорода H2S. В некоторых редких минералах место серы занимают Se и Te. По аналогии с сульфидами также выделяют арсениды и антимониды.Во всех этих соединениях широко развиты изоморфные замещения одних элементовдругими.

Наибольшеераспространение имеют дисульфиды и сульфиды железа, на долю которых приходитсяоколо 4/5 всех сульфидов табл. 2. Обычными сульфидами являются сульфиды меди,свинца, цинка, серебра, сурьмы и т.д. В виде изоморфных примесей в составсульфидов входит целый ряд редких и рассеянных элементов, не образующихсамостоятельных минералов.

Таблица 2. Главнейшие минералы – сернистые соединенияи их аналоги

Класс Структура Минерал Формула минерала Син-гония Твер-дость Простые сульфиды Координационная

Аргентит

Халькозин

Галенит

Алабандин

Сфалерит

Троилит

Пирротин

Никелин

Ag2S

Cu2S

PbS

MnS

(Zn, Fe)S

FeS

NiAs

Ромб.

----

Куб.

----

Гекс.

Мон.

Гекс.

2-2, 5

2-3

3, 5-4

3-4

Цепочечная

Киноварь

Стибнит

Висмутин

HgS

Sb2S3

Bi2S3

Триг.

Ромб.

----

2-2, 5

Кольцевая

Реальгар

Аурипигмент

Молибденит

AsS

As2S3

MoS2

Мон.

Ромб.

Гекс.

1, 5-2

1-2

Сложные сульфиды

Координационная

Слоистая

Пентландит

Халькопирит

Станнин

Кёстерит

Борнит

Ковеллин

Fe5Ni4S8

CuFeS2

Cu2FeSnS4

Cu4Zn2Sn2S8

Cu5FeS4

CuS = Cu2CuS(S2)

3-4

1, 5-2

Сульфидыза небольшим исключениями имеют металлический блеск, большую плотность иневысокую твёрдость. Встречаются они в виде кристаллов, друз, чаще — в видесплошных зернистых масс и вкрапленников.

Происхождениесульфидов главным образом гидротермальное, а также магматическое, скарновое идля некоторых экзогенных — осадочное.

Приокислении сульфиды разлагаются и легко переходят в различные вторичныеминералы: карбонаты, сульфаты, окислы и силикаты, устойчивые в поверхностныхусловиях.

Сульфидыимеют большое практическое значение — это важнейшие руды свинца, цинка, меди,серебра, никеля и других металлов.

Поструктурному принципу среди сульфидов можно выделить сульфиды координационной,цепочечной, слоистой и других структур. Так, например, сульфиды можноклассифицировать, выделяя структурные мотивы: координационный, островной,цепочечный, слоистый.

3. Окислы

Окислы- соединения элементов с кислородом, в гидроокислах присутствует также вода. Вземной коре на долю окислов и гидроокислов приходится около 17%, из них на долюкремнезёма (SiO2) около 12.5%.

Наиболеераспространёнными минералами этой группы являются окислы кремния, алюминия,железа, марганца и титана табл. 3.

Таблица 3. Главные минералы – оксиды

Класс Минерал Формула минерала Сингония Твердость Простые

Куприт

Тенорит

Корунд

Гематит

Уранинит

Торианит

Кварц

Тридимит

Кристобалит

Стишовит

Рутил

Анатаз

Кассситерит

Пиролюзит

Cu2O

CuO

Al2O3

Fe2O3

UO2

ThO2

SiO2

TiO2

SnO2

MnO2

Куб.

Мон.

Триг.

----

Куб.

----

Триг., гекс.

Ромб., гекс.

Тетр., куб.

Тетр.

----

3, 5 –4

3, 5

5, 5-6

5-6

6, 5

6-7

6, 5-7

5-6

6-7

5-6

Сложные Ильменит

Шпинель

Магнетит

Хромит

FeTiO3

MgAl2O4

FeFe2O4

FeCr2O4

Триг.

Куб.

----

5-6

5, 5-6

5, 5-7, 5

Вкристаллических структурах минералов класса окислов катионы металлов находятсяв окружении анионов кислорода (в окислах) или гидроксила (в гидроокислах).Среди окислов можно выделить простые окислы, в которых отношения междукатионами и анионами изменяются в пределах от 2:1 до 1:2 (R2O, R2O3, RO2) и сложные окислы, для которыххарактерны двойные соединения типа RO*R2O3.

Происхождениеминералов класса окислов различное — магматическое, пегматитовое,гидротермальное, но большинство окислов образовалось в результате экзогенныхпроцессов в верхних слоях литосферы. Многие эндогенные минералы привыветривании разрушаются и переходят в окислы и гидроокислы.

Физическиесвойства окислов различны: для большинства из них характерна высокая твёрдость.Минералы класса окислов имеют большое практическое значение.

4. Карбонаты и сульфаты

Карбонаты- многочисленная группа минералов, которые имеют широкое распространение. Вструктурном отношении все карбонаты относятся к одному основному типу — анионы[CO3]2- представляют собой изолированныерадикалы в форме плоских треугольников.

