Минералогия Минералы и их свойства

Минералогия Минералы и их свойства

Содержание курса • ИСТОРИЯ МИНЕРАЛОГИИ • ГЛАВНЫЕ СВОЙСТВА МИНЕРАЛОВ • Структура • ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ (МОРФОЛОГИЧЕСКАЯ) КРИСТАЛЛОГРАФИЯ • КРИСТАЛЛОХИМИЯ • ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА как, МИНЕРАЛОВ • Блеск • Цвет • Спайность • Твердость • Плотность • КЛАССИФИКАЦИЯ МИНЕРАЛОВ • ПРОИСХОЖДЕНИЕ И УСЛОВИЯ НАХОЖДЕНИЯ МИНЕРАЛОВ

Формулировка понятия минералл • Минералы – твердые природные образования, входящие в состав горных пород Земли, Луны и некоторых других планет, а также метеоритов и астероидов

Распостраненность минераллов • По распространённости минералы можно разделить на породообразующие — составляющие основу большинства горных пород, акцессорные — часто присутствующие в горных породах, но редко слагающие больше 5 % породы, редкие, случаи нахождения которых единичны или немногочисленны, и рудные, широко представленные в рудных месторождениях.

Состояние вещества минераллов • Различают минералы явнокристаллические, аморфные — метаколлоиды (например, опал, лешат ельерит и др. ) и метамиктные минералы, имеющие внешнюю форму кристаллов, но находящиеся в аморфном, стеклоподобном состоянии.

Фазовое состояние • Минералами считаются также некоторые природные вещества, представляющие собой в обычных условиях жидкости (например, самородная ртуть, которая приходит к кристаллическому состоянию при более низкой температуре).

Определение минерала • «Минерал — это химически и физически индивидуализированный продукт природной физико химической реакции, находящийся вкристаллическом состоянии» (Годовиков А. А. , «Минералогия» , М. , «Недра» , 1983).

Химические формулы минералов • . Минералы, – довольно однородные кристаллические • Na. Cl вещества с • хлорид натрия упорядоченной • минерал галит внутренней структурой и определенным составом, который Mg, Fe) Si. O 4 • ( 2 может быть выражен –силикат соответствующей • минерал оливин химической формулой.

Структуры минералов • Поскольку для большинства минералов характерны ионные связи, их структуры можно наглядно представить в виде соприкасающихся шаров. Структуры ионных кристаллов зависят в основном от величины и знака заряда и относительных размеров ионов

Структура галита • Сумма положительных зарядов ионов равна сумме отрицательных. В хлориде натрия (Na. Cl, минерал галит) каждый ион натрия имеет заряд +1, а каждый ион хлора -1

Структура флюорита • во флюорите (фториде кальция, Ca. F 2) каждый ион кальция имеет заряд +2, а ион фтора – 1. Поэтому для сохранения общей электронейтральности ионов фтора должно быть вдвое больше, чем ионов кальция

ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ (МОРФОЛОГИЧЕСКАЯ) КРИСТАЛЛОГРАФИЯ • Кристаллическая структура является и важнейшей диагностической характеристикой минерала, и носителем заложенной в минерале генетической информации, расшифровкой которой среди прочего занимается минералогия

Элементы ограничения • Каждому минералу присуща своя кристаллическая форма, зависящая от типа связей решетки, химического состава и условий его формирования. С точки зрения геометрической кристаллографии, кристалл представляет собой многогранник. Чтобы охарактеризовать форму кристаллов, пользуются понятием элементов ограничения. Внешняя форма кристаллов слагается из трех элементов ограничения: граней (плоскостей), ребер (линии пересечения граней) и гранных углов. Формы граней, типы ребер и углов представляют большое разнообразие.

Грани кристаллов • Грани соответствуют плоским сеткам пространственной решетки. Наиболее характерными типами граней являются: тригон – равносторонний треугольник; дельта – равнобедренный треугольник; скалена – неравносторонний треугольник; тетрагон – квадрат; призматическая грань – прямоугольник; ромбоид – косоугольный неравносторонний параллелограмм; клинограм – трапецоид, не имеющий параллельных сторон; пентагон – пятиугольник и гексагон – шестиугольник. .

