Мінерали, їх класифікація та структура
Зміст
Введение
Визначення та класифікація мінералів
Загальна характеристика
Структура мінералів
Мінерали у Сонячній системі
Генезис. Біогенні мінерали
Антропогенні мінерали
Класифікація мінералів за хімічним складом
Хімічні властивості
Література
Введение
Мінера́л (від пізньолат.
minera - руда, рудна жила, рудник) - природна речовина, що утворилась під час
геологічних процесів в земній корі або за еквівалентних процесів на інших
космічних тілах у Всесвіті [1]. Достатньою умовою для називання речовини мінералом
є офіційне визнання IMA. Типовим прикладом мінералів можуть слугувати складові
частини гірської породи граніту: польовий шпат мікроклін K (AlSi3O8), кварц
SiO2, слюда мусковіт KAl2 (AlSi3O10) (OH) 2. Число відкритих мінералів зростає
з року в рік і нині перевищують 4000. Наука, що вивчає мінерали зветься
мінералогією.
У вузькому значенні, мінерал - природна хімічна
сполука кристалічної будови, що утворюється внаслідок прояву геологічного
процесу. Ця дефініція є найбільш визнаною й охоплює передусім типові
(обов'язкові, прямі) природні об'єкти, які є складовими частинами гірських
порід, руд і утворились внаслідок прояву геологічних процесів на (в) Землі або
інших космічних тілах.
У широкому розумінні поняття, до мінералів
зараховують також рідини - нафту, мінеральну воду та природний газ.
Визначення
та класифікація мінералів
До мінералів належать тверді тіла кристалічної
будови, що мають природне походження та характеризуються однорідною структурою
і певним хімічним складом. За визначенням Міжнародної Мінералогічної Асоціації
(1995), мінерал - це хімічний елемент або сполука зазвичай кристалічної будови,
утворена в результаті геологічних процесів. Згідно з таким визначенням,
речовини біологічного походження не належать до мінералів:
"Речовини біологічного походження - це
хімічні сполуки, утворені внаслідок винятково біологічних процесів, що не
містять геологічного компоненту (наприклад, уроліти, кристали солей щавелевої
кислоти, мушлі морських молюсків тощо) та не є мінералами. Проте якщо сполука
утворена за участі деякого геологічного процесу, то вона може бути
мінералом".
Не всі дослідники дотримуються цього правила
винятку; зокрема Ловенстем (1981) стверджує, що "живі організми здатні
утворювати цілий ряд мінералів, чимало з яких не виникають у біосфері
неорганічним шляхом".
Таке розходження швидше стосується питання
класифікації, ніж самого складу мінералів. Скіннер (2005) вважає, що усі тверді
тіла є потенціальними мінералами, й зараховує біомінерали, тобто сполуки,
утворені у процесі обміну речовин живих організмів, до мінералів. Це включення
мінералів біологічного походження вимагає розширення визначення мінералу як
"елементу чи сполуки аморфної або кристалічної будови, утвореної внаслідок
біогеохімічних процесів".
Поняття "мінерал" виникло давно й з
того часу безперервно змінюється відповідно до зміни змісту мінералогії. На
початковому етапі її розвитку термін "мінерал" був синонімом терміна
"копалина" й охоплював власне мінерали (в сучасному розумінні),
гірські породи, руди та скам'янілості.
У 1765 році Нікола Лемері власною працею
"Загальна хімія" розділив усі відомі на той час речовини на
мінеральні, рослинні та тваринні, а у 1820-1830-х роках Берцеліус протиставив
одну одній органічну та неорганічну ("мінеральну") хімію. Саме через
це побутове вживання прикметника мінеральний (наприклад, мінеральні води, солі,
барвники) не відповідає сучасному науковому визначенню "мінерал".
Загальна
характеристика
Поштовий блок марок "Мінерали України",
2009 рік
Нині мінералогія досягла такого консолідованого стану
розвитку, що чітко окреслилося коло її об'єктів дослідження, якими стали
мінерали-кристали будь-якої форми. Отже, основна сутність мінералу -
кристалічний стан, обумовлений закономірним розташуванням будівельних частинок
(атомів, йонів, молекул) у просторі й підпорядкований законам симетрії. Відтак,
некристалічні (тверді) природні утворення (речовини з аморфним, метаміктним,
інколи колоїдним станом) не є мінералами. Їх рекомендовано віднести до іншої
множини сполук - мінералоїдів. Однак останні є повнокровними об'єктами
мінералогії або суміжних наук, оскільки генетично й парагенетично пов'язані з
мінералами.