Большинствокарбонатов безводные простые соединения, главным образом Ca, Mg и Fe скомплексным анионом [CO3]2-. Менее распространенысложные карбонаты, содержащие добавочные анионы (OH)-, F- и Cl-. Среди наиболее распространённых безводных карбонатовразличают карбонаты тригональной и ромбической сингоний. Карбонаты обычно имеют светлую окраску: белую, розовую, серуюи т.д., исключение представляют карбонаты меди, имеющие зелёную или синююокраску. Твёрдость карбонатов около 3-4.5; плотность невелика, за исключениемкарбонатов Zn, Pb и Ba.

Важнымдиагностическим признаком является действие на карбонаты кислот (HCl и HNO3), от которых они в той или иной степени вскипают свыделением углекислого газа. По происхождениюкарбонаты осадочные (биохимические или химические осадки) илиосадочно-метаморфические минералы; выделяются также поверхностные, характерныедля зоны окисления и иногда низкотемпературные гидротермальные карбонаты.

Сульфаты- соли серной кислоты. Они имеют светлую окраску, небольшую твёрдость, многиеиз них растворимы в воде.

Основнаямасса сульфатов имеет осадочное происхождение — это химические морские иозёрные осадки. Многие сульфаты являются минералами зоны окисления, известнысульфаты и как продукты вулканической деятельности. Различают сульфаты безводные, водные и сложные, содержащиекроме общего для всех анионного комплекса [SO4]2- также добавочные анионы (ОН)-.

5. Силикатыи их аналоги

Класссиликатов и их аналогов является самым большим по числу минеральных видов – кнему относится 30% от их общего числа. В целом силикаты и алюмосиликаты слагаютоколо 75 об.% земной коры, при этом наиболее распространены полевые шпаты – наих долю приходится около 40-45 об.% литосферы. За ними по распространенностиследуют слюды, пироксены, амфибиолы и гранаты. В соответствии сраспространенностью химических элементов главными катионами в силикатах и иханалогах являются K, Na, Ca, Mg, Fe. Значительна также роль алюминия,который, как показали рентгеноструктурные исследования, может выступать как вкачестве катиона, так и входить в анионный радикал минералов.

Выявленыследующие черты строения силикатов и их аналогов.

1. Вовсех силикатах атомы кремния имеют по отношению к кислороду четвернуюкоординацию, они образуют вместе с кислородом, как в кварце, кремнекислородныететраэдры (SiO4)4- (cм. рис. 1). Связикремния с кислородом смешанные ионно-ковалентные, с разной степенью ионности вминералах разной структуры и с разными катионами.

2.Кремнекислородные тетраэдры могут быть одиночными, и тогда они соединяются вобщей структуре минерала через катионы, но могут и полимеризоваться, образуяразличные анионные группировки.

3.Алюминий в силикатах может быть катионом, занимая позиции в октаэдрическихпустотах между кислородом, и может входить в тетраэдры (AlO4)5-, занимая в структуре минералов позиции, адекватные скремнием. Например, в каолините Al2(Si2O5)(OH)4алюминий является катионом и имеет координационное число шесть, а в микроклине K(AlSi3O8) онвходит в анионный радикал минерала. Есть минералы, в которых алюминийпредставлен и как катион и входит в анионный радикал, например в слюдемусковите KAl2(AlSi3O10)(OH)2.Размер тетраэдров (AlO4)5- и его конфигурация иные, чем у групп (SiO4)4-, характер химических связей также отличен. Поэтому имеетсяпредел замещения Si4+ Al3+

Установлено,что в силикатах может замещаться алюминием не более половины кремния втетраэдрах. Значит, предельны по составу алюмосиликаты типа анортита Ca(Al2Si2O8), нефелина Na(AlSiO4) и т. п.

4.Помимо кремнекислородных анионных радикалов во многих силикатах иалюмосиликатах есть дополнительные анионы — OH-, (CO3)2-,(SO4)2-,(S2)2-, (BO3)3-, (P2O7)4- и др.

Рис.1. Тетраэдр (SiO4) в двух изображениях.

Классификациясиликатов и их аналогов производится по их структурам. Так выделяют шестьподклассов: островные, кольцевые, цепочечные, ленточные, слоистые, каркасные.

5.1 Островные силикаты

Средисиликатов это наиболее многочисленный подкласс минералов. Его характернымипредставителями являются оливин (Mg, Fe)2(SiO4), альмандин Fe3Al2(SiO4)3, гроссулярCa3Al2(SiO4)3, топаз Al2(SiO4)F2, эпидот Ca2(Al,Fe)(SiO4)(Si2O7)O(OH). Силикаты это подкласса имеютразнообразный состав – это минералы магния, железа, кальция, марганца, титана,алюминия, редких земель, тория, циркония, ниобия и др., ни в одном другом подклассенет такого разнообразия катионов. К этому подклассу относятся также совсемособые по составу и структуре минералы, очень редкие в природе – этосиликофосфаты, в них имеются дополнительные радикалы (P2O7)4- и (PO4)3- (например, ломоносовит с приблизительной формулой Na5Ti2(Si2O7)(PO4)O2 и силикокарбонаты (сперрит Ca5(SiO4)2 (CO3) и др.)).

