Наиболее распространенные минералы

Минералы — это природные химические соединения или отдельные химические элементы, представляющие собой обособления с кристаллической структурой.

Все горные породы состоят из минералов, иногда из нескольких, а нередко из одного, например мрамор, состоящий только из кальцита (СаС0₃). Большая часть минералов находится в кристаллическом состоянии и лишь незначительная — в аморфном.

Все свойства минералов определяются их внутренней структурой и химическим составом. Внутренняя структура минералов — это их кристаллическая структура, т. е. кристаллическая решетка и разные расстояния между элементарными частицами в узлах решетки. Именно эти обстоятельства определяют различные свойства минералов, даже состоящих из одинаковых элементов. Например, алмаз и графит, состоящие из одного и того же химического элемента — углерода, обладают совершенно разными свойствами. Алмаз — самый твердый в природе минерал, а графит — очень мягкий, способный расщепляться на чешуйки. Все дело в том, что эти два минерала обладают различной кристаллической структурой. В алмазе связи между атомами углерода одинаковые и очень прочные, а в графите имеются плоские слои кристаллической решетки, в которой атомы углерода располагаются близко друг к другу, зато расстояния между слоями намного больше, поэтому графит расщепляется на чешуйки.

Свойства минералов. Среди свойств минералов можно выделить механические, оптические, физические и химические.

Механические свойства. Одно из важных свойств минерала — твердость, т. е. способность противостоять внешнему механическому воздействию. Относительную твердость определяют царапаньем некоторым эталонным минералом по определяемому минералу. Если эталон более твердый, то он всегда оставляет царапину на образце. Существует шкала твердости Мооса, в которую входят 10 эталонных минералов (табл. 1.1).

Обычно ноготь имеет твердость 2—2,5, железный гвоздь — 4, стекло — 5, стальная игла — 5,5—6. Их также можно использовать для определения твердости.

Таблица 1.1

Шкала твердости Мооса.

Спайность минерала — это его способность раскалываться по плоскости наименьшей силы связи частиц в кристаллической структуре. Если минерал легко расщепляется на плоские чешуи, то спайность у него весьма совершенная, если хуже, то совершенная средняя или несовершенная. Спайность может быть выражена в различных направлениях.

К оптическим свойствам минералов относят их цвет, прозрачность и блеск. Один и тот же минерал в зависимости от содержания примесей может иметь различную окраску. Цвет непрозрачных минералов определяют в порошке (он отличается от цвета в куске). Для определения цвета используют специальную фарфоровую пластинку — бисквит. Блеск минерала зависит от показателя преломления и от характера отражающей поверхности. Есть минералы с металлическим, алмазным, матовым, жирным, стеклянным, перламутровым и т. д. блеском.

К физическим свойствам минералов относят форму их кристаллов, которую можно наблюдать невооруженным глазом. Морфология кристаллов — важный признак минералов. Все разнообразие форм кристаллов подразделяют на шесть сингоний, отражающих степень их симметричности. Есть, например, сингония кубическая, объединяющая наиболее симметричные кристаллы, гексагональная и др.

К химическим свойствам минералов относится, например, вскипание кальцита (СаС0₃) при его взаимодействии с соляной кислотой (НС1).

Формы нахождения минералов в природе. Они весьма разнообразны и зависят от условий образования минералов.

Среди обособленных минеральных скоплений часто встречаются друзы — группы кристаллов, приросших к стенкам пустот или трещин. Известны прекрасные друзы кристаллов кварца. Секреции — это минеральное вещество, заполнившее какую-либо пустоту в горной породе и обладающее концентрическим строением. Конкреции представляют собой округлые образования минерального вещества вокруг какого-либо центра кристаллизации. Они нередко имеют радиально-лучистое строение. Наиболее широко развиты скопления минералов кристаллического или скрытокристаллического, а также аморфного строения. Они образуются при одновременном росте из расплавов или растворов множества минеральных частиц.

Встречаются и такие минеральные образования, состав которых не соответствует форме, которую они слагают, их называют псевдоморфозами (от греч. pseudos — ложь, morphe — форма). Таковы, например, псевдоморфозы пирита (FeS₂) по древесине.