Нетрадиційними об'єктами дослідження в
мінералогії є хімічні сполуки кристалічної структури, які штучно отримує
(синтезує) людина; сполуки, що виникають внаслідок перетворення, часто
довільного, техногенних продуктів - териконів шахт, відходів підприємств,
атомних електростанцій тощо, а також каміння, що утворюється в організмі людей,
тварин, рослин. Всі ці сполуки є назагал другорядними об'єктами мінералогії й
їх доцільно відповідно називати так: штучні мінерали, техногенні мінерали,
біомінерали.
Мінерали існують в природі поодиноко у вигляді
мінеральних індивидів (кристалів-багатогранників або кристалів-зерен) або, що
буває значно частіше, утворюють між собою зростки агрегати (мономінеральні або
полімінеральні). Останні переважають. Зростки бувають закономірні та випадкові.
Мінеральні індивіди складають всі камені (гірські породи, руди), тобто
складають весь мінеральний світ подібно індивідам-організмам, які складають
світ тварин і рослин. У природі існує величезна кількість мінеральних
індивідів, які своїм існуванням фіксують дискретність мінерального світу, є
одиничними об'єктами мінералогії та являють собою конкретну форму існування
мінеральних видів.
Структура
мінералів
Зональна будова - внутрішня будова кристалів,
зумовлена чергуванням у них шарів різного складу, або різних властивостей.
Залежить від зовнішньої форми кристалів та умов росту.
Мінерали
у Сонячній системі
Мінеральний склад земної кори у відсотках за
Булахом А.Г., 1996. [6]
Через неоднорідність елементного складу Сонячної
системи на момент формування планет, існує певна диференціація елементного, а
отже й мінерального складу планет. Дальні планети збагачені легкими елементами,
внутрішні планети - важкими. Найпоширеніші мінерали на планетах земної групи:
силікати та алюмосилікати магнію, заліза,
кальцію, натрію, калію;
карбонати кальцію та магнію.
мінерал біогенний антропогенний кристалічний
Поверхня планет земної групи вкрита гірськими
породами, що утворені з польових шпатів, піроксенів, олівінів. Відомо 85 видів
мінералів зібраних на поверхні Місяця та доставлених на Землю американськими та
радянськими експедиціями. На поверхні Марса відомі виходи базальтових та
андезитових лав, поклади титаномагнетиту, маггеміту, нонтроніту, сульфатів
заліза та магнію. У метеоритах окрім олівінів, піроксенів, плагіоклазів також
дуже поширеними є мінерали заліза, теніт та ферит. Загалом описано 175
мінералів у складі метеоритів. На поверхні дальніх планет гігантів та
карликових планет пояса Койпера установлено існування лише легких твердих фаз
кристалічних вуглекисню CO2, води H2O, сірки S та метану CH4.
Генезис.
Біогенні мінерали
Кальцит
Біогенні мінерали за походженням розподіляються
на 3 типи кристалічних хімічних сполук, утворені в результаті участі живих
організмів в геохімічних процесах (придонні накопичення продуктів метаболізму
мікроорганізмів в мулах, утворення хімічно чистої сірки в глинах та вапняках
над родовищами нафти під час бактеріальної переробки дифундуючих сірководня та
оксидів сірки).
утворені в результаті геохімічних процесів за
участю виведених продуктів метаболізму живих організмів (накопичення фосфоритів
(головний мінерал апатит Ca5 (PO4) 3 (OH)) у карстових печерах на екскрементах
летючих мишей або на океанічних островах на екскрементах морських птахів за
участі кальцію з вапняків).
кристалічні речовини твердих тканин живих організмів
(кальцит у покладах крейдового періоду походить з мушель амонітів, кістяків
коралів тощо).