Кристаллохимическоесвоеобразие минералов подкласса островных силикатов определяется сочетаниемдвух факторов: а) присутствием в них орто- и диортогрупп — (SiO4)4- и (Si2O7)6-, б) большой ролью в их составе катионов октаэдрическойкоординации с радиусом от 0,060 до 0,080 нм (Ti4+-0,064; Fe3+-0,067; Nb5+-0,069; Mg2+-0,078; Fe2+-0,082 нм, по В. Гольдшмидту), главными из них являютсямагний и железо. Благодаря такому сочетанию типичных для плотнейшей упаковки еётетраэдрических и октоэдрических полиэдров, структуры островных силикатовнаиболее компактны и прочны среди силикатов других подклассов. Кромеперечисленных катионов большую роль, но не во всех, а в некоторых островныхсиликатах играют относительно крупные катионы восьмерной (и более) координации– Ca2+ (0,016 нм), Na+ (0,098 нм), Ce3+(0,018 нм). Ихкоординационные полиэдры несоразмерны с октаэдрами и тетраэдрами. Структуратаких минералов, за малым исключением (гроссуляр), менее компактна.

Характернаяособенность алюминия в островных силикатах заключается в том, что он всегдазанимает октаэдрические позиции и является в этих силикатах катионом.Разнообразие катионов, их разные радиусы и свойства приводят к усложнениюкристаллических структур островных силикатов и часто к вхождению в нихдополнительных анионов F- и (OH)-. Особенно характерны такие анионыдля силикатов, содержащих одновременно группы (SiO4)4- и (Si2O7)6- и резко различающиеся по металлическим свойствам катионы: Ca2+ и Ti4+ (титанит), Ca2+ и Al3+ (эпидот), K+, Na+ и Ti4+ (лампрофиллит). Дополнительныеанионы характерны также для силикатов, в состав которых входят только группы (SiO4) и алюминий в качестве катиона, — топаз Al2(SiO4)F2, кианита Al2(SiO4)O<sub/>идр.

Переченьглавнейших островных силикатов приведен в табл. 4.

Таблица 4. Главные минералы – островные силикатыОстровные силикаты образуются даже встесненных условиях роста в виде хороших кристаллов. Это объясняется их большойсилой кристаллизации, что обусловлено относительной компактностью и простотойструктур этих силикатов, многозарядностью анионных комплексов и значительнойсилой связей катионов, входящих в их состав. Островные силикаты обладаютвысокой степенью идиоморфизма (совершенства) кристаллов.Окраска островных силикатов обычнообусловлена присутствием в их составе в качестве главных и примесныхкомпонентов элементов-хромофоров (Fe, Mn, Ti и Cr).Атомы двух- и трёхвалентного железа вызывают при разных своих соотношенияхзелёные (гроссуляр, эпидот), коричневые (андрадит, ставролит, титанит) цвета.Лишь в редких случаях встречаются бесцветные, белые островные силикаты – этохимически чистые гроссуляр, форстерит, топаз каламин.Компактность структуры и наличие вминералах небольших, но высокозарядных катионов проявляются в высокой плотностии твёрдости (от 6 до 8) этих минералов. Из-за большой твердости эти минералычерты не дают (они процарапывают бисквитную пластинку), даже у густо окрашенныхминералов она чуть заметна.5.2 Кольцевые силикатПодкласс островных силикатовобъединяет сравнительно небольшое число редких в природе минералов. Среди нихтолько два минерала – турмалин и берилл – играют в некоторых случаях рольвторостепенных, а иногда и даже главных минералов ряда минеральныхместорождений.Главными структурными элементамикольцевых силикатов являются одно- или двухъярусные тройные, четверные,шестерные, девятерные кольца тетраэдров. Турмалин и берилл характеризуютсяшестерными одноярусными кольцами, но разной конфигурации. В турмалине всететраэдры в кольце лежат своими основаниями в одной плоскости, вершины обращеныв одну сторону, сечение кольца не просто шестиугольное, а дитригональное. Вструктуре минерала кольца ориентированы одинаково – вершинами тетраэдров вверх,структура получается резко асимметричной по строению и свойствам, а кристаллтурмалина имеет дитригональное сечение и не одинаковые концы. Они растут снеодинаковой скоростью, по-разному адсорбируют вещества, в том числепигментирующие изоморфные примеси, и потому разные концы кристалла нередкоразличны по цвету; из-за асимметрии структуры в турмалине хорошо проявленпироэлектрический эффект. В бериллах кольцо гексагональное с горизонтальной плоскостьюсимметрии, оба конца кристаллов берилла одинаковые по огранке и своимсвойствам.В целом структуры кольцевых силикатовсложные и не плотные. Сингония минералов определяется геометрией их колец.Преобладают тригональные и гексагональные минералы.Таблица 5. Главные минералы –кольцевые силикаты.Группа Минерал Формула Син-гония Твер-дость Турмалина

Шерл

Рубеллит

NaFe3Al6(Si8O18)(BO3)3(OH)4

Na(Li1,5Al1,5)Al6(Si6O18)(BO3)3(OH)4

Триг.