Ребра кристаллов • Ребра образуются на пересечении двух граней и отвечают рядам пространственной решетки. Гранные углы (вершины) располагаются на пересечении нескольких граней (трех и более). • Количество элементов ограничения связано между собой простой зависимостью: Г + В = Р + 2, где Г – число граней, В – число вершин, Р – число ребер. Возьмем, например, куб; в нем имеется 6 граней, 8 вершин и 12 ребер. Получаем: 6 + 8 = 12 + 2.

Гранные углы • Для всех кристаллов одного и того же вещества углы между соответствующими гранями одинаковы и постоянны. Этот закон постоянства гранных углов дает возможность определять минералы даже в мелких обломках кристаллов и позволяет вывести для каждого естественного кристалла идеальную форму, которая характеризует свойственный данному кристаллу тип симметрии, т. е. сочетание кристалло графических элементов. Поэтому основным методом кристаллографии является установление симметрии явлений, свойств, структуры и внешней формы кристаллов.

Простые формы • В основе учения о кристаллографических формах лежит понятие «простая форма» . Простой формой называют совокупность граней, выводящихся друг из друга при помощи элементов симметрии кристалла [5]. Так, грани гексагональной пирамиды представляют одну простую форму. Все они могут быть выведены из одной исходной грани путем ее поворотов вокруг 6 L на 60, 120, 180, 240 и 300º. Совокупности нескольких простых форм называют комбинациями. Для всех граней простой формы идеального кристалла скорости роста одинаковы. Всего имеется 47 простых форм, возможных в кристаллах.

Закрытые и открытые формы • Простые формы могут • Открытые формы являются быть закрытыми и незамкнутыми. Таковы пирамиды с бесконечно открытыми. Первые расходящимися от вершины образуют привычные гранями, пинакоид (две всем геометрические беспредельно протяженные фигуры, целиком в пространстве ограничивающие какой параллельные другу плоскости) и призмы, либо конечный объем. напоминающие Таковы, например, куб, беспредельно идущие трубы октаэдр, ромбоэдр, многоугольного сечения, скаленоэдр, ничем не ограниченные по их длине. дипирамиды.

. Форма кристалла • Реальное сочетание в природе граней открытых и закрытых простых кристаллографических форм дает кристаллу его конечный телесный объем.

Элементарная ячейка • Элементарная ячейка (наименьшее подразделение кристалла) построена из регулярно расположенных атомов, удерживаемых вместе благодаря электронным связям. Эти мельчайшие ячейки, бесконечно повторяющиеся в трехмерном пространстве, образуют кристалл. Размеры элементарных ячеек в разных минералах различны и зависят от размеров, числа и взаимного расположения атомов в пределах ячейки. Параметры ячейки выражаются в ангстремах (Å) или нанометрах (1 Å = 10– 8 см = 0, 1 нм). Составленные вместе элементарные ячейки кристалла плотно, без зазоров заполняют объем и образуют кристаллическую решетку. Кристаллы подразделяются по признаку симметрии элементарной ячейки, которая характеризуется соотношением между ее ребрами и углами

Элементы симметрии • Понятие симметрии включает в себя составные части – элементы симметрии. Сюда относятся ось симметрии, плоскость симметрии, центр симметрии, или центр инверсии. Симметрия это закономерность расположения элементов ограничения, кристалла, выражающаяся в повторяемости частей при вращения вокруг некоторой прямой линии. Эта прямая линия, при повороте вокруг которой на один и тот же угол все части кристалла симмет рично повторяются раз и n фигура совмещается сама с собой в пространстве, называется осью симметрии (обозначается буквой L).