Апатит
У складі живих організмів існують
органо-мінеральні агрегати побудовані у комплексі орієнтованих кристалів та
білкових наповнювачів. [7] Наприклад, головним мінералом твердих тканин людини
є апатит, а кожне волокно його кісткової тканини складається з ланцюжка дрібних
подовжених (до 100 нм) призматичних кристалів цього мінералу, оточених білком
конхіаліном. У тканинах немовляти частина фосфатів аморфна, частина
кристалізована, а білкова частка кісток становить понад 30%, тому й кістки у
молодому віці досить м'які та гнучкі. З віком кристалізація фосфатної частини
збільшується й кістки стають крихкими. З кристалів апатиту в білковій речовині
утворені емаль й дентин зубів. Апатит в організмі має певні кристалохімічні
особливості - він збагачений вуглекислотою та водою, має менший відсотковий
вміст фосфорного ангідриду.
Антропогенні
мінерали
Антропогенні мінерали утворюються під час
хімічних реакцій у шлаках шахтних териконів, шламових хвостах
гірничо-збагачувальних комбінатів. [2] Агентом виступає вода. Такі мінерали
увійшли до мінералогічних довідників як самостійні одиниці. Від 1995 року
Комісія з нових мінералів та назв мінералів (англ.commission on New Minerals
and Mineral Names (CNMMN)) Міжнародної мінералогічної асоціації не приймає
заявок на утвердження нових антропогенних мінералів.
Класифікація мінералів
Класифікація мінералів - розподіл мінералів на
систематичні одиниці на основі їх спільних ознак (зовнішніх, геологічних,
хімічних, кристалографічних, геохімічних і кристалохімічних). В залежності від
того, яким ознакам надається перевага, класифікації мінералів поділяються на:
хімічні,
геохімічні,
геологічні,
кристалографічні,
кристалохімічні,
за зовнішніми ознаками.
Найсучаснішою є кристалохімічна класифікація, в
основу якої покладено взаємозв'язок між хімічним складом і будовою мінералів, а
також їх властивостями і морфологічними особливостями. За цими ознаками всі
мінерали поділяють на типи, класи, підкласи, відділи і групи.
Класифікація
мінералів за хімічним складом
За хімічним складом виділяють наступну
класифікацію мінералів:. Самородні елементи (складаються з одного хімічного
елемента)
графить, З
сірка, S
золото, Au. Сульфіди
. пірит, Fe2
. халькопірит, CuFe2 (мідний колчедан)
. галеніт, Pb (свинцевий блиск)
. сфалерит, Zn (цинкова обмотка)
. молібденіт, Mo2 (молібденовий блиск)
. кіновар, Hg. Галогениди
. галіт, NaCl
. сільвін, KCl (калійна сіль)
. флюорит, Ca2 (плавиковий шпат). Окисли і
гідроокисли
. кварц, Si2
. обпа, Si2*n2O
. гематит, Fe2O3
. магнітить, Fe3O4 (магнітний залізняк)
. лимоніт, Fe2O3*n2O
. боксит, Al2O3*n2O. Карбонати
. кальцит, CaCO3 (вапняний шпат)
. доломить, CaMg (CO3) (гіркий шпат)
. сидерит, FeCO3 (залізний шпат)
. малахіт, CuCO3* *Cu (OH) 2. Сульфати
. гіпс (легкий шпат), CaSO4 * * 2H2O
. ангідрит, CaSO4
. барит, BaSO4
. мірабіліт, Na2SO4 10H2O. Фосфати
. апатит, Ca5 (Cl,F) * * [PO4] 3
. фосфорит,. Силікати
. олівін (перідот), (Mg,Fe) 2 Si4
. топаз, Al2 (Fe,OH) 2 * * Si4
. рогова обманка, (Ca,Na) 2 (Mg,FeMn, Al [OH] 2 [
(Si,Al) 4O11] 2
. берил, Be3Al2 (Si6O18)
турмалін
. тальк, Mg3 (OH) 2 [Si4O10] чи 3Mg 4Si2 H2O
. мусковіт, KAl2 (OH) 2 [AlSi3O10] чи K2O 3Al2O3
6Si2 2H2O
. біотит, K (Mg,Fe) 3 (OH,F) 2 [AlSi3O10] чи K2O
6 (Mg,Fe) O Al2O3 6Si2 2H2O
. каолініт, Al4 (OH) 8 [Si4O10] чи Al2O3 Si2 2H2O
. альбіт, Na [AlSi3O8] чи Na2O Al2O3 6Si2
. ортоклаз, K [AlSi3O8] чи K2O Al2O3 6Si2
. мікроклін. Вуглеводні
. янтар, C10H16 O4
Фізичні
властивості мінералів
Кожний мінерал має певний хімічний склад і
характерну для нього внутрішню будову, від якої залежать його зовнішня форма та
фізичні властивості.