----

7-7,5

Берилла

Эвдиалита

Кордиерита

Берилл

Эвдиалит

Кордиерит

Be3Al2(Si6O18)

Na12Ca6(Fe, Mn)3Zr3(Si3O9)2(Si9O24(OH3))2

(Mg, Fe)2Al3(AlSi5O18)*nH2O

Гекс.

Триг.

Ромб.

7,5-8

5-5,5

7-7,5

5.3 Цепочечные и ленточные силикаты

К подклассам цепочечных иленточных силикатов относятся в первую очередь главные породообразующиеминералы – пироксены (диопсид, геденбергит, эгирин и др.) и амфибиолы(актинолит, роговая обманка и др.), а также ряд менее распространенныхминералов. Имеется много черт подобия пироксенов и амфибиолов по структуре исоставу, по морфологии их кристаллов и физическим свойствам, но есть исущественные различия, опять же вытекающие из особенностей структуры и состава.

Пироксены и амфибиолы имеют сходный, довольно простой химический состав.Чаще всего силикаты магния либо двойные соли магния и кальция, во многихминералах кроме них обязательно присутствует натрий. Итак, в основном триэлемента – магний, кальций и натрий – в разных сочетаниях. В качествепостоянной изоморфной примеси в позициях магния размещается железо, иногдаполностью вытесняя магний. В некоторых случаях, обычно в ассоциации с натрием,в пироксены и амфибиолы входит алюминий, занимая или позиции магния, иливнедряясь в радикал в позиции кремния. Наконец, есть редкие литиевые пироксеныи амфибиолы.

Главным различием состава пироксенов и амфибиолов является обязательноевхождение в последние конституционной воды в форме дополнительных анионов (OH)-.

В структуре пироксенов имеются одинарные цепочки (Si2O6)4-, в амфибиолах — ленты (Si4O11)6-с группами (OH)- в центре каждого кольца этой ленты.

Наиболее простые химические формулы следующих минералов:

Зная эти формулы наизустьможно вывести из них все гипотетические и реальные составы пироксенов иамфибиолов. Так используя простую схему изовалентного изоморфизма Mg2+ Fe2+, получаем формулы:

Главнейшие пироксены и ихформулы приведены в табл. 6. Однако в природе нет химически чистых пироксенов иамфибиолов, состав которых точно отвечал бы приведенным в этой таблицеформулам. Он всегда более сложен за счет явлений изоморфизма.

Таблица 6. Главные пироксены и амфибиолыСостав Пироксены Амфибиолы ромбические моноклинные ромбические моноклинные

Силикаты:

магниевые

Энстатит

Mg(Si2O6)

Клиноэнстатит

Mg(Si2O6)

Антофиллит

Mg(Si8O22)(OH)2

Куммингтонит

Mg(Si8O22)(OH)2

литиевые ----

Сподумен

LiAl(Si2O6)

Холмквистит

LiMg(Si8O22)

(OH)2

Клинохолмквистит

LiMgAL(Si8O22)(OH)2

кальциевые ----

Диопсид

CaMg(Si2O6)

Геденбергит

CaFe(Si2O6)

----

Тремолит

Ca2Mg5(Si8O22)(OH)2

Ферроактинолит

Ca2Fe5(Si8O22)(OH)2

натриевые

----

Жадеит

NaAl(Si2O6)

Эгирин

NaFe(Si2O6)

----

Глаукофан

Na2Mg3Al3(Si8O22)(OH2

Рибекит

Na2Fe3Fe2 (Si8O22)(OH)2

Алюмо-силикаты

----

Авгиты

----

Жедрит

Mg6(Al, Fe)(AlSi7O22) (OH)2

Обыкновенные роговые обманки

Слоистые (листовые)силикаты. К подклассу слоистых (листовых)силикатов и алюмосиликатов относятся известные всем вещества – тальк, слюды,глинистые минералы и др. Многие из них являются породообразующими минераламиили используются в промышленности.

Различают листовыесиликаты (алюмосиликаты) с простыми и сложными сетками тетраэдров. Последниеявляются менее распространенными минералами.

Остовом структурыслоистых силикатов являются сетки кремнекислородных тетраэдров. Онирасполагаются параллельно друг другу и чередуются с плоскими сетками другогосостава, образуя пакеты слоёв. Все слоистые силикаты и алюмосиликаты имеют своиструктурные разновидности за счет разного смещения (сдвига) и разворота пакетовдруг относительно друга, что легко осуществляется в природе из-за малых силсвязей между пакетами. В итоге получаются минералы разных сингоний –моноклинной (чаще всего), гексагональной, ромбической, тригональной,триклинной. Такие структурные разновидности слоистых силикатов называют политипами.Некоторые из них устойчивые только при определённых давлениях и температурах иобразуются только в определённой химической обстановке. Политипия, как видно,является частным случаем полиморфизма.

Главные группы слоистыхсиликатов и алюмосиликатов представлены в табл. 7.

Таблица 7. Главныеминералы – слоистые силикаты и алюмосиликаты.