Оси симметрии • У кристаллов при вращении вокруг оси симметрии на полный оборот одинаковые элементы ограничения (грани, ребра, углы) могут повторяться только 2, 3, 4, 6 раз. Число n, показывающее сколько раз при пово роте на 360° вокруг оси симметрии части кристалла могут совмещаться с их исходным положением, называется порядком оси симметрии и обозначается цифрой (ставится внизу справа от L, ). Соответственно этому оси будут называться осями симметрии второго, третьего, четвертого и шестого порядка, и обозначаться L: L 2, L 3, L 4 и L 6. Количество осей одного и того же порядка указывается перед буквой L: 6 L 6, 3 L 4 и т. п.

Плоскость симметрии • Плоскость симметрии мысленно проведенная плоскость, кото рая делит кристаллы на две зеркально равные части (обозначается буквой P , рис. 2). Части, на которые плоскость симметрии рассекает многогранник, относятся одна к другой, как предмет к своему изображению в зеркале. Разные кристаллы имеют различное количество плоскостей симметрии, которое ставится перед буквой Р. Наибольшее количество таких плоскостей у природных кристаллов кубической формы – девять 9 Р. В кристалле серы насчитывается 3 Р, а у гипса только одна. В некоторых кристаллах может быть несколько плоскостей симметрии, а других вообще отсутствовать.

ЦЕНТР СИММЕТРИИ

• Совокупность всех элементов симметрии, которыми обладает данный кристалл называется Степенью симметрии. • Перечень всех элементов симметрии кристалла, записанный в виде их символов, называется кристаллографической формулой. Для куба формула имеет вид: 9 P, 3 L 4, 4 L 3, 6 L 2, C.

• в природе может существовать только 32 сочетания, или, как принято говорить, 32 класса (вида) симметрии. Класс объединяет группу кристаллов с одинаковой степенью симметрии. Классы симметрии объединены в семь кристаллографических систем или сингоний.

рентгеноструктурн. ЫЙ анализ • При помощи рентгеноструктурного анализа определяют размеры элементарной ячейки минерала, его сингонию, класс симметрии и пространственную группу, а также расшифровывают кристаллическую структуру, т. е. взаимное расположение в трехмерном пространстве атомов, составляющих элементарную ячейку.

Сингонии • Сингонией называется группа классов (видов) симметрии, обладающих одним или несколькими элементами симметрии при одинаковом числе единичных направлений. Сингонии в порядке возрастания степени симметричности располагаются в следующем порядке: триклинная, моноклинная, ромбическая, тригональная, тетрагональная, гексаго нальная, кубическая. Сингонии в свою очередь группируются в три категории; низшую, среднюю, высшую.

Формулы, характеризующие различные виды симметрии, типы сингоний и категории Категории Тип сингонии Формула в символике Браве Низшая Триклинная L 1; C Моноклинная Р; L 2 PC Ромбическая L 22 P; 3 L 23 PC Средняя Тригональная L 3; L 3 C; L 33 P; L 33 L 23 PC; Тетрагональная L 4; L 4 PC; L 44 P; L 44 L 25 PC; Li 4; Li 42 L 22 P Гексагональная Li 6=L 3 P; Li 63 L 23 P=L 33 L 24 P; L 6 PC; L 66 P; L 66 L 27 PC Высшая Кубическая 4 L 33 L 2; 4 L 33 L 23 PC; 4 L 33 L 2(3 Li 4)6 P; 3 L 44 L 36 L 2; 3 L 44 L 36 L 29 PC

Природные выделения минералов • Минералы, представленные отдельными хорошо ограненными кристаллами, редки. • Гораздо чаще они встречаются в виде неправильных зерен или кристаллических агрегатов.

Гроздьевидные агрегаты • Псиломелан • Химический состав. Сильно варьирует; окись марганца (Мп. О) 8— 25%, двуокись марганца (Мп. Оз) 60— 80%, вода (На. О) 4— 6%.