Розрізнюють такі зовнішні (макроскопічні) фізичні
властивості мінералів: колір, колір риски, прозорість, блиск, спайність, злом,
твердість, розчинення у кислотах, смак, запах, щільність.
К о л і р. Майже всі мінерали забарвлені в той чи
інший колір. Багато з них названі за цією ознакою. Наприклад, гематит (від
грецького "гематікос" - кривавий), альбіт (від латинського
"альбіус" - білий), рубін (від латинського "рубер" -
червоний).
Для характеристики кольору та його відтінків
використовують такі терміни: білий, чорний, сірий, бурий, червоний, жовтий,
зелений, синій. Такі назви, як оранжевий, рожевий, блакитний застосовуються для
уточнення відтінків, наприклад, оранжево-жовтий, блакитно-білий та ін.
Для назв відтінків уживають префікси темно-,
світло - та ін., а для мінералів з металевим блиском обов’язково як префікс
використовують назву металу (наприклад, мідно-червоний, золотисто-, латунно-,
бронзово-жовтий, свинцево - або сталево-сірий, залізо - чорний та ін.).
Крім основного забарвлення, мінерали інколи мають
додаткові відтінки - мінливість, обумовлену явищем інтерференції світла на поверхні
мінералів внаслідок різних реакцій при вивітрюванні.
Колір риски. Багато мінералів у
дрібно-роздрібненому стані (порошку) мають зовсім інший колір, так званий колір
риски (або просто - риска). Це важлива діагностична ознака мінералу. Для
визначення кольору риски нема потреби роздрібнювати мінерал, а досить провести
ним по неглазурованій фарфоровій пластинці. Для xapaктеристики риски вживаються
такі ж терміни, як і для кольору.
Прозорість. Це здатність мінералів пропускати
світло. Розрізняють прозорі (гірський кришталь, ісландський шпат та ін.),
напівпрозорі (халцедон, опал та ін.) і непрозорі (графіт, пірит та ін.). Багато
мінералів у тонких пластинках просвічуються, наприклад, біотит.
Блиск. Це здатність мінералів відбивали світло
(залежить від кількості відбитого світла).
За цією властивістю мінерали розподіляють на дві
великі групи: з металевим та неметалевим блиском.
Металевий блиск - це блиск свіжого злому металу.
Решта - неметалеві. Відрізняють блиск алмазний - дуже сильний, відбиває багато
світла; дзеркальний - блиск дзеркала; скляний - блиск поверхні скла;
шовковистий - при паралельно-волокнистій будові; жирний - поверхня мінералу
наче намазана жиром; перламутровий - колір інтерференції. Багато мінералів не
мають блиску і є матовими.
Спайність. Це здатність мінералів розколюватись
при ударі в окремих кристалографічних напрямках з утворенням гладких або
дзеркальних поверхонь - поверхонь спайності.
Спайність притаманна тільки кристалічним
мінералам і відсутня у монокристалів. Напрямок площин спайності не випадковий і
відповідає напрямкам найбільш щільних кристалічних решіток. Спайність може
спостерігатись в одному, двох, трьох, чотирьох і навіть шести напрямках. Слід
розрізняти площини спайності від граней кристалу. Наприклад, у кварці спайність
відсутня, хоч він і зустрічається часто у формі кристалів із гладкими
поверхнями.
Фізично спайність обумовлена тим, що зовнішні
зв'язки між кристалами значно слабші від внутрішніх структурних зв'язків між
елементарними частинками.