Катионы в тетраэдрах Межпакетный катион

Внутрипакетный

(октаэдрический) катион

Mg2+

Al3+

Нет

----

Серпентин

Тальк

Каолинит

Пирофиллит

Al + Si

(Комплекс)n+

K+

Ca2+

(Комплекс)n+

Монтмориллонит

ФлогопитМусковит

Литиевые слюды

Хрупкие слюды

Гидрослюды

Хлориты

Требует пояснения монтмориллонит: некоторые минераллы группымонтмориллонита являются силикатами, другие – алюмосиликатами.

Каркасные алюмосиликаты. Многие из силикатов этого подкласса относятся кчислу породообразующих и наиболее распространенных в природе минералов. Впервую очередь это полевые шпаты – главные составные части гранитов, габбро,гнейсов и других горных пород. К этому же подклассу минералов относятся нефилин(основной минерал некоторых щелочных горных пород), лейцит (обычная минеральнаяфаза в базальтоидах). Среди них есть и ценное нерудное сырье (микроклин,цеолиты), и минералы-руды некоторых минералов – нефелин (руда на алюминий),поллуцит (руда на цезий).

В состав каркасных алюмосиликатов большей частью входят катионы калия,натрия, кальция. «Рыхлость» каркасной структуры допускает частоевхождение в них дополнительных анионов (Cl-,CO32- ,SO42- и т. д.) и конституционной воды в виде молекул H2O.

Структуры каркасных алюмосиликатов сложные и многообразные: имеется многоразных вариантов сочленения тетраэдров в трехмерном пространстве. В полевомшпате тетраэдры группируются по восемь и четыре – эти группы, соединяясь,образуют каркас с тремя типами «полостей» диаметром 0,15-0,28 нм, внекоторых из них располагаются катионы. В нефелине все полости одиноковые исовсем другой конфигурации, они тоже заняты катионами. Каркасные алюмосиликатыс большими «полостями» (цеолиты, скаполиты, канкринит и др.) нередкосодержат в себе целые группы и комплексы ионов и молекул, иногда свободнообменивающихся с окружающий кристалл средой.

Состав каркаса разный, с соотношением Al: Si, равным то 1: 1(как в нефелине и др.), то 1: 3 (как вканкрините и др.). Есть минералы, например полевые шпаты ряда альбит – анортит(см. рис. 2), минералы ряда скаполита с меняющимся соотношением количествалюминия и кремния. Главнейшие каркасные алюмосиликаты приведены в табл. 8.

Рис. 2. Ряды плагиоклазов при разных температурах

Таблица 8. Главные минералы — каркасные алюмосиликаты

Группа Минерал Формула минерала Син-гония Твер-дость Полевых шпатов:

подгруппа

калиевых

полевых

шпатов

Микроклин

Ортоклаз

Санидин

K(AlSi3O8)

(KAlSi3O8)

(K, Na)(AlSi3O8)

Трикл.

Мон.

-----

подгруппа

кальциево-натриевых полевых шпатов

Альбит

Анортит

Na(AlSi3O8)

Ca(Al2Si2O8)

Трикл.

-----

6-6,5

Данбурита

Лейцита

Данбурит

Лейцит

Поллуцит

(CaB2Si2O8)

K(AlSi2O8)

Cs(AlSi2O8)

Ромб.

Тетр.

Куб.

7-7,5

5-6

Нефелина

Нефелин

Кальсилит

Na3K(AlSIO4)4

K(AlSiO4)

Гекс.

----

5-6

Скаполита

Мариалит

Мейонит

Na4(AlSi3O8)3Cl

Ca4(Al2Si2O8)(SO4, CO3)

Тетр.

----

5-5,5

5,5-6

Канкринита

Содалита

Канкринит

Содалит

Лазурит

Na3Ca(AlSiO4)3(CO3,SO4)*1,5H2O

Na4(AlSiO4)3Cl

Na3Ca(AlSiO4)3(SO4, S2)

Гекс.

Куб.

----

5-5,5

5,5-6

5,5

Цеолитов

Стильбит

Гейландит

Анальцим

Шабазит

Натролит

Клиноптилолит

Филлипсит

Ca0, 5Na(Al2Si7O18) * 7H2O

Ca(Al2Si7O18) * 6H2O

Na(AlSi2O6) * H2O

Ca0, 5(AlSi2O6) * 3H2O

Na2(Al2Si3O10) * nH2O

Na(AlSi8O18) * 6H2O

CaNa4(Al6Si10O32) * 12H2O

Мон.

----

Куб.

Триг.

Ромб.

Мон.

----

3,5-4

5-5,5

4-5

5-5,5

3,5

4-4,5

8.Изоморфизм

Уже давно исследователи обратили внимание на то, что многие подобные посоставу и внешней форме вещества могут образовывать кристаллы переменногосостава. Эти наблюдения были обобщены в 1819 г. немецким химиком Э.Митчерлихом. Исследуя соли фосфорной и мышьяковой кислоты – Na2[HAsO4] * 12H2Oи Na2[HPO4] * 12H2O, он установил, что они обладаютпочти тождественной кристаллической формулой, образуя смешанные кристаллы. Этоявление было названо им изоморфизмом (от греч. исос – одинаковый и морфэ –форма). Позже, по аналогии с жидкими системами, их стали называть твердымирастворами. В минералогии они получили название смешанных кристаллов или изоморфныхсмесей. Кроме этого, было установлено, что многие минералы часто содержатнезначительные примеси различных химических элементов, которые обусловленызакономерным вхождением их в кристаллическую решетку минерала– хозяина. Такиепримеси получили название изоморфных.