Пластинчатые агрегаты • БАРИТ, сульфат бария, Ba. SO 4 образует удлиненные и уплощенные призматические кристаллы и друзы, встречаются также характерные кристаллические сростки, баритовые розы – радиальные агрегаты, состоящие из таблитчатых кристаллов

Радиально лучистые агрегаты • Кавансит открыт в США, шт. Орегон, где его зеленовато голубые радиально лучистые агрегаты вместе с цеолитами выполняли трещины в базальтах. Минерал похож на бирюзу, используется как поделочный камень. •

Волокнистые агрегаты • Асбест группа волокнистых минералов которые по химическому составу относятся к гидросиликатам. Различают два основных типа асбеста: серпентин асбест и амфибол асбест. Серпентин – весьма распространенный минерал, его волокнистая форма – хризотил (Mg, Fe)6[Si 4 O 10](OH)6 с примесями Cr 2 O 3, Ni. O, Mn. O, Co. O, Са. О, Al 2 O 3.

Колломорфные агрегаты • малахит Химический состав — содержание (в %): . Cu. O — 71, 9; CO 2— 19, 9; Н 2 O— 8, 2 Чаще всего наблюдается в виде корочек, сферокристаллов, натечных почковидных агрегатов радиально лучистого, параллельно шестоватого и зонально концентрического строения

Натечные образования • Арагонит • Химический состав — содержание (в %): Са. О — 56; СО 2 — 44; отмечаются примеси стронция, магния, железа.

Видовое разнообразие • На сегодняшний • Ежегодно день известно открывают более 4 тысяч несколько видов минералов. десятков новых минеральных видов и несколько «закрывают» как не существующие

Классификация минералов • Существует много • . Вещества одного вариантов химического типа часто классификаций имеют близкую минералов. структуру, поэтому Большинство из них минералы сначала построено по структурно делятся на классы по химическому принципу. химическому составу, а затем на подклассы по структурным признакам.

Принципы классификации минералов • Существует много • Вещества одного вариантов химического типа классификаций часто имеют минералов. близкую структуру, Большинство из них поэтому минералы построено по сначала делятся на структурно классы по химическому принципу. составу, а затем на подклассы по структурным признакам

современная классификация минералов • I. Раздел Самородные элементы и интерметаллические соединения • II. Раздел Сульфиды, сульфосоли и им подобные соединения • 1. класс Сульфиды и им подобные соединения • 2. класс Сульфосоли • III. Раздел Галоидные соединения (Галогениды) • 1. класс Фториды • 2. класс Хлориды, бромиды и иодиды • IV. Раздел Окислы (оксиды) • 1. класс Простые и сложные окислы • 2. класс Гидроокислы или окислы, содержащие гидроксил

современная классификация минералов • V. Раздел Кислородные соли (оксисоли) • 1. класс Нитраты • 2. класс Карбонаты • 3. класс Сульфаты • 4. класс Хроматы • 5. Класс Вольфраматы и молибдаты • 6. Класс Фосфаты, арсенаты и ванадаты • 7. Класс Бораты • 8. Класс Силикаты – А. Островные силикаты. – Б. Цепочечные силикаты. – В. Ленточные силикаты. – Г. Слоистые силикаты. • Д. Каркасные силикаты

Доминирующие на Земле минералы • . Наиболее широко на Земле распространены кислород и кремний (кларковое число: O 470000 (Виноградов, 1962), 472500 (Ведеполь, 1967); Si 295000 (Виноградов, 1962), 305400 (Ведеполь, 1967). Соответственно, подавляющее большинство минералов является силикатами. С другой стороны, некоторые элементы так рассеяны, что никогда не образуют собственных минералов и лишь входят в структуру некоторых минералов в виде примесей.

• Кальцит — минерал Ca. CO 3 из группы карбонатов, одна из природных форм карбоната кальция. Исключительно широко распространен на поверхности Земли, породообразующий минерал. Кальцитом сложены известняки, меловые породы, мергели

• Анапаит . Химический состав — содержание (в %): Са. О — 26— 28; P 2 O 5— 36; Fe. O — 17 – 20; H 2 O— 18 Агрегаты — Таблитчатые кристаллы, также в виде розеткоподобных агрегатов или корок почти параллельных кристаллов

• Кремень

Гидроксиапофиллит с гиролитом

Барит. Сферолит (2, 5 см ) в раковине

• Калиевая селитра