Розрізняють такі види спайності:
а) дуже досконала - мінерал легко розколюється за
визначеним напрямком на окремі пластинки, листочки або лусочки (слюда, графіт,
гіпс та ін.);
б) досконала - при ударі мінерал розколюється
рівними, гладенькими площинами на уламки, які нагадують первинні кристали
(галіт, кальцит та ін.);
в) недосконала - розпізнається важко на уламках
мінералу. Значна частина уламків обмежена неправильними поверхнями (апатит,
берил та ін.).
г) спайність відсутня. При ударі мінерал
розколюється у випадкових напрямках із неправильними поверхнями злому (кварц,
лімоніт та ін.).
Злом. Для визначення деяких мінералів доброю
діагностичною ознакою є злом - випадковий напрямок розколу мінералу. За певним
характером поверхні, яка утворюється при розколі мінералу, виділяють такі типи
злому:
а) рівний, ступінчастий, характерний для
мінералів із спайністю;
б) раковистий (опал, халцедон та ін.), який
нагадує внутрішню поверхню черепашки;
в) занозливий (рогова обманка, гіпс та ін.) -
притаманний мінералам із волокнистою або голкуватою будовою;
г) землистий (каолініт та ін.) - характерний для
землистих мінералів;
д) зернистий - мають мінерали зернистої будови.
Твердість. Це здатність мінералів чинити опір
механічним зусиллям, які роз'єднують його частинки. Ступінь твердості мінералів
визначається приблизно в порівнянні з твердістю еталонних мінералів за шкалою
Ф. Мооса, табл.2.2.
Для визначення твердості мінералів у лабораторних
умовах користуються підручними предметами, твердість яких відома: м'який
олівець - 1, ніготь - 2,5; мідна монета - 3-4; скло - 5-5,5; лезо бритви - 5-6;
терпуг - 7.
Скло дряпає всі мінерали з твердістю менше 5, а
мінерали з твердістю більше 5 самі дряпають скло. Цими підручними засобами
можна визначити твердість більшості мінералів, оскільки мінерали з твердістю
більше 6 зустрічаються порівняно рідко.
Розчинення у кислотах. Усі мінерали класу
карбонатів (кальцит, малахіт та ін.) реагують із соляною кислотою з виділенням
вуглекислого газу, бульбочки якого створюють враження кипіння кислоти. Деякі
мінерали цього класу розчиняються в роздрібненому стані (доломіт) або при
підігріванні (магнезит). Для визначення мінералів застосовується 10% розчин
соляної кислоти, крапля якого за допомогою скляної палички або крапельниці
наноситься на поверхню зразка або на порошок.
Смак, запах. Усі мінерали, які розчиняються у
воді, мають певний смак. Так, галіт - солоний, сильвін - гірко-солоний. Деякі
мінерали при терті один об один мають характерний запах. Так, при терті
желваків фосфориту з'являється запах горілої шкіри; запах сірчаного газу
характерний для піриту та сірки.
Щільність. Ця властивість мінералів змінюється в
широких межах - від значення менше 1 (гази, бітуми) до 23 г/см3 (група
осьмистого іридію). У ряді випадків щільність є доброю діагностичною ознакою,
навіть виважуючи мінерали на долоні, можна приблизно визначити їх щільність. За
щільністю всі мінерали розподіляють: на легкі - із щільністю до 2,0 г/см3,
середні - від 2 до 4 г/см3, важкі - більше 4 г/см3.
Особливі властивості. Деякі мінерали володіють
тільки їм притаманними властивостями, які є добрими діагностичними ознаками цих
мінералів. Так, один із різновидів кальциту - ісландський шпат має подвійне
променезаломлення; у лабрадора при обертанні на площинах спайності
спостерігається гра кольорів у фіолетово-синювато-зелених тонах; флюорит навіть
у невеличкому зразку може бути забарвлений у різні кольори; графіт залишає слід
на папері; глинисті мінерали, наприклад, каолін - жирний на дотик; халцедон
просвічується на краях і т.д.
Класифікація мінералів. Уся різноманітність
мінералів підрозділяється на групи, які поєднують за спільними ознаками. У
науковій мінералогії загальноприйнято класифікувати мінерали перш за все за
хімічним складом.