Наблюдения и эксперименты позволили дать современное определениеизоморфизму, под которым следует понимать явление взаимного замещения атомов иионов в узлах кристаллической решетки без нарушения ее строения. Результатомизоморфизма являются изоморфные смиеси и изоморфные смеси химических элементовв минералах.

Одной из общих причин вхождения в минералы незначительных изоморфныхпримесей является, вероятно низкая концентрация элементов в минералообразующейсреде. Значительная недосыщенность среды такими элементами, их рассеяние непозволяет им образовывать кристаллические сетки своих собственных минералов и онивынуждены при соответствующих термодинамических условиях входить вкристаллические решетки этих минералов.

Минералы в виде изоморфных смесей весьма распрстранены в природе. Частоони образуют непрерывные изоморфные ряды от одного состава к другому. Такойизоморфизм называется совершенным, или неограниченным.

Примером совершенного изоморфизма является очень важная группа полевыхшпатов, получившая название плагиоклазов. Плагиоклазы представляют собойнепрерывный изоморфный ряд, крайними членами которого являются альбит (Na[AlSi3O8]) и анортит (Ca[Al2Si2O8]). В табл. 9 приведены чащевсего встречающиеся смеси альбита (Ab) и анортита (An). Получившие специальные названия.

Таблица 9. Изоморфный ряд плагиоклазов.

Название минерала Пределы колебаний в составе, в % Название минерала Пределы колебаний в составе, в % от до от до

Альбит

Олигоклаз

Андезин

Ab100

Ab90An10

Ab70An30

Ab90An10

Ab70An30

Ab50An50

Лабрадор

Битовнит

Анортит

Ab50An50

Ab30An70

Ab10An90

Ab30An70

Ab10An90

An100

Приведенные в табл. 10 главнейшие свойства этих минералов показывают, чтокаждое из них представляет среднее из величин, отвечающих крайним членам ряда,и что физические свойства изменяются пропорционально изменению состава.

Таблица 10. Изменение свойств в изоморфном ряду плагиоклазов.

Название минерала np nm ng Плотность

Альбит

Олигоклаз

Андезин

Лаборадор

Битовнит

Анортит

1, 5282

1, 5388

1, 549

1, 5588

1, 564

1, 5756

1, 3524

1, 5428

1, 553

1, 5583

1, 569

1, 5838

1, 5387

1, 5463

1, 557

1, 5632

1, 573

1, 5884

2, 61

2, 64

2, 67

2, 69

2, 72

2, 75

Ограниченные изоморфные смеси при изменении термодинамических условий(особенно при понижении температуры) могут распадаться на составные компоненты.Это явление получило название распада твердых растворов. Так, например,щелочные полевые шпаты K(AlSi3O8) и Na(AlSi3O8) привысоких температурах образуют непрерывный изоморфный ряд, а при охлаждениираспадаются на две фазы: одну с преобладающим содержанием калия и другую спреобладающим содержанием натрия. В пределах каждой фазы возникают взаимныепрорастания, известные под названием пертитов и антипертитов.

В настоящее время в минералах, которые являются ионными соединениями,выделяют изовалентный и гетеровалентный (от греч. гетерос – другой, различный) изоморфизм.При изовалентном изоморфизме замещение происходит как бы «ион за ион»(например, K+ — Rb+;Ca2+ — Sr2+;Al3+ — Ga3+ и т.д.). При гетеровалентном изоморфизме замещения совершаются с компенсациейзарядов взаимозамещающихся ионов по таким схемам:

1. Без изменения количества структурных единиц (пара за пару):

Ca2++ Al3+ — Na+ + Si4+; 2Mg2+ — Al3+ + Li+.

2. С изменением количества структурных единиц:

2Al2+ — 3Mg2+; Si4+ — Na+; 2Na+ — Ca2+

При гетеровалентномизоморфизме взаимозамещаемость, как правило, совершается только тогда, когдаразница зарядов между ионами не более единицы. Если разница зарядов превышаетединицу, границы изоморфизма весьма суживаются, вплоть до практически полногоотсутствия изоморфных замещений.

В типичных ионныхструктурах с незначительным участием ковалентной связи важное значениепринадлежит величине ионных радиусов. Последнее нашло свое выражение в законе Гримма– Гольдшмидта, гласящим что «изоморфная смесимость (при температурах,лежащих не очень близко к температурам плавления) в значительной степени проявляетсяв том случае, если радиусы соответствующих структурных единиц отличаются одинот другого приблизительно не более чем на 15 % ( в процентах от меньшегорадиуса)».