Классификация минералов и их описание. В настоящее время известно более 3 тыс. минералов. Чтобы разобраться в таком большом количестве минералов, их надо классифицировать. В основе современной классификации минералов лежат химический состав и структура.

Наиболее важные минералы, чаще всего встречающиеся в природе и слагающие горные породы, относят к следующим химическим классам:

• 1. Самородные элементы.
• 2. Сульфиды.
• 3. Галоиды.
• 4. Оксиды и гидроксиды.
• 5. Карбонаты.
• 6. Фосфаты.
• 7. Сульфаты.
• 8. Силикаты.
• 1. Самородные элементы. Всего их известно около 45. К важнейшим из них относятся: медь, золото, серебро, платина, графит, алмаз, сера и некоторые другие. Их доля в породах земной коры меньше 0,1%.
• 2. Сульфиды — это соединения разных химических элементов с серой. Широко распространены: пирит (FeS₂; серный колчедан), халькопирит (CuFeS₂; медный колчедан), галенит (PbS; свинцовый блеск), сфалерит (ZnS; цинковая обманка), молибденит (MoS₂; молибденовый блеск), киноварь (HgS). Многие из перечисленных минералов являются важнейшими рудами.
• 3. Галоиды. Самые распространенные из них: галит (NaCl; поваренная соль), флюорит (CaF₂), сильвин (КС1) и карналлит (КС1 • MgCl₂ • 6Н₂0) — важнейшие удобрения.
• 4. Оксиды и гидроксиды. К минералам этой группы относят соединения некоторых элементов с кислородом (окислы) и гидроксильной группой ОН (гидроокислы). Важнейший из оксидов — окись кремния, или кварц (Si0₂), на долю которого приходится 12% массы земной коры. Гидроксид кремния (Si0₂ • пН₂0) называют опалом.

Окислы и гидроокислы металлов входят в состав многих руд. Таковы, например, магнетит (Fe-Fe₂0₄; магнитный железняк), гематит (Fe₂0₃; железный блеск), хромит (FeCr₂0₄; хромистый железняк), корунд (А1₂0₃), лимонит (Fe₂0₃ • nH₂0; бурый железняк).

5. Карбонаты — соли угольной кислоты. В состав этой группы входят такие распространенные минералы, как кальцит (СаС0₃; если он прозрачный, то его называют исландским шпатом), доломит (CaMg (C0₃)₂), сидерит (FeC0₃), магнезит (MgC0₃).

• 6. Фосфаты — соли фосфорных кислот. Самые важные минералы этой группы — апатит (Ca₅(Fe, С1)[Р0₄]₃) и примерно такой же по составу, но скрытокристаллический фосфорит. Эти минералы входят в состав удобрений.
• 7. Сульфаты. Соли серной кислоты — гипс (CaS0₄ • 2Н₂0), ангидрит (CaS0₄), барит (BaS0₄) — довольно широко распространены.
• 8. Силикаты представляют собой самые распространенные в земной коре (примерно 30—35% ее массы) минералы, которые входят в состав всех горных пород (табл. 2.1).

Силикаты обладают сложными формулами, а их классификация обусловлена их структурой, так как в основе кристаллической решетки силикатов находится группировка Si0₄, которая образует кремнекислородные тетра эдры (от греч. tetra — четыре, hedra — грань) (рис. 2.5). Эти тетраэдры могут соединяться различным образом: в виде колец, цепочек, лент или образуя каркас (рис. 2.6). Формулы силикатов достаточно сложные, поэтому мы приведем только наиболее простые (см. табл. 2.1).

_ Таблица 2.1

Силикатные минералы.

Среди силикатов велика доля (более 50% от их общей массы) группы полевых шпатов. Их относят к группе каркасных силикатов, так как кремнекислородные тетраэдры соединяются друг с другом всеми своими четырьмя вершинами, образуя как бы каркас.

Рис. 2.5. Структура кремнекислородного тетраэдра. В центре тетраэдра — кремний, окруженный четырьмя крупными ионами кислорода.

