Лекция 4 Уровни организации минерального вещества I Атомный

Лекция 4. Уровни организации минерального вещества. I. Атомный (элементарный) уровень. 1. Геохимия, история становления. Представление о космохимии. Кларк как новая константа мира. Основные положения геохимии о распространённости химических элементов (экспоненциальная зависимость, чётныенечётные элементы, избыточные и недостаточные, устойчивые и радиоактивные). Кларки концентрации В. И. Вернадского. Геохимическое сродство В. Гольдшмидта. Представления о петрогенных и металлогенных элементах Г. Вашингтона. 2. Кристаллография и кристаллохимия. Типы межатомных связей. Гомодесмические и гетеродесмические соединения. Представления о полиморфизме – изоморфизме. Учение о симметрии. Элементы симметрии. Виды симметрии. Группы видов симметрии (сингонии): триклинная, моноклинная, ромбическая, тригональная, тетрагональная, гексагональная, кубическая. Критерии отнесения кристаллов к сингониям.

Схема современного представления глубинного строения литосферы. 1 - осадочный слой, 2 - гранитный слой, 3 - базальтовый слой, 4 перидотитовая верхняя мантия.

Геохимия. История становления. Понятие о космохимии. Кларк Наука, изучающая химический состав Земли и планет (космохимия), распространенность в ней химических элементов и их стабильных изотопов, закономерности распределения химических элементов в различных геосферах, законы поведения, сочетания и миграции (концентрации и рассеяния) элементов в природных процессах называется геохимия. Самые отдаленные корни геохимии уходят к Теофрасту, Плинию и другим античным ученым. Сам термин "геохимия" был предложен швейцарским химиком К. Ф. Шенбейном в 1838 для обозначения науки о химических процессах в земной коре. Как самостоятельная наука геохимия была создана тремя учёными: Франком Уилгсуортом Кларком, Виктором Ивановичем Вернадским и Виктором Гольдшмидтом. Предложенный К. Ф. Шенбейном термин был использован В. И. Вернадским для обозначения уже созданной им науки. Вернадский широко использовал спектральный анализ для определения ничтожных количеств элементов в минералах и горных породах. Первые сведения о химическом составе земной коры были опубликованы Ф. Кларком в 1889 г. как среднеарифметические значения из имевшихся в его распоряжении 6000 химических анализов различных горных пород. В 1926 году В. М. Гольдшмидт вычислил размеры ионных радиусов, сформулировал первый закон кристаллохимии и правила изоморфизма, заложил основы геохимии минералов. Влияние его идей было очень велико. В 20 -х годах в СССР возникла региональная геохимия, основателем которой был А. Е. Ферсман.

Геохимия включает: аналитическую геохимию, физическую геохимию, геохимию литосферы, геохимию процессов, региональную геохимию, гидрогеохимию, радиогеохимию, изотопную геохимию, радиогеохронологию, биогеохимию, органическую геохимию, геохимию ландшафта, геохимию литогенеза. Геохимия - одна из теоретических основ поисков полезных ископаемых. Объектом изучения геохимии является химический элемент, его распределение и миграция в разных системах. Геохимия по существу наука, возникшая на стыке химии и геологии. Таких гибридных наук достаточно много – биофизика, биохимия, биогеография, молекулярная биология…

Во многом в исследовании вещественного состава земной коры помогло изучение метеоритов и др. космических тел. Это направление получило название космохимии. Космохимия, наука о химическом составе космических тел, законах распространённости и распределения химических элементов во Вселенной, процессах сочетания и миграции атомов при образовании космического вещества. Космохимия исследует преимущественно «холодные» процессы на уровне атомно-молекулярных взаимодействий веществ, в то время как «горячими» ядерными процессами в космосе - плазменным состоянием вещества, нуклеогенезом (процессом образования химических элементов) внутри звёзд занимается физика. Развитие космонавтики открыли перед космохимией новые возможности.