Иногда в природе мы встречаемся с явлениями, когда один атом или ионлучше замещает другой атом или ион в его соединениях, чем наоборот.

А. Е. Ферсман назвалтакой вид изоморфизма направленным или полярным. Он установил такой рядхарактерных пар элементов:

В этом ряду каждый элемент, стоящий выше, замещается тем, которыйнаходится под ним, но не наоборот. Явление полярного изоморфизма А. Е. Ферсманобъясняет энергетикой ионов табл. 11.

Таблица 11. Энергетические константы (эк) некоторых элементов Замещается Замещает эк (выигрыш) ион

R1 (А)

эк ион

R2(А)

эк

Ca2+

Mg2+

Fe2+

Sc3+

Ti4+

K+

Na+

1, 04

0, 74

0, 80

0, 83

0, 64

1, 33

0, 98

1, 75

2, 10

2, 12

4, 65

8, 40

0, 36

0, 45

Y+

Sc3+

Zr4+ (Hf 4+)<sup/>

Nb5+(Ta5+)

Pb2+

Ca2+

0, 97

0, 83

0, 82

0, 66

1, 26

1, 04

3, 95

4, 65

4, 55

7, 85

13, 60

1, 65

1, 75

2, 20

2, 55

2, 53

3, 20

5, 20

1, 29

1,30

Изоморфизм имеет большоенаучное и практическое значение, так как в значительной мере определяетхимические и структурные особенности минералов. Кроме того, знание законовизоморфизма позволяет шире использовать редкие и рассеянные примеси, носителямии концентраторами которых являются минералы.

Если изоморфное замещениебудет совершаться атомами и ионами разного размера в аналогичных по составуструктурах, в них может произойти резкое изменение структуры вплоть до переходакатионов в новую координацию. Такое явление получило название морфотропии, аряды минералов, связанных морфотропными переходами, называют изодиморфнымирядами. В табл. 12 приведен изодиморфный ряд карбонатов группы кальцита –арагонита. В этом ряду минералов предел морфотропного преобразования проходитчерез Ca[CO3]: все карбонаты двухвалентных катионов, ионный радиускоторых меньше радиуса Ca2+,

Кристаллизуются вструктуре кальцита, а карбонаты с большими, чем у Ca2+, катионами – в структуре арагонита.

Таблица 12. Изодиморфныйряд карбонатов.

Название минерала Формула Радиус катиона Координационное число Тип структуры

Магнезит

Сферокобальтит

Сидерит

Смитсонит

Родохрозит

Отавит

Кальцит

Mg[CO3]

Co[CO3]

Fe[CO3]

Zn[CO3]

Mn[CO3]

Cd[CO3]

Ca[CO3]

0, 74

0, 78

0, 80

0, 83

0, 91

0, 99

1, 04

6 Тригональный, типа кальцита

Арагонит

Стронцианит

Церрусит

Витерит

Ca[CO3]

Sr[CO3]

Pb[CO3]

Ba[CO3]

1, 04

1, 20

1, 26

1, 38

9 Ромбический, типа арагонита

Морфотропныепреобразования сужают пределы изоморфного замещения и ведут к образованиюразрыва в рядах изоморфных смесей. В двух соединениях с разной структуройявление совершенного изоморфизма совершаться не может.

Таим образом,взаимозамещаемость атомов и ионов наблюдается чаще всего в тех случаях, когдаони строят сходные по размерам и структурным мотивам кристаллические решетки.Однако в минералогии часто встречаются явления, когда атомы и ионы образуютблизкие кристаллические решетки, но не образуют изоморфных замещений. Например,такие ряды, как галит (NaCl)- галенит (PbS), — периклаз (MgO) и кальцит (Ca[CO3]) – натриева селитра (Na[NO3]), имеют одинаковые структуры в пределах каждого ряда, но ихионы не образуют взаимозамещений. Такое явление называется изоструктурностью,или изотипией, а минералы, принадлежащие к одинаковыми структурным типам-изоструктурнымиили изотипными.

Внешним проявлениемизоструктурности видов при различном их хими-ческом составе является такназываемый изогонизм (от греч. гониа – угол), сущ-ность которого заключается водинаковой симметрии изоструктурных минералов, а также в близких геометрическихконстантах и формах.

Изогонизм можнопродемонстрировать на примере кристаллов кальцита (Ca[CO3]) и натриевой селитры (Na[NO3]), которые обладают большим геометрическим сходством. Обаэти вещества кристаллизуются в ромбоэдрах с углами между ребрами,пересекающимися на тройной оси: 101о55’- для кальцита и 102о 41,05’ –для селитры. Если в раствор одного из таких веществ поместить ромбоэдр другого,то он начнет как бы дорастать, но из смешанного раствора оба минерала будуткристаллизоваться раздельно в виде зернистого агрегата.

9. Полиморфизм

Явление автоморфотропии, т. е. существование химического соединения вдвух или нескольких модификациях, различающихся между собой кристалическимиструктурами, а следовательно, и физическими свойствами, это не что иное, какоткрытый в 1821 г. немецким ученым Э. Митчерлихом полиморфизм.

