Современные представления о минералах
Образование и распространение минералов.
Минералами называют физически и химически однородные кристаллические тела, образовавшиеся в результате природных физико-химических процессов.
Минералы образуются в земной коре, входят в состав мантии и более глубоких слоев планеты, рассеяны в гидросфере и атмосфере. Минералы слагают также Луну, многие планеты и их спутники, астероиды, входят в состав метеоритов и мельчайших частиц космической пыли, падающих на поверхность Земли. Они также образуются при столкновении с Землей крупных космических тел.
К минералам относят и кристаллические продукты жизнедеятельности различных организмов, например сульфит редуцирующих бактерий, благодаря которым самородная сера и карбонат кальция образуются за счет гипса. Минералы входят в состав тканей животных и растений. Минералы, образуя органоминеральные агрегаты, например, в виде апатита в костях, флюорита в зубах, тридимита в скелете радиолярий и т.д. После отмирания организмов, некоторые из этих минералов образуют скопления ценного минерального сырья, например, фосфоритов, трепека и т.д.
Земная кора сложена в основном полевыми шпатами и кварцем, на их долю приходится 55 и 10 % соответственно (данные А.Е.Феремана), широко распространены также пироксены, амфиболы, хлориты, слюды, глинистые минералы, карбонаты и др.
Сравнительно часто встречаются еще несколько десятков минералов. Остальные очень редки.
Химический состав минералов.
В состав минералов входит большинство химических элементов периодической системы. Различают видообразующие элементы - Si, O, H, Al, Ca, Na, Mg, Cu, Pb, S, и др. Минералы представлены следующими основными типами химических соединений:
простыми веществами или самородными элементами - самородная сера, графит, самородная медь, золото, платина и др.;
оксидами и гидрооксидами: корунд Al2O3, рутил TiO2, куприт Cu2O и др.;
солями различных кислородсодержащих и бескислородных кислот: галит NaCl, пирит FeS2, кальцит CaCO3, барит BaSO4 и др.
Для многих солей характерны комплексные анионы (радикалы): в силикатах [SiO4]4+, в карбонатах [СО3]2-, в фосфатах [РО4]3- и др.
Способность минералов к образованию соединений переменного состава называется изоморфизмом (греч. ╚изоа╩ - одинаковый; ╚морфо╩ - форма), который состоит во взаимном замещении атомов и ионов в кристаллических решетках минералов без нарушения их строения. Изоморфизм обусловлен близостью свойств атомов и ионов, а также воздействием температуры, давления, концентрацией компонентов. Пример. Изоморфный ряд группы плагиоклазов (кл. силикаты и п / кл. полевые шпаты), крайние члены которых альбит Na [AlSi3O8] и анортит Ca [Al2Si2O8].
Структуры минералов и полиморфизм.
Все многообразие кристаллических структур минералов можно свести к 5 типам, отличающимся характером расположения атомов.
Координационные структуры характеризуются одинаковыми расстояниями между атомами. Некоторые минералы представлены огромными массами почти мономинеральных пород или промышленных скоплений - месторождений полезных ископаемых, такие как магнетит, магнезит, кальцит, гипс, галит3+ и пр. В тоже время известны минералы, которые находятся в количестве, едва достаточном для их диагностики. В природе 3000 видов. Распространенность и число минеральных видов в земной коре определяются в основном распространенностью и химическими свойствами атомов минералообразующих элементов, способность которых концентрироваться с образованием минералов или рассеиваться, т.е. их химическая активность зависит от физико-химических условий среды. Для них характерна плотнейшая упаковка. Примеры: (золото самородное), анионы кислорода в гематите, или катионов кальция во флюорите.
Островные структуры характеризуются различными межатомными расстояниями. Анионные радикалы или замкнутые молекулы представляют собой как бы отдельные ╚острова╩. Межатомные расстояния в пределах этих ╚островов╩ меньше, а прочность химических связей существенно больше, чем в остальной части структуры. Примеры: силикаты с изолированным тетраэдрическим анионным радикалом [SiO4]4 -; оливин (Mg,Fe)2[SiO4], топаз
Al2[SiO4](OH,F)2 и др; карбонаты с изолированным треугольным радикалом [CO3]2-; кальцит Ca[CO3], доломит CaMg[CO3]2 и др. Есть минералы с более сложным строением ╚островов╩.
Цепочечные структуры образованы бесконечными одномерными радикалами, которые состоят из линейно-связанных координационных полиэдров. Расстояние между атомами в пределах цепочек меньше, а прочность химических связей больше, чем между ними. В структурах одних минералов цепочки одинарные (силлиманит Al[SiAlCO5]), других минералов сдвоенные - ленточные структуры (антофиллит
Mg7[Si4O11]2(OH)2.
Структуры слоистые (листовые) отличаются тем, что межплоскостные расстояния в пределах плоскости (слоя) меньше, чем между плоскостями (слоями), и соответственно атомы прочнее связаны с соседними атомами плоскости (слоя), чем с атомами другой плоскости (другого слоя). Графит С, тальк Mg3[Si4O10](OH)2, брусит
Mg(OH)2.
Каркасные структуры характеризуются ажурным объемным соединением координационных полиэдров всеми общими вершинами или ребрами. В крупных пустотах каркаса могут располагаться большие по размерам атомы. Структуры с каркасным мотивом имеют кварц SiO2 и полевые шпаты (альбит Na[Si3AlO8]).
Явление кристаллизации вещества одного и того же состава в виде кристаллов разных сингоний было установлено в прошлом веке и называется полиморфизмом, а переходы из одной кристаллической формы в другую - полиморфными превращениями или переходами. Минералы одного и того же состава, но с разной кристаллической структурой называются полиморфными модификациями. Они могут отличаться координационным числом. Например, у полиморфных модификаций состава Al2SiO5 для ионов Al3+К.4. = 6 (у дистена), 6 и 5 (у андалузита), 6 и 4 (у силлиманита).
Распространены также полиморфные модификации у которых одинаковые координационные группировки атомов при одном и том же располагаются относительно друг друга под разными углами. Примеры: полиморфные модификации состава SiO2: a- и b- кварц, b- кристобалит, тридимит и др.
Полиморфные превращения бывают обратимыми (энантотропными) и необратимыми (монотропными). Например, при нагревании до 3400 арагонит монотропно превращается в кальцит. Обратного превращения при охлаждении не происходит.
Нередко полиморфные превращения происходят с сохранением внешней формы: параморфозы, например, b- кварца по a- кварцу, кальцита по арагониту, пирита по маркозину.