1869 год

Средние значения относительного содержания химических элементов в верхнем слое земной коры по предложению советского геохимика А. Е. Ферсмана (1883 -1945) называют к л а р к а м и элементов в честь американского ученого Франка Уилгсуорта Кларка (1847 -1931), который разработал методы количественной оценки распространенности химических элементов. По данным А. Е. Ферсмана, в состав земной коры входят следующие элементы в весовых процентах — кларках: кислород— 49, 19; кремний — 26, 00; алюминий — 7, 45; железо — 4, 20; кальций — 3, 25; магний — 2, 35; натрий — 2, 40; калий — 2, 35; водород — 1, 00; прочие элементы — 1, 8%.

Согласно анализу кларков химических элементов, они характеризуются крайне неравномерной распространенностью, с разницей в содержаниях до более миллиарда раз. В земной коре преобладают легкие атомы, занимающие начальные клетки периодической системы, ядра которых содержат небольшое число протонов и нейтронов. В земной коре преобладают ядра с небольшим и четным числом протонов и нейтронов. Логарифмы атомных кларков элементов (по А. Е. Ферсману)

Распределение отдельных химических элементов по различным минералам в процессах образования горных пород подчиняется законам геохимии и зависит, главным образом, от строения внешних электронных оболочек атомов и размеров атомных и ионных радиусов, определяющих физико-химические свойства элементов. Элементы, соседние по своему положению в определенных частях таблицы Д. И. Менделеева, сходны по физическим и химическим свойствам и в природных условиях образуют характерные обширные ассоциации.

Известно несколько геохимических классификаций элементов, предложенных В. М. Гольдшмидтом, А. Е. Ферсманом, В. И. Вернадским, А. Н. Заварицким, Г. Вашингтоном. Геохими ческие классифика ции элеме нтов — способы систематизации химических элементов в зависимости от их встречаемости в природе. Таких классификаций существует несколько. Мы изучим представление о петрогенных и металлогенных элементах Г. Вашингтона, геохимическое сродство Гольдшмидта и Кларки концентрации В. И. Вернадского.

Геохимическое сродство Гольдшмидта Классификация предложена Гольдшмидтом исходя из предположения, что Земля образовалась в результате разделения первично однородного вещества, аналогичного метеоритам, на четыре части: металл, серный расплав, силикатная часть и атмосфера с океаном. Каждый элемент имеет склонность концентрироваться в одной из этих сред, и соответственно разделены на сидерофильные, литофильные, халькофильные и атмофильные элементы. Иначе говоря, это классификация по наибольшему коэффициенту распределения элемента между четырьмя фазами.

Литофильные Халькофильные Сидерофильные Атмофильные H, N, инертные Обладают газы – сродством Сродством всего к железу. к силикатным к сере. 8 элементов. минералам Выделяются и расплавам. в газовую фазу и накапливаются в атмосфере. Биофильные элементы слагают плоть живых организмов и участвуют в процессах жизнедеятельности.

Атмофильные - H, N, инертные газы - всего 8 элементов. Выделяются в газовую фазу и накапливаются в атмосфере. В природе для них характерно газообразное состояние. Большинство из них имеет атомы с заполненной электронной внешней оболочкой, располагаются в верхних частях кривой атомных объёмов; преимущественно диамагнитны. Для большинства (кроме водорода, близкого к литофильным элементам) характерно нахождение в природе в элементарном состоянии. Литофильные элементы входят в состав силикатных, алюмосиликатных горных пород, образуют сульфатные, карбонатные, фосфатные, боратные и галогенидные минералы. Халькофильные элементы образуют многочисленную группу сульфидных и теллуридных минералов. Они могут встречаться в самородном состоянии. Сидерофильные элементы составляют большую часть полиметаллических руд, образуемых многими d- и f-элементами. Они тесно перемежаются с элементами, обнаруживая повышенное сродство к сере, мышьяку, а также фосфору, углероду и азоту. Атмофильные элементы составляют основу земной атмосферы. За исключением водорода и углерода в атмосфере они находятся в виде простых соединений. Биофильные элементы – это так называемые элементы жизни. Они делятся на макробиогенные (H, C, N, O, Cl, Br, S, P, Na, K, Mg, Ca) и микробиогенные (V, Mn, Fe, Co, Cu, Zn, B, Si, Mo, F).