Полиморфизм – одно из основныхсвойств кристаллического вещества – заключается в приспособлении структуры кменяющимся внешним условиям среды, т. е. это реакция кристаллического веществана изменение физико-химических условий. И поскольку полиморфные превращенияможно считать фазовыми превращениями, аналогичными переходу из одногоагрегатного состояния в другое, то они подчиняются всем законам физическойхимии.

Полиморфизм простыхвеществ – элементов (S, C, P) часто называют аллотропией. Для различныхполиморфных модификаций одного и того же вещества приняты буквенные обозначенияα, β, γ и пр. Так, для железа известны модификации: α-Fe, β-Fe, γ-Fe,δ-Fe, отличающиеся как структурой так ифизическими свойствами.

Полиморфные превращения,которые происходят при изменении температуры, но при постоянном давлении,делятся на две большие группы: энантиотропные (обратимые) и монотропные(необратимые) (от греч. энантиос – противоположный, тропос – изменение).

При энантиотропномпревращении точка перехода из одной модификации в другую лежит ниже температурыплавления вещества, т. е. существует температура, (при определенном давлении),при которой обе модификации находятся как бы в равновесии. Это превращениеобратимо (двустороннее): ниже температуры перехода устойчива одна модификация,выше – другая.

Например, известны двемодификации серы: ромбическая и моноклинная. Точка перехода одной модификации вдругую соответствует T =95, 6 оC, т. е. охлаждение приводит кромбической структуре, нагревание – к моноклинной.

Для кварца SiO2 также известны две модификации:низкотемпературная

(α-кварц) ивысокотемпературная (β-кварц). Переход одной модификации в другуюпроисходит легко при Т=573оC с изменением симметрии. Известны иболее многочисленные системы полиморфов. Так, например, существует тримодификации TiO2 — рутил, брукит, анатаз. В трехполиморфных модификациях находится в природе вещество состава Al2O3 * SiO2 – это кианит, андалузит, силлиманит.

Минералы с четковыраженной точкой полиморфного перехода могут служить температурнымииндикаторами – геологическими термометрами.

При монотропномпревращении точка перехода из одной модификации в другую лежит выше температурыплавления данного вещества. Эти переходы не обратимы, точнее, обратный переходможет осуществиться лишь через разрушение структуры – через жидкое илигазообразное состояние. Например, одна из модификаций Ca[CO3] – арагонит – при нагревании дотемпературы выше 400оC при нормальном давлении переходит вкальцит. Однако охлаждение последнего к образованию арагонита не приводит.Также, из двух известных модификаций углерода – графита и алмаза, связанных монотропнымпереходом, не устойчив алмаз, который при повышенных температурах переходит вграфит. Однако подобны превращения практически настолько замедленны, что при обычныхP, T – условиях существуют обе модификации.

По структурному признаку выделяютнесколько типов полиморфных превращений. Наблюдаются превращения, в которых незатронута первая координационная сфера. Например, при переходе от ромбическоймодификации серы к моноклинной.

Другой тип полиморфизмапредполагает изменение первой координационной сферы. К этому типу относятсятакие переходы, как графит – алмаз.

Существуют полиморфныепереходы, связанные с вращением отдельных групп атомов или молекул. Например, впроизводной от NaCl структуре NaCN атомы натрия расположены так же, какв структуре NaCl, а центры группы (гантели) CN совпадают с позициями ионов Cl. При повышении температуры гантели CN начинают свободно вращаться,имитируя сферическую симметрию, что повышает симметрию всей структуры кристаллаNaCN до кубической (структурный тип NaCl).

Заключение

Распространение минералов в природечрезвычайно широко. Вся земная кора, все горные породы и месторождения полезныхископаемых состоят из минералов.

Размерыминеральных индивидов могут быть от больших, масса которых несколько тонн(полевой шпат, кварц), до мельчайших зёрнышек, видимых только в микроскоп.Большинство минералов встречаются именно в виде мелких и мельчайших зёрнышек,образуя зернистую структуру магматических, осадочных и метаморфических пород.

Известно около 2200минералов, а число их названий с разновидностями более 4000. Последнееобъясняется тем, что многие минералы имеют несколько названий (синонимы). Крометого, разновидности минералов получают самостоятельные названия благодаряотклонениям от химического состава, цвета и других свойств.

Литература

1. Булах А.Г. Общая минералогия:Учебник. – 3-е изд. – СПб.: Изд-во С.-Петерб. Ун-та, 2002.

2. Загальская Ю. Г. «Кристаллография»:Учебник / под ред. Проф. В. С. Урусова. – М.: Изд-во МГУ, 1992г.

3. Лазаренко Е. К. Курс минералогии.Учебник для университетов. М.: «Высшая школа», 1971.

4. Миловский А. В. «Минералогияи петрография»: Учебник для техникумов. 5-е изд., перераб. и доп. – М.:Недра, 1985.

еще рефераты

Еще работы по геологии

Реферат по геологии

Телеметрические системы в процессе бурения

Геологическое строение Причерноморской низменности

16 Июня 2015

Реферат по геологии

Поглотительная способность и кислотность почвы

16 Июня 2015