Полевые шпаты подразделяют на плагиоклазы (известковонатриевые) и калиево-натриевые.

Плагиоклазы образуют непрерывный ряд минералов, обладающих явлением изоморфизма (от греч. isos — равный, morphe — форма). Это явление заключается в том, что химические элементы в них могут заменять друг друга, причем образуются смешанные минералы, но одной и той же кристаллической формы.

Поэтому в ряду плагиоклазов есть два крайних члена этого ряда: альбит Na (AlSi₃0₃) и анортит — Ca (Al₂Si₂0₈). Один натриевый, а другой кальциевый. Между ними располагаются все другие виды плагиокла;

Рис. 2.6. Структура минералов: а — цепочечная; б — ленточная (двойная цепь); в — листовая (слоевая) Химические элементы, ионы и группы, наиболее распространенные в минералах.

Таблица 2.2

зов, и от альбита к анортиту содержание окиси кремния Si0₂ уменьшается. В зависимости от содержания Si0₂ плагиоклазы подразделяют на кислые (альбит, олигоклаз), средние (андезин, лабрадор) и основные (битовнит, анортит). Термин «кислые» означает, что в этих плагиоклазах много оксида кремния.

К калиево-натриевым полевым шпатам относится также широко распространенный минерал ортоклаз — K[AlSi₃0₈].

Среди островных силикатов наиболее распространен оливин, часто встречающийся в основных и ультраосновных породах. К цепочечным силикатам относятся важные минералы пироксены, а к ленточным — роговая обманка. Среди листовых (слоевых) силикатов очень важное значение имеют всем хорошо известные слюды, пластинчатые минералы. Это мусковит (от Московии) — бесцветная слюда с калием; биотит — черная слюда с содержанием железа и магния.

Существует еще много различных минералов, относящихся к разнообразным силикатам, но они имеют подчиненное значение в горных породах.

Все перечисленные выше минералы обладают только им присущими свойствами (твердостью, спайностью, чертой, сингонией, реакцией с соляной кислотой), по которым их и можно визуально определять.

Вопросы

• 1. Что представляет собой минерал?
• 2. Чем определяются свойства минералов?
• 3. В чем различие кристаллических решеток алмаза и графита?
• 4. Какие свойства минералов вы знаете и от чего они зависят?
• 5. Что представляет собой шкала Мооса?
• 6. Что такое спайность минерала?
• 7. От чего зависит блеск минерала?
• 8. Что такое сингония минералов?
• 9. Каковы формы нахождения минералов в природе?
• 10. По каким признакам классифицируют минералы? Сколько всего их известно?

КОЕ-ЧТО О МИНЕРАЛАХ

Что представляют собой минералы? Это природные химические соединения, состоящие из различных атомов. Сейчас известно около 3 тыс. минералов, но обычно их встречается гораздо меньше, несколько сотен, и только несколько десятков из них наиболее распространены. Химические элементы, известные нам из таблицы Менделеева, входят в состав минералов далеко не одинаково. Так, например, кислород (О) входит в состав почти половины минералов (1364), а второй по распространенности кремний (Si) — только в 430. Еще шесть элементов — алюминий (AI), железо (Fe), кальций (Са), магний (Мд), калий (К) и натрий (Na) — являются обязательными почти для всех других минералов. Дело в том, что остальные химические элементы не столь активны. В наши дни детально известно, из каких минералов состоят все горные породы и какие химические элементы в них присутствуют.

Но Земля — лишь одна из планет Солнечной системы, а Солнце — лишь одна из 100 тыс. миллионов звезд только одной Галактики Млечный Путь. В космическом же пространстве 75% водорода (Н) и 24% гелия (Не), а на восемь перечисленных выше элементов приходится… 1%.

Один из наиболее распространенных минералов на Земле — кварц, или оксид кремния (Si0₂). Он имеет множество разновидностей и цветов. Кварц пропускает ультрафиолетовые и инфракрасные лучи (в отличие от стекла). Он обладает к тому же пьезоэффектом, т. е. колеблется под воздействием магнитного поля, поэтому его используют в кварцевых часах и во многих электронных приборах.