По распространенности – Г. Вашингтона Петрогенные В природе встречаются 98 элементов из периодической таблицы Менделеева. Однако в метеоритах, на Земле и планетах земной группы в подавляющем большинстве случаев породы и минералы на 99% сложены 12 элементами, называемыми петрогенными (петро — порода, ген — происхождение). Эти элементы: O, Si, Ti, Al, Mg, Fe, Ca, Na, K, P, H, C. Редкие Все остальные элементы относятся к редким или рассеянным элементам. Принципиальная разница между петрогенными и редкими элементами заключается в том, что петрогенные элементы определяют фазовый (минеральный) состав системы, в то время как редкие элементы входят в эти фазы в виде примесей и пассивно распределяются между существующими фазами, но не влияют на их содержание и устойчивость. У этого правила есть исключения. Так, стронций даже в небольших количествах сильно влияет на устойчивость кальцита/арагонита. С другой стороны, при появлении в системе минералов, в которых редкий элемент основной, например в случае кристаллизации циркона или монацита, такой элемент ведёт себя как петрогенный элемент.

Геохимическая классификация элементов В. И. Вернадского.

Типы межатомных связей

Учение о симметрии 32 вида симметрии кристаллов

Кристаллы кубической сингонии: 1 — куб (пирит, торианит, галенит, флюорит, перовскит); 2 — кубооктаэдр (галенит); 3 — октаэдр (золото, хромит, пикотит, магнетит, шпинель); 4 ромбододскаэдр (золото, гранат, магнетит); 5 — тетрагон-триоктаэдр (гранат, лейцит) ; 6 — комбинация двух тетраэдров (сфалерит); 7 — пентагондодекаэдр (пирит, гранат); 8 — гексаоктаэдр (алмаз); 9— двойник прорастания куба (пирит, торванит, флюорит)

Кристаллы гексагональной сингонии: - гексагональная дипирамида (кварц, корунд); 2 — комбинация призмы и дипирамиды (кварц); 3 — гексагональная призма (берилл, апатит); 4 — комбинация призмы с дипирамидой и пинакоидом (апатит)

. Кристаллы тетрагональной сингонии: 1 — тетрагональная дипирамида (анатаз, циркон, ксенотим); 2—анатаз; 3 — комбинация тетрагональной призмы с тетрагональной дипирамидой (циркон, брукит); 4 — комбинация дипирамиды и двух призм (ксенотим, рутил, циркон); 5 — комбинация двух призм с дипирамидой (везувиан, циркон); 6— комбинация двух тетрагональных призм и дипирамиды с пинакоидом (везувиан); 7 — комбинация двух призм с двумя дипирамидами (касситерит); 8 — двойник касситерита; 9, 10 — вульфенит, 11 — шеелит

Кристаллы тригональной сингонии: 1 — гематит; 2 — ильменит; 3, 4— турмалин; 5 — кристалл турмалина со штриховкой на гранях; 6 — корунд

Кристаллы ромбической сингонии: 1— ромбическая призма; 2 — ромбическая дипирамида; 3— кристалл ставролита; 4, 5 — сросшиеся кристаллы ставролита в виде крестообразных двойников; 6 — комбинация призм, дипирамиды и пинакоидов (оливин); 7 — комбинация двух призм и дипирамиды (топаз); 8 — кристалл топаза; 9, 10 — кристаллы арсенопирита; 11, 12—кристаллы андалузита; 13, 14 — колумбит-танталит; 15 — самарскит

Кристаллы моноклинной сингонии: 1 — комбинация трех пинакоидов; 2, 4 — кристаллы пироксена; 3 — комбинация призм и пинакоида (гипс, амфибол); 5, 6 — сфен; 7, 8 - монацит; 9 — вольфрамит; 10, 11 — эпидот