Хімічні
властивості
Основними хімічними властивостями мінералів є їх
розчинність у воді та взаємодія з кислотами (найчастіше з хлоридною HCl).
Мінерал як твердий розчин
Алмаз
Графіт
Кожен мінерал характеризується своєю
кристалохімічною неповторністю, тобто унікальним поєднанням хімічного складу і
кристалічної структури, тому різні мінерали можуть мати однаковий хімічний
склад, але різну структуру (поліморфізм кристалів). [8] Алмаз і графіт - це дві
алотропні кристалічні модифікації вуглецю, а кальцит і арагоніт - дві різні
модифікації карбонату кальцію CaCO3. Навпаки дві різних за складом, але
однакових за кристалічною структурою (ізоструктурні) речовини - це різні
мінерали (магнезит MgCO3 та сидерит FeCO3; корунд Al2O3 і есколаіт Cr2O3).
Ізоструктурні речовини в природі часто утворюють тверді розчини, кристали
мішаного складу. Усі мінерали в природі є твердими розчинами, що
характеризуються змінним хімічним складом, не існує ідеально хімічно чистих
мінералів. [2] Комісія з нових мінералів та їх назв трактує мінерал як суміш
ідеально хімічно чистих подібних одна до одної сполук, однакової кристалічної
структури і рекомендує називати мінерали за компонентом, що кількісно переважає
у складі (рубін (Al1,9Cr0,1) O3 це лише корунд Al2O3). [2]
Ізоморфізм - це властивість речовин, аналогічних
за хімічним складом, подібних за будовою і близьких за розмірами елементарних
комірок, кристалізуватися в однакових формах. В мінералогії під цим часто
розуміється явище заміни часток в кристалі, що вибудовується, однієї речовини
на частки іншої ізоморфної речовини. [9] Таким шляхом утворюється, наприклад,
магнезит мішаного складу (Mg, Fe) CO3. У конкретних випадках встановленого
точного вмісту заліза формули зиписуються як (Mg0,8Fe0,2) CO3, (Mg0,65Fe0,35)
CO3. В природі явище ізоморфізму часто супроводжується додатковим виникненням:
вакансій (незайнятих вузлів у кристалічній ґратці). Наприклад, природний
моносульфід заліза мінерал піротин має теоретичну формулу FeS, але в реальності
завжди відзначається дефіцит заліза. Це відбувається за рахунок того, що при
зростанні кристалів піротина частина іонів Fe2+ зазмінюється іонами Fe3+ за
схемою:
Fe3+ + вакансія → 3Fe2+
У результаті формули різних проб можуть мати
вигляд Fe0,89S, Fe0,91S. [2]
міжвузлових часток (атомів, електронів). Інколи в
флюориті CaF2 присутня ізоморфна домішка Y3+. Атом ітрію займає позицію Ca2+,
одночасно інтродукується іон F - за схемою:
Аметист+ → Y3+ + F-
Загальна формула флюориту записується як
(Ca1-xYx) F2+x. [2]
Цитрин
Таким чином стехіометричний склад мінералів
порушується.
Різні грані кристала володіють різною
адсорбційної здатністю, що призводить до відмінностей хімічного складу та
властивостей кристала в різних його частинах (блакитно-жовті в різних частинах
топази). Також винно-жовтий цитрин і фіолетово-ліловий аметист - це лише два
різновиди кварцу SiO2, що різняться характером хімічних мікродомішок, а від
того й кольором. Коли кристали мінералу мішаного складу проростають у мінливих
умовах, вони часто мають зональну будову (багатобарвні турмаліни з
Мадагаскару).
Література
1. Мала
гірнича енциклопедія. В 3-х т. / За ред.В.С. Білецького. - Донецьк: Донбас,
2004. - ISBN 966-7804-14-3.
2. Лазаренко
Є.К. Курс мінералогії. К., Вища школа, 1970.
. Лазаренко
Є.К., Винар О.М. Мінералогічний словник, К.: Наукова думка. - 1975. - 774 с.
4. https: // uk. wikipedia.org/wiki/Мінерал <https://uk.wikipedia.org/wiki/Мінерал>
5. http://posibnyky. vntu.edu.ua/geologiya/2.2 htm